开关电源

第8章开关电源8.1.1直流稳压电源的发展直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。传统的转换方法设计制作的电源，其效率低，损耗大，温升高。加上多路电压输出，而各个电压的等级、质量要求又不相同时，使之传统的串联稳压式电源越来越难于得到解决。如图8-1所示的串联式线性稳压电源，就属此类。当今计算机及自动化设备上大多数控制电源都向低压大电流，高效率，重量轻、体积小的方向发展。在这种要求面前首先得到发展的是晶体管串联式开关稳压电源，如图8-2所示。图8-1晶体管串联式线性稳压电源图8-2晶体管串联式开关稳压电源随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢复二极管及其它元器件的电压得到很大的提高，这为取消稳压电源中的工频变压器，发展高频开关电源创造了条件。由于它不需要工频变压器，故称无工频变压器开关式直流稳压电源。它使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了一步。图8-3是无工频变压器的开关电源的方框图。图8-3无工频变压器的开关电源原理框图无工频变压器开关稳压电源，有如下的优点：1.效率高。一般在70～80%以上。2.体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。3.稳压范围广，一般交流输入80～265V，负载作大幅度变化时，性能很好。4.噪声低，声频在20kHz以上时，已是人耳听不到的超声波，而开关电源的工作频率一般都大于此频率；5.性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低压大电流、高压小电流；一个开关控制的一路输入可得到多路输出以及同号、反号等输出；6.电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、现代自动化控制设备电源转换的需要，开关电源可在几十毫秒内保证仍有电压输出。7.可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出现。无工频变压器开关稳压电源的不足之处：1.输出纹波较大，约有10～100mV的峰峰值；2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；3.控制电路比较复杂，对元器件要求高；4.动态响应时间至少要大于一个开关周期，不如串联式晶体管线性稳压电源。8.1.2用高频变压器的开关电源结构概述图8-5高频变压器开关电源基本功能框图这类电源的共同特点是具有高频变压器、直流稳压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副方是隔离的，或是部分隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。目前，用高频变压器的变换电路按其工作方式可分为五类，每类传输的功率也不相同，应用环境也稍有不同，如下所示：电路类型传输功率应用环境单端反激式变换器20～100W小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源单端正激式变换器50～200W小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源推换式变换器100～500Ｗ控制设备，计算机等电源半桥式变换器100～5000W焊机，超声电源，计算机电源等全桥式变换器500W～30kW焊机、高频感应加热，交换机等8.2DC/DC变换的开关电源对于输入与输出电压不需隔离只用一个工作开关和L、D、C组成的变换器电路最基本的为如下三种：（1）降压变换器（buckconverter）；（2）升压变换器（boostconverter）；（3）降、升压变换器（buck-boostconverter）。其原理电路如图8-6所示。图8-6无隔离的DC→DC变换电路8.2.1Buckconvertera）电路拓扑b）工作波形图8-7Buckconverter（一）在开关VT导通期间min01LinLItLUUimin0maxLoninLItLUUI（二）在开关VT截止期间max02)(LonLIttLUi1.临界连续工作状态2.电流断续的工作状态3.电流连续的工作状态(三)电感电流的平均值计算0IILmin02LoffItLU（四）输出电压纹波值的计算ononttoninindttLUUtLUUCU2/)2(1000120020)(88inSinoninUTULCUUtLCUU02U208offtCLU8.2.2Boostconvertera）电路拓扑b）工作波形图8-8Boostconverter1.在期间ontmin1LinLItLUiminmaxLoninLItLUI2.在期间offtmax02)(LoninLIttLUUi3.负载电流的平均值0ISoffninothTtLtUI204.输入电流的平均值1IonSontTtVDSLSLdtiTdtiTII01111][21minmaxLLII5.输出电压的纹波计算0UCtIuUonC00SinTUUUCI0008.2.3Buck—Boostconverter图8-9Buck—BoostconverterttininoffonααUUUUtt10002202LITtUUSoninSoffoninthTtLtUI20offSoninPKtTILtUI02SoffoninPKoninTtItUItUL0min22000)(2ininSUUUITU=图8-10Buck-Boostconverter工作波形图CtIuonc0SinTUUUCI0008.3单端功率输出的直流变换器8.3.1CW34063的工作原理图8-11CW34063的原理框图8.3.2CW34063的应用电路(一)降压式电路a）直接用于降压b）外接NPN晶体管扩流电路图8-12CW34063的降压应用电路（二）升压式电路（a）（b）a）直接升压式b）外接NPN管扩流式图8-13CW34063的Boostconverter（三）反转电路(a)(b)a）直接变换式b）外接PNP管扩流式图8-14CW34063的Buck—Boostconverter8.4单端反激式开关电源8.4.1工作原理分析（一）在开关VT导通期间：maxmin)(PPonPinonPIItLUti（二）在开关VT截止期间offPPStLUINNTi2max22)(offPonPinPtLUItLUNN20min2][图8-15单端反激式变换器单端反激式变换器也有三种工作状态：1磁通临界连续的工作情况：02UNNUuPinceoninPoninPPonPinPofftUUNNtUULLNNtULLNUNt020220220UinoffonPoffonPinPUttNNttLULNN222图8-16临界连续状态时的电压电流波形2磁通不连续的工作状态图8-17磁通不连续时的工作波形oninPofftUUNNt02)()(20max220max22onPPonttLUINNttLUIiontPinSdtiUTP011ontPSoninpinSLTtUtdtLUT022221ttSontdiUTP2001PSoninttononPPSLTtUttdttLUINNTUon2)()]([22)(020max20PSLoninLTRtUU203磁通连续的工作状况图8-18磁通连续时的工作波形)(20max22onttLUIi)()(20min2onPonPinPttLUItLUNNnUUttNNUnUUUTtinttinoffonPtinSon1200002UNNUuPince)11(1tintintinUUUinttonSSPthoninPKUPnIntTITLtUI0002)1(2)(2]21[22minPoffLSoninPLtnRTtUI（3）输入电压Uin与导通比αt的对应关系inLttinHttUUnUmaxmaxminmin011即是输入电压最高时，相应的导通比是最小，输入电压最低时，相应的导通比是最大。因此，输入电压与导通比是一一对应，相互制约的。运行中由于闭环调节，这种相互适应是自动的。但必须指出的是，由控制电路振荡器和PWM门闩电路本身固有的最大最小导通比，一定要与运行条件所需的最大最小导通比不矛盾，否则就会失调。(4)磁通复位问题PoffoninNNttUU20为了不致于出现磁路饱和每个开关周期工作磁通都能复位，因此：1.单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有气隙。2.原方绕组电流实现脉冲限流控制。（5）间歇振荡问题当电网电压升到一定值而又很大的情况下，欲维持输出电压恒定，则脉宽调制器会使脉宽减少到某一极限值时，不能再减小了，只能以最小导通比运行，但由于导通时所储存的能量没有释放回路，就有可能出现：有的振荡周期没有PWM脉冲输出，开关管不导通，有的振荡周期就很宽，变成了作周期性或非周期性的间歇振荡器，这时输出电压不稳，纹波大，变压器发出刺耳的哨叫声。克服这一问题的办法之一，也是最安全和可靠的办法是在付绕组中加一固定负载电阻（假负载），以防负载开路，这样电网电压最高，负载开路了，由于有固定的假负载，脉宽保证有一最小的宽度而不致于出现间歇振荡现象。最小的脉宽是由控制电路振荡器的最小导通比决定的。8.5单端正激式变换器图8-19正激式变换器的原理电路图图8-20正激式变压器等效电路nUTtnUUUnUUttintSonininoffon000onontfinSintfinSLdttLUUITUdtiUTP00min00][1]2[0min0onfinSonintLUUITtUmaxPPKPKIIIonpintintLUUP02PSmLoninLTKRtUU20图8-21单端正激式变换器的电压电流波形8.6半桥式变换器8.6.1工作原理图8-22半桥式变换器原理电路002UnUUttinoffontinoffononinnUtttnUU)(20onontfinSintfinSLdttLUUITUdtiUTP00min00)21(212]221[0min0onfinSonintLUUITtU00220)(2)21(2)21(nItUTPntUnUULonintSonininthfmSPLoninKTLRηtUU40图8-23半桥式变换器的工作波形图8-24串联电容半桥式变换器原理电路（a）串联电容前交流电压，斜格面积表示A1、A2的伏秒值不平衡波形（b）串联电容、变压器原边的伏秒值得到了平衡图8-25变压器原边串联电容后的工作波形8.6.2串联耦合电容C3的选择fSfLnfLnfC2222223441)1(2100mtinPKtonPKonKUPItdttItIon)1()1(30303minSontinmCKCUPTtCUKPU33CUtIC202016075.0)1(inSinmSUPTUKTP8.7全桥式变换器的开关电源图8-26全桥式变换器主电路8.7.1全桥式变换器的工作原理nUTtnUUintSonin0dttLUUITUdtiUTPfintSinfintSLonon)(10min000]2[0min0onfinSonintLUUITtUonfinoninStLUUtUPTI200min0tinoninSonfinPKUPtUPTtLUUI000220220222PKTUKPtULmStinmtoninPmSPLoninKTLRηtUU20图8-27全桥式变换器的工作波形