《开关电源概论》word版.doc

第一章 开关电源概论1.1 开关电源的特点自20世纪50年代美国宇航局在火箭发射首次使用开关电源以来，开关电源（Switching Mode Power Supply；SMPS）经历了半个多世纪的发展，然而，现代开关电源由荷兰人罗乃第（Neti R.M. Rao）于1970年开发研究出来。而早期一般都使用传统的线性稳压电源（Linear Power Supply）。由表1.1开关电源与线性稳压电源的性能比较可知，虽然线性稳压电源具有较小的纹波，较高的可靠性，以及没有电磁干扰的产生。然而它却具有如下的缺点：（1） 效率低。（2） 体积大且笨重。至于目前所使用的开关电源，则具有如下优点：（1） 效率高。（2） 重量轻。（3） 体积小。（4） 输入电压宽。虽然开关电源有前述的的各种优点，但却有如下的一些缺点：（1） 有较大的纹波。（2） 有电磁干扰的产生。这是由于开关电源工作在较高的频率（20kHz200kHz），而且电路以开关方式工作，因此会在输入与输出产生较大的脉冲电流，这是电磁干扰产生的主要来源。 表1.1 开关电源与线性稳压电源的性能比较项 目开关电源线性稳压电源效 率高（60%）低（30%50%）尺 寸小大重 量轻重电 路较复杂简单稳 定 性普通高纹 波大小动 态 响 应普通快成 本普通高电 磁 干 扰大小输入电压范围较大较小可 靠 性普通高1.2 开关变换器与开关电源按电力电子的习惯，AC/DC称为整流，DC/AC称为逆变，AC/AC称为变频，DC/DC称为直流变换。为达到转换目的，手段多种多样。七十年代前，研发了半导体器件，并用这些器件实现这些变换。所以，从广义上讲，凡用功率半导体器件作为开关，将一种电源形态转换成另一种电源形态的电路叫开关变换器电路。带有自动控制的闭环系统并有保护功能的转换则称为开关电源。开关电源的主要组成部分是DC/DC变换器，因为它是转换的核心，涉及频率与电压的变换。1.3 DC/DC变换器的分类一类是硬开关。电子开关在承受电压或电流的情况下接通或断开电路，因此在接通和关断的过程中会产生较大的损耗，即所谓的开关损耗。凡是使用脉宽调制方式控制电子开关的变换器，称为PWM开关变换器。它是以使用硬开关为基本特征。另一类电子开关称为软开关。凡使用控制方法使电子开关在其两端电压为零时导通电流，或在流过电子开关的电流为零时关断，此类开关称为软开关。软开关的开通关断损耗理论值为零。这是二十世纪八十年代发展的新方法，这种开关方式显著地减少了开关损耗，可以大幅度地提高开关频率，开关频率可达到兆赫级，开关电源体积与重量显著减小。为了满足电子开关上电压或电流为零的条件，可以采用谐振的方法。在电子学中，谐振分串联谐振与并联谐振。串联谐振就是指正弦电压加在理想的电感和电容串联电路上。当正弦频率为某一值时，容抗与感抗相等，电路的阻抗为零，电路电流达到无穷大；如果正弦电压加在电感和电容并联电路上，当正弦电压频率为某一值时，电路的总导纳为零，电感电容上电压为无穷大，这就是并联谐振。在开关电源电路中加的不是正弦电压，而是直流电压。直流电压加在串联的LC时，电路中电流按正弦规律无阻尼振荡，其频率即是电路的谐振频率。利用谐振现象，电子开关两端的电压按正弦规律振荡，当振荡到零时，使电子开关导通流过电流，此称为零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS）。同理当流过电子开关的电流振荡到零时，使电子开关断开，称为零电流关断（Zero Current Switching，ZCS）。利用谐振现象，使电子开关上的电压或电流按正弦规律变化，以创造零电压开通或零电流关断的条件，以这种技术为主导的变换器称为谐振变换器。可分为串联和并联谐振变换器两种。如果在桥式变换器桥的输出端为串联LC网络，再接变压器原边绕组，称为串联谐振变换器。在桥式变换器串联LC网络的电容两端并联变压器原边绕组，称为并联谐振变换器。由于正向和反向LC回路值不一样，振荡频率不同，电流幅值也不样，所以振荡不对称。一般正向正弦半波大于负向正弦半波，所以称为准谐振。无论是串联LC还是并联LC都会产生准谐振。利用准谐振现象，使电子开关上的电压或电流按正弦规律变化，以创造零电压开通或零电流关断的条件，以这种技术为主导的变换器称为准谐振变换器。在单端半桥或全桥变换器中，利用寄生电容和电感或外加谐振电感和电容，可得到相应的准谐振变换器。为保持输出电压不随输入电压变化而变化，不随负载变化而变化，谐振和准谐振变换器主要靠调整开关频率，所以是调频系统。调频系统不如PWM开关那样易控，加上谐振准谐振电路电压峰值高，开关受的应力大。从上面所述，DC/DC可分成PWM式谐振式和它们的结合方式。每一种方式中从输入与输出之间是否有变压器隔离，可以分成隔离式，非隔离式两类。每一类中又有六种拓扑：BuckBoostBuck-BoostCukSepic和Zeta。由此可见DC/DC基本电路就不胜其数了。多数电路都具有个性，有典型应用价值，也有的电路并无实用价值。以上是从电路拓扑来分类，还有从其它角度，特征来分类的。若按激励方式不同，可分为自激式和他激式两种。自激式包括单管式和推挽式变换器两种。他激式中包括调频调宽调幅谐振等几种。目前应用广泛的调宽型（PWM）包括正激式反激式半桥式和全桥式。谐振式中有串联谐振并联谐振串并联谐振等电路。若按控制信号的隔离方式不同，可分为直接式光电耦合式变压器耦合式磁放大器式等。1.4 DC/DC变换器主回路元件及其特性1.4.1 开关无论哪一种DC/DC变换器，主回路使用的元件只有电子开关、电感和电容。电子开关只是快速地导通和关断，并且实现导通与关断的快速转换。只有力求快速，使开关快速地渡过线性放大区，状态转换引起的损耗才小。目前使用的电子开关是双极型晶体管、功率场效应管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT管）。还有各种特性较好的新型大功率半导体器件，如静电感应晶闸管（SITH）和场控制晶体闸流管（MCT）。1.4.2 电感电感是开关电源中最常用的元件，由于它的电流与电压相位不同，因此理论损耗为零。常用作储能元件，也常与电容组合用作输入、输出滤波器。用于平滑电流，也称为扼流圈。其特点是流过其上的电流不能突变，否则将会产生很大的电压尖峰。电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题。应用中有允许其饱和的，有允许其从一定电流值开始进入饱和的，也有不允许饱和的。在具体电路中要注意区分。在开关电源中的电感，有一个不可忽视的问题，就是电感的绕线所引起两个寄生参数。其一是绕线电阻，这是不可避免的。其二是分布杂散电容，随绕线工艺、材料而不同。杂散电容在低频应用时影响不大，随着频率提高而渐显出来，达到某一频率时，电感就变成了电容的特性了。在分析电感在电路中工作时，不妨考虑下面几个特点：（1） 在电感L中有电流I流过时，存储有LI2；（2） 当电感L两端的电压V不变时，依V=L公式可知，忽略内阻R时，电感电流变化率为=,表明电感电流线性增加；（3） 正在储能的电感，因为能量不能瞬时突变，若切断电感在变压器原边回路时,能量绝大部分经变压器副边输出到负载，原、副边耦合中保持相同的安匝数，维持磁场不变或每匝伏.秒值不变。1.4.3 电容电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储存和传递电能的元件，但它的频率特性与电感刚好相反。应用上，主要起到平滑电压波形的作用。实际的电容并不是理想元件。电容由于有介质、接点与引出线，造成一个等效电阻。这种等效电阻在开关电源中小信号反馈控制以及输出纹波的抑制上，起着不可忽视的作用。另外，电容等效电路上有一串联的电感，它在分析电容器滤波效果时，非常重要。有时加大电容量并不能使电压波形平直，就是因为寄生电感起的副作用。电容的等效串联电阻与接点、引出线有关，也与电解液有关。温度下降，等效串联电阻（ESR）加大，导致电容寿命缩短，这是电解电容的缺点。为了改善这一点，将电解液覆盖在氧化膜表面后将其干燥，形成固体式电解质电容，即钽电容。在开关电源中的电容，工作时平均电流为零，但因充、放电流波形不同，有效电流是很大的。电容器的选择，除考虑电流的有效值外，还要考虑纹波电压和耐压的要求。