高频开关电源原理.doc

高频开关电源（电源技术讲座四）1：高频开关电源的组成与分类　　开关电源具有体积小、效率高等一系列优点，在各类电子产品中得到广泛的应用但由于开关电源的控制电路比较复杂、输出纹波电压较高，所以开关电源的应用也受到一定的限制　　电子装置小型轻量化的关键是供电电源的小型化，因此需要尽可能地降低电源电路中的损耗开关电源中的调整管工作于开关状态，必然存在开关损耗，而且损耗的大小随开关频率的提高而增加另一方面，开关电源中的变压器、电抗器等磁性元件及电容元件的损耗，也随频率的提高而增加　　目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十kHz；采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百kHz为提高开关频率必须采用高速开关器件对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式它可以极大地提高开关速度，原理上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化　　开关电源的集成化与小型化已成为现实然而，把功率开关管与控制电路都集成在同一芯片上，必须解决电隔离和热绝缘的问题1．1开关电源的基本构成　　开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。

开关电源的基本构成如图1所示，其中DC/DC变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路输出采样电路（R1、R2）检测输出电压变化，与基准电压Ur比较，误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的图2是一种电路实现形式　　DC/DC变换器有多种电路形式，常用的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器图1开关电源的基本构成图2开关型稳压电源的原理电路　　对于串联线性稳压电源，输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定但对于开关型稳压电源，输入的瞬态变化比较多地表现在输出端提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应问题也能得到改善负载变化瞬态响应主要由输出端LC滤波器特性决定，所以可以利用提高开关频率、降低输出滤波器LC乘积的方法来改善瞬态响应特性1．2开关型稳压电源的分类　　开关型稳压电源的电路结构有多种：　　（1）按驱动方式分，有自励式和他励式　　（2）按DC/DC变换器的工作方式分：①单端正励式和反励式、推挽式、半桥式、全桥式等；②降压型、升压型和升降压型等。

　　（3）按电路组成分，有谐振型和非谐振型　　（4）按控制方式分：①脉冲宽度调制(PWM)式；②脉冲频率调制(PFM)式；③PWM与PFM混合式　　（5）按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光电耦合式等　　以上这些方式的组合可构成多种方式的开关型稳压电源因此设计者需根据各种方式的特征进行有效地组合，制作出满足需要的高质量开关型稳压电源2开关电源常用的电路类型2．1PWM变换器　　脉冲宽度调制（PWM）变换器就是通过重复通/断开关工作方式把一种直流电压（电流）变换为高频方波电压（电流），再经过整流平波后变为另一种直流电压输出PWM变换器有功率开关管、整流二极管及滤波电路等元器件组成输入输出间需要进行电气隔离时，可采用变压器进行隔离和升降压PWM变换器的工作原理如图3所示由于开关工作频率的提高，滤波电感L，变压器T等磁性元件以及滤波电容C等都可以小型化　　对于PWM变换器，加在开关管S两端的电压us及通过S的电流is的波形近似为方波，如图4所示占空比D定义为式中：Ts——开关工作周期；　　ton——一个开关周期内导通时间；　　toff——一个开关周期内断开时间；　　对于这种变换器，有两种工作方式。

一种是保持开关工作周期Ts不变，控制开关导通时间ton的脉冲宽度调制（PWM）方式，另一种是保持导通时间ton不变，改变开关工作周期Ts的脉冲频率调制（PFM）方式图3PWM变换器的基本工作原理图4变换器开关工作的波形2．2隔离型变换器　　DC/DC变换器用于开关电源时，很多情况下要求输入与输出间进行电隔离这时必须采用变压器进行隔离，称为隔离变换器这类变换器把直流电压或电流变换为高频方波电压或电流，经变压器升压或降压后，再经整流平滑滤波变为直流电压或电流因此，这类变换器又称为逆变整流型变换器　　（1）推挽型变换器与半桥型变换器 　　推挽型变换器与半桥型变换器是典型的逆变整流型变换器，电路结构和工作波形如图5所示加在变压器一次绕阻上的电压幅度为输入电压UI，宽度为开关导通时间ton的脉冲波形，变压器二次电压经二极管V1、V2全波整流为直流图5（a）表示推挽型变换器的电路结构和工作波形，图5(b)表示半桥型变换器的电路结构和工作波形如只从输出侧滤波器来看，工作原理和降压型变换器完全相同，二次侧滤波电感用于存储能量如以图中所示的占空比来表示时，电压变换比m与降压型变换器相类似，即m=D/n式中n——变压器的匝数比，n=N1/N2；N1——为一次绕组的匝数；N2——为二次绕组的匝数。

a）推挽型          (b)半桥型图5推挽型与半桥型变换电路　　（2）正激型变换器　　正激型变换器电路如图6所示，它是采用变压器耦合的降压型变换器电路与推挽型变换器一样，加在变压器一次侧（一半）上的电压振幅为输入电压UI，宽度为开关导通时间ton的脉冲波形，变压器二次电压经二极管全波整流变为直流电压变换比为m=D/n　　对于这种变换器，开关导通时变压器存储能量，一次绕组中的励磁电流达到：式中：IM1为绕组N1的励磁电感图6正激型变换电路　　开关断开时，变压器释放能量，二极管V3和绕组N3就是为此而设，能量通过它们反馈到输入侧开关一断开，绕组N1中存储的能量转移到绕组N3中，绕组N3的励磁电流为式中：N1、N2、N3为绕组N1、N2和N3的匝数　　反馈二极管V3为导通状态时，变压器去磁绕组N3的励磁电感LM3与绕组N1电感LM1的关系为LM3释放能量所需要的时间可由下式求出：为防止变压器饱和，在开关断开期间内变压器必须全部消磁，则tre≤(1－D)Ts　　(3)隔离型CuK变换器　　隔离型CuK变换器电路如图7所示开关断开时，电感L1的电流IL1对电容C11充电，充电电荷量为ΔQoff=IL1·toff图7隔离型Cuk变换电路同时C12也充电(二极管V导通)，开关S导通时，二极管V变为截止状态,C12通过L2向负载放电,放电电荷为这时C11也处于放电状态。

稳定状态时，电容C11充放电电荷量相等，则电压变换比为式中：n为变压器匝数比，n=N1/N2　　（4）电流变换器　　电流变换器电路如图8所示，它是逆变整流型变换器图8（a）是能量回馈方式，开关S导通时[S1、S2导通时刻见图8（a）]，电感器L的一次侧电压为UI－nTUO(nT=N1/N2),电感L励磁并储存能量；S断开时，储存在电感L中的能量通过二极管V3反馈到输入侧若采用图示的占空比，则电压变换比为：式中：nL为反馈绕组的匝数比，nL=N3/N4对于图8（b）所示的变换器，两只开关同时导通时，加在电感L上的电压为UI，电感L励磁并储存能量任意一只开关断开时，反向电压（nTUO－UI）加到电感L上，电感L释放能量其工作原理与升压型变换器类似，电压变换比为（5）全桥型变换器（a）能量回馈式(b)升压式图8电流变换电路　　全桥型变换器如图9如示，S1、S3及S2、S4是两对开关，重复交互通断但两对开关导通有时间差所以变压器一次侧加的电压UAB为脉冲宽度等于其时间差的方形波电压变压器二次侧的二极管将此电压整流变为方波（UF），再经滤波器变为平滑直流电供给负载图9全桥型变换电路　　电压变换比为m=D/n2．3准谐振型变换器　　在PWM电路中接入电感和电容的谐振电路，流经开关的电流以及加在开关两端的电压波形为准正弦波，这种电路被称为准谐振型变换器。

图10表示出电流谐振开关和电压谐振开关的基本电路以及工作波形　　图10（a）是电流谐振开关，谐振用电感Lr和开关S串联，流经开关的电流为正弦波的一部分当开关导通时，电流is从0以正弦波形状上升，上升到电流峰值后，又以正弦波形状减小到零，电流变为零之后，开关断开，见图（a）波形开关再次导通时，重复以上过程由此可见，开关在零电流时通断，这样动作的开关叫做零电流开关（Zero－CurrentSwitch）,简称为ZCS在零电流开关中，开关通断时与电压重叠的电流非常小，从而可以降低开关损耗采用电流谐振开关时，寄生电感可作为谐振电路元件的一部分，这样可以降低开关断开时产生的浪涌电压a）电流谐振式(b)电压谐振型图10准谐振开关电路　　图10（b）所示电路为电压谐振开关，谐振电容Cr与开关并联，加在开关两端的电压波形为正弦波的一部分开关断开时，开关两端电压从0以正弦波形状上升，上升到峰值后又以正弦波形状下降为零电压变为零之后，开关导通，见图（b）波形开关再断开时，重复以上过程可见开关在零电压处通断，这样动作的开关叫做零电压开关（Zero－VoltageSwitch），简称ZVS在零电压开关中，开关通断时与电流重叠的电压非常小，从而可以降低开关损耗。

这种开关中寄生电感与电容作为谐振元件的一部分，可以消除开关导通时的电流浪涌与断开时的电压浪涌　　电流谐振开关中开关导通时电流脉冲宽度ton由谐振电路决定，为了进行脉冲控制，需要保持导通时间不变，改变开关的断开时间对于电压谐振开关，开关断开时的电压脉冲宽度toff由谐振电路决定，为了进行脉冲控制，需要保持开关的断开时间不变，改变开关的导通时间在以上两种情况下，改变开关工作周期，则谐振变换器就由改变开关工作频率进行控制　　在图10所示电路中，开关电压或电流的波形为半波，但也可以为全波，因此谐波开关又可分为半波谐振开关和全波谐振开关两种3功率电路主要元器件的选择与保护　　目前，在高频开关电源中应用最广泛的功率半导体器件有两类：双极型功率晶体管和功率金属氧化物场效应管3．1功率晶体管的选择　　选择晶体管时，必须注意两个基本参数：第一个参数是晶体管截止时的耐压值，第二个参数是晶体管在导通时能承受的电流值这两个参数的选择是由开关电源的类型决定的　　（1）单端反激式变换器中开关晶体管的选择　　对图11所示的单端反激式变换器，晶体管的集电极与发射极之间最大耐压值式中：UI——加到晶体管集电极的直流电压；　　Dmax——最大工作占空比。

为了限制晶体管的集电极电压，工作占空比值应取低一些，一般应低于50％，即Dmax（a）原理图(b)波形图图11隔离单端反激式变换器电路　　晶体管饱和时的集电极电流可按下式计算Ic=I/n式中：I——变压器二次绕组的峰值电流；　　n——变压器一、二次绕组匝数比　　Ic也可以用输出功率Po来表示假定变换器的效率为0.8，最大占空间比Dmax为0.4,则Ic=6.2Po/UI(2)推挽式变换器电路中开关晶体管的选择　　对图12所示推挽式变换器电路,它实际上是由两个单端正激变换器电路构成所以，在开关晶体管截止时，每只开关管上承受的电压限制在2UI以内，利用输出功率、效率、最大占空比，可推导出晶体管集电极工作电流的表达式如下：假定变换器的η=0.8，Dmax=0.8，则集电极工作电流为（a）原理图(b)波形图图12推挽式变换器电路（3）半桥式变换器电路开。