李山山-开关电源1课件

1、第一章开关电源概论第一节 开关电源简介20世纪70年代中期以来，无工频变压器开关电源技术风靡于欧、美、日等世界各国。最初的开关电源功率变换器的开关频率为20Hz。随着电力电子技术的发展，开关电源利用半导体开关型电力电子器件（诸如GTR、GTO、功率MOSFET以及IGBT等等）组成的电力变换电路，推出了一系列的开关电源变换形式，从脉宽调制技术到谐振技术，近几年来又出现了相移脉宽调制零电压谐振转换技术，这种PWM控制技术加上零电压、零电流转换的软开关技术是当今电源技术发展的新潮流。主要应用中，高工作频率的功率器件功率MOSFET和IGBT等，使电源的工作频率可达到100500kHz，乃至MHz量

2、级，同时也提高了开关电源的效率、降低了电磁干扰（EMI）。开关电源是调整元件工作在开关状态的一类电源。由于它们具有体积小、重量轻和效率高等优点，因而发展非常迅速，应用范围日益扩大。按照输出是否与由调整元件（开关元件）等构成的其他部分隔离，这种电源可分为非隔离型和隔离型两种类型；按照开关元件的激励方式，可分为自激式和他激式类型；按照调整输出电压的方式，可分为脉宽调制（PWM）式、频率调制式和脉宽频率混合调制式三种类型；按照电源的输入，可分为AC/DC和DC/DC两种类型；按照开关元件的连接开工，可分为串联型和并联型两种类型。开关电源还可按其他方式分类，这儿不再一一列举。第二节 开关电源原理图1-

3、1是说明开关电源的框图和波形图。图1-1（a）由开关元件、控制电路和滤波电路三部分组成。开关串联在电源的输入和负载之间，构成串联型的电源电路。实际的开关元件常常是功率开关晶体管或功率MOS场效应管。它在控制电路的控制之下，或者饱和导通，或者截止。开关接通时，UDUin，输入电压Uin 通过滤波器加在负载电阻上。开关截止时，UD 等于零。开关交替通断，则在滤波器的输入端产生矩形脉冲波。此矩形脉冲再经滤波电路滤波，即可在负载两端产生平滑的直流电压UO 。很明显，直流电压UO 的大小与一个周期中开关管接通的时间ton成正比。ton越长，UO越大。因为开关管截止时，从扼流圈流过的电流不能立刻降到零，故

4、增设了一只续流二极管，为此电流提供一条返回通路。图1-1 （a）开关电源框图 (b) 开关电源波形图开关电源的基本结构如图1-2所示，整个电路可分为主电路和控制电路两部分，主电路由交流输入EMI防电磁干扰电源滤波器、二极管整流与电容滤波、DC/DC功率变换器三个环节组成，控制电路的作用是保证主电路正常工作，同时也起到对主电路的保护作用。图1-2DC/DC变换器是开关电源中最主要的电子功率变换环节，它有两种基本类型即脉宽调制型和谐振型。脉宽调制型用控制脉冲占空比，间断工作来产生所需的脉冲电压和电流。谐振型有零电流谐振式和零电压谐振式。它们以正弦形式处理开关管，使开关管在零电流下换流或在零电压下换

5、向，降低了开关的转换损耗，提高了电源系统的稳定性。第三节 开关电源的发展趋势在功率电子技术的应用及基本电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。传统的相控型电源非常庞大而笨重，例如逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源。如果采用高频开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可较大地提高电能利用率、节省材料、降低成本。在电动汽车和交流传动中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近乎理想的负载匹配和驱动控制。现在，开关电源技术方兴未艾，而近年来又被大的市场需求所推动，必将带来开关电源技术的大发展。这几年，随着通信行业的发展，以开关电源技术为核心的通信电源

6、，国内将有较大的市场需求。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋，因此同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在起动，并将很快发展起来。还有其他许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源，也将得到迅速发展。 1955年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了

7、25千赫的开关电源。 目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOSFET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-

8、C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。 第二章 200W输出可调型开关电源的总体设计第一节520V开关电源的介绍2.1.1 520V开关电源概述在科研、生产、实验等应用场合，经

9、常要用到电压在515V，电流在540A的电源。而一般实验用的电源最大电流只有5A、10A。因此，设计一个电压520V连续可调，输出电流最大40A的开关电源是非常实用的。本次设计的电源采用了半桥式功率变换器，所选用开关器件为功率MOS管，开关工作频率为50kHz，具有重量轻、体积小、成本低等特点。2.1.2主要技术指标1）交流输入电压AC220V20%；2）直流输出电压520V可调；3）输出电流040A；4）输出电压调整率1%；5）纹波电压Upp50mV；2.1.3基本工作原理及框图该电源的原理框图如图2-1所示GND+5-20VNL控制电路辅 助 电路输出整流滤波半 桥 式 变 换 器整流滤波

10、电路EMI滤波电路反馈电路图2-1 整体电源的工作框图220V交流电压经过EMI滤波及整流滤波后，得到约300V的直流电压加到半桥式变换器上，用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率MOS管，通过功率变压器的耦合和隔离作用在次级得到准方波电压，经整流滤波反馈控制后可得到稳定的直流输出电压。第二节 开关电源的设计指标电子产品，特别是稳压电源的设计是一个系统工程，不但要考虑电源本身参数设计，还要考虑电气设计、电磁兼容设计、热设计、安全性设计、三防设计等面。因为任何方面那怕是最微小的疏忽，都可能导致整个电源的崩溃，所以我们应充分认识到电源产品可靠性设计的重要性。 2.2.1电气技术指标一、 输入技

11、术指标作为开关电源的输入技术指标有输入电源相数、额定输入电压及电压的变化范围、频率输入电流等。输入电源一般为单相2线制和3相3线制，还有单相3线制及3相4线制等。电源的额定电压因各国或地区不同而异，例如，美国规定的交流输入电源电压为120V，欧洲220240V，日本为100V及200V，我国为220V及380V。，输入电压的变化范围一般为10%，加上配线路径及各国的具体情况，输入电压的变化范围多为15%10%。开关电源的输入几乎都是用电容进行平波的电容输入方式，因此，有高次谐波失真带来的电压尖峰的问题，但通常在正弦波的情况下保证上述给定的指标。3相输入时虽有相电压的不平衡，但规定在输入电压的变

12、化范围之内。工频频率为50 Hz或60 Hz，在频率变化范围不影响开关电源的特性时多半为4863Hz。还有船舶用的特殊电源频率为400Hz，但因输入电容滤波器的电容电流及输入整流二极管的损耗增加等，降低了效率，若考虑要满足EMI的规定，可以采取措施减小此影响。开关电源最大输入电流是表示输入电压为下限值时，输出电压及电流为上限值时的输入电流。额定输入电流是在输入电压及输出电压、电流为额定时的电流。开关电源的输入平波方式是电容输入方式，有较大的峰值电流，要有考虑电流的波峰系数（最大值/有效值之比，通常为3.5）以及功率因数的规定。输入电压瞬时跌落或瞬时断电时，在额定输出电压与电流条件下规定的输入电

13、压是额定输入电压。瞬时断电有10ms与20ms，若实用时按规定瞬时断电，多数情况下不会有问题。在输入的下限，输出保持时间变得很短，但100%输出时，在较低额定输入条件下，实用上问题也不大。电源输入线缆要短，滤波器尽量靠近输入端口，避免滤波器输入输出发生耦合，而失去滤波作用。接地尽量简短可靠，减小高频阻抗，使干扰有效旁路。在规定的时间间隔对输入电压进行通断时，输入电流达到稳定状态之前流经的最大瞬时电流为冲击电流。对于开关电源是输入电源接通时与其后输出电压上升时流经的电流，这是由于输入开关的承受能力所限制，峰值电流，由于每隔几十秒通断时防止功能不能动作，因此，也要规定通断的重复时间。漏电流是流经输

14、入侧地线的电流，从安全考虑一般规定为0.51mA。效率是指输入输出为额定值时，其输出功率与输入有效功率之比值。效率随输出电压、电流与输出路数及开关方式不同而异，多为70%80%。并随输入与输出的条件而变化，因此，要注意电子设备的散热条件等。二、输出技术指标输出端的直流电压的值称为额定输出电压，对于其公称电压规定有精度与纹波系数等。额定输出电流是指输出端供给负载的最大平均电流。根据电子设备的不同，多路输出电源中某路输出电流增大，另路输出电流就得减小，保持总的输出电流不变。市售的开关电源产品为其使用通用性，多是在初级侧允许功率范围以内，增大次级侧各路输出功率。稳压精度也称为输出电压精度或电压调整率

15、，输出电压变动有多种原因。例如：（a）静态输入电压的变动，这是指在其他指标为额定情况时，在规定的范围内输入电压缓慢变动时输出电压的变动。（b）静态负载的变动，这是指其他指标为额定条件下，输出电流在规定的范围内缓慢变动时的输出电压的变动。在规定负载变动范围，由于多路输出的条件有非稳定输出的情况，包括规定最低负载电流。最低负载电流以下的规定精度一般是指保护功能不动作的范围内的情况。另外，对于多路输出的电源，电路方式的不同也会以其他输出负载变动的影响。（c）环境温度的变动，这是指在规定的温度范围内，其他指标为额定值时输出电压的变动。（d）初始特性的变动，这是指输入输出为额定时，接入输入电源之后到规定

16、时间旱输出电压的变动，多为接入输入电源后30分钟时的值。（e）经时特性的变动，这是指输入输出为额定时，接入输入电源后的规定时间到下一次规定时间时输出电压的变动，也称为长时间特性的变动，一般多为接入电源后30分钟到8小时的值。（f）动态输入电压的变动，这是以规定的变化幅度输入电压急剧变化时输出电压的变动，一般是把输入电压的上限与额定输入电压以及额定输入电压与输入电压的下限作为变动幅度。（g）动态负载的变动，这是指规定的变化幅度，输出电流急剧变化时输出电压的变动，后述的脉冲负载的规定等情况除外。输出电压可调范围是指在保证电压稳定精度下，由外部可能调整的输出电压范围，一般为5%或10%。条件是输入电

17、压的下限时输出电压的最大值，以及输入电压的上限时输出电压的最小值。若由电子设备的结构决定负载电流时，输出电流的变动范围则是电流变动较小的负载、感性负载等冲击电流较大的脉冲式负载的电流变动范围。纹波是与输出端呈现的输入频率及开关变换频率同步的分量，有峰峰值表示，一般为输出电压的0.5%以内。噪声是输出端呈现的除纹波以外频率的分量，也用峰峰值表示，一般为输出电压的1%，也包括与纹波沿用明确区分的部分，规定是纹波与噪声总合值，多数场合是规定皮噪声总合的情况，为输出电压的2%以内。三、电路拓扑的选择及控制策略的选择开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥

18、、全桥等八种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的承压在两倍输入电压以上，如果按60降额使用，则使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按60降额使用，选用开关管也比较容易。在高可靠性工程上一般选用这两类电路拓扑。 在中小功率的电源中，电流型PWM控制是大量采用的方法，它较电压控制型有如下优点：逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保护；优良的电网电压调整率；迅捷的瞬态响应；环路稳

19、定，易补偿；纹波比电压控制型小得多。生产实践表明电流控制型的50W开关电源的输出纹波在25mV左右，远优于电压控制型。 四、附属功能（a）过电流保护输出短路或过负载时对电源或负载要进行保护，即为过电流保护。保护特性有额定电流下垂特性，即字型特性、恒流特性、恒功率特性，多数为下垂特性。过电流的设定值一般为额定电流的110%130%。但在不损坏电源与负载的范围内，特别不规定短路保护时，电流值的情况也很多。一般为自动恢复型。（b）过电压保护过电压保护就是输出端出现过大电压时对负载进行保护的功能，过电压保护值一般规定为额定输出电压的130%150%。对于输出电压可调范围比较大的电源，过电压保护值规定为

20、电压上限时不会发生误动作即可。发生过电压时使开关电源停振，断开输出。恢复的方法一般是再接通输入电源或加复位信号使开关电源恢复正常工作状态。（c）欠压保护在输出电压达到规定值以下时，检测输出电压下降值，为保护负载以及防止负载误动作，使电源停止工作，并送出报警信号。（d）过热保护电源内部异常或使用方法不当，电源温升超过规定值以上时，电源停止工作，并送出报警信号。强制风冷情况下，当冷却功能异常时，多数情况规定使用部件最高温度以内使电源动作。（e）远程通/断控制规定由外部信号通/断电源的输出所采用的装置，例如，采用TTL等半导体器件或继电器与开关等开环通/断控制。还必要规定采用继电器与开关时的机械振荡

21、持续时间。（f）顺序不仅要规定输出电压的上升与下降时间，还要规定电源准备就绪的各种信号。（g）远程检测用输出端到电压检测点的输出引线对电压降进行补偿对于大电流与高精度输出的电源这种功能不太适用。该功能的补偿电压降一般为额定电压的5%，在输出电压的可调范围内。时要根据负载条件而定，以免引起振荡等故障。（h）接口规定输入、输出以及信号等用端子，除端子开关、配列形式与接插件的名称以外，还要标记端子的编号。这时输入部与输出部及信号端子要很好分离开。有接任件时要标记对方的编号，以免弄错。（i）绝缘用500V摇表测得输入端与框体间以及输入输出端子间绝缘电阻一般要为50M以上，用100V摇表测得输出与框体间

22、绝缘电阻一般要为10M以上。绝缘耐压根据输入电压的不同而异，但除各种安全规格规定以外，输入在子间以及输入与框体间每分钟为交流1000V、1250V或1500V，输出与框体间一般没有其他特殊的规定。输出端子间必要时要规定特殊的绝缘。 2.2.2其他技术指标一、机械结构机械结构规定的项目有：机箱的开关，外形尺寸与公差，装配位置，装配孔及螺钉的长度等，框体的材料及表面处理，冷却条件，如强制风冷还是自冷、通风方向与风量及开口尺寸，机外温升，接口位置及显示，操作部件的位置及文字显示的位置、重量等。二、环境条件规定的使用温度范围随使用场所不同而异，一般为550，保存温度一般为2575。在温度急剧变化的场所

23、使用时，有必要规定温度斜率，一般为15/小时以内。规定的使用温度范围一般为20%85%，保存温度范围一般为18%90%，结露时必须有相应指示。一般规定常温与常湿的环境为1535及25%85%。对于耐振动的规定，多是在振动频率为1055Hz时，工作时耐振动力为0.51.0G，不工作时为2.54G。耐冲击的规定随电源产品不同而异，为10100G数量级。总之，电源设备可靠性的高低，不仅与电气设计，而且同元器件、结构、装配、工艺、加工质量等方面有关。可靠性是以设计为基础，在实际工程应用上，还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计，进一步提高电源的可靠性。第三节 主电路的设计2.3.1 EMI滤波及整流滤

24、波电路一、滤波电路随着电力电子技术的发展，高频开关器件在电力电子器件中的应用日趋广泛。这些电力电子装置工作时，电力电子器件的电压和电流波形都是以极短的时间上升和下降。这些具有陡变沿的脉冲信号随即会产生很强的电磁干扰，可以说高频变换器本身就是一个很强的宽带电磁波发射源，也即很强的电磁干扰源。功率越大，这种电磁发射能力越强。虽然开关电源技术的不断发展和日趋成熟，各个应用领域对开关电源的需求也不断增长，但是，开关电源存在严重的电磁干扰（EMI）问题。它不仅对电网造成污染，直接影响到其它用电电器的正常工作，而且作为辐射干扰闯入空间，对空间也造成电磁污染。于是便产生了开关电源的电磁兼容（EMC）问题。电

25、磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁干扰即为电磁信号。当这些不希望有的信号出现在敏感设备上并影响其性能时，称这些信号为电磁干扰（Electromagnetic Interference）。开关电源的电磁干扰可分为传导干扰和辐射干扰两大类。传导干扰通过交流电源传播，频率低于30MHz。辐射干扰通过空气传播，频率在30MHz以上。 图2-2 EMI滤波及整流滤波电路电子设备的电源线是电磁干扰（EMI）出入电子设备的一个重要途径，电容滤波整流器功率因数低，整流二极管导通时间较短，滤波电容充电电流瞬时值的峰值大，整流后的电流波形为脉动状，

26、产生高的谐波电流。若在设备电源线入口处安装一个电网滤波器，则可以有效地切断这条电磁传播途径，本电源滤波器由带有IEC插头电网滤波器和PCB电源滤波器组成。IEC插头电网滤波器主要是阻止来自电网的干扰进入电源机箱。PCB电源滤波器主要是抑制功率开关转换时产生的高频噪声。二、整流电路整流电路是利用二极管的单向导电性，将交流电压变换成单向脉动电压。（一）、桥式整流电路图2-3 单相桥式整流电路图2-3是单相桥式整流电路，它由整流元件二极管D组成。由于4只整流二极管D1D4接成桥形，故有桥式整流电路之称。设整流变压器副边电压为：当u2在正半周时，a点电位高于b点电位，二极管D1，D3受正向电压而导通，

27、D2，D4受反向电压而截止。电流i1的通路是aD1RLD3ba，如图中实线箭头所示，这时负载电阻RL上得到一个半波电压U01。当u2在负半周时， b点电位高于a点电位，二极管D2，D4导通，D1，D3截止。电流i2的通路是bD2RLD4 ab，同样，在负载RL上得到一个半波电压u02。 可见，变压器副边交流电压的极性虽然在不停地变化，但流经负载电阻RL的电流方向却始终不变，RL上得到一个全波电压u0。（二）、整流电压、整流电流平均值的计算整流电路负载上得到的是方向不变而大小随时间变化的单向脉动电压，通常用一个周期的平均值来衡量它的大小。如图24所示，使矩形面积等于半个正弦波与枢轴所乌黑的面积，

28、则矩形的高度就是这个半波的平均值U0，又称为恒定量或直流分量。图2-4半波电压Uo的平均值平均值的数学表达式为单向桥式整流电压的平均值为负载上的直流电流平均值为 （三）、整流二极管的选择整流二极管使用肖特基二极管，其阳极套铁氧体磁珠（3.51.33.5），直流输出线缆用铁氧体磁环绕（13.57.57）2.5圈且靠近出口处。整改后辐射干扰最大处下降了约10dB，但40MHz和100MHz处余量较小，准峰值测试仅有5dB裕量。考虑到认证过程繁琐，周期长，而且各个认证检测服务中心之间允许有23dB的误差，产品的预测应在6dB以上的裕量为合适。二极管主要根据流过管子的正向平均电流和所承受的最高反向电压

29、来选择。在桥式整流电路中，二极管D1，D3，和D2，D4是轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为负载电流的一半。二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压如图所示，其大小均为电源电压u2的最大值。如当D1和D3导通时，截止管D2和D4的阴极电位为a点电位，阳极电位为b点电位，所以D2，D4所承受的最高反向电压UDRM为2 U2，即 选择二极管时，其最大整流电流要大于ID，其最高反向工作电压应大于UDRM。桥式整流电路的优点是输出电压脉动较小，管子承受的反向电压较低，变压器的利用谐调。因此，这种电路被广泛用于小功率整流电源。电路的缺点是二极管用得较多。2.3.2半桥式功率变换器一、开关电源的拓

30、扑简介开关电源常用的基本拓扑约有14种。每种拓扑都有其自身的特点和适用场合。一些拓扑适用于离线式（电网供电的）AC/DC变换器。其中有些适合小功率输出（200W），有些适合大功率输出；有些适合高压输入（220VAC），有些适合120VAC或者更低输入的场合；有些在高压直流输出（ 200V）或者多组（45组以上）输出场合有较大的优势；有些在相同输出功率下使用器件较少或是在器件数与可靠性之间有较好的折中。较小的输入/输出纹波和噪声也是选择拓扑经常考虑的因素。一些拓扑更适用于DC/DC变换器。选择时还要看是大功率还是小功率，高压输出还是低压输出，以及是否要求器件尽量少等。另外，有些拓扑自身有缺陷，需

31、要附加复杂且难以定量分析的电路才能工作。将一个固定的直流电压换成可变的直流电压称之为DC-DC电压变换，实现这种变换的电路称为DC-DC电压变换器。DC-DC电压变换有四种基本电路Buck降压电路，Boost升压电路，Buck -Boost降升压电路以及Boost -Buck升、降压电路或Cuck电路。其中Buck电路和Boost电路是最基本的DC-DC电压变换电路。在传统的DC-DC电压变换器中，开关器件开关频率的利用率很低，且存在各种电气、电磁干扰。若是将几个相同结构的基本变换器组合，可以构成多重、多相复合型直流-直流变换器。这样既可以显著改善变换器输入输出特性，或者减少变换器对LC滤波器

32、重量体积的要求，同时也能扩大它的输出容量。若在其中再插入隔离变压器，不仅可以进行电源和负载之间的电气隔离，提高了工作安全可靠性，还能使电压的变换比更加灵活，此外还可以同时获得几个不同数值的输出电压。选择电路拓扑时最需要考虑的是高网压时使功率开关管承受的关断电压应力最小；而输出最大功率时流过开关管的峰值电流最小。其他还要考虑的还有减少元件数量、电源成本和装置体积及射频干扰等问题。二、半桥式功率变换器本次设计中采用半桥式功率变换器，半桥式功率变换器就是一种带隔离变压器的中间具有交流环节（直流-交流逆变后再经交流-直流整流变换）的变换器。（一）、功率变换器的特点它的特点是先用高频逆变器将直流变为如图

33、2-5(a)所示的脉宽可控的高频方波交流，再用二极管不控整流（过隔离变压器后）将高频方波交流变为如图2-5(b)所示的PWM直流方波v0，最后经LC滤波器滤除高频分量而获得纹波很小的平稳直流电压。电源虽然经过了两级功率变换，但是逆变环节主电路结构不复杂，控制电路也简单，第二级交流-直流变换是不控整流，更简单。中间交流环节的变压器是高频变压器，其重量，体积都不大；电路中的LC滤波器也较小；此外，主电路的高频开关采用软开关技术减少了开关损耗。因此，虽有两级变换，但总体技术、经济指标仍然较高，在开关电源电路中采用它仍是最佳方案。 vAB Q4 Q4 0 Q5 Q5 t（a） v0 0 t(t)DTs

34、 （b）图2-5 桥式电路波形图（二）、半桥式功率变换器的特点半桥拓扑开关管的稳态关断电压等于直流输入电压，这种桥式拓扑广泛应用于直接电网的离线式变换器。桥式拓扑的另外一个优点是，能将变压器初级侧的漏感尖峰电压嵌位于直流母线电压，并将漏感储存的能量归还到输入母线，而不是消耗于电阻元件。（三）、工作原理如图2-30所示，其工作频率50kHz，在初级一侧的主要部分是Q4和Q5功率管及C34和C35电容器。Q4和Q5交替导通、截止，在高频变压器初级绕组N1两端产生一幅值U1 /2的正负方波交流电压。图中数值相等的直流电容、将直流电源一分为二。选择C34C35且数值足够大，可使变换器工作时，vC34v

35、C35VD/2。两个全控型开关器件Q4、Q5以相同的占空比D交替地被驱动导通和阻断。图2-5（a）示出在t0开始的第一个半周期TS /2期间，在Q4导通的TonDTS期间，C34的电压加在变压器一次绕组上，vABU1/2。第二个TS/2期间，在Q5导通的TonDTS期间，C35的电压加在一次绕组上，vABvABU1/2。因此，图2-34所示中C34、C35、Q4、Q5构成一个半桥逆变器，将直流电压变为方波交流电压，从A、B两点输出给变压器一次绕组。变压器的中间抽头使两个二次绕组匝数相等。二极管组成不控全波整流，所以输出电压是周期为TS/2，脉宽为DTS，幅值为KU1/2的周期性直流PWM脉宽，

36、再经L、C滤波后就得到了最终所需的直流电压。能量通过变压器传递到输出端，Q4和Q5采用IRFP400功率MOS管。（四）、输出滤波器的设计 一）、输出电感的设计因为主输出和从输出的输出电感都不允许进入不连续工作模式。不连续的模式是从电感阶梯斜坡电流的阶梯下降至零开始的这种情况会在直流电流下降至斜坡幅值dI的一半时发生。于是而，则有选取，使及相应最小时为，于是或者=1.25及和如果最小电流规定电流的（通常情况），则以上、和T的单位分别为亨利、伏特和秒；为最小输出电流，为额定输出电流，单位均为安培。二）、输出电容的设计输出电容的选择应满足最大输出纹波电压的要求。输出纹波几乎完全由滤波电容的ESR（

37、等效串联电阻输出纹波）的大小决定，而不是由电容本身的大小决定，纹波电压峰峰值为式中，是所选的电感电流纹波的峰峰值。另外，对于铝电解电容器，在很大容值及额定电压范围内，其的乘积基本不变。铝电解电容的范围是。因此可选为=式中，的单位为法拉，的单位为安培，的单位为伏特。（五）、功率MOS管的介绍电力电子器件是电力电子技术的核心，是电力电子技术的物质基础和关键。电力电子器件根据其开关特性的不同可分为两大类型：半控型器件和全控型器件。通过门极信号只能控制其导通而不能控制其关断的这些器件称为半控型器件, 如普通晶闸管、双向晶闸管等；通过门极信号既能控制其导通又能控制其关断的器件称为全控型器件，如GTR、G

38、TO、功率MOSFET及IGBT等。根据其控制极（包括门极，栅极或基极）信号的性质不同，电力电子器件还可分成：电流控制型和电压控制型两种类型。电流控制型器件一般通过从控制极注入或抽出控制电流的方式来实现对导通或关断的控制，如晶闸管、GTR、GTO等；电压控制型器件是指利用场控原理（电场效应控制原理）控制的电力电子器件，其导通或关断是由控制极上的电压信号控制的，控制极电流极小，如功率MOSFET、IGBT等。GTO和GTR是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，所以其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。电力MOSFET（即功率MOS管）是多子导电的单极型电压控制器件，

39、它具有开关速度快，高频特性好，输入阻抗高，驱动功率小，热稳定性优良，无二次击穿，安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点，在各类中小功率开关中，得到极为广泛应用。一）、功率MOS管基本结构和工作原理功率MOS管全称为功率场效应晶体管（Power-Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。有三个电极：栅极（控制极）G（Gate）、漏极D（Drain）和极S（Source），由栅极控制漏、源极间的等效电阻，使场效应管处于截止或导通状态。功率MOS管有N沟道和P沟道两种类型。其形符号如图2-4所示，本电路所用的是N沟道增强型，图中箭头表示管子内

40、部载流子的移动方向。如图2-7所示，漏-源极间电压为零、栅-源极之间电压也为零，G-S之间和D-S之间都是绝缘的。当漏极与源极之间有外加电压VDC时，如果VGS0，漏-源极之间也不可能导电。只有当栅-源极之间的外加正向电压VGS0时，两个条件同时具备才会形成漏极电流ID，开始出现导电沟道的栅-源电压VGS（th）称为开启电压，一般约为24V。所加的栅-源电压VGS越大，漏极电流ID越大。图2-6 MOS管的基本类型 图2-7 MOS管的外部电路基本接法由于功率MOS管只有一种载流子导电，故称为单极型器件。这种器件不存在像双极型器件那样的两种载流子的复合问题，所以它的开关速度快，安全工作区宽并且

41、不存在二次击穿问题。因为它是电压控制型器件，所以使用极为方便。此外，功率MOS管的通态电阻具有正温度系数，漏极电流具有负温度系数（即温度升高时等效电阻加大，电流减小，），因此，结温升高后，不易产生内部局部热点，这一特点还能使多个器件并联工作时能自动调节均分负载电流。二）、功率MOS管的主要特性1）静态特性静态特性主要指功率MOS管的输出特性和转移。（a）输出特性输出特性也称为漏源特性，它是以栅源电压VGS为参变量，反映漏极电流ID与漏源电压VDS间关系的曲线族。如图2-8所示，输出特性可分为三个区域：可调电阻区，恒流区和雪崩区。当功率MOS管作为开关器件使用时，工作在可调电阻区，此时，当VGS

42、一定时，漏极电流ID与源极电压VDS几乎呈线性关系；当功率MOS管用于线性放大时，工作于恒流区，此时当VGS一定时，漏极电流ID近似为常数，不再受漏源电压VDS变化的影响；功率MOS管使用时，就避免工作在雪崩区，否则会导致漏极PN结发生雪崩击穿，漏极电流突然增加，会使器件损坏。值得注意的是功率MOS在漏源极之间存在一个寄生的反并联二极管，所以在电力电子变换电路中当需要开关正向可控导电、反向自然导电时，有时不必再在外部反并联一个二极管。但由于这样使功率MOS管没有反向阻断能力，如果电路反向电流很大时，通常还是在外部并一个较大容量的快速二极管较好。（b）转移特性转移特性是指在输出特性的饱和区内，在

43、一定的漏极与源极电压VDS作用下，功率MOS管栅源电压VGS与漏极电流ID之间的关系。如图2-9所示，该特性表征功率MOS管栅源电压VGS对漏极电流ID的控制能力。图中VGS（th）为开启电压又称阈值电压。当栅源电压小于此值时，功率MOS管即不会导通。图中特性曲线的斜率ID/VGS即表示功率MOS的放大能力。因为它是电压控制器件，所以用跨导参数gm来表示，它的作用相当于功率晶体管GTR中的电流增益。图2-8 功率MOS管的输出特性 图2-9 功率MOS管的转移特性2）动态特性功率MOS管是一个近似理想的开关，它的动态特性即是它的开关特性，主要表现为开通时间与关断时间。开通时间分为延时时间和上升

44、时间，延迟时间就是由输入信号把栅极电压由开启电压经线性区充电到产生所定漏极电流所必要的电压(58V)的时间。关断时间分为存储时间和下降时间，存储时间就是栅极电压由过激励电压（10V）放电到有效区电压(58V)所需要的时间。下降时间就是栅极电压从有效区放到开启电压所需要时间。三）、功率MOS管的主要参数1）漏极电流ID漏极电流ID表征功率MOS管的电流容量，其测试条件为：在VGS10V，VGS为某个适当值时的漏极电流。实际应用中漏极电流受结温和工作状态的限制，随结温的升高，实际允许的漏极电流ID比Tj25时的允许漏极电流要小。2）漏源击穿电压V（BR）DS漏源击穿电压V（BR）DS表征功率MOS

45、管的耐压。由于功率MOS管的特殊结构，当结温升高时，V（BR）DS随之增加，耐压性能提高，这一点与双极型器件功率晶体管（GTR）、晶闸管等随结温升高而耐压降低的特性正好相反。3）栅源击穿电压V（BR）GS栅源击穿电压V（BR）GS表征功率MOS管栅源极间能承受的最高正、反向电压，其值一般为20V。4）最大功率PDM功率MOS管的最大功率为PDM =(TjM-TC)/（RTjC）式中TjM额定结温（TjM150）；TC结壳温度；RTjC结到壳间的稳态电阻。由上式可知，随结壳温度的升高最大功率PDM将减小，所以，使用中器件的散热技术是非常重要的。5）通态电阻Ron通态电阻Ron是指在确定的栅压VG

46、S下，功率MOS管处于恒流区时的直流电阻，它与输出特性密切相关，是影响最大输出功率的重要参数，同时通态电阻Ron与VGS有关，随VGS的增加Ron减小，但VGS受V（BR）GS的限制。通态电阻是影响最大输出的重要参数，在开关电路中它决定了信号输出幅度与自身损耗。通态电阻有受栅极电压支配的范围，为使通态电阻最小，上述输出特性中通态电阻范围为UGS10V。不必要时若用高电压驱动，会对电容过充电，使关断时间变长，这点需要注意。通态电阻也受到漏极电流与温度的影响。特别是温度影响较大，通态电阻随温度上升线性增大，因此，实际使用时要考虑这一点。6）跨导表示功率MOSFET的增益特性称为跨导，它定义为Gfs

47、ID/UGS，一般来说，晶体管放大工作时采用这种特性，而开关工作时不大采用这种特性。7）功率MOSFET的电容功率MOSFET的栅极有绝缘层，极间存在着绝缘电容。应用上表示这些电容为输入电容（CissCGDCGS），输出电容（COSSCGDCDS）和反馈电容（CrssCGS），参见图210。这些电容大小与偏置电压有关，CGD随漏源极间电压动态变化。因此，开关时CGD变化较大所以高电压开关工作时要注意这一点。这些电容对开关过程有直接影响，在开通延迟时间，上升时间以及下降时间，由于UDS2UGS，所以，CGD较小，一般为几十pF。在关断延迟时间，由于UDSUGS，CGD为几千pF。8）栅极电荷特性

48、图26示出功率MOSFET的栅极电荷特性，按照电荷量划分为三个区域。区对应着开通延迟时间；区对应着上升时间；区对应着导通期间。根据斜率CGSCGDdQg/dUGS可计算出不同偏置条件时电容大小。另外，根据栅极驱动电路供给的功率PQgUGSf较容易计算电容大小，反向偏置时，可以考虑延长区。图211示出元件电容不同时，栅极电流的大小。图2-10栅极电荷 图211开关时栅极电流 9）开关特性图212示出功率MOSFET的输入电压与输出电压对应的波形关系。定义开通时间tON为从输入信号Ui波形上升到其幅值的10%的时刻开始到输出信号U0波形下降到其幅值的90%的时刻为止所需的时间，tON可细分为延迟时

49、间td和上升时间tr。定义关断时间tOFF为从输入信号波形下降到其幅值的90%的时刻开始到输出信号波形上升到其幅值的10%的时刻为止所需的时间，tOFF可细分为存储时间ts和下降时间tf。开通时间tON与功率MOSFET的阈值电压，栅源间电容CGS和栅漏间电容CGD有关，也与信号源的上升时间和内阻的影响。关断时间tOFF则由功率MOSFET漏源间电容CDS和负载。图212功率MOSFET的输入电压与输出电压对应的波形10）正向偏置安全工作区功率MOSFET的正向偏置安全工作区（FB-SOA）如图213所示。它是由四条边界极限所包围的区域，这四条边界极限线是：最大漏源电压线（A）；最大功耗限制线

50、（B）；最大漏极电流线（C）和漏源通态电阻线（D）。图213正向偏置安全工作区开关电源中功率MOSFET应用时应注意以下几点：栅极电路的阻抗非常高，易受静电损坏。直流输入电阻高，但输入容量大，高频时输入阻抗低，因此，需要降低驱动电路阻抗。并联工作时容易产生高频振荡。导通时电流冲击大，易产生过电流。很多情况下，不能原封不动地用于双极型晶体管的自激振荡电路。寄生二极管的反向恢复时间慢，很多情况下与FET开关速度不相称。开关速度快而产生噪声，容易使驱动电路误动作。特别是开关方式为桥接电路，栅极电路的电源为浮置时，易发生这种故障。漏栅极间电容极大，漏极电压变化容易影响输入。加有负反馈，热稳定性也比双极

51、型晶体管好，用于电流值较小情况下不能获得这种效果。理论上无电流集中产生二次击穿，但寄生晶体管因dV/dt受到损坏，从而FET也受到损坏。本次所选用的功率MOSFET管为IPRF400其参数如下图2-14电气特性参数图2-13栅源极间二极管规格图2-15N沟道电力场效应管的温度曲线图2-16连续最大电流下的温度曲线图2-17最大瞬变热量阻抗曲线图2-18前置偏压安全工作区域 图2-19输出特性曲线图2-20饱和特性曲线 图2-21转移特性曲线图2-23门源极间电压与门极充电波形图2-24未钳位能量测试电路 图2-25未钳位能量信号波形图2-26开关时间测试电路 图2-17抗拒开关信号波形图2-2

52、8门极充电测试电路 图2-29门极充电波形图2-30 PWM控制及输出电路（五）、功率变压器电路拓扑选定后，就要确定电路的工作频率和变压器磁芯尺寸，确保在变压器体积最小的情况下获得所需的最大输出功率。要确定频率和变压器磁心尺寸，首先要得出输出功率和变压器各参数（如磁心截面积、磁心窗口面积、骨架面积、峰值磁通密度、变压器工作频率及线圈电流密度等）之间的数量关系。一）、功率变压器的设计1）、工作频率的设定工作频率对电源的体积、重量及电路特性影响很大。工作频率高，输出滤波电感和电容体积减小，但开关损耗增高，热量增大，散热器体积加大。因此根据元器件及性价比等因素，将电源工作频率进行优化设计，因本设计为

53、fS50kHz，所以T1/fS1/50kHz20s开关管最大导通时间如果Q4和Q5 同时导通，即使是很短的时间，也将使电源瞬间短路从而损坏开关管。为防止此现象发生，输入电压为最小值时，Q4或者Q5的最大导通时间必须限制在半周期的80%以内。应选择合适的次级匝数使在导通时间不大于0.8T/2，的情况下保证输出电压满足要求。此外，电路将采用嵌位技术以保证在不正常工作状态下导通时间也不超过0.8T/2。2）磁芯选用选取磁芯材料和磁芯结构大多数开关电源的变压器都选用铁氧体磁心，铁氧体是一种陶瓷性的铁磁材料，它是由氧化铁和其他锰、锌氧化物混合构成的晶体。因为它有很高的电阻率，所以铁氧体的涡流损耗很小。选

54、用R2KB铁氧体材料制成的EE型铁氧体磁芯。其具有品种多，引线空间大，接线操作方便，价格便宜等优点。确定工作磁感应强度BmR2KB软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度BS0.47T，考虑到高温时BS会下降，同时为合闸瞬间高频变压器饱和，选定Bm1/3BS0.15T。计算并确定磁芯型号磁芯的几何截面积S和磁芯的窗口面积Q与输出功率存在一定的函数关系。对于半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时为SQ=(P0104)/(2fsBmKcKuj) 式（2-1）式中：效率；j电流密度，一般取300500A/cm2；Ke磁芯的填充系数，对于铁氧体Ke1；Ku铜的填充系数，与导线线径及绕制的工艺及绕组数量等有关，一般为0.1 0.5左右。各参数的单位是：P0W，Scm2，Qcm2，BmT，fSHz，jA/cm2。取P0640W，Ku0.3，j300A / cm2，0.8，Bm0.15T，代入式（2-1）得SQ=(P0104)/(2fsBmKcKuj) =(640104)/(2501030.150.80.3300)=4.558cm4由厂家手册知，EE55磁芯的S3.45 cm2，Q3.1024 cm2，则SQ10.9 cm4，EE55磁芯的SQ值大于