开关电源拓扑结构分析实用教案

1、1电源电源(dinyun)的分类的分类什么什么(shn me)是是Power Supply?Power Supply负载(fzi)Vin, IinPower Supply是一种提供电力能源的设备，它可以将一种电力能源形式转换成另外一种电力能源形式，并能对其进行控制和调节。上级电能形式Vo, Io f, phasef, phase根据转换的形式分类: AC/DC, DC/DC, DC/AC, AC/AC根据转换的方法分类: 线性电源，相控电源，开关电源根据调控的效果分类: 稳压， 恒流， 调频，调相根据调控的方法分类: 传统反馈控制，矢量控制，数位控制第1页/共38页第一页，共39页。2开关电源

2、的元件开关电源的元件(yunjin)构成构成开关电源的基本开关电源的基本(jbn)元元件：件：有源开关有源开关(kigun)(Switch)二极管二极管(Diode)电感电感(Inductor)电容器电容器(Capacitor)变压器变压器(Transformer)第2页/共38页第二页，共39页。3三种三种(sn zhn)基本的非隔离开关电源基本的非隔离开关电源VinVoLIoSDVinVoDLIoS1DS2VinVoDLIoSVo=Vin *D/(1-D)Vo=Vin *DVo=Vin /(1-D)VoVin, Boost 升压(shn y)型电路VoVin, 当DVin 当D0.5buc

3、kboost 升降压型电路第3页/共38页第三页，共39页。4三种基本三种基本(jbn)的隔离开关电源的隔离开关电源VinVoSLmDVinVoLSD1D2VinVoLS1D1D2S2正激型变换器反激型变换器桥式变换器第4页/共38页第四页，共39页。5反激变换器（反激变换器（Flyback）工作原理）工作原理(yunl) （电流连续模式）（电流连续模式）根据(gnj)变压器的伏秒平衡：TDnVoDTVin)1 (*)1 (*DnDVinVoIoVinVoGDSLmDn:1ConVoVinVds)1 (DVinVdsVgsIDVdsD1-DTIpIoVinVin+nVoImVLVin-nVoI

4、D-p第5页/共38页第五页，共39页。6反激变换器（反激变换器（Flyback）工作原理）工作原理(yunl) （电流断续模式）（电流断续模式）根据(gnj)变压器的伏秒平衡：)1 (*DnDVinVoIoVinVoGDSLmDn:1CoVgsIDVdsD1-DTIoVinVin+nV oImVLVin-nVoID-p-nVoVoVo TRVoLmIp2221根据(gnj)能量守恒：LmVinDTIpVinDLmRTVo2第6页/共38页第六页，共39页。7反激变换器（反激变换器（Flyback）工作）工作(gngzu)原理（原理（1）221221LkIpCdsVr nIIppDVgsIDV

5、dsD1-DTIpIoVinVin+nVoImVrVLVin-nVoID-p21DopDIDIIVr=？IoVinVoGDSLmDn:1LkCoLmTDVoID/)1 ( IpCdsLkVr*第7页/共38页第七页，共39页。8反激变换器（反激变换器（Flyback）工作）工作(gngzu)原理（原理（2）VcIoVinVoGDSLmDn:1LkCoVcRPloss=(Vc-Vin)2/RGDSLkVcRPloss=(Vc)2/R第8页/共38页第八页，共39页。9反激变换器（反激变换器（Flyback）工作）工作(gngzu)原理（原理（3）Vo=？IoVinVoGDSLmDn:1LkCo)

6、1/(DIIIopDCoVgsIDVdsD1-DTIpIoVinVin+nVoImVrICoID-p-IoVoDTIVCOOCDTIVOO/根据(gnj)Co在DT时间的基本方程：第9页/共38页第九页，共39页。10反激变换器（反激变换器（Flyback）工作）工作(gngzu)原理（原理（4）多路输出多路输出(shch)的反激变换器：的反激变换器：)1 (*11DNpDVinNsVo)1 (*22DNpDVinNsVo减小交叉调整率的措施：减小交叉调整率的措施：尽量减少两个绕组之间的漏感。尽量减少两个绕组之间的漏感。在辅助在辅助(fzh)输出一路中加入尖峰抑输出一路中加入尖峰抑制器（饱和电

7、感）制器（饱和电感） 主路输出工作于电流连续模式。主路输出工作于电流连续模式。采用双路加权反馈的控制方式采用双路加权反馈的控制方式VinVo1GLmNpLkVo2Ns2Ns1反馈控制第10页/共38页第十页，共39页。11反激变换器（反激变换器（Flyback）特征）特征(tzhng)总结总结缺点缺点(qudin)：输出纹波电流大。输出纹波电流大。输出控制特性非线性。输出控制特性非线性。通常需要辅助的吸收回路。通常需要辅助的吸收回路。转换效率较低。转换效率较低。VinVo1GLmNpLkVo2Ns2Ns1反馈控制优点：优点：电路简单。电路简单。输入电压范围广。输入电压范围广。 容易容易(rng

8、y)实现多路输出。实现多路输出。第11页/共38页第十一页，共39页。12谐振谐振(xizhn)复位正激变换器（复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（1）Ion:1VinVoLoGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt0, t1t5LmVinDTIm/LoDTVonVinIL/)/(LmPInII第12页/共38页第十二页，共39页。13谐振谐振(xizhn)复位正激变换器（复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（2）Ion:1VinVoLGDSVgsILVds

9、D1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt1, t2t5LmLkIIVVmpc211VcV第13页/共38页第十三页，共39页。14谐振谐振(xizhn)复位正激变换器（复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（3）Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt2, t3t51VcVcVrminCLDTV2第14页/共38页第十四页，共39页。15谐振谐振(xizhn)复位正激变换器（复位正激变换器（Resonan

10、t Reset Forward)（4）Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1t2 t3t4Ipt3, t4t5LmCrtt 14Lm,Cr的选取(xunq)原则：22max2)1 (1*TDCrLm第15页/共38页第十五页，共39页。16谐振谐振(xizhn)复位正激变换器（复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（5）Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt4, t5t5(V

11、in/n-Vo)DT=Vo(1-D)T根据(gnj)电感的伏秒平衡：Vo=VinD/n第16页/共38页第十六页，共39页。17谐振谐振(xizhn)复位正激变换器（复位正激变换器（Resonant Reset Forward)特征特征VinVoCr缺点：缺点：原边开管电压应力较高。原边开管电压应力较高。谐振电容的损耗大。谐振电容的损耗大。宽范围输入宽范围输入(shr)效率很难兼顾。效率很难兼顾。优点：优点：电路简单。电路简单。线性输出控制特性线性输出控制特性(txng)。不需要辅助的吸收回路。不需要辅助的吸收回路。 VinVoCrVinVoCr第17页/共38页第十七页，共39页。18有源钳

12、位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（1）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDTIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt0, t1t5LmVinDTIm/LoDTVonVinIL/)/(LmPInIIS1S1Sa1-D+VT-第18页/共38页第十八页，共39页。19有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（2）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4I

13、pt1, t2t5LkIpttVcIm)() 12(S1S1Sa1-D+VT-VcLknIott/*)/() 12(1td2td* 副边电压的死区跟Lk和Io有关(yugun)，跟原边开管的死区无关第19页/共38页第十九页，共39页。20有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（3）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt2, t3t5S1S1Sa1-D+VT-) 12(1tttd1td2tdSa在零电压(diny)条件下开通* 原边开管的死区时间

14、(shjin)需满足：第20页/共38页第二十页，共39页。21有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（4）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt3, t4t5S1S1Sa1-D+VT-1td2td激磁电流反向(fn xin)，变压器被复位LmTDVcIm/)1 ( 第21页/共38页第二十一页，共39页。22有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（5）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsD

15、IpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt4, t5t5S1S1Sa1-D+VT-1td2td激磁电流对主开关的输出电容(dinrng)放电。t6=t0第22页/共38页第二十二页，共39页。23有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（6）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt4, t5t5S1S1Sa1-D+VT-1td2td激磁(jc)电流对主开关的输出电容放电。t6=t0第23页/共38页

16、第二十三页，共39页。24有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（7）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt5, t6t5S1S1Sa1-D+VT-1td2tdt5时刻(shk)副边二极管钳位主开关的输出电容放电结束。t6时刻(shk)新的周期开始t6=t0第24页/共38页第二十四页，共39页。25有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（8）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTI

17、oVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt5S1S1Sa1-D+VT-1td2tdt6=t0(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D)T根据(gnj)电感的伏秒平衡：Vo=VinD/nVinDT=Vc(1-D)T根据(gnj)变压器的伏秒平衡：Vc=VinD/(1-D)Vds=Vc+VinVds=Vin/(1-D)第25页/共38页第二十五页，共39页。26有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（9）00.10.20.30.40.50.60.70.80.91012345678910Vc D()Vds D()

18、DVc=VinD/(1-D)Vds=Vin/(1-D)Vin第26页/共38页第二十六页，共39页。27有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（10）VinVoVinVoVinVoSaSaSa缺点：缺点：钳位电压建立较慢，启动过程变压钳位电压建立较慢，启动过程变压器易偏磁。器易偏磁。对输入电压的动态对输入电压的动态(dngti)响应慢。响应慢。优点：优点：变压器最优化复位（电压应力低）。变压器最优化复位（电压应力低）。输入电压范围输入电压范围(fnwi)宽。宽。线性输出控制特性。线性输出控制特性。不需要辅助的吸收回路。不需要辅助的吸收回路。 第2

19、7页/共38页第二十七页，共39页。28桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)VinVoLS1D1D2S2半桥变换器VinVoLS1D1D2S2全桥变换器VinVoLS1D1D2S2推挽(tu wn)变换器VinVoS1D2S2半桥变换器（倍流整流(zhngli)）第28页/共38页第二十八页，共39页。29桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（1）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoCBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3 t4t5S2Dt6=t0T/2T

20、/2Vct0, t1变换器正半周工作，Ip, Im增加(zngji)；Vc减少。LmDTVinIm/2) 12/()/(CDTnIoVcC1C1第29页/共38页第二十九页，共39页。30桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（2）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3t4t5S2Dt6=t0T/2T/2VcC1CC1Vin/2t1, t2S1关断，变压器副边续流，原边漏感能量(nngling)被S2体二极管钳位。第30页/共38页第三十页，共39页。3

21、1桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（3）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3t4t5S2Dt6=t0T/2T/2VcC1CC1Vin/2t2, t3S1，S2全部(qunb)关断，变压器副边续流，Lm保持不变，D1,D2电流之差为Lm。第31页/共38页第三十一页，共39页。32桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（4）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoABS1ILVds1DIpVTIoVin

22、/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3t4 t5S2Dt6=t0T/2T/2Vin/2VTVct3, t4变换器负半周工作，Ip, Im减少(jinsho)；Vc增加。LmDTVinIm/2) 12/()/(CDTnIoVc 第32页/共38页第三十二页，共39页。33桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（5）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoABS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3t4t5S2Dt6=t0T/2T/2Vin/2VTVct4, t5S2关断，变压器副边续流，原

23、边漏感能量(nngling)被S1体二极管钳位。第33页/共38页第三十三页，共39页。34桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（6）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3t4t5S2Dt6=t0T/2T/2VcC1CC1Vin/2t5, t6S1，S2全部关断，变压器副边续流，Lm保持(boch)不变，D1,D2电流之差为Lm。t0, t1LoDTVonVinIL/)2(t1, t3LoTDVoIL/)2/1 (DnVinVo 5 . 0D第34页/共38页第三十四页，共39页。35桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（7）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoBVTC1CC1DnVinVo 5 . 0DLoTDVoIL/)2/1 () 12/()/(CDTnIoVc 缺点：缺点：变压器结构复杂。变压器结构复杂。输入输入(shr)电压范围较小。电压范围较小。优点：优点：变压器正负工作，不需要辅助变压器正负工作，不需要辅助(fzh)的复位电路。的复位电路。输出纹波频率是开关频率的两倍，所输出纹波频率