开关电源原理与应用讲义111019

1、开关电源的原理与应用课件下载方法：进入综合信息门户教学资源网络教学综合平台中，在课程编号中输入（0806034034）出现（开关电源的原理与应用）点击进入后左侧信息中点击（课程互动）左侧信息中点击（教学材料）显示（开关电源讲义-2011）点击后显示（开关电源的原理与应用）-点击下载序论开关电源的技术领域属于电力电子技术电力电子技术电力学、电子技术、控制理论三个学科的交叉.电力电子技术的概念及研究领域电力电子技术（Power Electronics）是以电力电子器件（Power Electronic Device）为基础，利用电路和控制理论对电能进行交换和控制的技术，即应用于电力应用领域的电子技

2、术。电力电子技术也称为电力电子学或功率电子学。电力电子技术由电力学、电子学、和控制理论三个学科交叉形成，是目前较为活跃的应用型学科。电力电子技术通常分为器件的制造技术和电力电子电路的应用技术即变流技术两大部分。其中，器件制造技术包括各种电力电子器件的设计、制造、参数测试、模型分析等。而目前所用的电力电子器件基本都采用半导体材料制成，所以电力电子器件也称为电力半导体器件。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。电能有交流（Alternating Current, AC）和直流（Direct Current, DC）两大类。交流电能有电压大小、相位、频率和相数的差别，直流电能有大小和极性的差别

3、。在电能的实际应用中，常常需要在两种电能之间，或是对同一种电能的一个或多个参数（如电压、电流、频率等）进行变换，这就是电力变换（Power Conversion），也就是电力电子变流技术。电力变换可总结为以下四种类型：交流直流（ACDC）变换整流，将交流电能变换为直流电能。直流交流（DCAC）变换逆变，将直流电能变为交流电能，是整流的逆过程。交流交流（ACAC）变换包括交流调压和交流变频，即改变交流电能的参数。直流直流（DCDC）变换直流斩波，是对直流电能的参数进行变换。所以，电力电子技术对电能进行变换和控制的任务就是变换电能的形态和控制电能的流动(如：电动车)，向用户提供满足性能要求的电能。

4、.电力电子技术的发展历史1.电力电子器件的发展历史电力电子技术的发展历史，与电力电子器件的发展历史密不可分。电力电子器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。1958年，美国通用电气公司研制出世界上第一只工业用晶闸管（Thyristor），也称SCR，这标志着电力电子技术时代的诞生。20世纪60年代开始到70年代阶段，晶闸管得到了飞速发展，从低压小电流到高压大电流的各系列晶闸管产品广泛应用于各种变流装置，同时，逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件也相继问世，电力电子技术的发展进入了晶闸管时代。20世纪70年代中后期，以门极关断（GTO）晶闸管、大功率晶体管（GTR

5、）和电力场效应晶体管（电力MOSFET）为代表的全控型器件得到迅速发展。到了20世界80年代后期，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）等复合型器件相继问世，它们综合看MOSFET、GTO等期间的优点，性能更加优越。.电力电子电路的发展历史和电力电子器件相适应，电力电子电路的发展经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代几个发展阶段。20世纪70年代开始，出现了世界范围的能源危机，交流电机变频调速因具有节能效果显著的特点而得到迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0100Hz的交流电。在7080年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用晶闸管、大功率晶体管（GTR）

6、和门极关断晶闸管（GTO）成为当时电力电子器件的主角，类似的应用还包括高压直流输电、静止式无功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，电力电子电路的发展进入逆变器时代。但变频装置的工作频率还较低，主要局限在中低频范围内。20世纪80年代开始，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件。新型电力电子器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型化和轻量化，实现机电一体化

7、和智能化提供了重要的技术基础。电力电子电路的发展进入了变频器时代。.电力电子技术的应用在高度发达的今天，电能是国民经济和人民生活非常重要的能源，而作为对电能进行变换和控制的电力电子装置也是无处不在。电力电子技术的应用领域已从传统的机械、石化、纺织、冶金、电力、铁路、航空、航海等领域，进一步扩展到汽车、通信、家用电器、医疗设备、照明等领域。（1） 一般工业应用据不完全统计，在目前所有能源中，电能约占40%，电能中55%以上是通过各种电机消耗的，而为各种电机供电的电源都是电力电子装置。此外，电化学、电解、电镀等所需要的整流电源，冶金工业中的中频、高频感应加热电源，直流电弧炉电源等都是电力电子装置。

8、（2）交通运输中的应用电力机车、城市电车、地铁都采用电力电子装置进行调速和控制。电动汽车的电机也需要电力电子装置进行电力变换和控制。飞机、船舶需要多种不同性能的电源，也离不开电力电子技术。（3）.电力系统中的应用直流输电具有输电距离远、调节性能好、过电压水平低、线路损耗小的优点，近年来得到迅速发展，我国也已投建了多条高压直流输电线。直流输电送电端的换流阀都采用晶闸管变流装置。（4）.新能源中的应用近年来，风力发电、太阳能发电、潮汐发电等各种可能再生能源的应用越来越受重视，这些新型发电方式都需要电力电子技术参与调节和控制。同时，这些发电方式发出的电能在联网和储能时也离不开电力电子装置。（5）电子

9、装置在家用电器中的应用各种电子装置都需要不同电压等级的直流电源供电，近年来高频开关电源引起具有体积小、重量轻、效率高的特点，已经取代了传统的线性稳压电源。家用电器中，各种节能灯的镇流器、电视机、变频空调、变频冰箱等，都采用了电力电子技术。.电力电子技术的发展趋势电力电子技术的发展趋势主要包括电力电子器件的发展趋势、电力电子电路的发展趋势和控制技术的发展趋势几方面。电力电子器件的发展方向主要是高频化、集成化、模块化和智能化。随着电力电子器件的频率的提高，电力电子装置的性能得到大力改善，体积减少，重量降低、效率提高，所以电力电子器件的高电压、大电流和高频化是今后电力电子技术创新的主导方向。电力电子

10、控制技术的发展与脉冲宽度调制（PWM）控制技术是密不可分的。目前最流行的PWM技术可以分为开环和闭环、线性和非线性。随着现代控制理论、微电子技术、计算机技术的飞速发展，现代电力电子装置正在向高电压、大容量、高频化、易驱动、高功率密度和全数字化、智能控制方向发展。5.电力电子电路的仿真由于电力电子电路中的电力电子器件具有非线性特性，给电力电子电路讨论和分析带来了一定的困难，使电路计算的复杂程度增加。对于电力电子电路的分析，一般采用波形分析和分段线性化的处理方法。现代计算机仿真技术为电力电子电路的分析和系统的分析提供了崭新的方法，使复杂的电力电子电路分析和设计变得更加容易和简单。所谓仿真，指的是在

11、计算机平台上虚拟实际的物理系统，用数学模型代替实际的物理器件和电路，从而实现对实际电路的工作过程的研究和讨论。随着数值算法的不断完善，已经出现了大量的通用数学仿真语言和软件。现代仿真软件经营模块化，更适合工程上的问应用。各种仿真软件成为科研、设计及学生学习的必备工具和好手。电力电子电路的仿真软件有很多，目前最常用的主要有PSPICE软件和MATLAB的Simulink平台。通过仿真软件的使用，电力电子电路设计人员可以在进行实验前，先进行电路仿真分析，确定合理应用的主电路和控制方式，大大减小了电力电子装置开发和设计的工作量，缩短了开发和设计时间。所以，电力电子仿真软件的学习对于从事电力电子装置开

12、发和应用的工程技术人员来说是非常重要的。第一部分 开关电源相关的预备知识（一） 滤波电路、储能元件的工作原理、电压时间成积。（1）滤波器的分类按元件分为：有源滤波器、无源滤波器、陶瓷滤波器、晶体滤波器、机械滤波器、锁相环滤波器、开关电容滤波器等。按信号处理的方式分类：模拟滤波器、数字滤波器。按通频带分：有源滤波器可分为：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）等。还有一些特殊滤波器：如满足一定频响特性、相移特性的特殊滤波器，例如，线性相移滤波器、时延滤波器、音响中的计杈网络滤波器、电视机中的中声表面波滤波器等。开关电源中常用的无源滤波器：RC、LC

13、、型、T型电路结构RC型优点：成本低缺点：存在电阻，产生损耗较大，电流越大损耗越大LC型优点：电感L和电容C是储能元件，理论上理想状态时内部等效电阻为0，因此无功率损耗，但实际上存在，但等效电阻很小，因此损耗很小。 缺点：体积大，成本高*简单介绍有源滤波器：RLC元件和有源器件（三极管、场效应管、运算放大器等）组合，可进行无衰减地滤波。滤波波形- 从充放电理论和阻抗理论说明滤波作用（2）储能元件电容元件C: ,，可得， 从而可知C上的电压不能突变，突变会引起很大的i电容储存的能量：, 储存的能量与充电过程无关，取决于最后U的大小 画图说明电感元件L：，从而可知i不能突变。, 储存的能量与过程无

14、关，取决于最后i的大小 画图说明* 恒定电压时电感的电压时间乘积： ，U为常数时, , 因此 ，* U×t称为电压时间乘积 一个电感中施加一定时间的电压后断开,则电感两端的电压为多少?接通电压时储存的能量和断开时释放的能量守恒，因此 可得 （3）释放模式* 注：开关切换时，电感电压的极性反转，释放模式中面积相同即可。（4）发生高压的举例*根据电路换路定律，说明高压发生的机理及克服方法开关切换动作发生的瞬间 开关切换动作发生前 , 开关切换动作发生后 设RL=10时 UL=10V,RL=1000时 UL=1000V, 开关切换时，电感极性反向，电压大小取决于RL大小。（二） 各种波形发

15、生器原理，矩形波，三角波，锯齿波，正弦波(1)一般比较器只有一个比较点，满足 , , , (2) 施密特比较器具有两个比较点，且比较后自动改变下一个比较点电压输出高电平时： UCC ，输出高电平时： -UCC ， 双电源时，设|+UCC|=|-UCC|= 10V UH ，R1= R2 = 1K时，UrefH=5V, UrefH=-5V单电源构成：输出为高电平时, ,输出为低电平时,设UC=10V，R1= R2 ,UZ=5V时, UrefH=2.5+5=7.5V , UrefL=2.5V*如果R2的位置上替换稳压管,则波形如何？（3）矩形波、三角波发生器（双电源）工作过程分析: 1. 上电后 U

16、C=0,设为输出高电平,UO=UH ,通过R对C充电2. 当UC > UrefH时，输出低电平,UO = UL，C的电压通过R放电3. 当UC < UrefL时，UO = UH,重新开始充电这时周期为: T = T1 + T2 ,由于T1 = T2 ,可利用一阶电路的全响应公式 , US 为电源，U0 为初始电压，可得 *与电源电压+UCC和-UCC 无关 - 频率稳定（4）可调节占空比D的电路占空比定义：, 因此 , 思路：改变充电和放电支路的时间常数a、充电时通过D1,Rf1b、放电时通过D2,Rf2 因此可调节占空比D （5）锯齿波发生器 Rf20时，放电时间短，形成锯齿波

17、（6）正弦波发生器A.可用专用的发生器集成电路产生B.单片机和DA结合产生C.可利用方波、三角波、梯形波产生原理：在方波或三角波中虑除高频部分滤波器个数越多效果越好思考题：方波、三角波、梯形波哪一个更接近正弦波？（三）、各种PWM发生器的工作原理与设计PWM（Pulse Width Modulation）占空比可变的脉冲波-频率可变、可不变。平均值：* 因此改变D可以改变输出电压UO（1）利用锯齿波、三角波产生PWM波形原理（2）集成电路NE555工作原理（Timer，定时器）注：内部具有三个R，对电源电压进行分压，()当时，RS触发器置位，输出U3为高电平，三极管截止当时，RS触发器清零，输

18、出U3为低电平，三极管饱和U4为低电平时，清零，输出U3为低电平设计举例：电容上的电压 ，式中为充电电压，为初始电压充电时 , 的电压为，因此 可得 从而 放电时，的电压为,因此 ，可得思考题：1、怎样获得占空比任意可调的脉冲波？2、怎样获得占空为50的脉冲波？-可用二极管或充电电阻可直接接到输出端3、分析图示电路图：怎样获得梯形波和正弦波？ (3)用比较器组成PWM型开关电源（4）用NE555组成PWM型开关电源分析：（1）当UC < UH时，输出高电平UCC，Q导通，IL，电感储能，C充电，C电压上升。（2）UC > UH时，输出低电平一直到当UC < UL时，U3 =

19、0V，Q截止，L的电压极性反相，L中的能量经D传送到C和RL，同时电容CT中的电压经RB放电（3）当UC < UL时，输出高电平UCC，重复过程（1）四、 各种半导体元件的特性及驱动特性 （三级管、场效应管、IGBT、可控硅、双向触发二极管DIAC、SIDAC、单结晶管等）（）三级管，NPN和PNP两种 工作时BE结正偏 BC结反偏 同时分析PNP型（2）三级管的复合应用（达林顿管）一个三级管较小，控制能力较差，为了提高的大小，采用复合管NPN和PNP三极管共有四种组合求复合后的， 复合时结论：A、同型管复合 ，, 异型管复合 ， B、型号取决于前面的管 三级管的特性：A. 电流控制器件

20、，输入阻抗较小，输入需要输入一定的电流，才有输出电流,因此需要较大的驱动功率B. 饱和时，因此饱和压降小,功率损耗小。（3）结型场效应管N沟道、P沟道（JFET）工作原理：结型场效应管工作时GS之间反偏，故输入电阻达107以上，而三级管正偏输入电阻小，一般小于1000。a、UGS=0时ID最大。b、| UGS |时阻挡层加宽,沟道电阻增加，ID c、|UGS|=UP时发生夹断，ID=0。 d、JFET是电压控制器件，由于Ri很大，IG0e、结构对称，D、S极对调使用也可以，用于小功率的场合。（4）绝缘栅场效应管:分为N沟道和P沟道（增强型、耗尽型） N沟道分为：增强型、耗尽型 ，P沟道分为：增

21、强型、耗尽型 增强型N沟道绝缘栅场效应管工作原理:注：耗尽型事先参入大量的正离子，因此UGS可正、可负。场效应管的特点：A. 电压控制器件,gm= ID/UGS, 输入阻抗很高（输入电流几乎位0），小功率驱动即可B. 在DS两端电压较小时，DS两端呈现电阻特性可变电阻特性C. 场效应管饱和时，DS两端呈现饱和电阻RON，(一般0.1欧以下)，因此IDS越大VDS越大，功率损耗增加举例：RON = 0.1 ，IDS = 1A时，UDS = 0.1V , P= 0.1WRON = 0.1 ，IDS = 10A时，UDS = 1V , P= 10WRON = 0.1 ，IDS = 20A时，UDS

22、= 2V , P= 40W而三极管时，IC = 1A时， UCE =0.5V , P = 0.5W IC = 10A时，UCE = 1V , P = 10WIC = 20A时，UCE = 1.2V, P = 24WIGBT的特点：场效应管和三极管的组合，具有两者的优点输入阻抗高，饱和压降小。（5）可控硅SCR- 可做交流电子开关单向可控硅：具有单向触发导通功能*导通角越大，负载的电压越大双向可控硅：具有双向触发导通功能特点：T1T2双方向，G和T1之间2个PN结极性相反的并联。光电耦合可控硅-在电路上起隔离作用集成光电耦合可控硅MOC3020集成光电耦合可控硅（过零点触发功能）MOC3061*

23、通常可控硅用于交流开关，工作频率较低，100HZ以下，但特殊的可控硅可工作在高频的场合（6）三极管、场效应管的驱动特性A、三极管的驱动特性原因：从截止区放大区饱和区，或者从饱和区放大区截止区，需要过渡时间注：驱动电流越小，波形的坡度越大损耗越大，为了减少PC,应迅速导通加大电流，断开时为了迅速减少电流加反向电流。B、场效应管的驱动特性理论上场效应管的输入阻抗很高，因此驱动时需要很小的功率即可，但由于输入端的寄生电容C的存在，应适当加大驱动电流。结论：为了缩短寄生电容C的充放电效应，应减少驱动器的输出电阻R，增加输出电流（7）变压器和电感特性电感特性：只能储能 ，不能直接进行变压，释放能量时极性

24、反向变压器特性：变压器即能储能，也能变压同名端（同极性端）：工作时出现同极性的引脚称为同名端理想变压器能量守恒：P入= P出 恒非理想变压器：P入= P出2组绕组时，3组绕组时变压作用： 或 变流作用： 利用 P入= P出可推导- 证明（思考题）磁动式平衡方程： - 证明（思考题）3个以上绕组工作时 N1I1 = N2I2 + N3I3 - 证明（思考题）阻抗变换作用： - 证明（思考题）举例阻抗放大作用，用于农村广播网系统变压器特性：A. 按照匝比，进行变压作用、变流作用、阻抗变换作用B. 分为低频变压器（工频变压器），中频变压器，高频变压器C. 工作频率越高，体积越小（8）光电耦合器：有光

25、电耦合三极管、光电耦合二极管作用：在电路中通过光和电转换方式实现（1）隔离输入和输出，（2）同相或反相方式传递信号特点：1、光电耦合三极管，由于存在电流放大倍数，因此输入端的驱动电流较小；2、光电耦合二极管无流放大作用，因此需要的驱动电流较大用法：输入和输出之间，可同相驱动和反相驱动通常使用的型号：单光耦（集成块内部只有一个）有 PC817、PC525、PC716、4N25、4N32 、4N33双光耦（集成块内部只有两个）有PC814、PC827、TL504第二部分：开关电源原理第一章 开关稳压电源概述1.1线性稳压电源与开关稳压电源基本原理-利用电感储存能量线性稳压电源概述 线性稳压电源调整

26、功率管工作在线性放大区求输出电压：（1）线性电源的优点a、电源稳定度及负载稳定度高电源稳定度电压调整率来衡量，电压调整滤=输入电压为UI1时输出为 U01，UI2时输出为 U02负载稳定度负载调整率来衡量，负载调整率=U01空载，U02满载b、输出纹波电压小精密调节（随时调节）c、瞬态相应速度较快（随时调节）d、线路结构简单，便于维修和理解e、无高频开关噪声f、成本低（2）线性稳压电源的缺点a、内部功耗大、转换率低（一般45）（须加大的散热器）b、体积大、重量重，不便于微型化和小型化（因为使用工频降压变压器）c、必须有较大容量的输入和输出滤波电容（因为对工频进行滤波）d、输入电压动态范围小，线

27、性调整率低（不能设计100-250V）e、只能用于降压输出电压不能高于输入电压（3）造成这些缺点的原因a、通过电压差来稳压，输入波动越大，越低b、工频变压器（线性变压器）的=8090，且增加了体积和重量，降低了c、线性稳压电源工频为50Hz或60Hz频率很低，为了降低纹波必须加大C，而频率高时可减少Cd、根据电压之差进行稳压，因此只能降压，不能升压。常用的三端稳压器产品有正电压输出LM7805，LM7808、09、12、18、24等负电压输出LM7905等开关稳压电源概述（）开关电源的结构开关变换方式：DC-AC变换器，把DC电压利用电子开关转换成脉冲通过变压器、电容转换成AC ，典型应用：U

28、PS,太阳能变换器，逆变器等 DC-DC变换器，把DC电压利用电子开关转换成脉冲通过电感、变压器或电容转换成DC 有源功率因素补偿电路：APFCactive power factor compensation降压式原理框图：（2）开关稳压电源的优点a、内部功率损耗小，转换效率高功率管工作在开关状态，工作频率一般20kHZ-100kHz，发达国家可达1Mz以上，效率高达90以上b、体积小，重量轻无体积大的工频变压器，使用小型电感或高频变压器理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比，体积重量。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz，提高400倍

29、的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5%。开关管损耗小，因此不加散热片或加小的散热片；工作频率高，因此用小容量的C可达到较好的滤波效果。c、稳压范围宽，线性调整率高开关管在很宽的输入电压范围中，以开关方式工作，因此效率高，而线性电源在宽电压输入范围工作时，效率严重下降。举例：开关电源输入电压范围80-250V，输出电压为50V时效率高于80线性电源输入电压范围80-250V，输出电压为50V时效率为80V时50/80=62.5, 150V时50/150=33.3, 250V时50/250=20d、滤波效率大为提高线性电源工作频率为50Hz/60Hz,开关电源50kHz，因此每个周期中储

30、存能量时频率低时需要很大容量的电容，如：1000UF-10000UF频率高时只需要很小容量的电容即可，如：10UF-1000UF一般C可减小约1/500-1/1000举例：停水的例子-停水每隔1天和每隔5天时，所需的容器不同e、电路形式多样，选择余地大如：自激式、它激式，PWM型、PFM型，单端式、双端式。（3）开关电源的缺点a、存在严重的开关噪声和干扰，EMI-electronic Margnetic Interferenceb、电路结构复杂，不便于维修使用集成电路可解决问题c、成本高、可靠性低逐步缓解开关稳压电源的发展（）国际发展状况目前存在克服的困难（书5页）,新突破和新进展（书6页）（

31、2）国内发展情况开关稳压电源的种类（1）按激励方式划分a、它激式驱动信号来自独立的电路，PWM，PFMb、自激式由开关管和变压器提供驱动信号（2）按调制方式分a、脉宽调制型PWM（SPWM），（f不变，只改变D）b、频率调制型PFM （占空比D不变，只改变f）c、混合型PWM和PFM混合用，f和D都改变（3）按开关功率管电流的工作方式分a、开关式开关稳压电源（硬开关）开关管的U和I不为0时进行开关-有较大的开关损耗b、谐振式开关稳压电源（软开关）开关管的U或I为0时进行开关-开关损耗很小，效率更高（4）按功率开关管的类型分a、晶体管型用PNP或NPN驱动电流大，开关速度低b、可控硅型用单向或双

32、向可控硅c、MOSFET型N沟道或沟道MOSFET驱动电流小，高速d、IGBT型饱和压降小，驱动电流小的优点，使用于大功率场合（5）按储能电感的连接方式分a、串联型开关电源储能L在输入电压和输出电压之间b、并联型储能L并联在输入电压和输出电压之间（6）按功率开关连接方式分a、单端正激式 特点：开关ON时能量传送到负载b、单端反激式 特点：开关ON时储存能量，开关OFF时能量传送到负载c、推挽式- Q1和Q2轮流导通，在输出端形成正负半周d、半桥式原理同推挽式，加在变压器初级的电压为Ui/2，电压利用率低e、 全桥式电压利用率高，但是利用了4个功率管（8）按工作方式分a、可控硅整流型控制角，改变

33、UO b、斩波型-对直流进行斩波（开关）c、隔离型采用隔离措施(9)按电路结构分a、散件式 b、集成电路式1.2串联型开关稳压电源 - PWM 型（降压）电路结构工作原理A、稳压过程工作原理B、储存能量和释放能量过程:UC为高电平时Q导通D截止电流I通过L、C、RL L中的电流逐渐增加，L储能 C两端的电压逐渐上升，C储能 RL获得能量UC为低电平时Q截止 L两端电压极性相反 D导通，L中的能量释放 电流I通过C、RL C储能 RL获得能量（能量来源是2个，一是Q导通时在C中储存的能量，二是L中释放的能量）C、各点的波形D、各元件的作用三极管Q :按PWM波形的信号进行开关，导通时传送能量二极

34、管D : Q截止时，D导通，L中的能量被释放，使L中的电流在Q断开时继续存在，起续流作用电感L : 储存能量和释放能量电容C : 储存能量和释放能量的方式起滤波作用，减少负载两端的电压波动OP1 ：比较两个输入端的电压，产生误差信号OP2 ：比较两个输入端的电压,产生PWM信号 E、输出电压计算 采用平均值方法 采用电压时间乘积方法Q导通时，L两端的电压为Q截止时，L两端为UO因此 当不知占空比时根据电路特性，OP1的 F、输出电压和占空比关系 可知输出电压和占空比成正比关系，D越大输出电压越大。思考题：D=1 时开关管处于什么状态？ 降压型开关稳压电源设计（1）功率开关Q的选择a、饱和导通压

35、降Uces越小越好b、截止时反向漏电流ICEO越小越好c、高频特性好d、开关时间短e、基极驱动功率小f、反向击穿电压Uceo ,工作时Uce两端电压近似为Ui，选择时应Uceo> Ui通常 Uceo> 2.6Ui （2）续流二极管D的选择a、D的正向额定电流大于等于开关管的集电极电流或负载R上的电流b、D的反向耐压值大于Uic、为了减小开关引起的输出波纹电压和提高效率，二极管D应选用导通速度快、反向恢复速度快的二极管普通二极管开关速度慢，正向压降较大0.51V，通常用在工频电流的整流IN4000系列， IN4001（100V/1A） 、IN4005、IN4007快恢复二极管开关速度

36、很快，可减少开和关时产生的损耗，但正向压降较大0.51VFR107（700V/1A）、FR207（700V/2A）、FR307 FR507超快恢复二极管开关速度比快恢复二极管更快，正向压降较大0.51VHER107（700V/1A）、HER207、HER307肖特基二极管开关速度最快，正向压降小 0.20.5V，可提高效率，价格较贵SR160（60V/1A）、SR260、SR360、SR560SR1100（100V/1A）、SR2100、SR5100（3）储能电感L的选择电感的作用：电感中的电流不能突变，由于L的存在，在开关时电流时渐变，使开关管承受的冲击电流很小L选择过小，引起很大的脉冲电流

37、，储存的能量少，UO波动大，有临界值（4）输出滤波电容C的选择C过小，滤波作用减少，纹波电压 大 ，过大则浪费且体积大1.2.5 混合型串联降压型开关电源频率、占空比改变（选讲）PWM型开关电源工作时，输出电压按周期进行调节，频率不变，D改变混合型串联开关电源工作时，只要输出电压改变，频率和D改变工作原理：当输出电压比设定值高时，比较器输出为低电平，开关截止当输出电压比设定值低时，比较器输出为高电平，开关导通工作波形：输出电压：根据电路特性，OP1的输出的纹波电压：取决于比较器的灵敏度，灵敏度越高，纹波电压越小1.2.6 用NE555设计混合型串联降压型开关电源（选讲）输出电压计算： ， 结论

38、：RA越大输出电压越大需要提到输出功率时，接入功率三极管，利用电流放大作用输出功率取决于功率三极管的IC思考题：如何设计输出电压为的电路？1.3升压型开关电源（反激式串联型）电路结构具体电路工作波形图工作原理（稳压过程）（1）储能过程：Q1为ON时 L储能，D截止电容C中的能量传送负载（2）释放过程：Q1为OFF时L两端上的极性反转，电压通过D对C和RL传送能量（3）稳压过程：（4）波形（5）计算输出电压Q1为ON时，L两端电压为: Ui - Uces Ui Q1为OFF时，L两端电压为: UO- Ui 因此 结论：a、,UO与D为反比, UOUi ，因此只能升压b、D=0时，UO = Ui，

39、(开关Q1不导通时)c、D=0.5时，UO = 2Ui，D=1时，开关Q1总是导通时UO (绝对禁止)重要参数计算(1)功率开关Q1的选择UceoUO+UD UO 留有20的余量时，0.8UceoUO Uceo1.25UO(2) Q1的Ic选择能量守恒，因此 Po=Pi ,IiUi=IoUo , Q1导通时Ii = IC工作时应留有20%的余量，因此0.8IC > Ii(3)二极管UD的选择a、反向耐压Q为ON时，D反偏电压为UO留20%的余量，0.8UD > UO UD > 1.25UOb、正向导通电流IDIiID, IiUiIOUO 留50%的余量c、二极管正向导通时功率

40、损耗PD设二极管导通时压降为UDS ，则（4）输出滤波电容Ca、C的容量影响 b、耐压值UC, UC = UO ,留50%的余量, UC > 2UO c、电容温度范围电解电容工作温度一般为85，高温为125，条件允许用 125（5）储能电感L的选择1.4极性反转型开关稳压电源电路结构（并联型） 升压型电路 极性反转型开关稳压电源工作原理（1）稳压过程|UO|UA|UTEUC脉宽加大L中的储存能量增加|UO|（2）储能过程和释放过程UC为高Q1 导通L储能D截止，RL从C获得能量UC为低Q1截止L极性反转D通，能量通过D向RL和C释放（3）波形与升压型差不多，简略（4）输出电压计算Q1为O

41、N时，UL= UiTon = UiDT; Q1为OFF时，UL=-UOTOFF=-UO(1-D)T从而可得 结论：a、Ui与D非线性关系，UO 总是负值b、D=0.5时，UO =-Ui 大小相同，极性相反c、 当D< 0.5时UO 的绝对值可小于Ui ,起降压作用，当D > 0.5时UO 的绝对值大于Ui，起升压作用，这种变换器可用于升压或降压重要参数计算 与升压型电路相比除了极性不同以外其他基本一致（略）1.5开关稳压电源中的控制、驱动和保护电路控制电路 控制电路包括取样、比较、基准源、振荡器、调制电路（PWM或PFM）等驱动电路（1）对驱动信号波形的要求a、上升沿陡，幅度大，O

42、N时尽量过驱动，以减少导通时上升时间b、对驱动信号有一定的驱动功率三极管是电流控制元件，因此输出电流越大驱动电流越大场效应管是电压控制元件，理想情况下ON或OFF时不需要电流，但实际上输入端有寄生电容使脉冲波形变坏，因此也需要一定的驱动功率c、正向驱动结束时，下降沿陡，甚至反向驱动，使开关管很快退出饱和区d、三极管的理想驱动波形为（2）驱动电路的种类a、单端式脉冲变压器驱动电路使用变压器b、抗饱和驱动电路防止过饱和和退出时间过长c、固定反偏压驱动电路d、比例驱动电路三极管时Ic大时自动增大Ibe、互补驱动电路NPN和PNP组成的射级跟随器f、发射极开路时驱动电路与a相似教材3637有实际电路。

43、保护电路（1）保护电路的要求a、软启动自动保护电路的延迟时间大于一次整流时电容的充电时间b、过流、过压、欠压、过热等保护电路中的采样反馈，关断功率管所用时间小于一个工作周期动作快c、过流保护电路中，过流故障排除后稳压电源应自动恢复工作（2）保护电路的种类a、过流保护 b、过压保护 c、欠压保护 d、过热保护 e、开机软启动保护1.6开关稳压电源中的几个重要问题 1、二次击穿现象一次击穿：电压Uce Ueceo时，IC突然增加（雪崩击穿）二次击穿：一次击穿后，IC增加到某一值（C点）时Uce突然下降，IC剧增，原因不确定2、一次与二次击穿的区别a、二次击穿后Uce比一次击穿更小b、一次击穿是可逆

44、的（如果限制IC可重新使用），二次击穿是不可逆（损坏）c、一次击穿的原因是UceUeYOUceo而产生，二次击穿是给功率管所加的能量和积累 时间长短有关d、产生一次击穿的原因是明确的UceUeYOUceo，但二次击穿的原因不完全明确3、安全工作区 选用功率管时应注意： （1） 设计时要在功率开关的额定值的基础上留有一定的富余量。（2） 要选择不易产生二次击穿的合金型功率开关，而不能选择较易产生二次击穿的扩散型漂移功率开关。（3） 一定要采取较好的散热措施，创造良好的散热条件和环境，使功率开关的温升不要太高。（4） 电流和电压波动幅度不能太严重，并且要极力避免基极开路工作现象。（5） 在功率开关

45、的工作过程中，要严格避免突然加很大的输入信号和负载短路现象。（6） 在开关稳压电源电路中，一定要彻底消除寄生振荡和开路时所产生的过流、过压现象。（7） 采用多个功率开关串联的方法增大Uceo时，一定要采取措施来限制基极正偏压和反偏压的幅度，以防止产生功率开关的正偏和反偏二次击穿现象。（8） 采用多个功率开关并联的方法和加入缓冲电路的方法来减小功率开关的功耗损耗，尽量避免二次击穿现象的发生。4、功率管芯的结构a、单扩散型 b、双扩散型 c、三重扩散型 d、外延平面型开关稳压电源中的整流和滤波问题1、一次整流：输入部分的工频整流电路，采用桥式整流电路：选择：每个二极管的耐压值UD ：，通常用600

46、V 导通电流：，Ui 输入电压有效值，为效率2、二次整流：对高频开关波形的整流（通常是高频变压器输出的） 形式：a、半波整流 b、全波整流 c、倍压整流 d、自驱动型同步整流 e、外驱动型同步整流 f、混合驱动型整流 3、滤波电路（filter）Resr存在使C发热，Lesr的存在使高频特征变坏（1）、一次滤波：对工频进行滤波，需要很大的C（2）二次滤波：对高频进行滤波，由于f高，因此较小的C也可获得较小的Zc，从而可获得较好的滤波效果（3）滤波电路种类：无源滤波电路：R、L、C组成有源滤波电路：L、C和三极管或运放组成（9） 简单的有源滤波器 ， ，交流时 ，因此，电容被放大了倍称密勒效应优

47、点：利用三极管的电流放大作用，用较小的C可获得较大的Co的效果，可减小体积1.7开关变压器的加工工艺及绝缘处理功率开关变压器的工作状态（磁滞回线），H磁场强度，与电流I有关 ，磁感应强度，与导磁率成正比结论：双极性工作时磁感应强度B变化大，因此磁心的利用率高，单极性工作时磁感应强度B变化小，因此磁心的利用率低。磁性材料磁性材料的作用：空心电感由于空气的导磁率低电感量小，因此通常采用高导磁率的磁性材料上绕制漆包线形成电感，从而同一匝数时可大大提高电感量。常用的有：铁氧体磁芯：导磁率较高、价格便宜、便于加工 缺点：Bm较低，温度性能差，易碎等。坡莫合金或非晶态合金：导磁率很高、Bm较高、温度性能好

48、，缺点：但价格高、不便加工漏感和分布电容的计算（自学）趋肤效应（skin effect）导线中流有交流电流时，因内部和边缘部分所交链的磁通不同，导线截面上的电流分布不均，相当于有效截面积减少了。f >20kHz以上时，f越高涡流越大趋肤效应越明显。趋肤效应产生原理图（1）穿透深度，铜线时，20，K=1教材由表1-10可见，f=1KHz时，H=2.1mm； f=10 KHz时，H=0.66mm通常频率f越高，穿透深度越小，趋肤效应越严重（2）导线选择原则产生趋肤效应时，电流只流在表面的浅层部分，内部几乎无电流，应选择,可用小直径的导线多股并绕或采用扁铜带导线绕制，从而增大导线的表面面积。思

49、考题：直流的时候能产生趋肤效应吗？，为什么频率低时趋肤效应佷弱？ 自学自学第2章 单端式开关稳压电源的实际电路2.1实际电路类型按激励方式分：（1）自激式单管直流变换器开关信号来自于开关管和变压器组合（2）它激式单管直流变换器开关信号来自于独立的PWM信号发生器（3）自激式双管直流变换器（4）它激式双管直流变换器（5）它激式全桥型直流变换器按开关变压器的极性分1、单管正激式直流变换器 特点：（1）功率开关导通时通过变压器能量向负载传送（注意同名端）（2）电路中必须有续流二极管，开关变压器中须有退磁绕组。（3）输出电压取决于初、次级的匝比和占空比。（4）开关变压器起UO与Ui之间的隔离作用，又起

50、按变压比传送电流的作用2、单管反激式直流变换器特点：（1）导通时储存能量，截止时向负载传送能量（同名端） （2）不需要续流二极管和退磁绕组（3）输出电压的大小取决于D和变压器初级电感L和负载RL(4）输出端负载不能开路，若开路UO，因此实际设计时加最小负载（5）开关变压器起UO与Ui之间的隔离作用，又起储能电感作用按功率开关的种类划分（1）GTR（晶体管）型需较大的驱动电流，饱和压将小（2）MOSFET型开关速度快，只需较小的驱动电流（3）IGBT型具有GTR和MOSFET的优点2.3单管自激式反激型直流变换器 (选讲)（1）工作原理上电后ViR1使Q2进入放大状态，Q1开始导通N2产生感应电

51、压使Q1进一步导通（正反馈过程）Q1迅速饱和Is线性增加IsRs05V时，Q2开始导通Q1的基极电流减少Is减少N1和N2电压极性反转，Q1迅速截至N3中产生上正下负的感应电压D导通储存的能量向C和RL传送。画对应波形，并进行说明。（2）输出电压2.4单管它激式正激型直流变换器1、框图2、原理图（1）开关导通期间（传送能量过程）当光电耦合Q4输出某一电压时，PWM发生器OP1输出PWM波形，UD高电平时经Q2 、Q3 射极跟随器组成的驱动器驱动Q1导通，N1的极性上正、下负，N2 的极性上负、下正，D3截止，N3上正、下负D1通，能量通过变压器、D1、L送到C和负载RL （2）开关截止期间（不

52、传送能量）当UD为低电平时，Q1截止，N3上负、下正，变压器中剩余能量通过D3送回电源N3上负、下正，D1截止，L极性反转D2 通，向C和RL传送能量（3）稳压过程当Uo大于Dw时，光电耦合Q4输出UB在OP1与锯齿波比较后UD的占空比变小（高电平脉宽变窄）Q1导通时间变小，输出电压降低。（4）输出电压计算A、无反馈时输出电压无Dw或Q4变压器初级的电压为Ui，次级N3的输出电压为Uo，电压变比为N3/N1 ,因此输出的脉冲电压为,次脉冲电压的占空比为D,则平均输出电压为B、有反馈时输出电压有反馈时，只要输出电压超过稳压管的稳压值加上光电耦合器的输入电压值，开始控制输出电压。（5）各元件的功能OP1：运放构成的比较器，把误差信号与锯齿波比较后，产生PWM信号Q2、Q3：组成互补型射极跟随器，提高PWM信号的电流驱动能力R3：限流电阻，限制Q1的基极电流，防止Q1损坏Q1：开关功率管，控制能量的传送时间变压器：N1，N3，按N1I1=N3I3传送能量，N2，D3组成退磁回路，在截止时把变压器中剩余的能量送回电源Q4：光电耦合器，通过光电耦合，隔离输出端和输入端之间的电的联系。DW：稳压管，提供参考电压，形成误差信号D1：Q1导通时D1通，传送能量，起整流作用D2：Q1截止时，L电压极性反转，D2通，起续流作用L：滤波作用，与输出端的C构成LC滤波器C：储能作用，开关导