开关电源拓扑结构分析

1、开关电源拓朴结构分析开关电源拓朴结构分析FAE NAME：CARY.CHENSZ22电源的分类电源的分类什么是什么是Power Supply?Power Supply负载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3开

2、关电源的元件构成开关电源的元件构成开关电源的基本元件：开关电源的基本元件：有源开关有源开关(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)4三种基本的非隔离开关电源三种基本的非隔离开关电源VinVoLIoSDVinVoDLIoS1DS2VinVoDLIoSVo=Vin *D/(1-D)Vo=Vin *DVo=Vin /(1-D)VoVin, 升压型电路VoVin, 当DVin 当D0.5 升降压型电路5三种基本的隔离开关电源三种基本的隔离开关电源VinVoSLmDVinVoLSD1D2VinVoLS1

3、D1D2S2正激型变换器反激型变换器桥式变换器6反激变换器（反激变换器（Flyback）工作原理工作原理 （电流连续模式）（电流连续模式）根据变压器的伏秒平衡：TDnVoDTVin)1 (*)1 (*DnDVinVoIoVinVoGDSLmDn:1ConVoVinVds)1 (DVinVdsVgsIDVdsD1-DTIpIoVinVin+nV oImVLVin-nVoID-p7反激变换器（反激变换器（Flyback）工作原理工作原理 （电流断续模式）（电流断续模式）根据变压器的伏秒平衡：)1 (*DnDVinVoIoVinVoGDSLmDn:1CoVgsIDVdsD1-DTIoVinVin+n

4、V oImVLVin-nVoID-p-nVoVoVo TRVoLmIp2221根据能量守恒：LmVinDTIpVinDLmRTVo28反激变换器（反激变换器（Flyback）工作原理（工作原理（1）221221LkIpCdsVr nIIppDVgsIDVdsD1-DTIpIoVinVin+nV oImVrVLVin-nVoID-p21DopDIDIIVr=？IoVinVoGDSLmDn:1LkCoLmTDVoID/)1 ( IpCdsLkVr*9反激变换器（反激变换器（Flyback）工作原理（工作原理（2）VcIoVinVoGDSLmDn:1LkCoVcRPloss=(Vc-Vin)2/RG

5、DSLkVcRPloss=(Vc)2/R10反激变换器（反激变换器（Flyback）工作原理（工作原理（3）Vo=？IoVinVoGDSLmDn:1LkCo)1/(DIIIopDCoVgsIDVdsD1-DTIpIoVinVin+nV oImVrICoID-p-IoVoDTIVCOOCDTIVOO/根据Co在DT时间的基本方程：11反激变换器（反激变换器（Flyback）工作原理（工作原理（4）多路输出的反激变换器：多路输出的反激变换器：)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。在辅助输出一路

6、中加入尖峰抑制器（饱和电感） 主路输出工作于电流连续模式。1.采用双路加权反馈的控制方式VinVo1GLmNpLkVo2Ns2Ns1反馈控制12反激变换器（反激变换器（Flyback）特征总结特征总结缺点：缺点：输出纹波电流大。输出控制特性非线性。通常需要辅助的吸收回路。1.转换效率较低。VinVo1GLmNpLkVo2Ns2Ns1反馈控制优点：优点：电路简单。输入电压范围广。 1.容易实现多路输出。13谐振复位正激变换器（谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（1）Ion:1VinVoLoGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVin

7、IL ILLmLkCrt0t1 t2 t3t4Ipt0, t1t5LmVinDTIm/LoDTVonVinIL/)/(LmPInII14谐振复位正激变换器（谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（2）Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1 t2 t3t4Ipt1, t2t5LmLkIIVVmpc211VcV15谐振复位正激变换器（谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（3）Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-

8、Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1 t2 t3t4Ipt2, t3t51VcVcVrminCLDTV216谐振复位正激变换器（谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（4）Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1 t2 t3t4Ipt3, t4t5LmCrtt 14Lm,Cr的选取原则：22max2)1 (1*TDCrLm17谐振复位正激变换器（谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（5）Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-

9、DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1 t2 t3t4Ipt4, t5t5(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D)T根据电感的伏秒平衡：Vo=VinD/n18谐振复位正激变换器（谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)特征特征VinVoCr缺点：缺点：原边开管电压应力较高。谐振电容的损耗大。1.宽范围输入效率很难兼顾。优点：优点：电路简单。线性输出控制特性。1.不需要辅助的吸收回路。 VinVoCrVinVoCr19有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（1）Ion:1VinVoL

10、oGDSSaILVdsDTIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLkCrt0t1 t2 t3t4Ipt0, t1t5LmVinDTIm/LoDTVonVinIL/)/(LmPInIIS1S1Sa1-D+VT-20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+t0t1 t2 t3t4Ipt1, t2t5LkIpttVcIm)() 12(S1S1Sa1-D+VT-VcLknIott/*)/() 12(1td2td* 副边电

11、压的死区跟Lk和Io有关，跟原边开管的死区无关21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+t0t1 t2 t3t4Ipt2, t3t5S1S1Sa1-D+VT-) 12(1tttd1td2tdSa在零电压条件下开通* 原边开管的死区时间需满足：22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

12、ILLmLk-Vc+t0t1 t2 t3t4Ipt3, t4t5S1S1Sa1-D+VT-1td2td激磁电流反向，变压器被复位LmTDVcIm/)1 ( 23有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（5）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1 t2 t3t4Ipt4, t5t5S1S1Sa1-D+VT-1td2td激磁电流对主开关的输出电容放电。t6=t024有源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（6）Ion:1Vi

13、nVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1 t2 t3t4Ipt4, t5t5S1S1Sa1-D+VT-1td2td激磁电流对主开关的输出电容放电。t6=t025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+t0t1 t2 t3t4Ipt5, t6t5S1S1Sa1-D+VT-1td2tdt5时刻副边二极管钳位主开关的输出电容放电结束。t6时刻新的周期开始t6=t026有

14、源钳位正激变换器（有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（8）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1 t2 t3t4Ipt5S1S1Sa1-D+VT-1td2tdt6=t0(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D)T根据电感的伏秒平衡：Vo=VinD/nVinDT=Vc(1-D)T根据变压器的伏秒平衡：Vc=VinD/(1-D)Vds=Vc+VinVds=Vin/(1-D)27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.

15、30.40.50.60.70.80.91012345678910Vc D()Vds D()DVc=VinD/(1-D)Vds=Vin/(1-D)Vin28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，启动过程变压器易偏磁。1.对输入电压的动态响应慢。优点：优点：变压器最优化复位（电压应力低）。输入电压范围宽。线性输出控制特性。1.不需要辅助的吸收回路。 29桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)VinVoLS1D1D2S2半桥变换器VinVoLS

16、1D1D2S2全桥变换器VinVoLS1D1D2S2推挽变换器VinVoS1D2S2半桥变换器（倍流整流）30桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（1）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoCBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3 t4 t5S2Dt6=t0T/2T/2Vct0, t1变换器正半周工作，Ip, Im增加；Vc减少。LmDTVinIm/2) 12/()/(CDTnIoVcC1C131桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（2）VinVoLoS1D

17、1D2S2n:1+1LmLkIpIoBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3 t4 t5S2Dt6=t0T/2T/2VcC1CC1Vin/2t1, t2S1关断，变压器副边续流，原边漏感能量被S2体二极管钳位。32桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（3）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3 t4 t5S2Dt6=t0T/2T/2VcC1CC1Vin/2t2, t3S1，S2全部关断，变压器副边续

18、流，Lm保持不变，D1,D2电流之差为Lm。33桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（4）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoABS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3 t4 t5S2Dt6=t0T/2T/2Vin/2VTVct3, t4变换器负半周工作，Ip, Im减少；Vc增加。LmDTVinIm/2) 12/()/(CDTnIoVc 34桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（5）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoABS1ILVds1D

19、IpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3 t4 t5S2Dt6=t0T/2T/2Vin/2VTVct4, t5S2关断，变压器副边续流，原边漏感能量被S1体二极管钳位。35桥式变换器（桥式变换器（Bridge Type Converter)（6）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3 t4 t5S2Dt6=t0T/2T/2VcC1CC1Vin/2t5, t6S1，S2全部关断，变压器副边续流，Lm保持不变，D1,D2电流之差为Lm。t0, t1LoDTVonVinIL/)2(t1, t3LoTDVoIL/