开关电源拓朴结构分析

1、开关电源拓朴结构分析第1页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三电源的分类什么是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2第2页，共38页，20

2、22年，5月20日，9点12分，星期三开关电源的元件构成开关电源的基本元件：有源开关(Switch)二极管(Diode)电感(Inductor)电容器(Capacitor)变压器(Transformer)3第3页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三三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4第4页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三三种基本的隔离开关电源VinVo

3、SLmDVinVoLSD1D2VinVoLS1D1D2S2正激型变换器反激型变换器桥式变换器5第5页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三反激变换器（Flyback）工作原理 （电流连续模式）根据变压器的伏秒平衡：IoVinVoGDSLmDn:1CoVgsIDVdsD1-DTIpIoVinVin+nVoImVLVin-nVoID-p6第6页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三反激变换器（Flyback）工作原理 （电流断续模式）根据变压器的伏秒平衡：IoVinVoGDSLmDn:1CoVgsIDVdsD1-DTIoVinVin+nVoImVLVin-nVoID

4、-p-nVo根据能量守恒：7第7页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三反激变换器（Flyback）工作原理（1）VgsIDVdsD1-DTIpIoVinVin+nVoImVrVLVin-nVoID-pVr=？IoVinVoGDSLmDn:1LkCo8第8页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三反激变换器（Flyback）工作原理（2）VcIoVinVoGDSLmDn:1LkCoVcRPloss=(Vc-Vin)2/RGDSLkVcRPloss=(Vc)2/R9第9页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三反激变换器（Flyback）工作原理（3）

5、Vo=？IoVinVoGDSLmDn:1LkCoVgsIDVdsD1-DTIpIoVinVin+nVoImVrICoID-p-IoVo根据Co在DT时间的基本方程：10第10页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三反激变换器（Flyback）工作原理（4）多路输出的反激变换器：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。采用双路加权反馈的控制方式VinVo1GLmNpLkVo2Ns2Ns1反馈控制11第11页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三反激变换器（Flyback）特征总结缺点

6、：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。转换效率较低。VinVo1GLmNpLkVo2Ns2Ns1反馈控制优点：电路简单。输入电压范围广。 容易实现多路输出。12第12页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（1）Ion:1VinVoLoGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt0, t1t513第13页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三谐振复位正激变换器（Resonant Reset Fo

7、rward)（2）Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt1, t2t514第14页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（3）Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt2, t3t515第15页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forw

8、ard)（4）Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt3, t4t5Lm,Cr的选取原则：16第16页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（5）Ion:1VinVoLGDSVgsILVdsD1-DTIpVLIoVin/n-Vo-VoImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt4, t5t5(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D)T根据电感的伏秒平衡：Vo=VinD/n17第17页，共38页，2

9、022年，5月20日，9点12分，星期三谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)特征VinVoCr缺点：原边开管电压应力较高。谐振电容的损耗大。宽范围输入效率很难兼顾。优点：电路简单。线性输出控制特性。不需要辅助的吸收回路。 VinVoCrVinVoCr18第18页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（1）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDTIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLkCrt0t1t2t3t4Ipt0, t1t5S1S1Sa1-D+VT-19

10、第19页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（2）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt1, t2t5S1S1Sa1-D+VT-* 副边电压的死区跟Lk和Io有关，跟原边开管的死区无关20第20页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（3）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL

11、 ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt2, t3t5S1S1Sa1-D+VT-Sa在零电压条件下开通* 原边开管的死区时间需满足：21第21页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（4）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt3, t4t5S1S1Sa1-D+VT-激磁电流反向，变压器被复位22第22页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三有源钳位正激变换器（Active Clamped

12、Forward)（5）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt4, t5t5S1S1Sa1-D+VT-激磁电流对主开关的输出电容放电。t6=t023第23页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（6）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt4, t5t5S1S1Sa1-D+VT-激磁电流对主开关的输出电容放电。t6=

13、t024第24页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（7）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVin/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt5, t6t5S1S1Sa1-D+VT-t5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=t025第25页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（8）Ion:1VinVoLoGDSSaILVdsDIpVTIoVi

14、n/n-Vc/nImVinIL ILLmLk-Vc+t0t1t2t3t4Ipt5S1S1Sa1-D+VT-t6=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)26第26页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（9）Vc=VinD/(1-D)Vds=Vin/(1-D)Vin27第27页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三有源钳位正激变换器（

15、Active Clamped Forward)（10）VinVoVinVoVinVoSaSaSa缺点：钳位电压建立较慢，启动过程变压器易偏磁。对输入电压的动态响应慢。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。不需要辅助的吸收回路。 28第28页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三桥式变换器（Bridge Type Converter)VinVoLS1D1D2S2半桥变换器VinVoLS1D1D2S2全桥变换器VinVoLS1D1D2S2推挽变换器VinVoS1D2S2半桥变换器（倍流整流）29第29页，共38页，2022年，5月20日，9点12分

16、，星期三桥式变换器（Bridge Type Converter)（1）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoCBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3t4t5S2Dt6=t0T/2T/2Vct0, t1变换器正半周工作，Ip, Im增加；Vc减少。C1C130第30页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三桥式变换器（Bridge Type Converter)（2）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t

17、2t3t4t5S2Dt6=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。31第31页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三桥式变换器（Bridge Type Converter)（3）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3t4t5S2Dt6=t0T/2T/2VcC1CC1Vin/2t2, t3S1，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。32第32页，共38页，2022年，5

18、月20日，9点12分，星期三桥式变换器（Bridge Type Converter)（4）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoABS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3t4t5S2Dt6=t0T/2T/2Vin/2VTVct3, t4变换器负半周工作，Ip, Im减少；Vc增加。33第33页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三桥式变换器（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，原边漏感能量被S1体二极管钳位。34第34页，共38页，2022年，5月20日，9点12分，星期三桥式变换器（Bridge Type Converter)（6）VinVoLoS1D1D2S2n:1+1LmLkIpIoBVTS1ILVds1DIpVTIoVin/2n-Vin/2nImVinIL t0t1t2t3t4t5S2Dt6=t0T/2T/2VcC1CC1Vin/2t5, t6S1，S2全部