全国大学生电子设计竞赛开关电源的基本拓扑结构

电源类赛题陈皞电阻（阻值、功率）采样电阻电流采样——串一个阻值较小的电阻电压采样——并一个阻值较大的电阻电容（介质、耐压值）——多用于储能、滤波电感（多用于储能）——储能、滤波、隔离功率器件开关电源基本原理回顾BuckBoostBuck-Boost推挽变换器正激变换器半桥变换器全桥变换器反激变换器开关电源的常见拓扑结构工作流程K闭合，D截止，L充电，iL>Io时，iL向电容充电同时向负载供电K断开，L上产生反向电动势，通过D形成回路iL>Io，电容充电、负载供电0<iL<Io，电容向负载供电iL减为0，仅电容向负载供电Buck电流的连续与断续是针对电感上有无电流而定义的CCM：电流连续模式，电感上有持续的电流流过DCM：电流断续模式，电感上的电流不是连续的两者的临界情况称为BCM模式CCM、DCM

输出电压与输入电压的关系直流损耗：晶体管与二极管在直流导通状态下，自身压降同流过电流的乘积交流损耗：集中于晶体管上。在开关开断过程中，晶体管上电压电流升降需要时间，若电流电压同时上升下降并同时结束则交流损耗最小，若电流变化结束电压才开始变化，则整个开断时间最长损耗最大，效率也最低。能耗二极管普通二极管压降大，管耗大普通二极管的结电容过大，无法跟上开关频率多采用肖特基二极管（适用于电压低电流大的场合）或（超）快恢复二极管（适用于电压高电流小的场合）肖特基的特点：低功耗（管压降低）、耐压低、反向恢复时间快二极管考虑的参数：反向耐压峰值电流开关速度元件选择与参数计算（CCM下）二极管Datasheet相关参数

元件选择与参数计算（CCM下）

元件选择与参数计算（CCM下）工作流程K闭合，iL增大，D截止，C向负载供电（如图1）K断开，UL和Ui串联，D导通，向C充电，同时向负载供电，iL减小（如图2）若iL减小至0，D截止，C向R供电（如图3）Boost图1图3图2

输入电压与输出电压的关系

元件选择与参数设计（CCM下）

Buck-Boost图1图3图2非隔离型：输入输出之间无电气隔离隔离型：输入输出之间通过变压器等隔离前面的BUCK、BOOST、BUCK-BOOST均属于非隔离型开关电源非隔离型电路的安全性和干扰抑制能力存在缺陷隔离型电路采用高频变压器隔离，通过改变原边与副边的匝数比，可以方便的设定输入/输出的电压、电流比，不再受基本的升降压限制隔离型与非隔离型开关电源变压器工频变压器（50Hz）：AC-AC，如30W双15V等中频变压器（中周）：在通信领域用的比较多，如电压信号的放大，信号的耦合等高频变压器（超过10kHz）：高频开关电源中作高频开关电源变压器变压器二次侧与一次侧的变比为n开关导通器件将输入能量通过变压器传递到输出S1导通时，输入电压直接加在变压器的初级线圈上，次级感应电压使整流管D1导通，二次侧输出nUiS1截止时，D1截止，二次侧输出开路续流管D2、L、C参照BUCK电路可并联多个次级绕组，做辅输出正激变换器D3N3N1N2N3为磁复位绕组，通常匝数N3=N1（反相）CCM下开关截止期间，变压器存储的能量传给输出变换器反激式电路中变压器中需要存储能量，变压器中需要留有空气气隙CCM下：DCM下：反激变换器特点成本低、适用于小功率的开关电源变压器充当电感作用，只要在输出加滤波储能电容即可功率过大时，变压器体积增大CCM下采用双功率开关电路控制隔离变压器的励磁电流，以双向正激的方式进行能量传输两个电容构成H桥的两个桥臂两个由晶体管及保护二极管构成的功率开关形成H桥的另两个桥臂两个电容阻止进入变压器初级的直流分量，避免由于不相等开关管导通时间引起的磁芯饱和风险适合大功率场合半桥变换器CCM下图中省略了与开关管并联的保护二极管使用四个功率开关构成H桥电路控制隔离变压器的励磁电流，以双向正激的方式进行能量的传递H桥臂上对角交替导通，使隔离变压器原边绕组产生方向交变的脉冲电流，应避免H桥直通为防止变压器磁芯饱和，在变压器的初级绕组支路上串联一个电容器，以阻止由于开关管正负半周导通时间不等引起的直流分量适合大功率场合上面两个开关需要光耦隔离或变压器隔离全桥变换器VoLS1D1D2S2双极型大功率晶体管（含达林顿管）：三端电流控制型开关器件，不常用MOSFET：三端电压控制型开关器件IGBT：MOSFET与双极型功率晶体管组合在一起的复合功率器件开关管的选择栅极（G）、源极（S）、漏极（D）分类：增强型（EMOS）、耗尽型（DMOS），其中耗尽型不用做功率晶体管沟道：N、P（P的导通电阻较大，用N较广泛）特性：输入阻抗高、开关速度快、高频特性好、热稳定性好、功率增益大、噪声小应用：功率放大、电机调速、开关电源常用型号：IRF540、IRF9540对N-EMOS，栅源间电压为0，漏源间电流为0，需要增加栅源电压以使得漏源间有电流流过MOSFETN型：常用正电源供电，负载连接于电源正与漏极之间P型：漏极电流由负的栅源电压控制，从正供电母线流入源极，从漏极流出，然后通过负载阻抗回到负供电母线MOSFET的开关控制绝缘栅双极晶体管（IGBT）MOSFET和双极性功率晶体管组合在一起的符合功率器件（电压驱动式功率半导体器件）具有通断速度快、输入阻抗高、驱动电路简单和驱动功率小的优点（MOS）具有容量大、阻断电压高的优点（大功率双极性晶体管）存在电流拖尾现象开关导通瞬间，驱动电路应提供足够大的充电电流，使MOSFET栅源间电压迅速上升到所需值导通期间，保证栅源电压稳定，使MOSFET可靠导通导通期间，由于MOS的输入阻抗很高，故栅极电流很小，一般只有nA级别，可忽略关断瞬间，提供尽可能低阻抗的通路使MOSFET栅源间电容电压快速释放，保证开关管快速关断关断期间，最好能提供一个负电压，避免干扰误导通MOSFET驱动的基本要求

MOSFET的结电容计算

驱动电流需求分析推挽输出的开关形式——图腾驱动R1——改变控制脉冲的前后沿陡度，并防止自激振荡，通常取值几欧~几十欧（前端电路的