开关电源与有源功率因数校正技术课件

第1章开关电源技术及PFC概述1.1什么是开关电源技术

1.2开关电源的构成及特点

1.3改善开关电源谐波和功率因数的方法

第1章开关电源技术及PFC概述1.1什么是开1.1什么是开关电源技术◆直流电源分为：线性电源和开关电源。

☞线性电源是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。

图1-1利用可变电阻稳压1.1什么是开关电源技术◆直流电源分为：线性电源和开关电源◆实际电源电路中，通常利用负反馈原理，以输出电压的变化量去控制晶体管集电极与发射极之间的电阻值，原理电路见图1-2。

图1-2利用反馈加晶体管稳压1.1什么是开关电源技术◆实际电源电路中，通常利用负反馈原理，以输出电压的变化量☞常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX系列（正电压型），79XX系列（负电压型）（例如7805，输出电压为5V）；LM317（可调正电压型），LM337（可调负电压型）；

☞由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，所以工作在线性状态下的调整管，一般会产生大量的热，导致效率不高（满载才80%）。这是线性电源的一个主要缺点。1.1什么是开关电源技术☞常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX系列（正电压型），1.1什么是开关电源技术1.1什么是开关电源技术☞线性电源特点优点：技术成熟，已有大量集成化的稳压电源模块，稳定性好，输出纹波电压小等。缺点：需要的变压器为工频变压器体积大，效率低。

整流管流过和负责相同的电流，损耗增大；为减少纹波，输入滤波电容容量要求大，否则脉动电压增加；此外，由于调整管功耗大，所以需要装体积很大的散热片，很难满足现代电力电子设备发展的需求。1.1什么是开关电源技术☞线性电源特点1.1什么是开关电源技术1.1什么是开关电源技术☞我们所说的开关电源技术特指采用PWM技术的DC/DC直流开关电源。☞我们所用的电源是指经过转换才能符合使用的需要。例如，交流变直流，高压变低压等。也就是我们所谓的粗电变精电的过程。

☞广义的说，各种采用开关器件的电力变换电路都可以叫做开关电源。

1.1什么是开关电源技术☞我们所说的开关电源■开关电源1.1什么是开关电源技术■开关电源1.1什么是开关电源技术◆开关电源的特点

☞直流电直接由市电整流获得，不需要工频变压器，体积小重量轻。

☞工作频率高，滤波电容数值小也使得整个电源体积小，重量轻。

☞调整管工作在开关状态，功耗小，机内温升低，提升了整机的稳定性和可靠性。◆开关电源技术即现代电源技术。

1.1什么是开关电源技术◆开关电源的特点1.1什么是开关电源技术◆电子设备的小型化和低成本化，使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的线性稳压电源很难满足现代电子设备发展的要求。◆开关电源以其体积小、重量轻、效率高性能稳定等优点逐渐取代传统技术制造的线性电源，并广泛应用于电子整机和设备中。◆现代电源技术指开关电源技术1.1什么是开关电源技术◆电子设备的小型化和低成本化，使电源以轻、薄、小和高效率为发1.2开关电源国内外发展状况◆20世纪50年代，美国宇航局最先为搭载火箭开发了体积小，重量轻的开关电源。

◆20世纪80年代，计算机已经全面实现了开关电源化。随后90年代，开关电源在其他领域（电子，电气设备、家电领域）得到了广泛应用。1.2开关电源国内外发展状况◆20世纪50年代，美国宇航局◆开关电源技术的发展趋势

☞高频化、小型化。开关电源的体积、重量主要是由储能元件决定。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效的减少储能元件的体积、重量，而且还能抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。☞高可靠性。从寿命的角度，提高电解电容，光耦，排风扇的寿命。从设计的角度，提高电源集成度，减少元器件，简化电路，提高可靠性。

1.2开关电源国内外发展状况◆开关电源技术的发展趋势1.2开关电源国内外发展状况☞低噪声。开关电源的频率越高，噪声也就越大。这是开关电源的缺点之一。因此，尽可能降低噪声是开关电源的发展方向（目前是谐振转换技术）

☞采用计算机辅助设计和控制。采用CAD设计（拓扑结构和参数)，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机监测，构成多功能监系统，实现实时监测、自动报警等。

1.2开关电源国内外发展状况☞低噪声。开关电源的频率越高，噪声也就越大。这是开关☞电力电子器件和磁性元件的发展与开关电源发展是息息相关的。☞研究低损耗，低噪声技术以及开发新型（高速高频）元器件，是开关电源实现小型化、高频化以及高可靠性的重要推动。☞

总之，高效率、小型化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是开关电源今后的发展方向。1.2开关电源国内外发展状况☞电力电子器件和磁性元件的发展与开关电源发展是息息相关的。11.3改善开关电源功率因数和谐波的方法◆开关电源谐波严重和功率因数低的原因：二极管整流和电容滤波

◆解决用电设备谐波污染的方法：

（一）增设电网补偿装置（有源和无源滤波）

（二）改进电力电子装置使之不产生或产生很小的谐波（PWM整流和功率因数校正技术）1.3改善开关电源功率因数和谐波的方法◆开关电源谐波严重和（3-4）◆功率因数校正(PowerFactorCorrection,PFC)实现的方法

（一）无源功率因数校正（PassivePowerFactorCorrection,PPFC）

（二）有源功率因数校正（ActivePowerFactorCorrection,APFC）（3-4）◆功率因数校正(PowerFactorCorr3-17无源功率因数校正(PPFC)技术是通过在整流电路中加入电感和电容等无源元件，使整流桥中的二极管导通时间变长，从而降低电流谐波，提高功率因数。它是传统补偿无功和抑制谐波的主要手段。PPFC技术具有结构简单及成本低的优点，虽然校正效果不如APFC技术理想，但在中小功率场合仍具有良好的应用价值。（一）无源功率因数校正3-17无源功率因数校正(PPFC)技术是传统无源滤波电路传统无源滤波电路通常在分析PPFC原理时，采用的图a所示的DCL方式电路，滤波电感接在整流桥的后面，而实际应用中一般是将滤波电感接在整流桥的前面，采用的是图所示的ACL方式电路，这种接法可以有效地去除直流分量，避免电感铁心饱和。同时在相同的条件下，采用ACL方式输出直流电压损失较小，电源电压利用率高。LC滤波电路中合适地选取电感值的大小，有利于PFC的效果。在输出功率不变时，当电感量较小(5mH)时，PFC效果不明显，但随着电感量的增大当L=50mH时，整流二极管的导通时间变长，尖脉冲状的输入电流变得平滑，输入电流总谐波减少。通常在分析PPFC原理时，采用的图a所示的DCL方式电路，滤但当L=300mH时，虽然高次谐波分量进一步减小，输入电流波形更近似于正弦波，但输入电流与输入电压之间的相位差明显加大，使得功率因数降低，无功功率增大，电源的利用率下降。从图2-2中还可看出随着电感量的增大直流输出电压明显下降。实验结果表明无源LC滤波电路在小功率场合应用，PFC较好，不太适合功率大于300W的应用场合。图2-3所示为输出功率P=300W时的输入电流波形和谐渡频谱图，从图中可知虽然高次谐波含量得到了非常好的抑制，但随着输出功率的增大，输人电流与输入电压之间的相位差明显加大，使得PFC效果较差。但当L=300mH时，虽然高次谐波分量进一步减小，输入电流输入电流波形和输出电压平均值输入电流波形和输出电压平均值开关电源与有源功率因数校正技术课件PPFC技术的主要优点是：简单可靠、不需控制电路、EMI小。主要缺点是：（1）滤波电感和电容的值较大，因此体积较大，而且难以得到高功率因数（一般可提高到90%左右），在有些场合下，无法满足现行标准规定的谐波限制要求；（2）如产生的谐波超过设计时的参数，会造成滤波器过载或损坏；PPFC技术的主要优点是：简单可靠、不需控制电路、EMI小。（3）滤波电容上的电压是后级DC/DC变换器的输入电压，它随输入交流电压和输出负载的变化而变化，这个变化的电压影响了DC/DC变换器的性能。由于PPFC技术采用低频电感和电容进行输入滤波，工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，因此比较适合于功率相对较小（如小于300W）、对体积和重量要求不高且对价格敏感的场合应用。（3）滤波电容上的电压是后级DC/DC变换器的输入（二）有源功率因数校正（APFC）APFC技术由于电路工作在高频开关状态，因此相对于PPFC技术具有体积小、重量轻、效率高的优点，在开关电源中得到广泛应用。从不同的角度看，APFC技术有很多种分类方法。从电网供电方式来分，可分为单相APFC电路和三相APFC电路；从控制模式米分，可分为电流连续模式(ContinuousCurrern-Mode．CCM)、电流断续模式（DiscontinuouaCUrrentMode，DCM）和电流临界模式(BoundaryCurrent-Mode，BCM)从开关模式来分，可分为硬开关模式和软开关模式；从电路构成来分，可分为两级APFC电路和单级APFC电路（二）有源功率因数校正（APFC）APFC在开关电源等电力电子装置中实施功率因数校正措施，除了要满足这些强制标准的要求、获得市场准入条件外，其意义还有以下几点：

(1)在开关电源等电力电子装置中，实施PFC措施后，由于减少了谐波电流含量，有利于降低对其他用电设备的干扰，功率因数的提高也有利于提高电网设备的利用率和节约电能。

(2)采取PFC措施后（一般都使用Boost电路），电源的允许输入电压范围扩大，可以达到90-270V（单相），能适应世界各国不同的电网电压，大大提高了开关电源的可靠性。

（三）在开关电源中实施功率因数校正的意义在开关电源等电力电子装置中实施功率因数校正措施（3）采取PFC措施后，由于PFC电路的稳压作用，其输出电压是基本稳定的，有利于后级DC/DC变换电路的工作点保持稳定和提高控制精度。（4）可以提高电网设备的安全性，在三相四线制电路中，3次谐波在中线中的电流同相位，导致中线电流很大致使中线有可能因过电流发热而引起火灾、损坏电气设备。在开关电源等电力电子装置中，采取PFC揩施后，减小了谐波电流分量，减小了中线电流，可有效提高供电系统的可靠性。（3）采取PFC措施后，由于PFC电路的稳压作用，其输出电压（5）可以提高开关电源等电力电子装置自身的可靠性，如果不采取PFC措施，过大的尖蜂脉冲电流，严重危害直流侧的滤波电容，引起二极管正向压降增加、导致功耗增加。另外，输入侧的EMI滤波元件因承受高峰值电流脉冲，也需要加大参数指标，以提高承受能力。（6）提高用电安全性，例如，美国从安全角度出发，提出功率因数的要求。在美国，办公环境使用的110V/15A电源插座，由于UL（美国保险商实验所）标准的限制只能使用12A的电流。如果电源效率为85%、PF=065，设备只能得到729.3W的功率(110V×12A×085×

65=729.3W)，功率再大就要跳闸。（5）可以提高开关电源等电力电子装置自身的可靠性，如果不采同样输入条件下，增加输出功率有两种办法：一是提高电源效率；二是提高功率因数。提高效率要受到电源电路水平的限制，难度较大，并且效果也不明显，但提高功率因数则效果明显，例如把PF=0.65提高到PF=099，设备在相同条件下就能得到1170的功率(110V×12A×085×099=1170W)，这样就可以满足新一代工作站、大功率音响设备等需要较大（一般都在700W以上）功率的要求。同样输入条件下，增加输出功率有两种办法：一是提高电源效率；二（四）PFC技术的发展趋势及研究热点从无源到有源PFC得益于电力电子器件的发展，APFC从单相到三相，从硬开关到软开关。研究热点：（1）新型拓扑结构的提出，主要是基于已有的或新的原理得到新型拓扑结构，以提高转换效率或达到简化电路结构的目的。（2）把DC/DC变换器中的新技术应用于APFC电路中。例如，软开关技术的应用可以提高开关频率、减少开关损耗和EMI。（3)基于已有拓扑结构的新控制方法，以及基于新拓扑的特殊控制方法的研究，引入预测控制、空间矢量控制、单周期控制、滑模变结构控制以及模糊控制等新型控制策略可改善电路的性能。总之，成本低、效率高、结构简单、容易实现，并且具有高响应速度、低输出电压纹波提高功率因数变换器是研究人员追求的最终目标。（四）PFC技术的发展趋势及研究热点从无源到有源PFC得益于第2章APFC的典型拓扑结构

2.1升降压变换电路

2.2单端正激变换电路

2.3单端反激变换电路

2.4推挽式变换电路

2.5

半桥和全桥变化电路第2章APFC的典型拓扑结构概述APFC机构：两级结构和单级结构两级结构第一级是PFC，通常采用BOOST电路，其任务是实现网侧电流正弦化以及电压粗调；第二级是DC/DC（直接或间接变换），其任务是对输出电压进行细调。优点：性能好，，技术成熟；缺点结构复杂、整机效率较低和性价比不高，适用于精密仪器电源等。单级结构PFC和DC/DC变换合二为一，目的减少元器件、节约成本，提高效率和简化控制。特点：整机效率高（电脑、电视的电源），性能稍差，所以目前研究主要集中在单级APFC。概述APFC机构：两级结构和单级结构两级APFC结构

单级APFC结构

两级APFC结构单级APFC结构2.1BUCK（BOOST)APFC变换电路（一）BUCK变换电路

带有APFC的DC/DC和普通DC／DC变换器时主要有以下两点不同：

（1）输入电压非稳定的直流电压；（2）输出输入电压比非定值。

因此构成PFC电路的变换器分析比较复杂。由于变换器中的开关频率远高于输入电压频率，因此在以下的分析中，我们采用准静态的方法分析变换器的工作，这种分析方法是建立在小信号线性化近似基础上的。2.1BUCK（BOOST)APFC变换电路（一）B电路特点电流断续，输入功率因数低。BuckPFC变换器的优点是输出电压较低。在低输出电压（33V-l.8V等）两级式变换的场合，可“减小后级变换器的电压传输比。缺点是无论其工作在DCM或者CCM模式，在输入电压过零附近，由于开关管将关断，输入电流为零，不能取得高功率因数。并且在每个开关周期内，输入电流都是断续的，输入端需要较大的LC滤波器消除高频纹波。电路特点电流断续，输入功率因数低。（二）BOOSTAPFC电路电路特点：有DCM和CCM两种工作方式，电感足够大时电网电流连续（常用）。滤波电感串联在输入端，输入电流高频纹波小。（二）BOOSTAPFC电路电路特点：有DCM和CCM（三）基于Cuk、Sepic和Zeta电路的PFC变换器

前三种基本拓扑是用电感作为传送能量的元件，基于Cuk、Sepic和Zeta电路的PFC变换器是用电容作为传送能量的元件。基于Cuk、Zeta和Sepic的PFC变换器工作原理相似，输入电流和输入电压为同相位的正弦量，功率因数校正效果较理想，但并不广为使用，原因是能量转换用电容需要承受极大的纹波电流，这种电容成本高，可靠性也稍差些。（三）基于Cuk、Sepic和Zeta电路的PFC变换器开关电源与有源功率因数校正技术课件2.2正激APFC变换器图2-2正激变换电路■正激电路(Forward)

◆工作过程

☞开关VT开通后，变压器原边绕组两端的电压为上正下负，与其耦合的副边绕组两端的电压也是上正下负，因此VD处于通态。

☞VT关断后，电感L通过

VD1续流，VD关断。☞正激变换就是带隔离的Buck斩波电路2.2正激APFC变换器图2-2正激变换电路■正激电2.2正激APFC变换器图2-3带有磁复位的正激电路■正激电路的磁复位变压器线圈电压或电流回零时，磁芯中的磁通并不为零，称之为剩磁。剩磁的累加可能导致磁芯饱和，因此正激电路需要磁复位技术。2.2正激APFC变换器图2-3带有磁复位的正激电路2.2正激APFC变换器图2-4正激变换电路工作波形SuVT

iLiSOttttUiOOO图2-5正激变换电路工作波形2.2正激APFC变换器图2-4正激变换电路工作波形2.2正激APFC变换器

◆

变压器的磁心复位所需的时间为,◆输出电压

☞输出滤波电感电流连续时

磁复位期间，开关管两端电压为

2.2正激APFC变换器◆变压器的磁心复位所需的时间

◆

变压器的磁心复位所需的时间推导：利用开关管导通期间变压器原边磁通的增加量等于关断期间磁通的减少量。

导通期间

关断期间2.2正激APFC变换器◆变压器的磁心复位所需的时间推导：导通期间关断期间2

◆

输出电压推导：利用开关管导通期间电感储存的能量等于关断期间电感释放的能量。

导通期间

关断期间2.2正激APFC变换器◆输出电压推导：导通期间关断期间2.2正激APF正激电路的缺点☞正激变换器因为复位绕组的存在使变压器体积增加。☞正激变换器的占空比不能太大（小于50%），会引起磁芯饱和以及关断期间不能完成磁复位。（通过减少复位绕组匝数解决，但会增加关断期间开关管两端的电压）。☞单管正激电路很少采用2.2正激APFC变换器正激电路的缺点2.2正激APFC变换器图2-6双管正激变换电路2.2正激APFC变换器图2-6双管正激变换电路2.2正激APFC变换器2.2正激APFC变换器双管正激电路的特点☞取消复位绕组，降低了变压器的体积和工艺要求。☞开关管承受的电压降低（电源电压和二极管的管压降）。☞双管正激电路可靠性高（不存在直通问题），结构简单，在中小功率开关电源中应用比较普遍。2.2正激APFC变换器双管正激电路的特点工作原理Flyback电路是最简单的单级PFC电路，长期以来是非常流行的一种电路拓扑。变压器既是一种储能装置，又起到隔离变换的作用。对输入电路而言，DC/DC变换器可等效为一个受占空比控制的无损电阻，可使输入功率因数近似为1。Flyback电路因工作在DCM状态下，开关管的电流应力很大，同时由于以低于输入交流频率的频率进行PWM控制，输出电压中含有很高的低频纹渡，除了特殊用途一般不单独使用。2.3反激（Flyback）APFC变换器工作原理2.3反激（Flyback）APFC变换器2.3单端反激变换器依据变压器二次侧能量在截止期间是否完全传送出去，反激电路的工作状态分为两种：☞电流连续

导通期间

截止期间

由磁通平衡原理得：2.3单端反激变换器依据变压器二次侧能量在截止期间是否完全传2.3单端反激变换器☞电流断续此时先求出电流断续发生时刻

求得

输入电源在一个周期内提供的平均功率为：

注意：反激电路不能开路，此时2.3单端反激变换器☞电流断续此时先求出电流断续发生时反激电路特点：☞电路简单。没有续流二极管和滤波储能电感，不需要复位绕组（开关管关断期间，二次侧绕组完成能量传递，同时完成磁复位）☞输出电压纹波大。(可以增大滤波电容，但会增加成本和体积）☞主要用于100W左右的小功率电源，且对电源性能指标要求不太严格的场合。2.3单端反激变换器反激电路特点：2.3单端反激变换器反激变换器设计存在的困难☞当反激电路工作于电流连续时，直流分量相当大，处理不当会造成磁芯饱和，功率管损坏。☞为避免饱和，变压器磁芯应增加气隙。气隙的调整是一件麻烦的工作。因为气隙增加会使漏感增加，而且自感减少（会影响到输出电压以及单位时间能量的传输),因此，必须加以综合考虑。☞为防止开关管承受电压过大，占空比D不能太大，一般为0.3~0.4。占空比的减小，会影响到输出电压减小。参数之间关系相互牵制，需要综合考虑。而正激电路与占空比无关。2.3单端反激变换器反激变换器设计存在的困难2.3单端反激变换器2.4基于Flyback的全桥PFC变换器

PFC技术发展到今天已经逐渐融入到了许多优秀的变换器电路中。这些新的拓扑结构可以很好地抑制变换器输入谐波，整定输人电流波形，同时又具有极好的输出特性，充分发挥PFC电路和功率变换电路的优势。

Boost电路作为PFC的优秀拓扑，它与全桥、推挽、半桥等拓扑的结合可以获得性能良好的新型单级PFC变换器拓扑。图2-5所示电路为Boost电路与全桥变换器合成的单级PFC电路。该电路可以实现对输入电流波形的整定，同时又可以应用于较大功率场台，发挥了全桥电路的优势。同时，PFC电路还可以与其他电路结合，也能达到很好的效果2.4基于Flyback的全桥PFC变换器PFC技术发展开关电源与有源功率因数校正技术课件

工作原理：当VT1、VT2同时导通时，相当于BoostPFC电路的开关S导通，电感L充电；当VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，相当于BoostPFC电路的开关S关断，输入电压和电感同时向负载供电。所以，变换器在工作原理上可以等效成基本的BoostPFC电路。工作原理：当VT1、VT2同时导通时，相当于BoostP倍流整流和同步整流（补充）用倍流电路代替全桥整流或变压器副边的中心抽头电路，以减少导通损耗（低压场合）以及变压器工艺复杂性（2）输出端整流一般用肖特基二极管（3）在低压输出场合（2V或更低）输出端整流用小功率低压MOS管代替肖特基二极管，因为小功率MOS管的压降更低，可以提高效率。（4）这种电路称做同步整流，而同步整流技术也成为低压大电流高频整流技术中不可或缺的部分倍流整流和同步整流（补充）用倍流电路代替全桥整流或变压器副边图2-8倍频整流电路图2-8同步整流电路图2-8倍频整流电路图2-8同步整流电路2.4推挽变换器与双管正激电路区别（从电路结构和两个开关管的驱动信号区分）变压器磁芯工作在一三象限，即双向磁化。工作原理☞重新定义占空比在半个周期内开关管导通，关断一次。

☞分析VT1导通时，变压器副边二极管VD3导通，把一次侧能量传递给负载。VT1截止后，变压器经二极管VD2复位，将VT1导通期间的励磁能量返回电源。此时变压器副边两个二极管（变压器漏感的原因）都导通，把变压器一、二次侧电压钳位为零。

2.4推挽变换器与双管正激电路区别（从电路结构和两个2.3推挽变换器图2-8推挽式变换电路2.3推挽变换器图2-8推挽式变换电路开关电源与有源功率因数校正技术课件2.3推挽变换器S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图2-9推挽电路的理想化波形2.3推挽变换器S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS

◆

输出电压推导：利用开关管导通期间电感储存的能量等于关断期间电感释放的能量。

导通期间

关断期间2.3推挽变换器◆输出电压推导：导通期间关断期间2.3推挽变换器2.3推挽变换器

☞当输出电感电流连续时☞

当输出电感电流不连续时，输出电压Uo将连续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下

☞其它关系式（1）开关管VT1(VT2)截止时承受的电压为2Ui。为(适用于低输入电压场合）（2）整流管承受的电压为（3）与开关管并联的二极管承受的电压为2Ui2.3推挽变换器☞当输出电感电流连续时2.3推挽变换器推挽式的优点：

☞电压利用率高。开关和交替工作，其输出电压波形非常对称，并且开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压输出特性很好。推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，所以推挽式变压器开关电源被广泛应用于低输入电压的电路中。

☞推挽式开关电源的两个开关器件有一个公共接地端，相对于半桥式或全桥式开关电源来说，驱动电路要简单很多，这也是推挽式开关电源的一个优点。2.3推挽变换器推挽式的优点：2.3推挽变换器

☞双极性磁化使得变压器，磁感应变化范围比单极性大，变压器铁心不需要气隙，增加了电源的效率缺点：☞开关器件需要很高的耐压，输入电压两倍。☞变压器有两组初级线圈，对于小功率输出的推挽式开关电源是个缺点，对于大功率输出的推挽式开关电源是个优点。2.3推挽变换器☞双极性磁化使得变压器，磁感应变化范围2.4半桥电路图2-10半桥电路原理图2.4半桥电路图2-10半桥电路原理图开关电源与有源功率因数校正技术课件图2-11半桥电路的理想化波形2.4半桥电路图2-11半桥电路的理想化波形2.4半桥电路2.4半桥电路◆工作过程

☞VT1导通时二极管，VD3处于通态，VD4截止，电感储能，电流增加。

☞VT1截止后，两个开关都关断时，一次侧电流VT2经并联的二极管VD2续流，由于VD2

的导通，一次侧电压变为负值，二极管VD4导通，VD3继续导通（变压器漏感)，VD3和VD4都处于通态，各分担一半的负载电流，变压器绕组中的电流为零。

☞后半个周期的工作过程与之前相似，只是一次电压、电流反向，二次侧电压也反向。其数值关系不变。2.4半桥电路◆工作过程2.4半桥电路◆输出电压

☞滤波电感L的电流连续时，利用半个周期内电感电流的增加量与其减少量相等，得

☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下☞其它关系式（1）开关管VT1(VT2)截止时承受的电压为Ui。为(适用于高输入电压场合）（2）整流管承受的电压为（3）与开关管并联的二极管承受的电压为Ui2.4半桥电路◆输出电压☞输出电感电流不连续，输出电压Uo2.4半桥电路◆半桥电路的偏磁现象及解决

☞半桥电路由于两个开关工作特性不同而导致导通时间不对称，从而造成的变压器一次侧电压出现直流分量。这种现象称为直流偏磁。直流谝磁容易造成变压器饱和。☞通常通过在一次侧串联耦合电容解决。由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用。☞注意电容选等效电阻小的，否则分压太大。因此耦合电容容量不能太大，通常选用无极性的薄膜电容。2.4半桥电路◆半桥电路的偏磁现象及解决2.5全桥电路图2-12全桥电路原理图

2.5全桥电路图2-12全桥电路原理图2.5全桥电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图2-13全桥电路的理想化波形2.5全桥电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS22.5全桥电路■全桥电路

◆工作过程

☞全桥电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。

☞当VT1与VT4开通后，VD5处于通态，电感L的电流逐渐上升。☞当VT2与VT3开通后，VD6处于通态，电感L的电流也上升。

☞当4个开关都关断时，VD5

、VD6都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降。2.5全桥电路■全桥电路2.5全桥电路◆输出电压

☞滤波电感电流连续时

☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下

2.5全桥电路◆输出电压☞输出电感电流不连续，输出2.5全桥电路

☞如果VT1、VT4与VT2、VT3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。

☞为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过50%，还应留有裕量。

2.5全桥电路☞如果VT1、VT4与VT2、VT3电路优点缺点功率范围应用领域正激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W~几kW各种中、小功率电源反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W~几十W小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源。全桥变压器双向励磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路几百W~几百kW大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等半桥变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W~几kW各种工业用电源，计算机电源等推挽变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W~几kW低输入电压的电源表2-1各种不同的间接直流变流电路的比较变压器双向励磁，容易达到大功率表2-1各种不同的间接直流

随着PFC的应用普及，APFC电路拓扑日渐成熟。但关于APFC的控制策略的研究目前仍然十分活跃，这从侧面反映出该领域还有许多问题尚待解决。APFC技术的每一种控制策略都有其各自的优势和不足，本章介绍几种常用的APFC控制策略，对比分析各自的优缺点和适用场合，并指出APFC控制技术的发展趋势。前文提到，根据功率因数校正用电感电流是否连续，APFC可分为电流连续模式(CCM)和电流断续模式(DCM)。以及介于两者之间的电流临界模式(BCM)。有的电路还根据负载功率的大小，使得变换器在DCM和CCM之间互相转换，称为混联模式(MCM)。当变换器工作在不同的导通模式时，其功率因数校正的控制方法完全不同。第3章APFC控制策略随着PFC的应用普及，APFC电路拓扑日渐成熟。但关于AP4.1CCM控制策略CCM模式下的电流控制是目前应用最多的控制方式。CCM模式下有直接电流控制和间接电流控制两种方式。直接电流控制是直接选取瞬态电感电流作为反馈量和控制量，其优点是电流的瞬态特性好，自身具有过电流保护能力，但是需要检测瞬态电流，控制电踣稍显复杂；间接电流控制是通过控制整流桥输入端电压来间接实现对电流的控制，其优点是结构简单，开关机理清晰。在CCM模式下，直接电流控制是应用最多的方式，它也是发展的主流，适用于对系统性能要求较高的大功率场合。4.1CCM控制策略CCM模式下的电流控制是目前应用最多的开关电源与有源功率因数校正技术课件（一）峰值电流控制（一）峰值电流控制峰值电流控制属于定频控制。每一开关周期开始时MOS管导通，电感电流线性增加，然后将电感电流的检测信号与参考信号相比，当电感电流检测值等于电感电流参考值时，MOS管关断，电感电流减少，当电感电流降为零时，MOS管再导通，如此周而复始。电感电流的参考信号由系统输出电压检测值与给定值相减，再经由PI调节器，然后将PI调节器的输出与整流桥后端的boost电路输入电压波形相乘得到。由于电感电流参考信号由电压反馈环决定，当系统稳定工作时电感电流的包络基本为正弦波。峰值电流控制属于定频控制。每一开关周期开始时MOS管导通，电峰值电流控制的斜坡补偿（1）在电源电压过零附近加在电感两端的电压很小,需要较长的开通时间,才能达到电流基准,而又由于定频时钟周期的限制,从而使电感电流在开关周期内不可能达到电流基准。在这些开关周期内,电流工作在不连续模式(DCM)。（2）斜坡补偿相当于在电感电流中加入一个斜波信号，亦或在参考信号减去一个斜波信号，从而来增加导通时间，使其电流达到基准值。（3）斜坡补偿要得当，同时也会带来失真、功率因数下降等问题峰值电流控制的斜坡补偿只有一个电压环，输入电流的峰值包络线跟踪输入电压波形。优点：简单易于实现（芯片L6561/6562，ML4812，4819等）缺点：（1）占空比受输出电压和电感电流共同作用，超过50%

容易不稳定（2）当交流电网电压从零上升到峰值电压时，占空比也由

最大值变至最小值，因此有可能产生高次谐渡振荡。为克

服这

一缺点，必须在比较器的输人端增加一个斜率补偿（

或称斜坡补偿）函数，以便在占空比广泛变化内，电路能

稳定工作。

（3）电流峰值和平均值之间存在误差，有些条件下还很大

，以至于无法满足THD很小的要求（4）电感电流的峰值对噪声变化相当敏感。总结：这种方法在APFC控制中逐渐被淘汰。只有一个电压环，输入电流的峰值包络线跟踪输入电压波形。（二）平均电流控制（二）平均电流控制

平均电流控制中的电流环有较高的增益带宽，它使跟踪误差产生的畸变很小，容易实现接近于1的功率因数。同时对噪声不敏感、稳定性高，因而得到了广泛的应用。以平均电流控制原理设计的PFC集成控制器常用的有UC3854，在单相Boost型电路得到了普遍应用。其他平均电流型控制IC有TDA4819，C33368、ML4821等平均电流控制中的电流环有较高的增益带宽，它使跟踪(三）滞环控制(三）滞环控制滞环控制特点：

(1)控制简单、电流动态响应快、具有内在的电流限制能力；(2)开关频率在一个工频周期中不恒定，引起EMI的问题和电流过零点的死区。

(3)负载对开关频率影响很大，滤波器只能接最低频率设计，因此不可能得到体积和重量最小的设计；

(4)滞环宽度对开美频率和系统性能影响大，需合理选取。控制IC有CS3810等滞环控制特点：

DCM控制的方法又称为电压跟踪法，是APFC控制中一种简单而又实用的方法，应用较为广泛。升压变换器的电压“跟随”特性在每一开关周期内,流过电感的平均电流稳态时，D和T不变，电感电流平均值和输入电压成正比，输入电流平均值能够自动“跟踪”输入电压呈正弦波，因此不再需要输入电流控制环。DCM控制的方法又称为电压跟踪法，是APFC控制中一种简单开关电源与有源功率因数校正技术课件（一）基于3842的恒频控制此控制方式的主要优点是控制电路简单，缺点是输入功率因数的理想值不能达到1，输出电压与输入电压峰值的比值越大，输入电流畸变程度越小。该控制方式下的电流THD可控制在10%以内。（一）基于3842的恒频控制此控制方式的主要优点是控制电路简（一）基于3852的变频控制（一）基于3852的变频控制与电流连续（CCM）的不同之处在于把乘法器换成加法器（因为电流断续，不用乘法器）功率管可实现零电流开通，同时不需要连续导通模式那样复杂的控制回路，使用通常的PWM控制就可实现。由于不连续导通模式的控制电路简单，成本低，因此非常适合在数百瓦的小功率领域应用；应用于数千瓦的大功率电力电子装置时，输人EMI和半导体器件的电流应力较大。分恒频和变频两种控制方式与电流连续（CCM）的不同之处在于把乘法器换成加法器（因为电4.3APFC的新型控制策略（单周期控制）4.3APFC的新型控制策略（单周期控制）每个时钟脉冲到来时，S1断开积分器开始积分，当两者相等时，比较器翻转，输出低电平，S1闭合，积分器开始复位。常用芯片为IR1150每个时钟脉冲到来时，S1断开积分器开始积分，当两者相等时，比APFC的发展趋势寻求更加简化的控制策略、降低PFC成本、减小THD和EMI、降低器件开关应力、提高整机效率仍然是今后APFC控制策略的发展趋势。中大功率的电力电子设备在电网中占有很大比重，因此，三相APFC应是APFC研究的重点。随着三相APFC整机成本的提高和开关频率的降低，依托高速的数字处理器，数字控制成为发展的主流。由于各种控制策略都有优缺点，将各种控制策略合理搭配，取长补短，可以得到理想的控制效果，这也是控制技术发展的个方向。APFC的发展趋势寻求更加简化的控制策略、降低PFC成本、减第3章开关电源中高频磁元件的设计

3.1磁性材料概述

3.2高频变压器磁芯的选择

3.3高频变压器的设计

3.3电感器和反激变换器设计

第3章开关电源中高频磁元件的设计3.1磁性材料概述◆磁性元件在开关电源中的应用

磁性元件是储能、转换及隔离所必备的元件，常把它作为变压器或电感器来使用。☞当变压器主要用于电气隔离，能量传递，升降压以及电压电流测量。☞当电感器主要用于储能、滤波，抑制电流尖峰，与电容产生谐振，实现软开关。3.1磁性材料概述◆磁性元件在开关电源中的应用3.2高频变压器磁芯的选择◆高频变压器所用磁性材料

磁芯是制造高频变压器的重要组成材料，设计合理、正确地选择磁芯材料参数、结构，对变压器的性能和可靠性以及电源整机的性能至关重要。一、高频变压器对磁芯材料的要求☞具有高的磁感应密度Bs。铁芯尺寸一定时，工作磁感应密度越高，可传输的功率越大。同等功率传输条件下，铁芯的体积和重量可以减少。

3.2高频变压器磁芯的选择◆高频变压器所用磁性材料☞具有低的铁损PC。铁损包括磁滞损耗、涡流损耗等。磁阻损耗是由于磁性材料在磁化过程中的不可逆现象造成。其数值正比于磁滞回线的面积。涡流损耗是由于交变磁通在磁芯中产生交流电势而引起涡流所致的损耗。涡流损耗与电阻率成反比。因此，高频变压器应选用磁滞回线窄、电阻率高、密度大的材料。☞具有高的磁导率μ

磁导率是衡量物质对磁场所呈现的性质的物理量。磁导率虽然与变压器传输功率没有直接关系，但在高频变压器设计时，还是希望选用磁导率高的磁芯材料。在磁芯尺寸一定的条件下，磁导率越高，电感量越大，磁化电流减小。在同等电感量L下，μ值大，线圈的匝数可以减少。这在单极性变换器中，变压器初级电感储能要求尤为重要。3.2高频变压器磁芯的选择☞具有低的铁损PC。铁损包括磁滞损耗、涡流损耗等。磁阻损耗是☞磁芯的结构要合理。选择磁芯结构考虑的因素主要有：低的漏磁和漏感；有利于散热；绕制工艺简单，装配容易方便等。☞其他性能要求，如好的机械特性；小的工作噪声；宽的工作频率范围；好的温度稳定性以及好的性价比等。二、开关电源变压器常用磁芯材料

开关电源高频变压器所用磁芯材料，大多数是采用低磁场下使用的软磁材料，它具有高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。这类磁芯材料的种类、规格繁多，性能参数指标各异，需要根据具体情况进行选取。3.1高频变压器磁芯的选择☞磁芯的结构要合理。选择磁芯结构考虑的因素主要有：低的漏磁和

目前开关电源中变压器的磁芯材料大多采用软磁铁氧体材料。铁氧体材料的特点是：电阻率高，交流涡流损耗小，价格低、易于加工成各种形状结构的磁芯。不足之处是：饱和磁感应密度低，磁导率不高，磁性能对温度的变化较敏感。在大功率开关电源中，因为铁氧体的磁通密度低，磁芯的体积、重量加大，绕组所用铜材增加，其价格优势无法显露，小型化，轻量化受到限制。因此，非晶、超微晶磁性材料受到青睐。这类材料除电阻率低外，综合性能比铁氧体优异，但价格要贵（随着工艺发展，其价格也是逐渐降低）。同时，节能是非晶、超微晶磁性的优势。所以，非晶、超微晶将成为高频大功率开关电源变压器磁芯材料的最佳选择。3.1高频变压器磁芯的选择目前开关电源中变压器的磁芯材料大多采用

设计变压器时，应当预先知道电路拓扑结构、工作频率、输入输出功率，同时还应当知道所设计的变压器允许多大损耗。总是以最坏情况设计变压器，保证设计的变压器在规定的任何情况下都能正常工作。◆变压器设计一般问题☞变压器寄生参数及其影响（1）漏感。漏感储存的能量与负载电流和线圈电流的平方成正比。漏感阻止开关和整流器电流的瞬态变化，使输出特性变软。（2）激磁电感激磁电感和漏感能量在开关转换瞬时引起电压尖峰，是EMI的主要来源。通过缓冲电路解决，但也有损耗，因此漏感和激磁电感降低变换器的效率。3.2高频变压器磁芯的选择设计变压器时，应当预先知道电路拓扑结构、工作☞温升和损耗

在设计开关电源开始时，根据输出功率，输入输出电压和电压调节范围，环境条件等因素，设计者凭经验或参照同类样机，给出一个可能达到的效率，由此得到总损耗值，在将总损耗分配到各损耗部件，得到变压器的允许损耗。变压器损耗使得线圈和磁芯温度升高，线圈中心靠近磁芯表面温度最高。变压器内部温度受磁芯和绝缘材料限制。如果温升过高，应当采用较大尺寸的磁芯。如果要求体积较小，应当采用合金磁芯和高绝缘等级的绝缘材料。这些材料允许较高温升，但损耗增加，效率降低。

3.2高频变压器磁芯的选择☞温升和损耗3.2高频变压器磁芯的选择

（1）磁芯损耗变压器损耗分为磁芯损耗和线圈损耗，很难精确估计。磁芯损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。线圈损耗包括直流损耗和高频损耗。引起变压器温升的主要是稳态损耗，而不是瞬态损耗。一般在200~300kHz一下，磁滞损耗为主，在更高频率时，因为涡流损耗随频率平方上升，超过磁滞损耗。

（2）线圈损耗低频线圈损耗是容易计算的，但高频时由于集肤效应的存在使得线圈损耗很难精确确定，因为开关电流矩形波包含高次谐波。

3.2高频变压器磁芯的选择（1）磁芯损耗变压器损耗分为磁芯损耗和线圈损耗，很难3.2高频变压器磁芯的选择☞电路拓扑各种电路拓扑适用一定的功率范围，但不是绝对的。反激电路主用用于功率范围0~150W,单端正激50~500W，半桥100~1000W，而全桥500W以上。以上范围不是绝对，实际产品中有低压输入的1500W。次级采用全桥或全波，这样可以实现双向磁化。☞占空比

根据输入输出电压调节范围，在输入电压最低时应保证输出最高电压，及最大占空比。实际电路中，存在整流二极管压降，初级次级线圈电阻，也影响最大占空比。

3.2高频变压器磁芯的选择☞电路拓扑3.2高频变压器磁芯的选择☞匝数和匝比变压器初级一般电压较高，其匝数易于调整。而次级一般匝数较少，工作频率越高，次级有可能只有一匝或少于一匝。如果取整，将带来很大的匝比误差。☞磁芯选择

（1）材料。（铁氧体和非晶、超微晶）（2）形状选择磁芯形状应保证磁芯窗口尽可能宽，这样可以加大线圈宽度，减少线圈的层数，使交流电阻和漏感减少。铁氧体形状有罐型、PQ型、EE型，U型，环型等。

3.2高频变压器磁芯的选择☞匝数和匝比3.2高频变压器磁芯的选择

（3）尺寸磁芯尺寸的选择常用的方法有3种：第一种是先求出磁芯窗口面积与磁芯有效截面积的乘积AP,根据AP值，查表找出磁性材料的编号，称为AP法。第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计，称为kg法；第三种方法是直接根据电路拓扑，输出功率，开关频率、磁芯材料和形状查表得出磁芯型号，为查表法。常用的是AP法——面积乘积法。实际应用通常使用的经验公式为：

3.2高频变压器磁芯的选择（3）尺寸磁芯尺寸的选择第4章软开关技术

4.1软开关的基本概念

4.2软开关电路的分类

4.3典型的软开关电路

4.4软开关技术新进展

本章小结第4章软开关技术引言■现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。■电力电子电路的高频化

◆可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装置小型化、轻量化。

◆开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。■软开关技术

◆降低开关损耗和开关噪声。

◆使开关频率可以大幅度提高。引言■现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装置4.1软开关的基本概念

4.1.1硬开关与软开关

4.1.2零电压开关与零电流开关4.1软开关的基本概念8.1.1硬开关与软开关■硬开关

◆开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关损耗。

◆电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开关噪声。

◆开关损耗与开关频率之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著。

8.1.1硬开关与软开关■硬开关8.1.1硬开关与软开关■软开关◆通过在硬开关电路中增加很小的电感Lr和电容Cr等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限值了开关过程中电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小，这样的电路称为软开关电路，具有这样开关过程的开关称为软开关。

8.1.1硬开关与软开关■软开关图4-1硬开关降压型电路及波形a）电路图b）理想化波形

t0uiP0uituuiiP00图4-2硬开关过程中的电压和电流a）开通过程b)关断过程图4-1硬开关降压型电路及波形t0uiP0uituuii8.1.2零电压开关与零电流开关■零电压开通

◆开关开通前其两端电压为零，则开通时不会产生损耗和噪声,这种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关。■零电流关断

◆开关关断前其电流为零，则关断时不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电流关断，简称零电流开关。零电压开通和零电流关断都要靠电路中的谐振来实现。■在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关。

8.1.2零电压开关与零电流开关■零电压开通4.2软开关电路的分类

软开关技术问世以来，经历了不断地发展和完善，前后出现了许多软开关电路，直到目前为止，新型的软开关拓扑仍不断出现。■软开关电路的分类

◆根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成零电压电路和零电流电路两大类。

◆根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。

4.2软开关电路的分类软开关技术问世以来，经历了不断4.2软开关电路的分类图4-5准谐振电路a）零电压开关准谐振电路b）零电流开关准谐振电路c）零电压开关多谐振电路

■准谐振电路

◆分类

☞零电压开关准谐振电路（Zero-Voltage-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZVSQRC）

☞零电流开关准谐振电路（Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZCSQRC）

☞零电压开关多谐振电路（Zero-Voltage-SwitchingMulti-ResonantConverter—ZVSMRC）

☞用于逆变器的谐振直流环节（ResonantDCLink）

4.2软开关电路的分类图4-5准谐振电路■准谐振电路4.2软开关电路的分类◆准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。

◆开关损耗和开关噪声都大大下降，也有一些负面问题

☞谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高。

☞谐振电流的有效值很大，电路中存在大量的无功功率的交换，造成电路导通损耗加大。

☞谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能采用脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation—PFM）方式来控制，变频的开关频率给电路设计带来困难。

4.2软开关电路的分类◆准谐振电路中电压或电流的波形为正弦4.2软开关电路的分类图4-6零开关PWM电路a）零电压开关PWM电路b）零电流开关PWM电路

■零开关PWM电路

◆电路中引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。

◆分类

☞零电压开关PWM电路（Zero-Voltage-SwitchingPWMConverter—ZVSPWM）

☞零电流开关PWM电路（Zero-Current-SwitchingPWMConverter—ZCSPWM）

◆同准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。

4.2软开关电路的分类图4-6零开关PWM电路■零开关4.2软开关电路的分类图4-7零转换PWM电路的基本开关单元a）零电压转换PWM电路的基本开关单元b）零电流转换PWM电路的基本开关单元■零转换PWM电路

◆电路中采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小，电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态，而且电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。

◆分类

☞零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-TransitionPWMConverter—ZVTPWM）

☞零电流转换PWM电路（Zero-CurrentTransitionPWMConverter—ZVTPWM）

4.2软开关电路的分类图4-7零转换PWM电路的基本4.3典型的软开关电路

4.3.1零电压开关准谐振电路

4.3.2谐振直流环

4.3.3移相全桥型零电压开关PWM电路

4.3.4零电压转换PWM电路4.3典型的软开关电路8.3.1零电压开关准谐振电路图4-8零电压开关准谐振电路原理图■零电压开关准谐振电路

◆假设电感L和电容C很大，可以等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。

◆开关电路的工作过程是按开关周期重复的，在分析时可以选择开关周期中任意时刻为分析的起点，选择合适的起点，可以使分析得到简化。

8.3.1零电压开关准谐振电路图4-8零电压开关准谐振8.3.1零电压开关准谐振电路SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu图4-9零电压开关准谐振电路的理想化波形

图4-10零电压开关准谐振电路在t0~t1时段等效电路图4-8零电压开关准谐振电路原理图◆工作过程

☞选择开关S的关断时刻为分析的起点。

☞t0~t1时段：t0之前，S导通，VD为断态，uCr=0，iLr=IL，t0时刻S关断，Cr使S关断后电压上升减缓，因此S的关断损耗减小，S关断后，VD尚未导通，电路可以等效为图8-10；Lr+L向Cr充电，L等效为电流源，uCr线性上升，同时VD两端电压uVD逐渐下降，直到t1时刻，uVD=0，VD导通，这一时段uCr的上升率为

(8-1)8.3.1零电压开关准谐振电路SS(uCr)iSiLru8.3.1零电压开关准谐振电路图4-8零电压开关准谐振电路原理图SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu图4-9零电压开关准谐振电路的理想化波形

图4-11零电压开关准谐振电路在t1~t2时段等效电路☞t1~t2时段：t1时刻VD导通，L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路，如图8-11所示；谐振过程中，Lr对Cr充电，uCr不断上升，iLr不断下降，直到t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。☞t2~t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电，iLr改变方向，uCr不断下降，直到t3时刻，uCr=Ui，这时，uLr=0，iLr达到反向谐振峰值。☞t3~t4时段：t3时刻以后，Lr向Cr反向充电，uCr继续下降，直到t4时刻uCr=0。8.3.1零电压开关准谐振电路图4-8零电压开关准谐振8.3.1零电压开关准谐振电路图4-8零电压开关准谐振电路原理图SS(uCr)iSiLruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOOu图4-9零电压开关准谐振电路的理想化波形

☞t1到t4时段电路谐振过程的方程为

(8-2)☞t4~t5时段：uCr被箝位于零，uLr=Ui，iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr=0。由于这一时段S两端电压为零，所以必须在这一时段使开关S开通，才不会产生开通损耗。

☞t5~t6时段：S为通态，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=IL，VD关断。☞t4到t6时段电流iLr的变化率为

☞t6~t0时段：S为通态，VD为断态。

(8-3)8.3.1零电压开关准谐振电路图4-8零电压开关准谐振8.3.1零电压开关准谐振电路◆谐振过程是软开关电路工作过程中最重要的部分，谐振过程中的基本数量关系为

☞uCr（即开关S的电压uS）的表达式

☞[t1,t4]上的最大值即uCr的谐振峰值，就是开关S承受的峰值电压，表达式为

☞零电压开关准谐振电路实现软开关的条件

如果正弦项的幅值小于Ui，uCr就不可能谐振到零，S也就不可能实现零电压开通。

◆零电压开关准谐振电路的缺点：谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，开关S的耐压必须相应提高，这增加了电路的成本，降低了可靠性。

8.3.1零电压开关准谐振电路◆谐振过程是软开关电路工作过4.3.2谐振直流环图4-12谐振直流环电路原理图图4-13谐振直流环电路的等效电路■谐振直流环

◆应用于交流-直流-交流变换电路的中间直流环节（DC-Link），通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下。◆图8-12中，辅助开关S使逆变桥中所有的开关工作在零电压开通的条件下，实际电路中开关S可以不需要，S的开关动作用逆变电路中开关的直通与关断来代替。◆电压型逆变器的负载通常为感性，而且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，负载电流视为常量。

4.3.2谐振直流环图4-12谐振直流环电路原理图图44.3.2谐振直流环图4-13谐振直流环电路的等效电路t0t1t2t3t4t0iLruCrUinILttOO图4-14谐振直流环电路的理想化波形◆工作过程

☞以开关S关断时刻为起点。☞t0~t1时段：t0之前，iLr大于IL，S导通，t0时刻S关断，电路中发生谐振，因为iLr>IL，因此iLr对Cr充电，uCr不断升高，直到t1时刻，uCr=Ui。

☞t1~t2时段：t1时刻由于uCr=Ui，ULr=0，因此谐振电流iLr达到峰值，t1以后，iLr继续向Cr充电并不断减小，而uCr进一步升高，直到t2时刻iLr=IL，uCr达到谐振峰值。

4.3.2谐振直流环图4-13谐振直流环电路的等效电路t4.3.2谐振直流环☞t2~t3时段：t2以后，uCr向Lr和IL放电，iLr继续降低，到零后反向，Cr继续向Lr放电，iLr反向增加，直到t3时刻uCr=Ui。

☞t3~t4时段：t3时刻，uCr=Ui，iLr达到反向谐振峰值，然后iLr开始衰减，uCr继续下降，直到t4时刻，uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于零。

☞t4~t0时段：S导通，电流iLr线性上升，直到t0时刻，S再次关断。◆谐振直流环电路中电压uCr的谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。图4-13谐振直流环电路的等效电路t0t1t2t3t4t0iL