開關(guān)電源常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1、開關(guān)電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)目錄v開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜述v開關(guān)電源分類v非隔離式拓?fù)渑e例BUCKBOOSTBUCK-BOOSTv隔離式拓?fù)渑e例正激式反激式 開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜述v開關(guān)電源主要包括主回路和控制回路兩大部分v主回路是指開關(guān)電源中功率電流流經(jīng)的通路。主回路一般包含了開關(guān)電源中的開關(guān)器件、儲能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器、等所有功率器件，以及供電輸入端和負(fù)載端。v控制回路一般采用PWM控制方式，通過輸出信號和基準(zhǔn)的比較來控制主回路中的開關(guān)器件開關(guān)電源分類v開關(guān)電源主回路可以分為隔離式隔離式與非隔離式非隔離式兩大類型。v非隔離輸入端與輸出端電氣相通，沒有隔離。1、串聯(lián)式結(jié)構(gòu)是指在主回路中，

2、相對于輸入端而言，開關(guān)器件與輸出端負(fù)載成并聯(lián)連接的關(guān)系。例如buck拓?fù)湫烷_關(guān)電源就是屬于串聯(lián)式的開關(guān)電源 2、并聯(lián)式結(jié)構(gòu)是指在主回路中，相對于輸入端而言，開關(guān)器件與輸出端負(fù)載成并聯(lián)連接的關(guān)系。例如boost拓?fù)湫烷_關(guān)電源就是屬于串聯(lián)式的開關(guān)電源 3、極性反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是指輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結(jié)構(gòu)特征是：在主回路中，相對于輸入端而言，電感器L與負(fù)載成并聯(lián)。Buck-boost拓?fù)渚褪欠礃O性開關(guān)電源隔離式電路的類型v隔離輸入端與輸出端電氣不相通，通過脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量，輸入輸出完全電氣隔離 單端通過一只開關(guān)器件單向驅(qū)動脈沖變壓器； 隔離室電路主要分為正激式和反激式兩種v

3、正激式：就是只有在開關(guān)管導(dǎo)通的時候，能量才通過變壓器或電感向負(fù)載釋放，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉的時候，就停止向負(fù)載釋放能量。目前屬于這種模式的開關(guān)電源有：串聯(lián)式開關(guān)電源，buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)電源，激式變壓器開關(guān)電源、推免式、半橋式、全橋式都屬于正激式模式。 v反激式：就是在開關(guān)管導(dǎo)通的時候存儲能量，只有在開關(guān)管關(guān)斷的時候釋放才向負(fù)載釋放能量。屬于這種模式的開關(guān)電源有：并聯(lián)式開關(guān)電源、boots、極性反轉(zhuǎn)型變換器、反激式變壓器開關(guān)電源。非隔離式拓?fù)渑e例vBUCK拓?fù)鋠BOOST拓?fù)鋠BUCK-BOOST拓?fù)銪UCK降壓電路v上圖是BUCK電路的經(jīng)典模型。晶體管，二極管，電感，電容和負(fù)載構(gòu)成了主回路，下方的控制

4、回路一般采用PWM芯片控制占空比決定晶體管的通斷。vBUCK電路的功能：把直流電壓Ui轉(zhuǎn)換成直流電壓Uo，實現(xiàn)降壓的目的BUCK拓?fù)涞木喣Ｐ蛌上圖是簡化之后的BUCK電路主回路。下面分析輸出電壓的產(chǎn)生輸出電壓的產(chǎn)生 1、K閉合后，D關(guān)斷，電流流經(jīng)L，L是儲能濾波電感，它的作用是在K接通Ton期間限制大電流通過，防止輸入電壓Ui直接加到負(fù)載R上，對R進(jìn)行電壓沖擊，同時把電感電流IL轉(zhuǎn)化成磁能進(jìn)行能量存儲；與R并聯(lián)的C是儲能濾波電容，如此R兩端的電壓在Ton期間是穩(wěn)定的直流電壓 2、在K關(guān)斷期間Toff，L將產(chǎn)生反電動勢，流過電流IL由反電動勢eL的正極流出，通過負(fù)載R，再經(jīng)過續(xù)流二極管D，最后

5、回到反電動勢eL的負(fù)極。由于C的儲能穩(wěn)壓，Toff階段的輸出電壓Uo也是穩(wěn)定的直流電壓K閉合時，L兩端有壓降，意味著UoUi, BUCK電路一定是降壓電路電路一定是降壓電路工作過程分析v工作過程：CCM,DCMv由工作過程分析可以得知，IL可能會出現(xiàn)斷流的情況。v通常我們把電流連續(xù)的模式稱為CCM模式，電流斷續(xù)的模式稱為DCM模式。當(dāng)然也有兩者之間的臨界情況BCM模式v下面就將按照以上三種模式對電路做具體的分析。v注意：Uo,Io作為輸出電壓電流，均認(rèn)為是穩(wěn)定的直流量。CCM，DCM模式下的各點電壓v在K關(guān)斷期間，IL線性下降，若周期結(jié)束即K導(dǎo)通瞬間IL不等于0，則IL呈現(xiàn)左側(cè)圖(c)中的波形

6、，電流連續(xù)。若K導(dǎo)通之前IL就已經(jīng)降為0，IL就會呈現(xiàn)斷流的情形，為右側(cè)圖（c）的波形。臨界情況下的電路各點波形從電路結(jié)構(gòu)可以看出IL的平均值就是輸出電流Io, IL為IL在本周期內(nèi)的最大變化值。觀察上圖的波形可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流剛好處在臨界狀態(tài)時，0.5 IL=Io，分析化簡之后可以等效為=（1-D1）/2， =L/RTs0.5IL（1-D1）/2 ，Io處在連續(xù)的狀態(tài)。0.5ILIo時，即L/RTs ， ， （通常定義D1為K導(dǎo)通D關(guān)斷的時段0到T1占Ts的比例，D2為K關(guān)斷D導(dǎo)通的時段T1到T2占Ts的比例） 此時D1+D2=1。 1式2式相等，可以得到M=Vo/Vs=D1,由此處可知BUC

7、K電路是一種降壓電路降壓電路，輸出小于輸入)1 (11110式TsDLVoVitLVoVidtLVoViilt)2(2)12(221式TsDLVottLVodtLVoiltt電壓增益比M（DCM）vL/RTs,同CCM模式相似，同樣可以由1式2式相等，得到M=Vo/Vs=D1/(D1+D2)，此時D1+D20.5D1(1-D1)(1-D1)時，Io處在連續(xù)的狀態(tài)。v0.5D1(1-D1)(1-D1)時，IL連續(xù),IL的上升部分為IL1=ViD1Ts/L,IL的下降部分為IL2=-（Vo-Vi）D2Ts/L，vD1是K閉合，D導(dǎo)通的時間Ton占總周期Ts的比例，D2是K關(guān)斷，D截止的時間Toff

8、占總周期Ts的比例v由以上兩式相等可以得到電壓增益M=Vo/Vi=1/(1-D1)，此時D1+D2=1v由此處可知BOOST電路是一種升壓電路，輸入小于輸出DCM模式下的電壓增益比v0.5D1(1-D1)(1-D1)時，IL不連續(xù),同樣利用IL的上升部分同下降部分相等可以得到電壓增益M=（D1+D2）/D2v此時D1+D20.074時，無論D1如何變化都工作在連續(xù)區(qū)域。當(dāng)0.074時，D1在某一區(qū)間內(nèi)不連續(xù)狀態(tài)，除此為連續(xù)狀態(tài)vCCM和DCM模式下的增益比M同D1的關(guān)系見右下圖供能模式問題v下面談一談BOOST電路的供能模式問題，當(dāng)K閉合的時候，是由C向負(fù)載供電的，而當(dāng)K打開時，情況就比較復(fù)雜

9、了，可以分為CISM完全電感供能模式和IISM不完全電感供能模式v當(dāng)電路在DCM下，K打開一定不是完全由電感供能，即IISM.當(dāng)IL小于Io時，L和C同時向R供電，當(dāng)IL斷流為0時，更是只由C向R供電CCM模式下的供能v在CCM模式下，情況則比較復(fù)雜，若Io小于IL的最小值，則K斷開之后，L始終是向C和R同時供電，即處于CISM狀態(tài)下v若Io大于IL的最小值，即與IL有交點，則當(dāng)IL下降到Io以下，C開始放電，L和C同時向R供能。v核心在于IL和Io大小關(guān)系BUCK-BOOST拓?fù)鋠上圖是BUCK-BOOST拓?fù)涞木喣Ｐ蛌輸出電壓的產(chǎn)生： 當(dāng)K接通的時候，Ui開始對L加電，流過L的電流開始增

10、加，同時電流在L中也要產(chǎn)生磁場； 當(dāng)K由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時候，L會產(chǎn)生反電動勢，使電流繼續(xù)流動，并通過整流二極管D進(jìn)行整流，再經(jīng)C儲能濾波，然后向負(fù)載R提供電流輸出。 控制開關(guān)K不斷地反復(fù)接通和關(guān)斷過程，在負(fù)載R上就可以得到一個負(fù)極性的電壓輸出。BUCK-BOOST輸出的是一個反極性的電壓輸出的是一個反極性的電壓 工作過程分析電流連續(xù)相關(guān)的各種工作模式v從上面的分析可以看到BUCK-BOOST電路L上的電流可能會斷續(xù)，也會出現(xiàn)CCM,DCM,BCM三種工作模式，下圖就是三種模式下的信號波形圖，依次是BCM,DCM,CCM電壓增益比v這里簡單推算下CCM（L上的電流連續(xù)時）模式下的電壓增益比由L上

11、應(yīng)用伏秒定理 Ui*Ton=Uo*Toff得增益比M=Uo/Ui=Ton/Toff=D1/D2此時D1+D2=1, 所以 M=D1/(1-D1)v從前面的分析可以看出BUCK-BOOST電路在K閉合時利用L蓄能，在K斷開時向C和R釋放能量，這正是前面所提及的反激式工作模式，在后續(xù)會在隔離式開關(guān)電源中對這種模式進(jìn)行細(xì)致的分析隔離式拓?fù)渑e例v正激式變壓器開關(guān)電源v反激式變壓器開關(guān)電源正激式變壓器開關(guān)電源v上圖是正激式變壓器開關(guān)電源的簡單工作原理圖，Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是開關(guān)變壓器，K是控制開關(guān)，L是儲能濾波電感，C是儲能濾波電容，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰二極管，R是負(fù)載電阻。v注意：

12、1、開關(guān)變壓器部分，初、次級線圈的同名端相同，同反激式區(qū)別v2、穩(wěn)壓電路部分，儲能濾波電感L和儲能濾波電容C，還有續(xù)流二極管D2，就是BUCK電路N3繞組的作用v在正激式變壓隔離器中N3繞組不可取代，它的核心作用是磁復(fù)位磁復(fù)位vK關(guān)斷的瞬間，為了維持勵磁磁場不變，變壓器的初、次線圈繞組都會產(chǎn)生很高的反電動勢，這個反電動勢是由流過變壓器初線圈繞組的勵磁電流存儲的磁能量產(chǎn)生的。v為了防止在K關(guān)斷瞬間產(chǎn)生反電動勢擊穿開關(guān)器件，在開關(guān)電源變壓器中增加一個反電動勢能量吸收反饋線圈N3繞組以及一個削反峰二極管D3。vK閉合時，D3不導(dǎo)通，而當(dāng)K斷開，由于N3的存在，當(dāng)變壓器初級線圈的勵磁電流突然為0，D3

13、導(dǎo)通，流過N3繞組中的電流正好接替原來勵磁電流的作用，同時對Ui充電，使變壓器鐵心中的磁感應(yīng)強度由最大值Bm返回到剩磁所對應(yīng)的磁感應(yīng)強度Br位置 v這就完成了磁芯的磁復(fù)位，通過反向充電把磁能重新轉(zhuǎn)換為電能一方面，N3繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢通過二極管D3可以對反電動勢進(jìn)行限幅，并把限幅能量返回給電源，對電源進(jìn)行充電；另一方面，流過N3繞組中的電流產(chǎn)生的磁場可以使變壓器的鐵心退磁，使變壓器鐵心中的磁場強度恢復(fù)到初始狀態(tài)。 正激式變壓隔離器的工作過程v這里討論的是變壓器側(cè)的工作情況，后續(xù)電路的工作同BUCK相似vK閉合，變壓器正常工作，二次側(cè)電壓與一次側(cè)電壓的變比為n ,如上方左圖所示，相當(dāng)于對BUC

14、K輸入nUivK斷開，由于N3繞組的磁復(fù)位和二次側(cè)的二極管D1斷流作用，二次側(cè)輸出相當(dāng)于開路，相當(dāng)于BUCK電路的開關(guān)器件關(guān)斷，如上方右圖所示v首先說明一個基本原理，流過正激式變壓器的電流與流過電感線圈的電流不同，流過正激式開關(guān)電源變壓器中的電流有突變，而流過電感線圈的電流不能突變。vK接通，瞬間流過正激式開關(guān)電源變壓器的電流立刻就可以達(dá)到某個穩(wěn)定值，這個穩(wěn)定電流值是與變壓器次級線圈電流大小相關(guān)的，把這個電流記為i10，變壓器次級線圈電流為i2，那么就是：i10 = n i2 ，其中n為變壓器次級電壓與初級電壓比。v隨后，i1會線性上升，這是因為流過正激式變壓器的電流i1除了i10之外還有一個

15、勵磁電流，由i1 = Ui*t/L1 可知，電流呈線性增長。各點信號波形K關(guān)斷后，i10等于0，變壓器次級線圈N2繞組回路中的電流i2也等于0，所以，為了維持磁通大小不變，N3繞組產(chǎn)生新的勵磁電流，大小等于N1線圈中勵磁電流i1被折算到N3繞組中，電流初值i30 等于i1/n，這個電流的大小是隨著時間下降的。 N3兩端是反接到輸入Ui上，電壓為-Ui,其過程相當(dāng)于向Ui充電，即磁能轉(zhuǎn)化為電能電路的幾處設(shè)計細(xì)節(jié)v占空比: 1、若取N3/N1=1，則可以計算出i30=i1,Ton=Toff,所以n=1時，占空比D1應(yīng)當(dāng)控制在0.5以下，以保證電流降為0，反電動勢能量容易放完 2、此外，也可以把比值

16、n調(diào)大些,D1的調(diào)節(jié)范圍更大些v在整流二極管D1兩端并聯(lián)一個高頻電容: 1、可以吸收當(dāng)控制開關(guān)K關(guān)斷瞬間變壓器次級線圈產(chǎn)生的高壓反電動勢能量，防止整流二極管D1擊穿； 2、電容吸收的能量在下半周整流二極管D1還沒導(dǎo)通前，它會通過放電（與輸出電壓串聯(lián)）的形式向負(fù)載提供能量。電壓增益比v從前面的介紹可以發(fā)現(xiàn)，正激式開關(guān)變壓電源實際上是變壓隔離器同BUCK電路串聯(lián)合成的。v變壓隔離器起到了變壓開關(guān)變壓開關(guān)的作用，通過K的開斷，將高壓直流信號轉(zhuǎn)換成為了低壓脈沖信號，輸入到后續(xù)的BUCK電路中，做進(jìn)一步處理輸出穩(wěn)定的直流電壓，這樣強電和弱電信號也得以分隔開來v最終電壓增益比就是兩者增益比的乘積即 M=D

17、1N3/N1(當(dāng)電感電流連續(xù)時)反激式變壓器開關(guān)電源上圖是反激式變壓器開關(guān)電源的精簡電路圖。 Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是開關(guān)變壓器，K是控制開關(guān)，C是儲能濾波電容，R是負(fù)載電阻，二極管D起到的是反向阻流的作用注意：變壓器次級線圈的同名端對調(diào)一下，原來變壓器輸出電壓的正、負(fù)極性就會完全顛倒過來 反激式變壓器開關(guān)電源工作過程v反激式變壓器開關(guān)電源的工作情況同BUCK-BOOST拓?fù)錁O為相似v在K接通的Ton期間，輸入電源Ui對變壓器初級線圈N1繞組加電，N1繞組有電流i1流過，兩端產(chǎn)生自感電動勢，同時N2繞組的兩端也產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，但由于整流二極管的作用，沒有產(chǎn)生回路電流，相當(dāng)于開路，變壓器相

18、當(dāng)與一個儲能電感。v這就近似于BUCK-BOOST拓?fù)渲虚_關(guān)閉合情況 當(dāng)控制開關(guān)K由接通突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷瞬間，流過變壓器初級線圈的電流i1突然為0，而磁通不能突變，因此，在K關(guān)斷的Toff期間，變壓器鐵心中的磁通 主要由N2線圈回路中的電流來維持,N2中產(chǎn)生反激電流，流過D向電容C和負(fù)載R供電。 這就相當(dāng)于BUCK-BOOST拓?fù)渲虚_關(guān)關(guān)斷的情況v在K由閉合到斷開的瞬間，N2側(cè)產(chǎn)生了一定大小的反激電壓和電流，如果N2直接接在負(fù)載R上則會有一個非常大的脈沖。然而由于次級線圈N2繞組的輸出電壓都經(jīng)過整流濾波，而濾波電容C與負(fù)載電阻R的時間常數(shù)非常大，因此，整流濾波輸出電壓Uo基本穩(wěn)定，就等于二次側(cè)電壓

19、U2的幅值Up。v在K關(guān)斷的時間內(nèi)，二次側(cè)電壓U2基本平穩(wěn),(直到反激電流降為0)，向C和負(fù)載放電，輸出電流I2小于Io后，C也開始放電vK閉合后，變壓器一次側(cè)充電，二次側(cè)斷路，由C向負(fù)載R供電上圖就是二次側(cè)電流臨界連續(xù)時，電壓U2,電容C兩端的電壓Uc的變化過程各點信號值變化v右圖是反激式變壓器開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時，整流輸出電壓uo、變壓器鐵芯的磁通 ，以及變壓器初、次級電流等波形。vC圖是電源工作于臨界電流狀態(tài)時，變壓器初、次級線圈的電流波形。i1為流過N1線圈中的電流，i2為流過N2線圈中的電流（虛線所示），Io是流過負(fù)載的電流（虛線所示）。在K接通期間，變壓器鐵芯被i1磁化；在K關(guān)斷期間，i2退磁，并向負(fù)載輸出電流。從圖中還可以看出，流過變壓器初、次級線圈中的電流是可以突跳的。在K關(guān)斷的一瞬間，i1由最大值跳變到0，而在同一時刻，i2的電流由0跳變到最大值。并且，i1的最大值正好等于i2的n倍（n為變壓器次級電壓與初級電壓比）。B圖是變壓器鐵芯中磁通量變化的過程，在K接通期間，變壓器鐵芯被磁化,磁通量是由剩磁SBr向最大磁通SBm方向變化；在K關(guān)斷期間，變壓器鐵芯被退磁,磁通量是由最大磁通SBm向剩磁S