開(kāi)關(guān)電源原理

開(kāi)關(guān)電源原理蔣恢(Fisher)第一章現(xiàn)代電源技術(shù)概述1－1電源技術(shù)的現(xiàn)狀與開(kāi)展1-1-1功率半導(dǎo)體技術(shù)的現(xiàn)狀與開(kāi)展1-1-2電源技術(shù)的新進(jìn)展1－2電源的構(gòu)成及特點(diǎn)1-2-1現(xiàn)代電源的構(gòu)成原理及特點(diǎn)1-2-2開(kāi)關(guān)電源的分類第二章電源中的電力電子器件與根底電路2－1電力電子器件2－2根底電路2-2-1EMI濾波電路2-2-2整流與濾波電路2-2-3功率變換電路2-2-4控制與驅(qū)動(dòng)電路2-2-5保護(hù)電路第三章現(xiàn)代電源領(lǐng)域新技術(shù)3－1PFC技術(shù)3－2同步整流技術(shù)3－3軟開(kāi)關(guān)技術(shù)3－4高頻磁技術(shù)第四章開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的EMI問(wèn)題第一章現(xiàn)代電源技術(shù)概述1－1現(xiàn)代電源技術(shù)的現(xiàn)狀與開(kāi)展現(xiàn)狀：先進(jìn)的電路技術(shù)－PFC技術(shù)，同步整流技術(shù)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)高頻磁技術(shù)，均流技術(shù)，DC/DC技術(shù)先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)－PIC器件，模塊器件

水平：效率－高達(dá)93％穩(wěn)壓精度－0。5功率因數(shù)－單相0。97－0。999噪聲電壓－寬頻噪聲，衡重噪聲

開(kāi)展方向：高效率，小型化，集成化，智能化高可靠性1-1-1功率半導(dǎo)體技術(shù)新進(jìn)展

功率開(kāi)關(guān)器件開(kāi)展階段50年代60年代70年代80年代90年代可控硅SCR快速晶閘管可關(guān)斷晶閘管GTO1高壓GTO大容量大功率高性能〔晶閘管〕2IGCT省吸收與IGBT結(jié)合3MCT優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)〔MOS晶閘管〕電力晶體管GTR1IGBT1高速IGBT2功率MOSFET2低電荷功率MOSFET1－2電源的構(gòu)成與分類1開(kāi)關(guān)電源的根本構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源的根本電路如圖2－1所示輸入回路→功率變換器→整流及濾波電路→輸出↑↓PWM控制器輸入回路－將交流輸入電壓整流成為較平滑的直流高壓功率變換器－將直流高壓變換為頻率大于20KHZ的高頻脈沖電壓整流及濾波電路－將高頻脈沖電壓轉(zhuǎn)換穩(wěn)定的直流輸出電壓PWM控制器——將輸出直流電壓進(jìn)行取樣控制功率器件的驅(qū)動(dòng)脈沖寬度，從而調(diào)整開(kāi)通時(shí)間以使輸出電壓可調(diào)且穩(wěn)定。2開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)〔1〕重量輕，體積小采用高頻技術(shù)，去掉了工頻變壓器，在同等的輸出功率下，體積、重量可縮減10/1

〔2〕功率因數(shù)高經(jīng)PFC的開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)一般都在0。93以上而且不受負(fù)載的變化影響。

〔3〕可聽(tīng)噪聲低在線性電源中，工頻變壓器及濾波電感產(chǎn)生噪聲大于60分貝，而開(kāi)關(guān)電源僅為45分貝左右。開(kāi)關(guān)電源的分類主要分為五類單端反激式單端正激式推挽式半橋式全橋式第二章電源中的電力電子器件與根底電路2－1電力電子器件POWER-IC器件的開(kāi)展PWM/MOSFET二合一IC集功率開(kāi)關(guān)，控制電路，保護(hù)電路與一體，性價(jià)比較高。TOPSwich系列二合一功率ICTOP220,TOP230,TOP250,仙童公司5L系列03801M系列0880廣泛應(yīng)用于小家電，通訊設(shè)備等2－2根底電路2-2-1EMI濾波電路開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)應(yīng)考慮抑制干擾，而濾波是一種抑制干擾有效方法，不僅可以抑制傳輸線上傳導(dǎo)干擾，同時(shí)對(duì)輻射發(fā)射也具有顯著抑制效果，圖2-2-1是開(kāi)關(guān)電源輸入級(jí)常用一種EMI濾波器電路分析：以下圖是對(duì)共模噪聲和差模噪聲都有效的濾波器電路。其中，C3、C4為抑制差模噪聲回路，L1、L2、C1、C2構(gòu)成抑制共模噪聲回路。C1使用陶瓷電容或聚酯薄膜電容，應(yīng)有足夠的耐壓值，其容量一般取0.22～0.47uF。L1、L2為共模電感，對(duì)共模噪聲具有較高的阻抗、較好的抑制效果。R是C3、C4的放電電阻。整流及濾波電路2-2-3功率變換電路在高頻開(kāi)關(guān)電源功率轉(zhuǎn)換電路中，單斷變換器(正激、反激式)與雙端變換器〔推挽式、半橋、全橋式〕的本質(zhì)區(qū)別，在于其高頻變壓器的磁芯只工作在第一象限，即處于磁滯回線一邊。按變壓器的副邊開(kāi)關(guān)整流二極管的不同接線方式，單斷變換器有兩種類型：a.單端正激式變換電路b.單端反激式變換電路單端反激式變換電路1.根本工作原理〔以下圖〕ton時(shí)，Q1通，E+加在原邊Lp兩端，ip線形增加，儲(chǔ)能；副邊Ls電壓上正下負(fù)，D1反偏截止。toff時(shí)，Q1截止，ip降為０，原邊Lp兩端電壓極性反向，副邊Ls電壓隨著變?yōu)樯县?fù)下正，D1正向?qū)?。此后，?chǔ)存在變壓器中的磁能向負(fù)載傳遞釋放電能。

當(dāng)單斷反激式變換器在原邊開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，開(kāi)關(guān)管截止時(shí)才向負(fù)載釋放能量，故高頻變壓器既起到變壓隔離作用，又是電感儲(chǔ)能元件。因此，又稱單端反激式變換器為“電感儲(chǔ)能式變換器〞。2.電路特點(diǎn)a.由于原邊、副邊的電感量為常數(shù)，使原邊和副邊電流按線形規(guī)律升降，其電流工作狀態(tài)有三種：非連續(xù)態(tài)、臨界態(tài)及連續(xù)狀態(tài)；b一般用在小功率場(chǎng)合c利用率不高注意設(shè)計(jì)原那么：必須使高頻變壓器磁芯的磁通復(fù)位。即：必須讓高壓開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通和截止期間，加在高頻變壓器原邊繞組上的伏－秒數(shù)相等。單端正激式變換電路1.根本工作原理 Q1導(dǎo)通時(shí)，D1導(dǎo)通，電路向負(fù)載RL輸送能量，同時(shí)輸出濾波電感L0儲(chǔ)存能量；Q1截止時(shí)，電感L0儲(chǔ)存能量通過(guò)續(xù)流二極管D2向負(fù)載釋放2.電路特點(diǎn)a.導(dǎo)通時(shí)輸入饋電給負(fù)載，截止時(shí)Ｌ供電給負(fù)載；b.N3起到去磁復(fù)位功能外，同時(shí)，與二極管D3一起組成箍位電路防止Q1截止期間及瞬態(tài)過(guò)程中高頻變壓器漏感引起電壓尖峰疊加在Q1上；c.假設(shè)去磁繞組與原邊繞組匝數(shù)相等，并保持緊耦合，Q1承受的電壓最大為2E設(shè)計(jì)中注意原那么：由于高頻變壓器工作在磁滯回線的一側(cè)，必須遵守磁通復(fù)位原那么，即導(dǎo)通脈寬不能超出周期的一半。推挽式功率變換電路〔34〕1.根本工作原理VT1、VT2中交替導(dǎo)通時(shí)，W1和W2有相應(yīng)的電流流過(guò)，變換器二次側(cè)將有功率輸出。2.電路特點(diǎn)a由于功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)射極共地，無(wú)須隔離基極驅(qū)動(dòng)電路，簡(jiǎn)化b兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件輪流導(dǎo)通可獲得較大的功率輸出；c功率開(kāi)關(guān)的耐壓值應(yīng)當(dāng)大于2Vin全橋式功率變換電路1.根本工作原理變壓器連接在四橋臂中間，相對(duì)的兩對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件VT1-VT4和VT2-VT3交替導(dǎo)通或截止，使變壓器的二次側(cè)有功率輸出。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件VT1-VT4導(dǎo)通時(shí)，VT2-VT3那么截止，這時(shí)，VT2-VT3兩端承受的電壓為輸入電壓Vin，在功率開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的尖峰電壓被二極管VD1~VD4鉗位于輸入電壓Vin。2.電路特點(diǎn)1〕全橋式功率開(kāi)關(guān)器件的耐壓值只要大于Vinmax即可2〕使用鉗位二極管VD1~VD4，有利于提高電源效率；3〕電路使用了四個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，四組驅(qū)動(dòng)電路需要隔離。應(yīng)用：主要應(yīng)用于大功率變換電路中，由于驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜且均需隔離，因此在電路設(shè)計(jì)和工藝結(jié)構(gòu)布局中要有足夠的考慮。半橋式功率變換電路1.根本工作原理與全橋功率變換電路相比，兩個(gè)功率器件改為兩個(gè)容量相等的電容代替。C1和C2的主要作用是實(shí)現(xiàn)靜態(tài)時(shí)的分壓，使Va=Vin/2。2.電路特點(diǎn)當(dāng)VT1導(dǎo)通、VT2截止時(shí)，電源向C2充電；當(dāng)VT2導(dǎo)通、VT1截止時(shí)，輸入電流向C1充電。VT1導(dǎo)通、VT2截止時(shí)，VT2兩端承受的電壓為輸入直流電壓Vin 。這也是開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓。2.電路特點(diǎn)a.在高頻變壓器上施加的電壓只有全橋功率變換電路的一半，在同等功率輸出的條件下，半橋開(kāi)關(guān)管的工作電流需要增加一倍；b.突出優(yōu)點(diǎn)，具有抗不平衡能力；應(yīng)用：中等功率容量的電源；串聯(lián)型半橋功率變換電路，可降低耐壓要求；采用并聯(lián)方式，可增大輸出電流的容量２.２.３.６功率變換電路的比較與應(yīng)用１.變壓器利用率單端正激－反激變換器次芯中磁滯回線僅在第一象限內(nèi)變化，變壓器利用率底；推挽式、全橋式、半橋式功率變換電路用的磁芯在全磁滯回線工作。利用率高，在輸出同等功率的條件下所用的磁芯體積相應(yīng)縮??；２.對(duì)功率器件的要求推挽式、全橋式、半橋式功率變換電路的功率開(kāi)關(guān)器件在一個(gè)周期內(nèi)各導(dǎo)通一次承受的電流相對(duì)較小，并且在功率變換電路二次輸出整流后的準(zhǔn)方波也將成倍增加，使直流脈動(dòng)成分相應(yīng)減少。在單端式和推挽式功率變換電路中，功率開(kāi)關(guān)器件的耐壓值為輸入直流電壓的兩倍；在橋式功率變換電路中，耐壓值僅等于輸入電壓值。３.對(duì)控制驅(qū)動(dòng)電路的要求推挽式、全橋式、半橋式變換電路其驅(qū)動(dòng)脈沖必須小于Ｔ／２，同時(shí)要有一定的死區(qū)。死區(qū)持續(xù)時(shí)間應(yīng)當(dāng)略微大于功率開(kāi)關(guān)器件的存儲(chǔ)時(shí)間，以防止直通。單端正激－反激變換器無(wú)需專門的死區(qū)控制。從驅(qū)動(dòng)電路的要求看，橋式功率變換電路需要隔離，故工藝結(jié)構(gòu)和布局設(shè)計(jì)考慮較為復(fù)雜。第三章電源領(lǐng)域技術(shù)新進(jìn)展

功率因數(shù)校正〔PFC〕技術(shù)

PFC的概念起源于1980年，重視和推廣在80年代末，主要制定了IEC555-－2，IEC1000-3-2

使得研究PFC術(shù)研究成為電源界熱點(diǎn)

現(xiàn)在關(guān)注：一是二級(jí)PFC技術(shù)，二是單級(jí)PFC技術(shù)

同步整流技術(shù)

同步整流的概念：當(dāng)輸出為低電壓大電流時(shí)整流損耗成為功率變換器主要損耗所以提出采用低導(dǎo)通電阻的MOSFET進(jìn)行整流。

同步整流－是通過(guò)控制MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)利用功率MOSFET實(shí)現(xiàn)整流功能的技術(shù)

開(kāi)展：同步整流技術(shù)出現(xiàn)得較早，但早期的技術(shù)很難轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品，這是由于當(dāng)時(shí)驅(qū)動(dòng)

技術(shù)不成熟，可靠性不高。經(jīng)過(guò)幾年的開(kāi)展，同步整流技術(shù)已經(jīng)成熟。由于開(kāi)發(fā)本錢

的原因，目前只在技術(shù)含量較高的開(kāi)關(guān)電源模塊中得到應(yīng)用。

優(yōu)勢(shì)：同步整流技術(shù)提高了電源效率，它同時(shí)給電源模塊帶來(lái)了許多新的進(jìn)步。

同步整流技術(shù)符合高效節(jié)能的要求，適應(yīng)新一代芯片電壓的要求，有著非常廣闊的應(yīng)

用前景。但目前只有較少的公司掌握了該項(xiàng)技術(shù)，并且實(shí)現(xiàn)的本錢也很高，而且還有

很多應(yīng)用領(lǐng)域未得到開(kāi)拓。隨著用于同步整流的MOSFET批量投入市場(chǎng)，專用驅(qū)動(dòng)芯片

的出現(xiàn)，以及控制技術(shù)的不斷完善，同步整流技術(shù)將成為一種主流電源技術(shù)，逐步應(yīng)

用于廣泛的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的概念：是利用電容于電感諧振使得開(kāi)關(guān)器件中電流〔電壓〕按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律

變化。當(dāng)電流過(guò)另時(shí)，器件關(guān)斷；當(dāng)電壓過(guò)另時(shí)，器件開(kāi)通，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗為另

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)：可分為1，PFM2,PWM3,PS方式

開(kāi)展動(dòng)態(tài)：自20世紀(jì)80年代中期起，采用PWM控制技術(shù)的高功率密度DC/DC變換器模塊走進(jìn)了世界市場(chǎng)。如今，已廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域中。1997年，在已經(jīng)行了將近30年的世界范圍的軟開(kāi)關(guān)根底理論研究之后，美國(guó)Vicor開(kāi)關(guān)電源公司最先推出了VI－300系列軟開(kāi)關(guān)高密度DC/DC產(chǎn)品。第二代產(chǎn)品是以Vicor公司有專利權(quán)的零電流開(kāi)關(guān)〔ZCS〕和零電壓開(kāi)關(guān)〔ZVS〕軟開(kāi)關(guān)控制技術(shù)為根底，結(jié)合了控制集成、封裝、鐵氧體、噪音和散熱技術(shù)等方面的最新成果，產(chǎn)品到達(dá)了與理想功率器件極為接近的境地。第二代產(chǎn)品與第一代產(chǎn)品相比，功率密度增加了兩倍，即為120W/in3。第二代產(chǎn)品的出現(xiàn)預(yù)示著它們將是DC/DC變換器未來(lái)的主流產(chǎn)品。

DC/DC技術(shù)研究熱點(diǎn)：低電壓大電流高頻磁技術(shù)：電力電子高頻磁技術(shù)是將電力電子技術(shù)與磁技術(shù)結(jié)合起來(lái)高頻磁技術(shù)是電力電子技術(shù)中的重要內(nèi)容。功率磁元件是所有電源中必不可少的關(guān)鍵器件。它擔(dān)負(fù)著磁能傳遞，儲(chǔ)存以及濾波功能。其體積和重量一般占到電路20－30％

10年內(nèi)重點(diǎn)開(kāi)展：高頻低功耗高磁導(dǎo)率材料和片式化的外表貼裝軟磁材料在非晶軟磁金金屬和磁記錄材料方面，開(kāi)展納米材料70年代初20KHZ電子變壓器取代了工頻變壓器使得變壓器體積減小60－80％重量減輕75％，目前開(kāi)關(guān)頻率已從20KHZ提高到10MHZ,開(kāi)關(guān)電源的EMI問(wèn)題4－1開(kāi)關(guān)電源的干擾源分析開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過(guò)程中產(chǎn)生的高di/dt和高dv/dt，它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開(kāi)關(guān)管高頻工作時(shí)的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復(fù)電流都是這類干擾源。開(kāi)關(guān)電源中的電壓電流波形大多為接近矩形的周期波，比方開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形、MOSFET漏源波形等。對(duì)于矩形波，周期的倒數(shù)決定了波形的基波頻率；兩倍脈沖邊緣上升時(shí)間或下降時(shí)間的倒數(shù)決定了這些邊緣引起的頻率分量的頻率值，典型的值在MHz范圍，而它的諧波頻率就更高了。這些高頻信號(hào)都對(duì)開(kāi)關(guān)電源根本信號(hào)，尤其是控制電路的信號(hào)造成干擾。開(kāi)關(guān)電源的電磁噪聲從噪聲源來(lái)說(shuō)可以分為兩大類。一類是外部噪聲，例如，通過(guò)電網(wǎng)傳輸過(guò)來(lái)的共模和差模噪聲、外部電磁輻射對(duì)開(kāi)關(guān)電源控制電路的干擾等。另一類是開(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生的電磁噪聲，如開(kāi)關(guān)管和整流管的電流尖峰產(chǎn)生的諧涉及電磁輻射干擾。如圖1所示，電網(wǎng)中含有的共模和差模噪聲對(duì)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生干擾，開(kāi)關(guān)電源在受到電磁干擾的同時(shí)也對(duì)電網(wǎng)其他設(shè)備以及負(fù)載產(chǎn)生電磁干擾〔如圖中的返回噪聲、輸出噪聲和輻射干擾〕。進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源EMI/EMC設(shè)計(jì)時(shí)一方面要防止開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)和附近的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，另一方面要加強(qiáng)開(kāi)關(guān)電源本身對(duì)電磁騷擾環(huán)境的適應(yīng)能力。下面具體分析開(kāi)關(guān)電源噪聲產(chǎn)生的原因和途徑。1.1電源線引入的電磁噪聲電源線噪聲是電網(wǎng)中各種用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的。電源線噪聲分為兩大類：共模干擾、差模干擾。共模干擾定義為任何載流導(dǎo)體與參考地之間的不希望有的電位差；差模干擾定義為任何兩個(gè)載流導(dǎo)體之間的不希望有的電位差。兩種干擾的等效電路如以下圖所示。圖中CP1為變壓器初、次級(jí)之間的分布電容，CP2為開(kāi)關(guān)電源與散熱器之間的分布電容〔即開(kāi)關(guān)管集電極與地之間的分布電容〕。如下圖，開(kāi)關(guān)管V1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)時(shí)，其集電極電壓突升為高電壓，這個(gè)電壓會(huì)引起共模電流Icm2向CP2充電和共模電流Icm1向CP1充電，分布電容的充電頻率即開(kāi)關(guān)電源的工作頻率。那么線路中共模電流總大小為〔Icm1＋I(xiàn)cm2〕。如圖2〔b〕所示，當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，差模電流Idm和信號(hào)電流IL沿著導(dǎo)線、變壓器初級(jí)、開(kāi)關(guān)管組成的回路流通。由等效模型可知，共模干擾電流不通過(guò)地線，而通過(guò)輸入電源線傳輸。而差模干擾電流通過(guò)地線和輸入電源線回路傳輸。所以，我們?cè)O(shè)置電源線濾波器時(shí)要考慮到差模干擾和共模干擾的區(qū)別，在其傳輸途徑上使用差?；蚬材V波元件抑制它們的干擾，以到達(dá)最好的濾波效果。1.2輸入電流畸變?cè)斐傻脑肼曢_(kāi)關(guān)電源的輸入普遍采用橋式整流、電容濾波型整流電源。如圖3所示，在沒(méi)有PFC功能的輸入級(jí)，由于整流二極管的非線性和濾波電容的儲(chǔ)能作用，使得二極管的導(dǎo)通角變小，輸入電流i成為一個(gè)時(shí)間很短、峰值很高的周期性尖峰電流。這種畸變的電流實(shí)質(zhì)上除了包含基波分量以外還含有豐富的高次諧波分量。這些高次諧波分量注入電網(wǎng)，引起嚴(yán)重的諧波污染，對(duì)電網(wǎng)上其他的電器造成干擾。為了控制開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的污染以及實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，PFC電路是不可或缺的局部。1.3開(kāi)關(guān)管及變壓器產(chǎn)生的干擾主開(kāi)關(guān)管是開(kāi)關(guān)電源的核心器件，同時(shí)也是干擾源。其工作頻率直接與電磁干擾的強(qiáng)度相關(guān)。隨著開(kāi)關(guān)管的工作頻率升高，開(kāi)關(guān)管電壓、電流的切換速度加快，其傳導(dǎo)干擾和輻射干擾也隨之增加。此外，主開(kāi)關(guān)管上反并聯(lián)的鉗位二極管的反向恢復(fù)特性不好，或者電壓尖峰吸收電路的參數(shù)選擇不當(dāng)也會(huì)造成電磁干擾。開(kāi)關(guān)電源