高頻開(kāi)關(guān)電源

高頻開(kāi)關(guān)電源第1頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2一、

概論將電網(wǎng)或電池的一次電能，轉(zhuǎn)換為符合電子設(shè)備要求的二次電能，這樣的變換設(shè)備便是電源。電源是一切電子設(shè)備的心臟，沒(méi)有電源，電子設(shè)備就不可能工作。電源及開(kāi)關(guān)電源電源常用的連接方式串聯(lián)線性電源高頻開(kāi)關(guān)電源第2頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四串聯(lián)線性電源與開(kāi)關(guān)電源的區(qū)分串聯(lián)線性電源：電源調(diào)整管工作在放大狀態(tài);效率低，損耗大，溫升高。開(kāi)關(guān)電源：電源調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的電源;具有高功率密度、重量輕、體積小。

輸入開(kāi)關(guān)管K負(fù)載RL儲(chǔ)能元件開(kāi)關(guān)電源模型圖輸入電源調(diào)整管負(fù)載RL串聯(lián)線性電源模型圖第3頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4開(kāi)關(guān)電源的分類：按變換方式可分為下列四大類：（1）：第一大類：AC/DC開(kāi)關(guān)電源；（2）：第二大類：DC/DC開(kāi)關(guān)電源；（3）：第三大類：DC/AC開(kāi)關(guān)電源；（4）：第四大類：AC/AC開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源逆變器變頻器按開(kāi)關(guān)管和輸出之間是否有變壓器隔離可分為下列兩大類：（1）：第一大類：無(wú)變壓器的非隔離式；（2）：第二大類：有變壓器的隔離式。第4頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四直流穩(wěn)壓電源

直流穩(wěn)壓電源是電子、電器、自動(dòng)化設(shè)備中最基本的部分。傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源是采用串聯(lián)式線性轉(zhuǎn)換方法設(shè)計(jì)制作的。晶體管串聯(lián)式線性穩(wěn)壓電源

直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展第5頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四當(dāng)今計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化設(shè)備上大多數(shù)控制電源都向低壓大電流、高效率、重量輕、體積小的方向發(fā)展。在這種要求面前首先得到發(fā)展的是晶體管串聯(lián)式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。

晶體管串聯(lián)式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源第6頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖中輸入回路的作用是將交流輸入電壓整流濾波變?yōu)槠交母邏褐绷麟妷?；功率變換器的作用是將高壓直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率大于20KHZ的高頻脈沖電壓；整流濾波電路的作用是將高頻的脈沖電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流輸出電壓；開(kāi)關(guān)電源控制器的作用是將輸出直流電壓取樣，來(lái)控制功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度，從而調(diào)整開(kāi)通時(shí)間以使輸出電壓可調(diào)且穩(wěn)定。從框圖中可見(jiàn)，由于高頻變壓器取代了笨重的工頻（50HZ）變壓器，從而使穩(wěn)壓電源的體積和重量大大減小。第7頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1.效率高。一般在70～90%以上。而相應(yīng)的線性穩(wěn)壓電源的效率僅有50%左右。

2.體積小、重量輕，隨著頻率的提高，收效更顯著。3.穩(wěn)壓范圍廣，一般交流輸入80～265V，負(fù)載作大幅度變化時(shí)，性能很好。4.噪聲低，聲頻在20kHz以上時(shí)，已是人耳聽(tīng)不到的超聲波，而開(kāi)關(guān)電源的工作頻率一般都大于此頻率；5.性能靈活，通過(guò)輸出隔離變壓器，可得到低壓大電流、高壓小電流；一個(gè)開(kāi)關(guān)控制的一路輸入可得到多路輸出以及同號(hào)、反號(hào)等輸出；6.電壓維持時(shí)間長(zhǎng)，為了適應(yīng)交流停電時(shí)，計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代自動(dòng)化控制設(shè)備電源轉(zhuǎn)換的需要，開(kāi)關(guān)電源可在幾十毫秒內(nèi)保證仍有電壓輸出。7.可靠性大，當(dāng)開(kāi)關(guān)損壞時(shí)，也不會(huì)有危及負(fù)載的高電壓出現(xiàn)。

第8頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的不足之處1.輸出紋波較大，約有10～100mV的峰峰值；2.脈沖寬度調(diào)制式的電路中，電壓、電流變化率大；3.控制電路比較復(fù)雜，對(duì)元器件要求高；4.動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間至少要大于一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，不如串聯(lián)式晶體管線性穩(wěn)壓電源。

第9頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.作用：雙向?yàn)V波避免電網(wǎng)供電線引入高頻脈沖影響電子電路；防止開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)造成污染。S1C1L2220V市電

至整流濾波電路FUC02進(jìn)線抗電磁干擾電路（EMI）輸入共軛濾波及整流1.電路組成：由一個(gè)線圈和兩個(gè)電容組成EMI原理圖第10頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四工作原理：

對(duì)高頻干擾信號(hào)而言，電容呈短路，而電

感則呈開(kāi)路。高頻干擾被電容短路。

對(duì)50Hz低頻而言，電容呈開(kāi)路，而電感則呈短路。因此，50Hz市電可以順利通過(guò)。S1C10.1uL220V市電

至整流濾波電路FUC20.1uFUS1C1L220V市電

至整流濾波電路C2第11頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四由一個(gè)全橋（由四個(gè)二極管組成）和兩個(gè)高壓電解電容組成。把220V交流市電轉(zhuǎn)換成400V左右的直流電。高壓整流濾波電路1.電路組成：?jiǎn)蜗鄻蚴秸麟娐返?2頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四整流電路工作原理當(dāng)正半周時(shí)，二極管D1、D3導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。當(dāng)負(fù)半周時(shí)二極管D2、D4導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。在負(fù)載電阻上正負(fù)半周經(jīng)過(guò)合成，得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓。第13頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四濾波電路濾波的基本概念：利用電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器C對(duì)直流開(kāi)路，對(duì)交流阻抗小，所以C應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對(duì)直流阻抗小，對(duì)交流阻抗大，因此L應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。經(jīng)過(guò)濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動(dòng)系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。第14頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電容濾波電路單相橋式電容濾波整流電路。在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容C。第15頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四當(dāng)v2到達(dá)90°時(shí)，v2開(kāi)始下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷，電容C就要以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載ＲL放電。指數(shù)放電起始點(diǎn)的放電速率很大。濾波原理

若電路處于正半周，二極管D1、D3導(dǎo)通，變壓器次端電壓v2給電容器C充電。此時(shí)C相當(dāng)于并聯(lián)在v2上，所以輸出波形同v2

，是正弦形。

電容濾波波形圖所以，在t1到t2時(shí)刻，二極管導(dǎo)電，Ｃ充電，vC=vL按正弦規(guī)律變化；t2到t3時(shí)刻二極管關(guān)斷，vC=vL按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)間常數(shù)為RLC。

在剛過(guò)90°時(shí)，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過(guò)90°時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。在超過(guò)90°后的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的速率越來(lái)越快，二極管關(guān)斷。第16頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四對(duì)于輸入與輸出電壓之間不需隔離，只用一個(gè)工作開(kāi)關(guān)管VT和電感L、二極管D、電容C組成的變換器電路最基本的為如下三種，其原理電路如圖2.6所示。（1）串聯(lián)開(kāi)關(guān)或降壓變換器（buckconverter）（2）并聯(lián)開(kāi)關(guān)或升壓變換器（boostconverter）（3）串—并聯(lián)開(kāi)關(guān)或降、升壓變換器（buck-boostconverter）非隔離式的DC→DC變換電路

非隔離式開(kāi)關(guān)電源工作過(guò)程第17頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四調(diào)整輸出電壓的方法：tVitVktVoVitonTVoVkKRL電壓變換器VO=·Vi=D·VitonT占空比第18頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四只要改變開(kāi)關(guān)脈沖的“占空比”，就可以改變輸出電壓的高低。在具體電路中，可以使開(kāi)關(guān)脈沖頻率固定，改變開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton而改變輸出電壓高低。這種電源稱為“調(diào)寬式”開(kāi)關(guān)電源。PWM也可以使開(kāi)關(guān)管截止時(shí)間不變，只改變開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短而改變輸出電壓高低。這種電源稱為“調(diào)頻調(diào)寬”式開(kāi)關(guān)電源。PFM第19頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電路中VT為開(kāi)關(guān)管，工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)（VT飽和導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于一只接通的開(kāi)關(guān)，VT截止時(shí)相當(dāng)于一只斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)）。電感L和電容C為儲(chǔ)能元件。RL為電源的負(fù)載。D為續(xù)流二極管，它在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)導(dǎo)通，保證電感L中的電流不中斷。串聯(lián)型（Buck）

開(kāi)關(guān)電源工作過(guò)程LVTDCRL串聯(lián)型開(kāi)關(guān)電源基本電路第20頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四高頻變壓器開(kāi)關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)框圖共同特點(diǎn):具有高頻變壓器,直流穩(wěn)壓是從變壓器次級(jí)繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來(lái)。變壓器原副方是隔離的，而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。

變壓器型開(kāi)關(guān)電源工作過(guò)程第21頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四開(kāi)關(guān)電源原理示意圖第22頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四輸入電壓Uin與導(dǎo)通比α的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由于輸入電壓最高時(shí)，相應(yīng)的導(dǎo)通比是最小，輸入電壓最低時(shí)，相應(yīng)的導(dǎo)通比是最大。因此，輸入電壓與導(dǎo)通比是一一對(duì)應(yīng)，相互制約的。

運(yùn)行中由于閉環(huán)調(diào)節(jié)，這種相互適應(yīng)是自動(dòng)的。但必須指出的是，由控制電路振蕩器和PWM門閂電路本身固有的最大最小導(dǎo)通比，一定要與運(yùn)行條件所需的最大最小導(dǎo)通比不矛盾，否則就會(huì)失調(diào)。第23頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四全橋式變換器的開(kāi)關(guān)電源

全橋式變換器的工作波形第24頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四開(kāi)關(guān)電路的PWM控制原理

開(kāi)關(guān)電源的PWM控制原理可用圖3.1的電路說(shuō)明。它由開(kāi)關(guān)管、濾波電路、比較器、三角波發(fā)生器、比較放大器和基準(zhǔn)源等部分構(gòu)成。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源原理圖PWM控制基本原理第25頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

三角波發(fā)生器通過(guò)比較器產(chǎn)生一個(gè)方波vB，去控制開(kāi)關(guān)管的通斷。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，向電感充電。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，必須給電感中的電流提供一個(gè)泄放通路。續(xù)流二極管D即可起到這個(gè)作用，保護(hù)開(kāi)關(guān)管。第26頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

為了穩(wěn)定輸出電壓，按電壓負(fù)反饋方式引入反饋。

設(shè)輸出電壓增加，F(xiàn)VO增加，比較放大器的輸出Vf減小，比較器方波輸出的toff增加，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間減小，輸出電壓下降。起到了穩(wěn)壓作用。第27頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

輸出波形見(jiàn)圖。開(kāi)關(guān)管發(fā)射極輸出電壓VE為方波，由于濾波電感的存在，使輸出電流iL為鋸齒波，趨于平滑。輸出則為帶紋波的直流電壓。開(kāi)關(guān)電源波形圖第28頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四q稱為占空比方波高電平的時(shí)間占整個(gè)周期的百分比。

忽略電感的直流電阻，輸出電壓VO即為vE的平均分量。于是有在輸入電壓一定時(shí)，輸出電壓與占空比成正比。第29頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1．開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功耗大大降低，電源效率大為提高；2．開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作，為得到直流輸出，必須在輸出端加濾波器；3．可通過(guò)脈沖寬度的控制方便地改變輸出電壓值；4．由于開(kāi)關(guān)頻率較高，濾波電容和濾波電感的體積可大大減小。由以上分析可以得出如下結(jié)論：第30頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四保護(hù)電路——六重保護(hù)1、輸入端過(guò)壓保護(hù)：壓敏電阻（耐壓值）2、輸入端過(guò)流保護(hù)：保險(xiǎn)絲、熱敏電阻3、輸出端過(guò)流保護(hù)：通過(guò)導(dǎo)線反饋，驅(qū)動(dòng)變壓器就會(huì)相應(yīng)動(dòng)作，關(guān)斷電源的輸出。

4、輸出端過(guò)壓保護(hù)：當(dāng)比較器檢測(cè)到的輸出電壓與基準(zhǔn)電壓偏差較大時(shí)，穩(wěn)壓管就會(huì)對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)整。

5、輸出端短路保護(hù)：輸出端短路時(shí)，比較器會(huì)偵測(cè)到電流的變化，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)變壓器、PWM關(guān)斷開(kāi)關(guān)管的輸出。

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