开关电源拓朴结构分析

Vin
n:1
Lm
Lo
Vo
Io IL
Ip Lk
Cr
D
G S
[t0, t1]
Im VinDT / Lm IL (Vin / n Vo)DT / Lo IP Im nIL
T
Vgs
D 1-D
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5
IL
ΔIL
Vin/n-Vo VL
-Vo
Vin Io
VinDT=Vc(1-D)T
Vc=VinD/(1-D)
Vds=Vc+Vin
Vds=Vin/(1-D)
根据电感的伏秒平衡：
(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D)T
Vo=VinD/n
td1
td 2
Sa
D
S1
1-D
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6=t0
IL
ΔIL
VT
Vin/n
-Vc/n
Vin Io
26
有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（9）
Vin
10
Vc=VinD/(1-D) Vds=Vin/(1-D)
9
8
7
6 Vc( D) Vds(D) 5
4
3
2
1
0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 D
27
有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（10）
IL
ΔIL
VT
Vin/n
-Vc/n
Vin Io
22
有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（5）
Vin
Lm n:1
-
Vc
+
+
VT
-
Sa
Ip Lk
S1
D
G
S
Lo
Vo
Io IL
[t4, t5]
激磁电流对主开关的输出 电容放电。
td1
td 2
Sa
D
S1
1-D
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6=t0
Vin
n:1
Vo
Vgs
Io D Lm
Co
Vds
Lk
D
Im
G
S ID
ICo IDp Io /(1 D)
ΔVo=？
ICo
根据Co在DT时间的基本方程：
CVO IO DT
VO IO DT / C Vo

T D 1-D
Vr
Vin+nVo
Ip
ID-p
Vin
Io -Io
10
反激变换器（Flyback）工作原理（4）
Vo
S2
B
C1 S1
D2
Vds1
[t0, t1]
Ip
变换器正半周工作，Ip, Im增加；Vc减少。
Vin Im 2 DT / Lm
IL
Vc (Io/ n)DT /(2C1)
VT
T/2 T/2 D
D Vc
Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6=t0
ΔIL
Vin/2n
-Vin/2n
Vin Io
电感(Inductor)
电容器(Capacitor)
变压器(Transformer) 3
D
S Vin
三种基本的非隔离开关电源
L
Vo
Io
Vo=Vin *D
Vo<Vin, 降压型电路
L
D
Vo
Io
Vin
S
Vo=Vin /(1-D) Vo>Vin, 升压型电路
D
S1 Vin
L D S2
Vo
Io
Vo<Vin, 当D<0.5
Vgs Vds Im ID
T D 1-D
Vr
Vin+nVo
Ip
ID-p
Vin VL
-nVo
Vin Io
8
反激变换器（Flyback）工作原理（2）
Vin
n:1
Vo
Io D
R
Lm
Vc
Co
Vc
Lk
D G
S
Ploss=(Vc-Vin)2/R
Vc
Lk
D
RG
S
Ploss=(Vc)2/R
9
反激变换器（Flyback）工作原理（3）
IL
Vc(t2 t1) (Ip Im)Lk
(t2 t1) (Io/ n)* Lk /Vc
VT
* 副边电压的死区跟Lk和Io有关， 跟原边开管的死区无关
td1
td 2
D
1-D
Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5
ΔIL
Vin/n
-Vc/n
Vin Io
20
有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（3）
Vin
Np
Lm
Lk G
Vo1 Ns1
Vo2 Ns2
反馈控制
多路输出的反激变换器：
Vo1 Ns1*Vin * D Np *(1 D)
Vo2 Ns2*Vin * D Np *(1 D)
减小交叉调整率的措施：
1. 尽量减少两个绕组之间的漏感。 2. 在辅助输出一路中加入尖峰抑
制器（饱和电感） 3. 主路输出工作于电流连续模式。 4. 采用双路加权反馈的控制方式
根据转换的形式分类: AC/DC, DC/DC, DC/AC, AC/AC 根据转换的方法分类: 线性电源，相控电源，开关电源
根据调控的效果分类: 稳压， 恒流， 调频，调相
根据调控的方法分类: 传统反馈控制，矢量控制，数位控制
2
开关电源的元件构成
开关电源的基本元件：
有源开关(Switch)
二极管(Diode)
S2 Vin
L
Vin
S2
D1
Vo
L
D1
Vo
S1
D2
半桥变换器
S1
D2
全桥变换器
S2 Vin
Vin Vo
L
D1
Vo
S2
S1
S1
D2
D2
半桥变换器（倍流整流）
推挽变换器
29
桥式变换器（Bridge Type Converter)（1）
Vin C1 S2
n:1+1 Lm
D1 Lo
S1
C Ip
Lk
Io VT
IL
ΔIL
VT
Vin/n
-Vc/n
Vin Io
23
有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（6）
Vin
Lm n:1
-
Vc
+
+
VT
-
Sa
Ip Lk
S1
D
G
S
Lo
Vo
Io IL
[t4, t5]
激磁电流对主开关的输出 电容放电。
td1
td 2
Sa
D
S1
1-D
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6=t0
-Vo
Vin Io
14
谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（3）
Vin
n:1
Lm
L
Vo
Io IL
Ip Lk
Cr
D
G S
[t2, t3]
Vc

Vin DT 2 Lm Cr
T
Vgs
D 1-D
V1
Vc
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5
IL
ΔIL
Vin/n-Vo VL
开关电源拓朴结构分析
FAE NAME：CARY.CHEN SZ2
电源的分类
什么是Power Supply?
上 Vin, Iin 级 电 f, phase 能 形 式
Power Supply
Vo, Io f, phase
负载
Power Supply是一种提供电力能源的设备，它可以将一种电力能源形式 转换成另外一种电力能源形式，并能对其进行控制和调节。
T
Sa
D
S1
1-D
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5
IL
ΔIL
VT
Vin/n
-Vc/n
Vin Io
19
有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（2）
Sa
Vin
Lm n:1
Lo
Vo
S1
-
Io
Vc
+
IL
+
VT
-
Vds
Sa
Ip Lk
S1
D
Ip
G
S
[t1, t2]
D
G
S
Im
根据变压器的伏秒平衡：
ID
Vin* DT nVo*(1 D)T
Vo Vin * D n *(1 D)
Vds Vin nVo
Vds Vin
VL
(1 D)
T D 1-D
Vin+nVo
Ip ID-p
Vin -nVo
Vin Io
6
反激变换器（Flyback）工作原理 （电流断续模式）
Vo
缺点：
1. 原边开管电压应力较高。 2. 谐振电容的损耗大。 Vo 3. 宽范围输入效率很难兼顾。
18
有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（1）
Vin
Cr Lm
Sa
Ip
S1 G
n:1
+ VT
-
Lk D
S
Lo
Vo
Io IL
[t0, t1]
Im VinDT / Lm IL (Vin / n Vo)DT / Lo IP Im nIL
Vo=Vin *D/(1-D) Vo>Vin 当D>0.5
升降压型电路
4
三种基本的隔离开关电源
Vin
Lm
D
Vo
Vin
L
D1 D2
S
反激型变换器
S
正激型变换器
S2 Vin
L
D1
Vo
S1
D2
桥式变换器
Vo 5
反激变换器（Flyback）工作原理 （电流连续模式）
Vin
n:1
Vo
Io
D
Lm
Vgs
Co
Vds
T
Vgs
D 1-D
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5
IL
ΔIL
Vin/n-Vo VL
-Vo
Vin Io
17
谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)特征
Vin Cr
Vin Cr
Vin Cr
Vo 优点：
1. 电路简单。 2. 线性输出控制特性。 3. 不需要辅助的吸收回路。
11
反激变换器（Flyback）特征总结
Vin
Np
Lm
Lk G
Vo1 Ns1
Vo2 Ns2
反馈控制
优点：
1. 电路简单。 2. 输入电压范围广。 3. 容易实现多路输出。
缺点：
1. 输出纹波电流大。 2. 输出控制特性非线性。 3. 通常需要辅助的吸收回路。 4. 转换效率较低。
12
谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（1）
-Vo
Vin Io
15
谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)（4）
Vin
n:1
Lm
L
Vo
Io IL
Ip Lk
Cr
D
G S
[t3, t4]
t4 t1 LmCr
Lm,Cr的选取原则：
Lm*Cr

1 2
(1
Dm a x) 2 T
2
T
Vgs
D 1-D
Vds
Ip Im
Vin
Lm n:1
-
Vc
+
+
VT
-
Sa
Ip Lk
S1
D
G
S
Lo
Vo
Io IL
[t2, t3] Sa在零电压条件下开通
* 原边开管的死区时间需满足：
td1 (t2 t1)
td1
td 2
Sa
D
S1
1-D
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5
IL
ΔIL
VT
Vin/n
-Vc/n
Vin Io
Sa
D
S1
1-D
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6=t0
IL
ΔIL
VT
Vin/n
-Vc/n
Vin Io
25
有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（8）
Vin
Lm n:1
-
Vc
+
+
VT
-
Sa
Ip Lk
S1
D
G
S
Lo
Vo
Io IL
根据变压器的伏秒平衡：
Vin
n:1
Vo
Io D Lm
Co
T
Vgs
D 1-D
Vin+nVo
Vds
Vin
D
G
S
Im
根据变压器的伏秒平衡：
ID-p
Vo Vin * D n *(1 D)
Vo' Vo
ID
根据能量守恒：
1 2
LmI
2 p

Vo 2 R
T
Io
Vin VL
VinDT I p Lm
Vo RT VinD 2Lm
Vin
Vo 优点：
Sa
1. 变压器最优化复位（电压应力 低）。
2. 输入电压范围宽。
Vin
Vo 3. 线性输出控制特性。
Sa
4. 不需要辅助的吸收回路。
缺点：
1. 钳位电压建立较慢，启动过程
Vo
变压器易偏磁。
Vin
2. 对输入电压的动态响应慢。
Sa 28
桥式变换器（Bridge Type Converter)
-nVo -nVo’
7
反激变换器（Flyback）工作原理（1）
Vin
n:1
Vo
Io D Lm
Co
Lk
D G
S
Vr=？
ID Vo(1 D)T / Lm
I D p

Io 1 D

I D 2
Ip I D p n
1 2
CdsVr 2

1 2
Lk Ip 2
Vr Lk * Ip Cds