开关电源的结构和基本原理 PPT课件
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开关电源基础知识讲解 ppt课件
6
开关电源
开关电源基础知识讲解
7
开关电源主要类型
按照开关管的开关条件，DC/DC转换器又可以分为硬开（HardSwitching） 开关电源和软开关（Soft Switching）两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件 是 在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中 将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗（Switching loss）。当转换器的 工作状态一定时开关也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在开 关过程中还会激起电路分布电感和寄生 电容的振荡，带来附加损耗，因此，硬 开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DC/DC转换器的开关管，在开 通或关断过程中，或是加于 其上的电压为零，即零电压开关（Zero-VoltageSwitching，ZVS），或是通过开关管的电流为零，即零电流开关（ZeroCurrent·Switching，ZCS）。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗，以及开 关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化 创造 了条件。功率场效应管（MOSFET）是应用较多的开关器件，它有较高的 开关速度，但同时也有较大的寄生电容。它关断时，在外电压的作用下， 其寄 生电容充满电，如果在其开通前不将这一部分电荷放掉，则将消耗于器件内部， 这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗，功率场 效应管宜采用零电压 开通方式（ZVS）。
信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模
式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态
，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，
《开关电源技术》PPT课件
CR
iS
t
O
uVD
t
O
t0
t1
a)
b)
图5-2 硬开关电路及波形
a）电路图 b）理想化波形
（显示放大图）
2021/4/25
6
5－31.2 零电压开关与零电流开关
❖ 零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。
❖ 零电压关断：与开关并联的电容能使开关关断后电 压上升延缓，从而降低关断损耗，有时称这种关断 过程为零电压关断。
❖ 软开关： – 在电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后 引入谐振，使开关条件得以改善。 – 降低开关损耗和开关噪声。 – 软开关有时也被成为谐振开关。
❖ 工作原理： – 软开关电路中S关断后Lr与Cr间发生谐振，电路中电压和电流 的波形类似于正弦半波。谐振减缓了开关过程中电压、电流 的变化，而且使S两端的电压在其开通前就降为零。
a）基本开关单元 b）降压斩波器中的基本开关单元
c）升压斩波器中的基本开关单元 d）升降压斩波器中的基 本开关单元
2021/4/25
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5－3.2 软开关电路的分类
1． 准谐振电路 ❖ 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。 ❖ 为最早出现的软开关电路，可以分为：
– 零电压开关准谐振电路(Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant Converter—ZVS QRC）；
– 零电压开关多谐振电路(Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant Converter—ZVS MRC）；
– 用于逆变器的谐振直流环节(Resonant DC Link）。
特点：
– 谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；
开关电源培训
11.维护人员切勿自行打开或维修开关电源模 块（模块从系统中拔下后，模块内电容器件 仍可能带电），故障模块应厂家返修或由厂 家专业技术人员检修处理。
三、开关电源系统容量配置
1．整流模块备用方式
整流模块备份一般采用N+1备份，并考虑到蓄 电池充电电流容量。
2．充电系数ɑ
基于电网停电频率和平均停电持续时间来确 定。如果停电频率较高（3~4次/月）且持续 时间长（接近或大于电池放电小时数），电 池的充电系数可以选择的大一些，如 0.15~0.2左右，但不能超过部标的极限值 0.25。电网较好的局站，充电系数一般选择 0.1~0.15之间。
4.监控系统紧急故障应急处理
1）监控单元管理功能混乱：监控单元管理功 能主要包括显示查询、电池均充/浮充转换、 限流控制等，功能混乱紧急故障可能导致电 池损坏、数据显示异常等。处理办法：复位 监控单元。
2）软件控制功能丧失：监控单元软件、硬件 发生故障时，可能会造成关机、电池下电、 电池保护等误控，最后导致直流供电中断， 处理措施：复位监控单元；如果复位不能解 决问题，可以关闭监控单元，系统进入手动 控制。
返修 2．电压电流显示不准 可能原因：满量程设置有误、线路接错、温度传感器故障、背
板电路故障、监控器故障
处理方法：根据分流器设置满量程、校正线路、更换温度传感 器、检修背板电路、更换监控器并返修厂家
3．电流满量程显示
可能原因：信号线接线有误、分流器故障、背板故障
处理方法：校正信号线接线、更换合适的分流器、更 换背板
3.开关电源系统日常巡检时，应注意检查开 关电源各项参数设置是否正确、合理；检查 系统是否受控，交流供电恢复之后，能否对 蓄电池进行限流充电；检测整流模块温度， 判断风扇是否正常工作。
三、开关电源系统容量配置
1．整流模块备用方式
整流模块备份一般采用N+1备份，并考虑到蓄 电池充电电流容量。
2．充电系数ɑ
基于电网停电频率和平均停电持续时间来确 定。如果停电频率较高（3~4次/月）且持续 时间长（接近或大于电池放电小时数），电 池的充电系数可以选择的大一些，如 0.15~0.2左右，但不能超过部标的极限值 0.25。电网较好的局站，充电系数一般选择 0.1~0.15之间。
4.监控系统紧急故障应急处理
1）监控单元管理功能混乱：监控单元管理功 能主要包括显示查询、电池均充/浮充转换、 限流控制等，功能混乱紧急故障可能导致电 池损坏、数据显示异常等。处理办法：复位 监控单元。
2）软件控制功能丧失：监控单元软件、硬件 发生故障时，可能会造成关机、电池下电、 电池保护等误控，最后导致直流供电中断， 处理措施：复位监控单元；如果复位不能解 决问题，可以关闭监控单元，系统进入手动 控制。
返修 2．电压电流显示不准 可能原因：满量程设置有误、线路接错、温度传感器故障、背
板电路故障、监控器故障
处理方法：根据分流器设置满量程、校正线路、更换温度传感 器、检修背板电路、更换监控器并返修厂家
3．电流满量程显示
可能原因：信号线接线有误、分流器故障、背板故障
处理方法：校正信号线接线、更换合适的分流器、更 换背板
3.开关电源系统日常巡检时，应注意检查开 关电源各项参数设置是否正确、合理；检查 系统是否受控，交流供电恢复之后，能否对 蓄电池进行限流充电；检测整流模块温度， 判断风扇是否正常工作。
种经典开关电源拓扑结构课件
升压型开关电源工作原理
总结词
通过控制开关管开通和关断的时间，将输入 电压转换成高于输入电压的输出电压。
详细描述
在升压型开关电源中，当开关管开通时，输 入电压同时加在负载和储能元件上，产生较 大的电流，储能元件充电；当开关管关断时， 电流减小，储能元件释放之前存储的能量。 由于储能元件的充放电作用，输出电压高于 输入电压。通过控制开关管的占空比，可以 调节输出电压的大小。
转换效率
01 02
转换效率
指开关电源将输入的电能转换为输出电能的能力，通常以百分比表示。 转换效率越高，说明开关电源的能源利用率越高，能够减少能源浪费和 发热量。
最大功率转换效率
指在一定的输入电压和输出电压条件下，开关电源能够达到的最大转换 效率。它是衡量开关电源性能的重要指标之一，要求尽可能高。
详细描述
极性反转型开关电源通过控制开关管开通和关断的时间比率，将输入电压的极性 反转并输出。在开关管开通时，输入电压与电感器共同对电容充电，当开关管关 断时，电感器通过输出二极管和负载释放能量。
升降压型（Buck-Boost）开关电源
总结词
升降压型开关电源是一种能够根据需要调整输出电压极性和大小的电源转换器。
详细描述
升压型开关电源通过控制开关管开通和关断的时间比率，将输入电压提升到所 需的输出电压。在开关管开通时，输入电压与电感器共同对电容充电，当开关 管关断时，电感器通过输出二极管和负载释放能量。
极性反转型（Inverting）开关电源
总结词
极性反转型开关电源是一种能够将输入电压极性反转的电源转换器。
03
开关电源的工作原理
降压型开关电源工作原理
总结词
通过控制开关管开通和关断的时间，调 节输出电压的大小。
开关电源的基础知识 ppt课件
(2).开关管V的截止期内，储能电感中 电流的最大变化量为
ILma1xUi LUO•tON
ILm
a2x
UO L
•tOFF
(3).开关管V导通期与截止期能量转换的条件：
Ui LUO•tONU LO•tOFF 即 U OtOt N O tO NF •U FiD •U itT O• N U i
另一种并联独立输出型开关电源
开关由一个功率场效应管构成（兼脉冲发生），也称为单端型。
脉宽调制等由集成电路UC3842 完成。
开关管导通时储能，开关截止时，储能释放给负载，称为单端型反激式。 开关管导通时间长，传输电能多，变压器次级绕组输出电压高、电流大。 用PWM控制功率开关管， 就可以改变次级绕组输出的电压和电流，同时， 使用闭环反馈可以稳定电压、电流或限制功率。
1.1开关电源组成及开关电源实例
3、并联独立输出型：通过续流电感的电磁耦合，实现隔离输出。 （电源输入端不使用变压器、实现多种电压输出）
＊应用最多的一种电路形式
＊三极管V可使用功率场效应管 ＊脉冲调宽、脉冲发生及误差信号的产生等可集成化例如TOP221TOP227
1.1开关电源组成及开关电源实例
(1).串联调整式线性性稳压器 (2).并联调整式线性性稳压器 (3).开关式稳压器
1.2 稳压电源的分类 二、开关电源的分类 1. 按激励方式分类
1.2 稳压电源的分类 二、开关电源的分类 2. 按控制原理(调制方式)分类
(1)脉宽调制型(PDM)开关电源
(2)脉频调制型(PFM)开关电源 (3)混合型开关电源 (4)脉冲密度调制型(PDM)开关电源
2. 开关稳压电源的缺点
(1)电压调整率和负载调整率较差 (2)存在较严重的开关噪声和干扰 (3)电路复杂，不便于维修
开关电源培训 ppt课件
1-4:反激变换器（Flyback）工作原理 （电流断续模式）
Vin
n:1
Vo
D
Io
Lm
Vgs
Co
D G
S
根据变压器的伏秒平衡：
Vo Vin * D n *(1 D)
Vo' Vo
Vd s Im
ID
根据能量守恒：
1 2
LmI
2 p
Vo2 R
T
VL
Ip
VinDT Lm
Vo RT Vin
LkIp 2
Vr Lk * Ip Cds
Vgs
Vd s Im
ID
T
D 1-
V
D
Vin+nV
r
o
Ip
ID-p
VL
9
Vin -nVo
Vin Io ppt课件
1-4:反激变换器（Flyback）工作原理（2）
Vin
n:1
Vo
D
Io
R Lm
Vc
Co
Vc
Lk
D G
S
Ploss=(Vc-Vin)2/R
14
ppt课件
反激电源简化电路
15
ppt课件
3-2：变压器设计
参数设定：初级匝数-Np，次级匝数Ns，输入母线直流电压为Vin， 匝比为n，VDf为续流二极管反向耐压，Vo为输出电压，Vor为反射电 压，D为MOS开通占空比，Ton为MOS导通时间，Vleg为变压器漏 感产生的尖峰电压
N=Np/Ns
3-1
Vds=Vinmax+Vleg+Vor
3-2
Vin*Ton=Vor*Toff
开关电源拓扑结构详述课件
Vin
Full-Bridge
全桥
Vout
1 n
Load 负载
(R)
1
D
Vout =
Vin
n
• Most popular topology for high-power converters. 较高功率变换器最为常用的拓扑结构。
• The switches (FETs) are driven out of phase and pulse-width modulated (PWM) to regulate the output voltage. 开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。
• Good transformer core utilization---power is transferred on both half-cycles. And---primary winding utilization is better than push-pull. 良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。而且初级绕组的利用率优于推挽电路。
推挽
Vout
n
1
Vin
Load 负载
(R)
n
1
D
Vout =
Vin
n
• The switches (FETs) are driven out of phase and pulse-width modulated (PWM) to regulate the output voltage. 开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。
Flyback
反激 Vout Vin
n
1
Load (R)
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直流电压500V档
2.3非隔离式开关电源工作过程
对于输入与输出电压之间不需隔离，只用一个工作开关管 VT和电感L、二极管D、电容C组成的变换器电路最基本的为 如下三种，其原理电路如图2.6所示。
（1）串联开关或降压 变换器（buck converter）
（2）并联开关或升压 变换器（boost converter）
（1）：第一大类：AC/DC开关电源； 开关电源
（2）：第二大类：DC/DC开关电源； （3）：第三大类：DC/AC开关电源；逆变器 （4）：第四大类：AC/AC开关电源。变频器
• 按开关管和输出之间是否有变压器隔离可分为下列 两大类：
（1）：第一大类：无变压器的非隔离式； （2）：第二大类：有变压器的隔离式。
• 可见负载电流由电感电流与电容放电电流两路同时 提供。
• 虽然开关管截止了，但是负载电流并没有中断。
2.3.1串联开关（降压）变换器设计计算
（一）在开关VT导通期间
iL1
U in
L
U0
t
I Lmin
I Lmax
Uin U0 L
ton
I Lmin
a） 电路拓扑 b）工作波形
图2.7 Buck converter
Half Brick
14
G：二次电源产品的图片（DC/DC）
15
彩电开关稳压电源
1.3 开关稳压电源的特点
1.3.1 优点
1.效率高。一般在70～90%以上。而相应的线性稳压电源的效 率仅有50%左右。 2.体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。 3.稳压范围广，一般交流输入80～265V，负载作大幅度变化时， 性能很好。 4.噪声低，声频在20kHz以上时，已是人耳听不到的超声波， 而开关电源的工作频率一般都大于此频率； 5.性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低压大电流、高压 小电流；一个开关控制的一路输入可得到多路输出以及同号、 反号等输出； 6.电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、现代自动 化控制设备电源转换的需要，开关电源可在几十毫秒内保证仍 有电压输出。 7.可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出现。
中的2。反之，当ＲL很大，
图2.5 电容滤波的效果
即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好, 见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。
问题：有Ｃ无ＲL即空载，此时VC=VO=？
6.电容滤波的计算
电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输 出电压的因素较多。一般常采用以下近似 估算法：
A：一次电源产品的图片（AC/DC）
10
B：工业电源产品的图片—标准产品（AC/DC）
11
C：工业电源产品的图片（AC/DC）
12
E：工业电源产品的图片（AC/DC）
13
F：二次电源产品的图片（DC/DC）--标准转换类
Full Brick
Half Brick
1/4 Brick
1/8 Brick
青岛科技大学
总目录
第一章 概论(1课时) 第二章 开关电源的基本原理 (2课时) 第三章 开关电路的PWM控制原理(2课时) 第四章 电路拓扑的使用选择(2课时) 第五章 元器件的实用选择(2课时) 第六章 软开关新技术(2课时)
高频开关电源设计
自动化与电子工程学院 电子信息科学与技术教研室
一、 概论
当负半周时二极管D2、D4导通， 在负载电阻上得到正弦波的负半周。
在负载电阻上正负半周经过合成， 得到的是同一个方向的单向脉动电压。
3.负载上的直流电压和直流电流
输出电压是单相脉动电压。通 常用它的平均值与直流电压等效。
输出平均电压为
1 π
VO π 0
2V2
sin
td
t
22 π
V2
0.9V2
流过负载的平均电流为
IO
2 2V2 πRL
0.9V2 RL
VO RL
流过二极管的平均电流为
ID
IL 2
2V2 0.45V2
πRL
RL
二极管所承受的最大反向电压 VDmax 2V2
动画5-4
4.滤波电路
滤波的基本概念：
利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。
电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应 该并联在负载两端。
+290V VT
IQ D
L
+
IL
-
C
RL
IC IR
图2.5 （b)开关管饱和时的等效电路
• 开关管饱和导通时，290V电源通过开关管Q，电 感L和负载RL形成电流回路，同时向电容器C充电， 在电感L和电容C中同时储能。
• 二极管D处于反向截止状态。 • 由于电感L中突然出现电流，将在L两端产生左正
1.3.2 开关稳压电源的不足之处
1.输出纹波较大，约有10～100mV的峰峰值； 2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大； 3.控制电路比较复杂，对元器件要求高； 4.动态响应时间至少要大于一个开关周期，不如串联
式晶体管线性稳压电源。
二、 开关电源的基本工作原理
功能：通过高频开关技术将输入较高的交流电压(AC) 转换为电子或电器设备工作所需要的直流电压(DC) 。
（3）串—并联开关 或降、升压变换器 （buck-boost converter）
图2.6 非隔离式的DC→DC变换电路
调整输出电压的方法：
Vi
Vk
Vo
t
t
t
ton T
Vi
K
电压
Vk 变换器
Vo
RL
占空比
VO =
ton T
·Vi =D·Vi
• 只要改变开关脉冲的“占空比”，就可以 改变输出电压的高低。
在当刚v2到过达909°0°时时，Байду номын сангаас正v弦2开曲始线下降 的下速降率。很先慢假。设所二以极刚管过关9断0，°时 二电极容管C就仍要然以导指通数。规在律超向过90°
后速负 始的率载点某越的Ｒ个来放L放点越电电，快速。，正率指二弦很数极曲大放管线。电关下起断降。的
所以，在t1到t2时刻，二极管
导电，Ｃ充电，vC=vL按正弦规律
变化；t2到t3时刻二极管关断， vC=vL按指数曲线下降，放电时间 常数为RLC。
图2.4电容滤波波形图
需要指出的是，当
放电时间常数RLC增加时， t1点要右移， t2点要左移， 二极管关断时间加长，
导通角减小，见曲线3；
反之，RLC减少时，导通
角增加。显然，当ＲL很
小，即IL很大时，电容滤
波的效果不好，见滤波曲线
电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。
经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤 掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减 小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。
电容滤波电路
单相桥式电容滤波整流电路。 在负载电阻上并联了一个滤波电容C。
5.滤波原理
若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次 端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以 输出波形同v2 ，是正弦形。
右负的自感电动势，负载两端电压等于290V电源 电压与L两端自感电动势之差。
L
+290V
VT
IL
ID
C
D
IC
RL
图2.5 （c)开关管截止时的等效电路
• 开关管截止时，由于电感线圈中电流的突然中断， 将在电感L两端产生左负右正的自感电动势，该自 感电动势使续流二极管D导通，形成电流回路。
• 同时，电容C也通过RL放电。
C2 0.1u
至整流滤 波电路
F1 T2.5A
对50Hz低频而言，电容呈开路，而电感则
呈短路。因此，50Hz市电可以顺利通过。
220V 市电
S1
L
C1 0.1u
C2 0.1u
至整流滤 波电路
F1 T2.5A
4.输入220V交流电压的检测
220V交流 输入
共轭滤波器
正常值: 220V±15%(187V~253V)
整流 滤波
开关调 整管
储能 元件
脉冲整 流滤波
比较 放大
取样 电路
功能：将220V交流电
压转换为电路所需要的
基准
各种稳定的直流电。
图2-1 高频变压器开关电源基本功能框图
2.2 输入共轭滤波及整流 2.2.1、进线抗电磁干扰电路（EMI）
• 1.电路组成：由一个线圈和两个电容组成
220V 市电
S1
一种是用锯齿波近似表示，即
VO
2V2
(1
T 4 RLC
)
另一种是在RLC=(35)T/ 2的条件下，近似 认为VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好
的效果，工程上也通常应满足RLC≥6~10。）
7. 220V交流电压整流滤波后直流电压的检测
来自共 轭滤波 器的
220V 交流电 压
正常值为290V左右
1.1 电源及开关电源
1.1.1 电源是什么？
将电网或电池的一次电能，转换为符合电子设备要 求的二次电能，这样的变换设备便是电源。
电源是一切电子设备的心脏，没有电源，电子设备 就不可能工作。
电源常 用的连 接方式
串联线性电源 高频开关电源
4
1.1.2 串联线性电源与开关电源的区分
• 串联线性电源：
中心思想：用提高工作频率等手段来提高电源的功率 密度，进而达到减少变压器的体积和重量的目的。采 用开关变换的显著优点是大大提高了电能的转换效率， 典型的开关电源效率为70%-80%，
稳定原理：依赖对脉冲宽度的改变来实现输出电压 的稳定，称做脉宽调制PWM。
2.3非隔离式开关电源工作过程
对于输入与输出电压之间不需隔离，只用一个工作开关管 VT和电感L、二极管D、电容C组成的变换器电路最基本的为 如下三种，其原理电路如图2.6所示。
（1）串联开关或降压 变换器（buck converter）
（2）并联开关或升压 变换器（boost converter）
（1）：第一大类：AC/DC开关电源； 开关电源
（2）：第二大类：DC/DC开关电源； （3）：第三大类：DC/AC开关电源；逆变器 （4）：第四大类：AC/AC开关电源。变频器
• 按开关管和输出之间是否有变压器隔离可分为下列 两大类：
（1）：第一大类：无变压器的非隔离式； （2）：第二大类：有变压器的隔离式。
• 可见负载电流由电感电流与电容放电电流两路同时 提供。
• 虽然开关管截止了，但是负载电流并没有中断。
2.3.1串联开关（降压）变换器设计计算
（一）在开关VT导通期间
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a） 电路拓扑 b）工作波形
图2.7 Buck converter
Half Brick
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G：二次电源产品的图片（DC/DC）
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彩电开关稳压电源
1.3 开关稳压电源的特点
1.3.1 优点
1.效率高。一般在70～90%以上。而相应的线性稳压电源的效 率仅有50%左右。 2.体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。 3.稳压范围广，一般交流输入80～265V，负载作大幅度变化时， 性能很好。 4.噪声低，声频在20kHz以上时，已是人耳听不到的超声波， 而开关电源的工作频率一般都大于此频率； 5.性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低压大电流、高压 小电流；一个开关控制的一路输入可得到多路输出以及同号、 反号等输出； 6.电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、现代自动 化控制设备电源转换的需要，开关电源可在几十毫秒内保证仍 有电压输出。 7.可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出现。
中的2。反之，当ＲL很大，
图2.5 电容滤波的效果
即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好, 见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。
问题：有Ｃ无ＲL即空载，此时VC=VO=？
6.电容滤波的计算
电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输 出电压的因素较多。一般常采用以下近似 估算法：
A：一次电源产品的图片（AC/DC）
10
B：工业电源产品的图片—标准产品（AC/DC）
11
C：工业电源产品的图片（AC/DC）
12
E：工业电源产品的图片（AC/DC）
13
F：二次电源产品的图片（DC/DC）--标准转换类
Full Brick
Half Brick
1/4 Brick
1/8 Brick
青岛科技大学
总目录
第一章 概论(1课时) 第二章 开关电源的基本原理 (2课时) 第三章 开关电路的PWM控制原理(2课时) 第四章 电路拓扑的使用选择(2课时) 第五章 元器件的实用选择(2课时) 第六章 软开关新技术(2课时)
高频开关电源设计
自动化与电子工程学院 电子信息科学与技术教研室
一、 概论
当负半周时二极管D2、D4导通， 在负载电阻上得到正弦波的负半周。
在负载电阻上正负半周经过合成， 得到的是同一个方向的单向脉动电压。
3.负载上的直流电压和直流电流
输出电压是单相脉动电压。通 常用它的平均值与直流电压等效。
输出平均电压为
1 π
VO π 0
2V2
sin
td
t
22 π
V2
0.9V2
流过负载的平均电流为
IO
2 2V2 πRL
0.9V2 RL
VO RL
流过二极管的平均电流为
ID
IL 2
2V2 0.45V2
πRL
RL
二极管所承受的最大反向电压 VDmax 2V2
动画5-4
4.滤波电路
滤波的基本概念：
利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。
电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应 该并联在负载两端。
+290V VT
IQ D
L
+
IL
-
C
RL
IC IR
图2.5 （b)开关管饱和时的等效电路
• 开关管饱和导通时，290V电源通过开关管Q，电 感L和负载RL形成电流回路，同时向电容器C充电， 在电感L和电容C中同时储能。
• 二极管D处于反向截止状态。 • 由于电感L中突然出现电流，将在L两端产生左正
1.3.2 开关稳压电源的不足之处
1.输出纹波较大，约有10～100mV的峰峰值； 2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大； 3.控制电路比较复杂，对元器件要求高； 4.动态响应时间至少要大于一个开关周期，不如串联
式晶体管线性稳压电源。
二、 开关电源的基本工作原理
功能：通过高频开关技术将输入较高的交流电压(AC) 转换为电子或电器设备工作所需要的直流电压(DC) 。
（3）串—并联开关 或降、升压变换器 （buck-boost converter）
图2.6 非隔离式的DC→DC变换电路
调整输出电压的方法：
Vi
Vk
Vo
t
t
t
ton T
Vi
K
电压
Vk 变换器
Vo
RL
占空比
VO =
ton T
·Vi =D·Vi
• 只要改变开关脉冲的“占空比”，就可以 改变输出电压的高低。
在当刚v2到过达909°0°时时，Байду номын сангаас正v弦2开曲始线下降 的下速降率。很先慢假。设所二以极刚管过关9断0，°时 二电极容管C就仍要然以导指通数。规在律超向过90°
后速负 始的率载点某越的Ｒ个来放L放点越电电，快速。，正率指二弦很数极曲大放管线。电关下起断降。的
所以，在t1到t2时刻，二极管
导电，Ｃ充电，vC=vL按正弦规律
变化；t2到t3时刻二极管关断， vC=vL按指数曲线下降，放电时间 常数为RLC。
图2.4电容滤波波形图
需要指出的是，当
放电时间常数RLC增加时， t1点要右移， t2点要左移， 二极管关断时间加长，
导通角减小，见曲线3；
反之，RLC减少时，导通
角增加。显然，当ＲL很
小，即IL很大时，电容滤
波的效果不好，见滤波曲线
电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。
经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤 掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减 小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。
电容滤波电路
单相桥式电容滤波整流电路。 在负载电阻上并联了一个滤波电容C。
5.滤波原理
若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次 端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以 输出波形同v2 ，是正弦形。
右负的自感电动势，负载两端电压等于290V电源 电压与L两端自感电动势之差。
L
+290V
VT
IL
ID
C
D
IC
RL
图2.5 （c)开关管截止时的等效电路
• 开关管截止时，由于电感线圈中电流的突然中断， 将在电感L两端产生左负右正的自感电动势，该自 感电动势使续流二极管D导通，形成电流回路。
• 同时，电容C也通过RL放电。
C2 0.1u
至整流滤 波电路
F1 T2.5A
对50Hz低频而言，电容呈开路，而电感则
呈短路。因此，50Hz市电可以顺利通过。
220V 市电
S1
L
C1 0.1u
C2 0.1u
至整流滤 波电路
F1 T2.5A
4.输入220V交流电压的检测
220V交流 输入
共轭滤波器
正常值: 220V±15%(187V~253V)
整流 滤波
开关调 整管
储能 元件
脉冲整 流滤波
比较 放大
取样 电路
功能：将220V交流电
压转换为电路所需要的
基准
各种稳定的直流电。
图2-1 高频变压器开关电源基本功能框图
2.2 输入共轭滤波及整流 2.2.1、进线抗电磁干扰电路（EMI）
• 1.电路组成：由一个线圈和两个电容组成
220V 市电
S1
一种是用锯齿波近似表示，即
VO
2V2
(1
T 4 RLC
)
另一种是在RLC=(35)T/ 2的条件下，近似 认为VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好
的效果，工程上也通常应满足RLC≥6~10。）
7. 220V交流电压整流滤波后直流电压的检测
来自共 轭滤波 器的
220V 交流电 压
正常值为290V左右
1.1 电源及开关电源
1.1.1 电源是什么？
将电网或电池的一次电能，转换为符合电子设备要 求的二次电能，这样的变换设备便是电源。
电源是一切电子设备的心脏，没有电源，电子设备 就不可能工作。
电源常 用的连 接方式
串联线性电源 高频开关电源
4
1.1.2 串联线性电源与开关电源的区分
• 串联线性电源：
中心思想：用提高工作频率等手段来提高电源的功率 密度，进而达到减少变压器的体积和重量的目的。采 用开关变换的显著优点是大大提高了电能的转换效率， 典型的开关电源效率为70%-80%，
稳定原理：依赖对脉冲宽度的改变来实现输出电压 的稳定，称做脉宽调制PWM。