开关电源DCM和CCM工作模式及仿真
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20kHz – 20世纪80年代：IGBT功率MOSFET的出现——大功率开关电源开始
广泛应用 – 20世纪80年代开始：软开关技术的发展——开关频率不断得到突破，
100kHz，1Mhz，10MHz……。 – 20世纪90年代：功率因数校正电路——绿色电源（对电网无污染） – 21世纪：电力电子电磁兼容技术发展、磁集成技术得到大力发展，
TS
Duty Cycle = Duty Ratio = D =
TON
= TON
TON TOFF
TS
占空比=负荷比 D' = 1 - D =
TOFF
= TOFF
TON TOFF
TS
2013/7/7
24
三、 主电路工作原理（4）——BUCK
BUCK电路工作于CCM和DCM时的工作状态
CCM
2013/7/7
N1Uo
N 2U i
D=0.8
4
D=0.7
2.4
D=0.5
1
RTs L
50
100
150
可见：反激式在DCM模式时，输出电压随着负载减
Ts
根据稳态时电容C的充电电流平均值为0
ug
Ts
uL DTs Ui –Uo
DTs
–Uo
iL
IL
t
1 2
I
L
(
D
)
Uo R
，
电感方程：
L IL DTs
Ui
t
M Uo Ui
1 4K 2K
1
,
其中K＝
2L D2Ts
R
在电感电流断续的情况下，Uo=DUi不成立。
t 在电感电流断续的条件下，电路其它参数不 变而电路负载改变时，输出电压发生改变；
不断的增加功率密度和更高的工作效率。数字控制开关电源技术日 益得到广泛应用
2013/7/7
8
一、什么是开关电源（6）
High f/Eff./Power Density Conversion
Single Module
3 Modules On The Bench
500W Quarter Brick Bus Converter
电网
2013/7/7
整流器
DC/DC
逆变器
电机
DC/DC
DC/DC
直流负载 10
一、什么是开关电源（5）
开关电源的新问题：
– 各元器件在高频工作状态时，不能忽略其寄生参数对电路工作 产生的影响，引起电压尖峰、热损耗问题。 如变压器的漏感，电感寄生电容，电容寄生电感，开关管寄生电 容等。
– 各器件非理想工作特性，如变压器激磁电感不是无穷大，二极 管有反向恢复特性，开关管在关断和开通过程中电压电流重叠 等，带来热损耗和EMI 问题。
4
一、什么是开关电源（2）
线性电源：
– 调整管工作在线性放大状态，调整 管损耗大，需要较大的散热装置。
– 工频变压器体积大，重量重。
线
– 整机效率低，只有60%左右，高输
性 电
入电压时更加低。
源
– 输出电压比输入电压至少要低2.5伏。
220v 18v
交流输入
晶体管
电压给定
15v
直流 输出
工频交流电 高压
单端正激式变换 器(FORWARD)
50～200W
小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备 中的控制电源
推换式变换器 (PUSH－PULL) 半桥式变换器 (HALF BRIDGE) 全桥式变换器 (FULL BRIDGE)
100～500Ｗ
100～5000W
500W～ 30kW
控制设备，计算机等电源 焊机，超声电源，计算机电源等 焊机、高频感应加热，交换机等
升降压型电路(BUCK-BOOST) CUK型电路
SPEIC型电路
ZETA型电路
隔离型电路
单管（双管）正激型电路（FORWARD) 反激电路(FLYBACK)
半桥型电路(HALF-BRIDGE) 全桥型电路(FULL-BRIDGE) 推挽型电路(PUSH-PULL)
2013/7/7
17
二、 开关电源中的电力电子电路（2）
式控制比电流模式控制好。
2013/7/7
20
三、 开关电源主电路工作原理
• BUCK，BOOST • 反激，半桥 • 整流
三、 主电路工作原理（1）
开关电源CCM和DCM工作模式
• CCM: Continuous Conduction Mode,（电感电流）连续导通模式 • DCM: Discontinuous Conduction Mode,（电感电流）断续导通模式
2013/7/7
28
三、 主电路工作原理（5）——BOOST
BOOST电路工作于CCM和DCM
iD
注意：BOOST电路工作于CCM时，D不能很接近1，工作于 D2C013M/7/时7 不能令负载开路，否则高压令电路元器件要损坏。29
三、 主电路工作原理（6）——BUCK-BOOST
升降压电路工作于DCM模式
25
三、 主电路工作原理（4）——BUCK
BUCK电路工作于CCM和DCM时的电感电流波形
2013/7/7
M Uo D Ui
M Uo D Ui
M Uo ? Ui
26
三、 主电路工作原理（4）——BUCK
电感电流断续情况下的电压增益表达式
根据稳态时电感伏秒平衡原理：
Ui
UO
DTs
Uo
iL2
iL2折算到原边
iL1折算到副边
2013/7/7
反激式变换器工作在CCM工作模式时的各个波形(1)
34
三、 主电路工作原理（7）——反激
Ud
开关管截止时的等效电路二 （DCM)
注意：不管反激式 变换器工作于CCM 还是DCM模式， 原副边绕组电流都 是断续的！
2013/7/7
iL1 iL2
DTS
Specs: 48Vdc to 9.6Vdc/53A, Eff.=96.8%, Power Density: 19W/cm3 (312.3W/in3).
2013/7/7
9
一、什么是开关电源（7）
高效率电源的需求
应用管理器
公用电网
微型发电机
整流器 应用管理器
DC/DC
逆变器
DC/DC
DC/DC
直流负载
TS
IL1
ID1
反激式变换器工作在DCM工作模 式时的各个波形
三、 主电路工作原理（7）——反激
反激式电路工作于DCM模式时 电压增益表达式推导
思考：推导电压增益表达式M
2013/7/7
36
三、 主电路工作原理（7）——反激
• 电容充放电平衡：
Uo R
Io
1 2
I
D
1 2
I
L
2
• 变压器副边电感方程：
2013/7/7
30
三、 主电路工作原理（7）——反激
反激式电路
2013/7/7
D1 *
Lm Ud
C
R Uo
T*
T
变压器等效电路
31
三、 主电路工作原理（7）——反激
开关管导通时的等效电路
开关管截止时的等效电路二
2013/7/7
（DCM)
开关管截止时的等效电路一
一个开关周期内，电感 能量已经降为零，则该 电路工作于DCM状态。
• 磁性元件设计——《电磁场理论》，《电力电子技术》
• 电路的布局、布线、接地考虑
• 数字控制
• 监控设计
– 热管理，EMI控制
2013/7–/7 ……
15
二、 开关电源中的电力电子电路
• 分类 • 应用
二、 开关电源中的电力电子电路（1）
电力电子电路分类
非隔离型电路
降压型电路(BUCK)
升压型电路(BOOST)
12
非理想变压器
2013/7/7
Fra Baidu bibliotek
13
一、什么是开关电源（8）
开关电源产业当前关注的技术
2013/7/7
14
一、什么是开关电源（8）
开关电源设计的步骤
• 电路拓扑选择——《电力电子技术》
• 元器件选择——《电力电子器件》
• 辅助电路如启动电路、供电电路、吸收电路设计等
• 控制系统反馈设计——《自动控制理论》
交流输入 直流
2013/7/7
直流输出
变压器
高频交流
高频交流 脉动直流 稳定直流
6
一、什么是开关电源（4）
2013/7/7
7
一、什么是开关电源（5）
开关电源的发展
– 20世纪60年代：大功率晶体管BJT、GTR的出现——开关电源问世。 – 20世纪70年代：开关器件、磁性材料的不断改进——开关频率突破
第一节 开关电源基本工作原理
浙江大学电气工程学院 应用电子学系 二零一三年七月
本节内容
• 一、什么是开关电源 • 二、 开关电源中的电力电子电路 • 三、 主电路工作原理 • 四、电力电子器件 • 五、无源器件
2013/7/7
2
一、什么是开关电源
• 电源 • 线性电源 • 开关电源
一、什么是开关电源（1）
这类电源的共同特点：具有高频变压器、直流稳压是从变压器次级
绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副边是隔离的，或是
部分隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。
2013/7/7
19
二、开关电源电路拓扑的实用选择方法
• 升压或者降压：输入电压总是比输入电压低吗？ • 占空比的实际限制：输出电压和输入电压是否相差5倍以上？ • 多少组输出：是否多于1组，是否很多？ • 隔离要求：如果需要隔离，就需要变压器 • EMI要求：EMI要求高，不适合采用输入电流不连续的拓扑。 • MOSFET还是双极性晶体管：功率大？开关频率高？ • 电流连续还是电流断续：需要空载工作吗？ • 同步整流：输出电压很低？ • 电压模式控制和电流模式控制：如果输出电流很大，选用电压模
L I L2
Ts
Uo
2＝ 2L
RTs
• 变压器伏秒平衡：
N2 N1
Ui DTs
UoTs
2013/7/7
M Uo N2 D N2
Ui N1 N1
D22L N2 RTs N1
1 K
, 其中K
RTS D22L
37
三、 主电路工作原理（7）——反激
将负载R按照L/TS进行归一化后
Uo Ui
与负载R之间的关系
• 前面所述的各种开关电源，均可能工作于CCM或者DCM两种模式。 两种工作模式下，电压增益的表达式不一样。
• 开关电源工作于哪种工作模式，在开关电源的占空比不变的情况 下，与开关电源的负载大小以及电感的大小有关系。
2013/7/7
22
三、 主电路工作原理（2）
开关电源稳态分析的两个基本原理
• 1.电感的伏秒平衡：稳态条件 下，电感两端电压在一个开关 周期内的平均值为零
反激变压器的原 副边并不同时流过电流， 只在开关瞬时符合安匝 平衡。
32
三、 主电路工作原理（7）——反激
iL1
开关管导通时的等效电路
iL2
iL2折算到原边
iL1折算到副边
2013/7/7
反激式变换器工作在CCM工作模式时的各个波形(1)
33
三、 主电路工作原理（7）——反激
iL1
开关管截止时的等效电路一
20D13T/7s /7 Ts
而在电感电流连续的情况下，输出电压不随
负载改变。
27
三、 主电路工作原理（4）——BUCK
将负载RU按o 照L/TS进行归一化后 UU与oi 负载R之间的关系
Ui
0.9
0.8
D=0.8
D=0.6
0.6
D=0.4
0.4
可见：
RTs L
5
10
15
电感电流连续时 ，Uo/Ui=D； 电流断续时，总是有Uo/Ui>D，负载越小（负载电阻越大），则Uo越高。 输出空载时，Uo＝Ui。
电源：提供电能的装置
• 把其他形式的能转换成电能的装置 叫做电源
– 水利、火力发电机： • 机械能、热能
– 干电池： • 化学能
– 计算机电源： • 交流电
– 太阳能电池、风能 • 太阳能、风能 网
电网电能 电能 直流电
电能/并
• 本书所指电源是：输入输出都是电
2013能/7/7 的电能变换电源。
buck
cuk
正激
2013/7/7
全桥
boost sepic 反激
Buck-boost zeta 半桥
推挽 18
二、 开关电源中的电力电子电路（3）
隔离型电力电子变换电路的功率等级和应用场合
电路类型
传输功率
应用环境
单端反激式变换 器(FLYBACK)
20～100W
小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备 中的控制电源
• 2.电容的充电平衡：稳态条件 下，电容电流在一个开关周期 内的平均值为零
ug
Ts
uL DTs Ui –Uo
DTs
–Uo
t
t
iL t
–Uo/R
2013/7/7
23
三、 主电路工作原理（3）
基本的脉冲宽度调制波形 • 这些拓扑结构都与开关式电路有关。 • 基本的脉冲宽度调制波形定义如下：
TON TOFF
– 开关电源交流输入特性差，功率因数低，谐波电流大等 – 开关电源控制电路的供电部分谁来提供？用外接线性电源？
2013/7/7
11
理想器件
动态特性： Ton=0,Toff=0 静态特性 导通时R=0，关断时R=
Vds Ids
2013/7/7
实际器件
iD IL
uD
Qrr
IRRM
Vo
iDS
trr IRRM IL
变压器降压 低压
整流 脉冲电
滤波
稳压直流电
2013/7/7
5
一、什么是开关电源（3）
开关电源：泛指，电路中电力电子器件工作在高频 开关状态的直流电源。
– 电力电子器件工作在开关状态，损耗很小，因此整机效率高 – 其隔离和电压变换的变压器T是高频变压器，体积大大缩小，重
量大大减轻 – 输出直流电压可高可低
广泛应用 – 20世纪80年代开始：软开关技术的发展——开关频率不断得到突破，
100kHz，1Mhz，10MHz……。 – 20世纪90年代：功率因数校正电路——绿色电源（对电网无污染） – 21世纪：电力电子电磁兼容技术发展、磁集成技术得到大力发展，
TS
Duty Cycle = Duty Ratio = D =
TON
= TON
TON TOFF
TS
占空比=负荷比 D' = 1 - D =
TOFF
= TOFF
TON TOFF
TS
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三、 主电路工作原理（4）——BUCK
BUCK电路工作于CCM和DCM时的工作状态
CCM
2013/7/7
N1Uo
N 2U i
D=0.8
4
D=0.7
2.4
D=0.5
1
RTs L
50
100
150
可见：反激式在DCM模式时，输出电压随着负载减
Ts
根据稳态时电容C的充电电流平均值为0
ug
Ts
uL DTs Ui –Uo
DTs
–Uo
iL
IL
t
1 2
I
L
(
D
)
Uo R
，
电感方程：
L IL DTs
Ui
t
M Uo Ui
1 4K 2K
1
,
其中K＝
2L D2Ts
R
在电感电流断续的情况下，Uo=DUi不成立。
t 在电感电流断续的条件下，电路其它参数不 变而电路负载改变时，输出电压发生改变；
不断的增加功率密度和更高的工作效率。数字控制开关电源技术日 益得到广泛应用
2013/7/7
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一、什么是开关电源（6）
High f/Eff./Power Density Conversion
Single Module
3 Modules On The Bench
500W Quarter Brick Bus Converter
电网
2013/7/7
整流器
DC/DC
逆变器
电机
DC/DC
DC/DC
直流负载 10
一、什么是开关电源（5）
开关电源的新问题：
– 各元器件在高频工作状态时，不能忽略其寄生参数对电路工作 产生的影响，引起电压尖峰、热损耗问题。 如变压器的漏感，电感寄生电容，电容寄生电感，开关管寄生电 容等。
– 各器件非理想工作特性，如变压器激磁电感不是无穷大，二极 管有反向恢复特性，开关管在关断和开通过程中电压电流重叠 等，带来热损耗和EMI 问题。
4
一、什么是开关电源（2）
线性电源：
– 调整管工作在线性放大状态，调整 管损耗大，需要较大的散热装置。
– 工频变压器体积大，重量重。
线
– 整机效率低，只有60%左右，高输
性 电
入电压时更加低。
源
– 输出电压比输入电压至少要低2.5伏。
220v 18v
交流输入
晶体管
电压给定
15v
直流 输出
工频交流电 高压
单端正激式变换 器(FORWARD)
50～200W
小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备 中的控制电源
推换式变换器 (PUSH－PULL) 半桥式变换器 (HALF BRIDGE) 全桥式变换器 (FULL BRIDGE)
100～500Ｗ
100～5000W
500W～ 30kW
控制设备，计算机等电源 焊机，超声电源，计算机电源等 焊机、高频感应加热，交换机等
升降压型电路(BUCK-BOOST) CUK型电路
SPEIC型电路
ZETA型电路
隔离型电路
单管（双管）正激型电路（FORWARD) 反激电路(FLYBACK)
半桥型电路(HALF-BRIDGE) 全桥型电路(FULL-BRIDGE) 推挽型电路(PUSH-PULL)
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二、 开关电源中的电力电子电路（2）
式控制比电流模式控制好。
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三、 开关电源主电路工作原理
• BUCK，BOOST • 反激，半桥 • 整流
三、 主电路工作原理（1）
开关电源CCM和DCM工作模式
• CCM: Continuous Conduction Mode,（电感电流）连续导通模式 • DCM: Discontinuous Conduction Mode,（电感电流）断续导通模式
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28
三、 主电路工作原理（5）——BOOST
BOOST电路工作于CCM和DCM
iD
注意：BOOST电路工作于CCM时，D不能很接近1，工作于 D2C013M/7/时7 不能令负载开路，否则高压令电路元器件要损坏。29
三、 主电路工作原理（6）——BUCK-BOOST
升降压电路工作于DCM模式
25
三、 主电路工作原理（4）——BUCK
BUCK电路工作于CCM和DCM时的电感电流波形
2013/7/7
M Uo D Ui
M Uo D Ui
M Uo ? Ui
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三、 主电路工作原理（4）——BUCK
电感电流断续情况下的电压增益表达式
根据稳态时电感伏秒平衡原理：
Ui
UO
DTs
Uo
iL2
iL2折算到原边
iL1折算到副边
2013/7/7
反激式变换器工作在CCM工作模式时的各个波形(1)
34
三、 主电路工作原理（7）——反激
Ud
开关管截止时的等效电路二 （DCM)
注意：不管反激式 变换器工作于CCM 还是DCM模式， 原副边绕组电流都 是断续的！
2013/7/7
iL1 iL2
DTS
Specs: 48Vdc to 9.6Vdc/53A, Eff.=96.8%, Power Density: 19W/cm3 (312.3W/in3).
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一、什么是开关电源（7）
高效率电源的需求
应用管理器
公用电网
微型发电机
整流器 应用管理器
DC/DC
逆变器
DC/DC
DC/DC
直流负载
TS
IL1
ID1
反激式变换器工作在DCM工作模 式时的各个波形
三、 主电路工作原理（7）——反激
反激式电路工作于DCM模式时 电压增益表达式推导
思考：推导电压增益表达式M
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三、 主电路工作原理（7）——反激
• 电容充放电平衡：
Uo R
Io
1 2
I
D
1 2
I
L
2
• 变压器副边电感方程：
2013/7/7
30
三、 主电路工作原理（7）——反激
反激式电路
2013/7/7
D1 *
Lm Ud
C
R Uo
T*
T
变压器等效电路
31
三、 主电路工作原理（7）——反激
开关管导通时的等效电路
开关管截止时的等效电路二
2013/7/7
（DCM)
开关管截止时的等效电路一
一个开关周期内，电感 能量已经降为零，则该 电路工作于DCM状态。
• 磁性元件设计——《电磁场理论》，《电力电子技术》
• 电路的布局、布线、接地考虑
• 数字控制
• 监控设计
– 热管理，EMI控制
2013/7–/7 ……
15
二、 开关电源中的电力电子电路
• 分类 • 应用
二、 开关电源中的电力电子电路（1）
电力电子电路分类
非隔离型电路
降压型电路(BUCK)
升压型电路(BOOST)
12
非理想变压器
2013/7/7
Fra Baidu bibliotek
13
一、什么是开关电源（8）
开关电源产业当前关注的技术
2013/7/7
14
一、什么是开关电源（8）
开关电源设计的步骤
• 电路拓扑选择——《电力电子技术》
• 元器件选择——《电力电子器件》
• 辅助电路如启动电路、供电电路、吸收电路设计等
• 控制系统反馈设计——《自动控制理论》
交流输入 直流
2013/7/7
直流输出
变压器
高频交流
高频交流 脉动直流 稳定直流
6
一、什么是开关电源（4）
2013/7/7
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一、什么是开关电源（5）
开关电源的发展
– 20世纪60年代：大功率晶体管BJT、GTR的出现——开关电源问世。 – 20世纪70年代：开关器件、磁性材料的不断改进——开关频率突破
第一节 开关电源基本工作原理
浙江大学电气工程学院 应用电子学系 二零一三年七月
本节内容
• 一、什么是开关电源 • 二、 开关电源中的电力电子电路 • 三、 主电路工作原理 • 四、电力电子器件 • 五、无源器件
2013/7/7
2
一、什么是开关电源
• 电源 • 线性电源 • 开关电源
一、什么是开关电源（1）
这类电源的共同特点：具有高频变压器、直流稳压是从变压器次级
绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副边是隔离的，或是
部分隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。
2013/7/7
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二、开关电源电路拓扑的实用选择方法
• 升压或者降压：输入电压总是比输入电压低吗？ • 占空比的实际限制：输出电压和输入电压是否相差5倍以上？ • 多少组输出：是否多于1组，是否很多？ • 隔离要求：如果需要隔离，就需要变压器 • EMI要求：EMI要求高，不适合采用输入电流不连续的拓扑。 • MOSFET还是双极性晶体管：功率大？开关频率高？ • 电流连续还是电流断续：需要空载工作吗？ • 同步整流：输出电压很低？ • 电压模式控制和电流模式控制：如果输出电流很大，选用电压模
L I L2
Ts
Uo
2＝ 2L
RTs
• 变压器伏秒平衡：
N2 N1
Ui DTs
UoTs
2013/7/7
M Uo N2 D N2
Ui N1 N1
D22L N2 RTs N1
1 K
, 其中K
RTS D22L
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三、 主电路工作原理（7）——反激
将负载R按照L/TS进行归一化后
Uo Ui
与负载R之间的关系
• 前面所述的各种开关电源，均可能工作于CCM或者DCM两种模式。 两种工作模式下，电压增益的表达式不一样。
• 开关电源工作于哪种工作模式，在开关电源的占空比不变的情况 下，与开关电源的负载大小以及电感的大小有关系。
2013/7/7
22
三、 主电路工作原理（2）
开关电源稳态分析的两个基本原理
• 1.电感的伏秒平衡：稳态条件 下，电感两端电压在一个开关 周期内的平均值为零
反激变压器的原 副边并不同时流过电流， 只在开关瞬时符合安匝 平衡。
32
三、 主电路工作原理（7）——反激
iL1
开关管导通时的等效电路
iL2
iL2折算到原边
iL1折算到副边
2013/7/7
反激式变换器工作在CCM工作模式时的各个波形(1)
33
三、 主电路工作原理（7）——反激
iL1
开关管截止时的等效电路一
20D13T/7s /7 Ts
而在电感电流连续的情况下，输出电压不随
负载改变。
27
三、 主电路工作原理（4）——BUCK
将负载RU按o 照L/TS进行归一化后 UU与oi 负载R之间的关系
Ui
0.9
0.8
D=0.8
D=0.6
0.6
D=0.4
0.4
可见：
RTs L
5
10
15
电感电流连续时 ，Uo/Ui=D； 电流断续时，总是有Uo/Ui>D，负载越小（负载电阻越大），则Uo越高。 输出空载时，Uo＝Ui。
电源：提供电能的装置
• 把其他形式的能转换成电能的装置 叫做电源
– 水利、火力发电机： • 机械能、热能
– 干电池： • 化学能
– 计算机电源： • 交流电
– 太阳能电池、风能 • 太阳能、风能 网
电网电能 电能 直流电
电能/并
• 本书所指电源是：输入输出都是电
2013能/7/7 的电能变换电源。
buck
cuk
正激
2013/7/7
全桥
boost sepic 反激
Buck-boost zeta 半桥
推挽 18
二、 开关电源中的电力电子电路（3）
隔离型电力电子变换电路的功率等级和应用场合
电路类型
传输功率
应用环境
单端反激式变换 器(FLYBACK)
20～100W
小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备 中的控制电源
• 2.电容的充电平衡：稳态条件 下，电容电流在一个开关周期 内的平均值为零
ug
Ts
uL DTs Ui –Uo
DTs
–Uo
t
t
iL t
–Uo/R
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三、 主电路工作原理（3）
基本的脉冲宽度调制波形 • 这些拓扑结构都与开关式电路有关。 • 基本的脉冲宽度调制波形定义如下：
TON TOFF
– 开关电源交流输入特性差，功率因数低，谐波电流大等 – 开关电源控制电路的供电部分谁来提供？用外接线性电源？
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理想器件
动态特性： Ton=0,Toff=0 静态特性 导通时R=0，关断时R=
Vds Ids
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实际器件
iD IL
uD
Qrr
IRRM
Vo
iDS
trr IRRM IL
变压器降压 低压
整流 脉冲电
滤波
稳压直流电
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一、什么是开关电源（3）
开关电源：泛指，电路中电力电子器件工作在高频 开关状态的直流电源。
– 电力电子器件工作在开关状态，损耗很小，因此整机效率高 – 其隔离和电压变换的变压器T是高频变压器，体积大大缩小，重
量大大减轻 – 输出直流电压可高可低