开关电源(3)变换器
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DC/DC变换器是一种控制开关S通/断时间 的比例，用电抗器与电容器蓄积能量的元件。 是开关电源的核心部分 。
S VIN
平 滑 电 路
V0
非隔离型变换器的基本电路与特征
• 1) 降压型变换器（Buck） • 2) 升压型变换器（Boost） • 3) 极性反转型变换器
隔离型变换器的结构形式
（1）反激式变换器 所谓反激式是指变压器的初级极性与次级极性相反。
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)
电感(Inductor)
电容器(Capacitor)
变压器(Transformer)
三种基本的非隔离开关电源
D
L
Vo Io
S Vin
Vo=Vin *D
Vo<Vin, 降压型电路
L Vin
D
Vo Io
S
Vo=Vin /(1-D)
推挽式变换器特性：
优点：1）输出功率较大，导通期间高频变压器原边两绕组 的总电压是两倍输入电源电压2Ui，整流电压幅值为Ui/n。 2）驱动电路简单，两个开关管的发射极相连，驱动 电路无需隔离绝缘，从而简化了驱动电路。 缺点：1）会因磁心饱和出现集电极电流尖峰而导致晶体管 损坏。这主要由于两个开关管特性不一致，单向偏磁。 2）高频变压器利用率差，原边每个绕组只工作一半 时间。 3）对功率开关管的耐压要求高。
Vo>Vin, 升压型电路
D
L
Vo Io
S1 Vin
D
Vo<Vin, 当D<0.5 Vo=Vin *D/(1-D) Vo>Vin 当D>0.5
S2
升降压型电路
三种基本的隔离开关电源
L Vin
Lmห้องสมุดไป่ตู้
D
Vo
Vin
D1
D2
Vo
S
S
反激型变换器
正激型变换器
Vin
S2 D1
L Vo
S1
D2
桥式变换器
DC/DC变换器的基本原理
(2). 反激式双晶体管变换器 开关电源的功率在200W以上时，不宜采用单 管反激式电路，这时可以采用反激式双晶体管结构， 两管可用双极型晶体管或功率场效应管。
(3). 正激式变换器
正激式变换器的变压器纯粹是个隔离元件。正 激式变换器是利用电感L储能及传送能量的。
正激式变换器的工作原理：
开关三极管VT截止时，在电感的反激作用下，VD2 正向导通，导通后的电路通过电感L和负载RL构成回路， 这时电感上的电压等于输出电压V0。电感L中储存的能量 大小将影响输出电压的峰值。 正激式变换器的优点是：铜耗低。因为使用的是无气 隙磁芯，电感量高，变压器的峰值电流比较小，输出电压 纹波低。 缺点是电路较为复杂，所用元器件多，如果有假负载 的存在，效率将降低。 适用于低电压，大电流的开关电源，多用于150W以 下的小功率场合。 特点：可以多台电源并联使用而互不受影响，而且可 以自动均衡。而反激式却不能做到这点。
功率因数为1的高频整流器
2）无源功率因数校正 在电源输入端加入电感量很大的低频电感，以便减小滤波电容充 电电流的尖峰。此方法比较简单，但是校正效果不理想，功率因 数一般只能达到0.85左右。另外，大电感的体积很大，增加了设 备的体积和重量，系统成本提高，目前这种方法很少采用。 3）有源功率因数校正（PFC） 有源功率因数校正能使电源的输入功率提高到接近1。两种方法： A）采用有源滤波器进行无功和谐波补偿，虽然可以很好地改善输 入功率因数，但是增加了额外的滤波装置，增加了电路设计和控 制的复杂度，成本也会提高。（被动） B）采用功率因数校正电路，直接提高整流电路的输入功率因数。 （主动）
推挽式隔离变换器与其他形式的变换器基本相 同，但与正激式变换器不同的是它用两只管子进行 推挽，变压器采用中心抽头连接，次级也是两相半 波整流。因此，它相当于两个正激变换器工作的形 式。这类变换器的电路比较复杂，尤其是变压器的 初级和次级都需要两个绕组，但是它的利用率较高， 效率高，输出纹波电压小，适合用于百瓦级至千瓦 级的开关电源中。
功率因数为1的高频整流器
1）基本概念 有功功率：电能用于做功被消耗，它们转化为热能、光能、机 械能或化学能等，称为有功功率；又叫平均功率。交流电的瞬 时功率不是一个恒定值，功率在一个周期内的平均值叫做有功 功率，它是指在电路中电阻部分所消耗的功率，以字母P表示， 单位瓦特。 无功功率：具有电感和电容的交流电路中，电感的磁场或电容 的电场在一个周期内的一部分时间内从电源吸收能量，另一部 分时间内将能量返回电源。在整个周期内平均功率为零，没有 能量消耗。但能量是在电源和电感或电容之间来回交换的。能 量交换率的最大值叫做无功功率。由于它不对外做功，才被称 之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千 乏(kVar)。
(4). 正激式双晶体管变换器
正激式双晶体管变换器（又称双管正激式变换 器）是在单管正激式的电路上再串联一只三极管 而成的，这对于高压大功率的开关电源来说更加 安全可靠。双管正激式变换器得到了广泛的应用。
(5). 半桥式变换器
为了减小开关三极管的电压应力，可以采用半 桥式变换器，它是离线式开关电源较好的拓朴结 构。
推挽式变换器由于使用两只晶体管，有时也会 出现偏磁现象，出现这一现象是由两只开关晶体管 的储存时间和开关时间的差异所致。加在变压器上 的正、负电压持续的时间不同，经过几个周期的积 累，就会出现单绕组励磁饱和现象和所谓的偏磁现 象。在选用晶体管时，尽量使两只管子的技术参数 保持一致。其次，在设计时它的工作频率应小于 100kHz。
(6). 桥式变换器
全桥型变换器特性：
优点：1）保持有半桥变换器中开关管截止时承受电压低的特点。 2）具有推挽型电路输出电压高、输出功率大的优点。 因此全桥电路在DC/DC变换器中应用较多。
缺点：所用功率开关管较多，驱动电路复杂。
(7). 推挽式变换器
在驱动脉冲的作用下，VT1、VT2交替导通截止。
功率因数为1的高频整流器
1）基本概念（续） 视在功率等于网络端钮处电流、电压有效值的乘积，而有效值 能客观地反映正弦量的大小和他的做功能力，因此这两个量的 乘积反映了为确保网络能正常工作，外电路需传给网络的能量 或该网络的容量。 功率因数是有功功率和视在功率的比值。功率因数的大小与电 路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因 数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。 功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低， 说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 从而降低了设备的 利用率，增加了线路供电损失。
半桥型变换器特性：
优点：1）高频利用率高，原边绕组在正负半周均工作。 2）截止开关管极间承受的电压低，等于Ui。 3）抗不平衡能力强。 缺点：1）输出功率小，与输出电流I0相同的推挽式电路相比 ，输出功率小一半。 2）原边绕组上的电压是电容C1和C2的端电压，放电过 程中电压逐渐减小，因此输出脉冲电压的顶部呈倾斜状态。
半桥式变换器要求VT1、VT2具有相同的开关 特性，但是，即使是在相同的基极脉冲宽度的作用 下，也很难保证两只三极管导通和截止的时间相同。 如果用这种不平衡的波形驱动变压器，将会产生偏 磁现象，其结果将致使磁芯产生饱和，从而降低了 效率，严重时将导致晶体管烧毁。解决的办法是在 变压器的初级加一只电容C4。
(8). RCC变换器
RCC变换器是节流式阻尼变换器，是一种 自激式振荡电路，它的工作频率随着输入电压的 高低和输出电流的大小而变化，因此，在高功率， 大电流场合，它的工作不很稳定，只适用于50W 以下的小功率场合。但其结构简单、成本低、调 试容易，因此，有一定的应用价值。
RCC变换器基本电路及工作波形：
反激式变换器有两种工作模式：一种是完全能量转 换，即变压器在储能周期（ton）中储存的所有能量 在反激周期（toff）传递输出出去；另一种是不完全 转换，即变压器在储能周期（ton）中储存的部分能 量在反激周期（toff）一直保存着，直至等到下一个 储能周期（ton）。 在脉宽调制开关变换器中应用完全能量转换模 式，可以减小控制电路触发脉冲的宽度，但也会出 现波形失真和调制困难等一些问题。
S VIN
平 滑 电 路
V0
非隔离型变换器的基本电路与特征
• 1) 降压型变换器（Buck） • 2) 升压型变换器（Boost） • 3) 极性反转型变换器
隔离型变换器的结构形式
（1）反激式变换器 所谓反激式是指变压器的初级极性与次级极性相反。
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)
电感(Inductor)
电容器(Capacitor)
变压器(Transformer)
三种基本的非隔离开关电源
D
L
Vo Io
S Vin
Vo=Vin *D
Vo<Vin, 降压型电路
L Vin
D
Vo Io
S
Vo=Vin /(1-D)
推挽式变换器特性：
优点：1）输出功率较大，导通期间高频变压器原边两绕组 的总电压是两倍输入电源电压2Ui，整流电压幅值为Ui/n。 2）驱动电路简单，两个开关管的发射极相连，驱动 电路无需隔离绝缘，从而简化了驱动电路。 缺点：1）会因磁心饱和出现集电极电流尖峰而导致晶体管 损坏。这主要由于两个开关管特性不一致，单向偏磁。 2）高频变压器利用率差，原边每个绕组只工作一半 时间。 3）对功率开关管的耐压要求高。
Vo>Vin, 升压型电路
D
L
Vo Io
S1 Vin
D
Vo<Vin, 当D<0.5 Vo=Vin *D/(1-D) Vo>Vin 当D>0.5
S2
升降压型电路
三种基本的隔离开关电源
L Vin
Lmห้องสมุดไป่ตู้
D
Vo
Vin
D1
D2
Vo
S
S
反激型变换器
正激型变换器
Vin
S2 D1
L Vo
S1
D2
桥式变换器
DC/DC变换器的基本原理
(2). 反激式双晶体管变换器 开关电源的功率在200W以上时，不宜采用单 管反激式电路，这时可以采用反激式双晶体管结构， 两管可用双极型晶体管或功率场效应管。
(3). 正激式变换器
正激式变换器的变压器纯粹是个隔离元件。正 激式变换器是利用电感L储能及传送能量的。
正激式变换器的工作原理：
开关三极管VT截止时，在电感的反激作用下，VD2 正向导通，导通后的电路通过电感L和负载RL构成回路， 这时电感上的电压等于输出电压V0。电感L中储存的能量 大小将影响输出电压的峰值。 正激式变换器的优点是：铜耗低。因为使用的是无气 隙磁芯，电感量高，变压器的峰值电流比较小，输出电压 纹波低。 缺点是电路较为复杂，所用元器件多，如果有假负载 的存在，效率将降低。 适用于低电压，大电流的开关电源，多用于150W以 下的小功率场合。 特点：可以多台电源并联使用而互不受影响，而且可 以自动均衡。而反激式却不能做到这点。
功率因数为1的高频整流器
2）无源功率因数校正 在电源输入端加入电感量很大的低频电感，以便减小滤波电容充 电电流的尖峰。此方法比较简单，但是校正效果不理想，功率因 数一般只能达到0.85左右。另外，大电感的体积很大，增加了设 备的体积和重量，系统成本提高，目前这种方法很少采用。 3）有源功率因数校正（PFC） 有源功率因数校正能使电源的输入功率提高到接近1。两种方法： A）采用有源滤波器进行无功和谐波补偿，虽然可以很好地改善输 入功率因数，但是增加了额外的滤波装置，增加了电路设计和控 制的复杂度，成本也会提高。（被动） B）采用功率因数校正电路，直接提高整流电路的输入功率因数。 （主动）
推挽式隔离变换器与其他形式的变换器基本相 同，但与正激式变换器不同的是它用两只管子进行 推挽，变压器采用中心抽头连接，次级也是两相半 波整流。因此，它相当于两个正激变换器工作的形 式。这类变换器的电路比较复杂，尤其是变压器的 初级和次级都需要两个绕组，但是它的利用率较高， 效率高，输出纹波电压小，适合用于百瓦级至千瓦 级的开关电源中。
功率因数为1的高频整流器
1）基本概念 有功功率：电能用于做功被消耗，它们转化为热能、光能、机 械能或化学能等，称为有功功率；又叫平均功率。交流电的瞬 时功率不是一个恒定值，功率在一个周期内的平均值叫做有功 功率，它是指在电路中电阻部分所消耗的功率，以字母P表示， 单位瓦特。 无功功率：具有电感和电容的交流电路中，电感的磁场或电容 的电场在一个周期内的一部分时间内从电源吸收能量，另一部 分时间内将能量返回电源。在整个周期内平均功率为零，没有 能量消耗。但能量是在电源和电感或电容之间来回交换的。能 量交换率的最大值叫做无功功率。由于它不对外做功，才被称 之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千 乏(kVar)。
(4). 正激式双晶体管变换器
正激式双晶体管变换器（又称双管正激式变换 器）是在单管正激式的电路上再串联一只三极管 而成的，这对于高压大功率的开关电源来说更加 安全可靠。双管正激式变换器得到了广泛的应用。
(5). 半桥式变换器
为了减小开关三极管的电压应力，可以采用半 桥式变换器，它是离线式开关电源较好的拓朴结 构。
推挽式变换器由于使用两只晶体管，有时也会 出现偏磁现象，出现这一现象是由两只开关晶体管 的储存时间和开关时间的差异所致。加在变压器上 的正、负电压持续的时间不同，经过几个周期的积 累，就会出现单绕组励磁饱和现象和所谓的偏磁现 象。在选用晶体管时，尽量使两只管子的技术参数 保持一致。其次，在设计时它的工作频率应小于 100kHz。
(6). 桥式变换器
全桥型变换器特性：
优点：1）保持有半桥变换器中开关管截止时承受电压低的特点。 2）具有推挽型电路输出电压高、输出功率大的优点。 因此全桥电路在DC/DC变换器中应用较多。
缺点：所用功率开关管较多，驱动电路复杂。
(7). 推挽式变换器
在驱动脉冲的作用下，VT1、VT2交替导通截止。
功率因数为1的高频整流器
1）基本概念（续） 视在功率等于网络端钮处电流、电压有效值的乘积，而有效值 能客观地反映正弦量的大小和他的做功能力，因此这两个量的 乘积反映了为确保网络能正常工作，外电路需传给网络的能量 或该网络的容量。 功率因数是有功功率和视在功率的比值。功率因数的大小与电 路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因 数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。 功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低， 说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 从而降低了设备的 利用率，增加了线路供电损失。
半桥型变换器特性：
优点：1）高频利用率高，原边绕组在正负半周均工作。 2）截止开关管极间承受的电压低，等于Ui。 3）抗不平衡能力强。 缺点：1）输出功率小，与输出电流I0相同的推挽式电路相比 ，输出功率小一半。 2）原边绕组上的电压是电容C1和C2的端电压，放电过 程中电压逐渐减小，因此输出脉冲电压的顶部呈倾斜状态。
半桥式变换器要求VT1、VT2具有相同的开关 特性，但是，即使是在相同的基极脉冲宽度的作用 下，也很难保证两只三极管导通和截止的时间相同。 如果用这种不平衡的波形驱动变压器，将会产生偏 磁现象，其结果将致使磁芯产生饱和，从而降低了 效率，严重时将导致晶体管烧毁。解决的办法是在 变压器的初级加一只电容C4。
(8). RCC变换器
RCC变换器是节流式阻尼变换器，是一种 自激式振荡电路，它的工作频率随着输入电压的 高低和输出电流的大小而变化，因此，在高功率， 大电流场合，它的工作不很稳定，只适用于50W 以下的小功率场合。但其结构简单、成本低、调 试容易，因此，有一定的应用价值。
RCC变换器基本电路及工作波形：
反激式变换器有两种工作模式：一种是完全能量转 换，即变压器在储能周期（ton）中储存的所有能量 在反激周期（toff）传递输出出去；另一种是不完全 转换，即变压器在储能周期（ton）中储存的部分能 量在反激周期（toff）一直保存着，直至等到下一个 储能周期（ton）。 在脉宽调制开关变换器中应用完全能量转换模 式，可以减小控制电路触发脉冲的宽度，但也会出 现波形失真和调制困难等一些问题。