开关电源原理超级全课件.ppt
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1、1,科中开关电源培训,2,第一节 线性稳压电源与开关稳压电源1.1线性稳压电源 所谓线性稳压电源,是指在稳压电源电路中的调整功率管是工作在线性放大区。,线性稳压电源原理图,采样环节,调整环节,比较放大环节,基准电压,3,线性稳压电源的优点是:(1)电源稳定度、负载稳定度较高;(2)输出波纹电压小;(3)瞬态响应速度快;(4)线路结构简单,便于维修;(5)没有开关于扰。线性稳压电源的缺点是:(1)功耗大,效率低,其效率一般只有45;(2)体积大、重量重、不能微小型化;(3)必须有较大容量的滤波电容。,4,造成这些缺点的原因是:(1)调整管在电源的整个工作过程中工作在晶体管的线性放大区。调整管本身
2、的功耗与输出电流成正比。调整管本身的功耗就会随电源的输出功率的增大而增大,使调整管急剧地发热。必须给管子加上较大的散热片。(2)线性稳压电源使用50 Hz工频降压变压器,这种变压器的效率只有80一90。这样不但增加了电源的体积和重量、而且也大大降低了电源的效率。(3)由于线性稳压电源的工作频率较低,为50 Hz。要降低输出电压中波纹电压的峰峰值、就必须增大滤波电容的容量。,5,1.2 开关稳压电源,开关稳压电源的原理图,采样检测,比较,放大,脉宽调制,调整,滤波,6,开关稳压电源的优点(1)功耗小、效率高。晶体管在激励信号的激励下,交替地工作在开关状态,转换速度很快,频率一般为50kHz左右。
3、目前可以做到几百kHz或者近1000 kHz。这使得开关晶体管功率消耗非常小,电源效率可达80。(2)体积小,重量轻。没有采用笨重的工频变压器。由于调整管上的耗散功率大幅度降低以后,省去了较大的散热片。(3)稳压范围宽。开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的,输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。在工频电网电压变化较大时,仍能保证有较稳定的输出电压。(4)滤波的效率大为提高,使滤波电容的容量和体积大为减小。滤波电容只有线性稳压电源的150011000。(5)电路形式灵活多样,有自激式和他激式;有调宽型和调频型;有单端式和双端式,等等。,7,开关稳压电源的缺点(1)开关干扰
4、。开关调整管工作在开关状态,产生的交流电压和电流会通过电路中的其它元器件产生尖峰干扰和谐振干扰。(2)开关稳压电源的振荡器没有工频变压器隔离,干扰会串进工频电网,对其他设备、仪器造成干扰。(3)电路结构复杂,故障率高。,8,第二节 开关稳压电源的分类,1)按激励方式划分。由于电力半导体器件需要激励信号,按激励方式划分为它激式和自激式两种方式,它激式变换中有专业的电路产生激励信号控制电力半导体器件开关;自激式变换中电力半导体器件是作为振荡器的一部分(作为振荡器的振荡管)。2)按调制方式划分。目前在变換中常使用脉宽调制和频率调制两种方式,脉宽调制PWM(pulse width modulation
5、)是电力半导体器件工作频率保持不变,通过调整脉冲宽度达到调整输出电压。频率调制PFM(pulse frequent modulation)是保持开通时间不变,通过调节电力半导体器件开关工作频率达到调整输出电压。频率调制在开关电源设计中由于易产生谐波干扰、且滤波器设计困难。脉宽调制与频率调制相比具有明显的优点,目前在开关电源中占据主导地位。还有混合式,即在某种条件下使用脉宽调制(PWM),在另一条件下使用频率调制(PFM)。3)按储能电感与负载连接方式划分。可分为串联型和并联型两种。储能电感串联在输入输出之间称之为串联型;储能电感并联在输出与输入之间称之为并联型。,9,4)按电力半导体器件在开关
6、过程中是否承受电压、电流应力划分。可分为硬开关和软开关。所谓软开关是指电力半导体器件在开关过程中承受零电压(ZVS)或零电流(ZIS)。5)按输入输出电压大小划分。可分为降压型和升压型。6)按输入与输出之间是否有电气隔离划分。可分为隔离型和不隔离型。隔离型变换器按电力半导体器件的个数可分为:单管DC-DC变换器单端正激(Forward)、单端反激(Flyback);双管DC-DC变换器双管正激(Double transistor forward converter)、双管反激(Double transistor flyback converter)、推挽电路(Push-pull convert
7、er)和半桥电路(Half-bridge converter)等;四管DC-DC变换器即全桥DC-DC变换器(Full-bradge converter)。不隔离型主要有降压式(Buck)变换器、升压式(Boost)变换器、升降压式(Buck-Boost)变换器、Cuk变换器、Zeta变换器、Sepic变换器等。,10,第三节开关电源的基本电路3.1非隔离型电路 非隔离型电路即各种直流斩波电路,根据电路形式的不同,可以分为降压(Buck)型电路、升压(Boost)型电路、升降压(Buck-Boost)型电路、Cuk型丘克电路、Sepic型电路和Zeta型电路。在阐述各种电路,并推导其电压比之前
8、,首先介绍推导过程中用到的两个基本原理:(1)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。,一个开关周期电感的电压和电流,稳态时,电路中的电压、电流等变量按开关周期严格重复,每一开关周期开始时的电感电流值必然都相等。如果电感两端电压平均值不等于零,则电感电流会增加或减少,说明电路处于非稳态,处于过渡过程中。,11,电感端电压平均值Ts:开关周期,在稳态条件下,电感电流在每一个开关周期内重复相同的波形,因此相邻开关周期中相同相位的电感电流值相等,相邻开关周期开始时刻的电流值相等。iL(Ts)-iL(0)=0,所以电感两端电压在一个开关周期内的平均值UL0。,12,(2)稳态条件下电容电流
9、在一个开关周期内的平均值为零,13,3.1.1直流斩波电路(DCDC变换电路),将直流电源的恒定直流电压,通过电子器件的开关作用,变换为可调直流电压的电路称直流斩波电路。t1时间,S导通;t2时间,S关断。Tt1+t2为斩波器工作周期斩波器的占空比系数 k=t1/T,14,输出电压、电流平均值,输出电压有效值,输入功率,斩波器的工作方式有两种(1)脉宽调制工作方式:维持T不变,改变t1(2)脉频调制工作方式:维持t1不变,改变T,15,3.1.2 降压型斩波电路(Buck电路),电感电流连续模式(Continuous Conduction Mode-CCM)电感电流断续模式(Discontin
10、uous Conduction Mode-DCCM),Buck电路又称为串联开关稳压电路,或降压斩波电路。Buck变换器原理图如图3-5a所示。它有两种基本工作模式,即电感电流连续模式CCM和电感电流断续模式。电感电流连续是指输出滤波电感电流总是大于零,电感电流断续是指在开关管关断期间有一段时间电感电流为零,这两种状态之间有一个临界状态,即在开关管关断末期电感电流刚好为零。电感电流连续时,Buck变换器存在两种开关状态;电感电流断续时,Buck变换器存在三种开关状态;如图3-5b、c、d所示。,16,图3-5 Buck变换器原理图及不同开关状态下的等效电路图,17,将图3-6所示的方波信号加到
11、功率半导体器件的控制极,功率半导体器件在控制信号激励下,周期性的开关。通过电感中的电流iL是否连续取决于开关频率、滤波电感和电容的数值。电感电流iL连续条件下其工作波形如图3-6a所示。电路稳定状态下的工作分析如下:1)电感电流连续模式CCM(Continuous current mode),18,图3-6 Buck电路图各点波形,19,开关状态1:Q导通t=0时刻,Q管被激励导通,二极管D中的电流迅速转换到Q管。二极管D被截止,等效电路如图3-5b所示,这时电感上的电压为:若VO在这期间保持不变,则有:显然即导通过程的电流变化:,20,开关状态2:Q关断 t=ton时刻,Q关断,储能电感中的
12、电流不能突变,于是电感L两端产生了与原来电压极性相反的自感电动势,该电动势使二极管D正向偏置,二极管D导通,储能电感中储存的能量通过二极管D向负载供电,二极管D的作用是续流,这就是二极管D被称为续流二极管的原因。等效电路如图3-5c所示,这时电感上的电压为:显然 即关断过程的电流变化:,21,显然,只有Q管导通期间(ton内)电感L增加的电流等于Q管截止期间(toff时间内)减少的电流,这样电路才能达到平衡,才能保证储能电感L中一直有能量,才能不断地向负载提供能量和功率。考虑到 和,可得 因此,Buck电路输出电压平均值与占空比成正比,从0变到1,输出电压从0变到,且输出电压最大值不超过输入电
13、压。,22,由于滤波电容上的电压等于输出电压,电容两端的电压变化量实际上就是输出电压的纹波电压,的波形如图3-6a所示。因为,当 时,C充电,输出电压vo升高;当 时,C放电,输出电压vo下降,假设负载电流io的脉动量很小而可以忽略,则,即电感的峰峰脉动电流 即为电容C充放电电流。电容充电电荷量即电流曲线与横轴所围的面积,23,由式可知,降低纹波电压,除与输入输出电压有关外,增大储能电感L和滤波电容C可以起到显著效果,提高电力半导体器件的工作频率也能收到同样的效果。在已知、Vd、Vo和f的情况下根据上述公式可以确定C和L的值。设负载阻抗,则电感平均电流为:电感电流的最大值:电感电流的最小值:,
14、24,电感电流不能突变,只能近似的线性上升和下降,电感量越大电流的变化越平滑;电感量越小电流的变化越陡峭。当电感量小到一定值时,在t=T时刻,电感L中储藏的能量刚刚释放完毕,这时,此时的电感量被称为临界电感,当储能电感L的电感量小于临界电感时,电感中电流就发生断续现象。LC即为临界电感值,式中RL为负载电阻。,25,2)电感电流断续工作方式(Discontinuous current mode)图3-6b给出了电感电流断续时的工作波形,它有三种工作状态:Q导通,电感电流iL从零增长到;Q关断,二极管D续流,iL从 降到零;Q和D均截止,在此期间iL保持为零,负载电流由输出滤波电容供电。这三种工
15、作状态对应三种不同的电路结构,如图3-5b、c、d所示。Q导通期间,电感电流从零开始增长,其增长量为Q截止后,电感电流从最大值线性下降,在 时刻下降到零,其减小量为:,26,电感电流增长量和电感电流减小量在稳态时应相等:电感电流连续时,电感电流断续时,。变换器输出电流等于电感电流平均值:上式表明,电感电流断续时,不仅与占空比有关,而且与负载电流有关。,27,BUCK变换器设计步骤选择续流二极管D。续流二极管选用快恢复二极管,其额定工作电流和反向耐压必须满足电路要求,并留一定的余量。选择开关管工作频率。最好工作频率大于20KHZ,以避开音频噪声。工作频率提高可以减小L、C,但开关损耗增大,因此效
16、率减小。开关管可选方案:MOSFET、IGBT、GTR。占空比选择。为保证当输入电压发生波动时,输出电压能够稳定,占空比一般选0.7左右。确定临界电感。,电感选取一般为临界电感的10倍。确定电容。电容耐压必须超过额定电压;电容必须能够传送所需的电流有效值;电流有效值计算:电流波形为三角形,三角形高为,底宽为,因此电容电流有效值为:根据纹波要求,确定电容容量。确定连接导线。确定导线必须计算电流有效值(RMS),电感电流有效值由下式给出:由电流有效值确定导线截面积,由工作频率确定穿透深度(当导线为圆铜导线时,穿透深度为:),然后确定线径和导线根数。,28,Buck电路MATLAB仿真,29,30,
17、31,32,3.1.3 升压型斩波电路(Boost电路),Boost电路如图3-7a所示,等效电路如图3-7b所示,工作波形图如图3-8所示。它是一升压斩波电路,同Buck变换器一样,Boost变换器也有电感电流连续和断续两种工作方式,电感电流连续时,存在两种开关状态;电感电流断续时,存在三种开关状态。电路稳定状态下的工作分析如下:,33,图3-7 Boost电路及不同开关状况下等效电路,34,图3-8 Boost电路各点工作波形,35,1)电感电流连续模式CCM(Continuous current mode)开关状态1:Q导通 Q管导通,输入电压加到储能电感L两端,二极管D被反向截止,等效
18、电路如图5-7b所示,流过电感的电流:开关状态2:Q截止 Q管截止,二极管正向偏置而导通,等效电路如图3-7c所示电源功率和储存在L中的能量通过二极管D输送给负载和滤波电容C。此时流过电感的电流为:,36,显然,只有Q管导通期间(内)储能电感L增加的电流等于Q管截止期间(内)减少的电流,这样电路才能达到平衡,才能保证储能电感中一直有能量,才能不断地向负载提供能量和功率。解得:表明Boost DC-DC变换器是一个升压电路,当占空比从零变到1时,输出电压从 变到任意大。设负载阻抗Z=RL,从能量守恒定律出发,输出电流IO=VO/RL,电感平均电流即为输入电流IL=Ii:,37,电感电流的最大值:
19、电感电流的最小值:电感电流不能突变,只能近似的线性上升和下降,电感量越大电流的变化越平滑;电感量越小电流的变化越陡峭。当电感量小到一定值时,在t=T时刻,电感L中储藏的能量刚刚释放完毕,这时,此时的电感量被称为临界电感,当储能电感L的电感量小于临界电感时,电感中电流就发生断续现象。,38,滤波电容上的电压等于输出电压,电容两端的电压变化量实际上就是输出电压的纹波电压,的波形如图3-8a所示。若忽略负载电流脉动,则在导通期间电容泄放电荷量应等于在关断期间电容充电电荷量,反映了电容峰-峰电压脉动量:由此可知,降低纹波电压,除与输出电压有关外,增大滤波电容C可以起到显著效果,提高电力半导体器件的工作
20、频率也能收到同样的效果。,39,2)电感电流断续工作方式(Discontinuous current mode)Boost变换器在电感电流断续时有三种开关状态:Q导通,电感电流从零增长到;Q关断,二极管D续流,电感电流从 降到零;Q和D均截止,电感电流保持为零,负载由输出滤波电容供电。这三种工作状态的等效电路如图5-7b、c、d所示。Q导通期间,电感电流从零开始增长,其增长量为:Q截止后,电感电流从 线性下降,并在时刻下降到零,即:,40,式中,电感电流断续时 若t=toff时电流恰好等于零,两边各自相加除以2得 即临界电感电感电流临界连续时的平均值,41,3、Buck-Boost电路 图3-
21、9a 为Buck-Boost电路原理图,它即能够工作在Buck型,又能够工作在Boost型。它的输入电压极性与输出电压极性相反,输入为正时输出为负,在Buck和Boost变换器中存在一个能量从电源流入负载的期间,而在Buck-Boost变换器中,能量首先储存在电感中,然后再由电感向负载释放能量。,3.1.4升降压斩波电路,42,图3-9 Buck-Boost电路原理图,43,44,1、电感电流连续模式CCM(Continuous current mode)在电感电流连续条件下,工作于图5-9b、c所示的两种状态。状态1:Q导通 Q管导通,二极管D反偏关断,能量从输入电源流入,并存储在电感L中,
22、L上的电压上正下负,等于输入电压,此时负载电流由虑波电容C提供,等效电路如图3-9b所示。在ton期间内电感电流的增量为:,45,状态2:Q关断 在t=ton时刻,Q关断,由于电感中电流不能突变,L上呈现的感应电势,当该感应电势超过输出电压VO时,二极管导通,电感L上存储的能量通过D向负载和电容C释放,补充了电容C在ton期间损失的能量,负载电压极性与输入电压极性相反,等效电路如图3-9c所示,波形如图3-10a所示。电流按线性规律直线下降,电感电流的减少量为 显然,电路平衡时,才能保证储能电感L中一直有能量,才能不断地向负载提供能量和功率。因此电流在开通和关断期间变化相等,得输出电压平均值改
23、变占空比就能获得所需的输出电压。,46,当 时,;当 时,为升压型;当 时,为降压型。这样,就可以得到高于或低于输入电压的任何输出电压。在要求输出电压一定的情况下,容许输入电压有较大的变化都能够工作。假设电路中所有的器件为理想开关,即变换器无功率损耗,输入功率等于输出功率,负载阻抗:由于输入平均电流与电感平均电流有以下关系,47,因此有:电感电流的最大值:电感电流的最小值:当电感电流的最小值为零时,电感为临界电感:电容上的峰-峰脉动电压求法同Boost电路一样,可得:,48,Q管截止时承受的反向电压为:Q管开通时,加于二极管D上的反向电压为,49,2)电感电流断续工作方式(Discontinu
24、ous current mode)图5-10b给出了电感电流断续工作时的主要波形,此时Book-Boost变换器有三种开关状态,Q导通,电感电流从零增长到最大值;Q关断,二极管续流,电感电流从最大值降到零;Q和D均截止,电感电流保持为零,负载由输出滤波电容供电。这三种工作状态的等效电路如图5-9b、c、d所示。Q导通期间,电感电流从零开始增长,其增长量为:Q截止后,电感电流线性下降,并在 时刻下降到零,即:,50,因此有:式中,电感电流断续时若t=toff时电流恰好等于零:两边各自相加后除以2得电感电流临界连续时的平均值,51,由于Buck-Boost变换器的电感L在中间,其输入和输出电流的脉
25、动都很大。针对这一缺点,美国加州理工大学的Slobdan Cuk教授提出了单管Cuk变换器,该变换器使用了两个电感,一个在输入端,一个在输出端,从而减小了电流脉动。Cuk变换器的电路形式如图3-11a所示,在负载电流连续的条件下,工作波形图如图3-12a所示,其中L1、L2为储能电感,Q为功率开关管,D为续流二极管,C1为传输能量的耦合电容,C2为滤波电容。Cuk变换器能够提供一个反极性、不隔离的输出电压,输出电压可高于或低于输入电压,而且其输入电流和输出电流都是连续的、非脉动的,这些特点使Cuk变换器有着广阔的应用前景。,3.1.5 Cuk电路,52,图3-11 Cuk变换器电路原理图及等效
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