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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。开关电源概论-第一章开关电源概论1.1开关电源的特点自20世纪50年代美国宇航局在火箭发射首次使用开关电源以来，开关电源（SwitchingModePowerSupply；SMPS）经历了半个多世纪的发展，然而，现代开关电源由荷兰人罗乃第（NetiR.M.Rao）于1970年开发研究出来。而早期一般都使用传统的线性稳压电源（LinearPowerSupply）。由表1.1开关电源与线性稳压电源的性能比较可知，虽然线性稳压电源具有较小的纹波，较高的可靠性，以及没有电磁干扰的产生。然而它却具有如下的缺点：（
2、1） 效率低。（2） 体积大且笨重。至于目前所使用的开关电源，则具有如下优点：（1） 效率高。（2） 重量轻。（3） 体积小。（4） 输入电压宽。虽然开关电源有前述的的各种优点，但却有如下的一些缺点：（1） 有较大的纹波。（2） 有电磁干扰的产生。这是由于开关电源工作在较高的频率（20kHz200kHz），而且电路以开关方式工作，因此会在输入与输出产生较大的脉冲电流，这是电磁干扰产生的主要来源。表1.1开关电源与线性稳压电源的性能比较项目开关电源线性稳压电源效率高（60%）低（30%50%）尺寸小大重量轻重电路较复杂简单稳定性普通高纹波大小动态响应普通快成本普通高电磁干扰大小输入电压范围较大较
3、小可靠性普通高开关变换器与开关电源按电力电子的习惯，AC/DC称为整流，DC/AC称为逆变，AC/AC称为变频，DC/DC称为直流变换。为达到转换目的，手段多种多样。七十年代前，研发了半导体器件，并用这些器件实现这些变换。所以，从广义上讲，凡用功率半导体器件作为开关，将一种电源形态转换成另一种电源形态的电路叫开关变换器电路。带有自动控制的闭环系统并有保护功能的转换则称为开关电源。开关电源的主要组成部分是DC/DC变换器，因为它是转换的核心，涉及频率与电压的变换。DC/DC变换器的分类一类是硬开关。电子开关在承受电压或电流的情况下接通或断开电路，因此在接通和关断的过程中会产生较大的损耗，即所谓的
4、开关损耗。凡是使用脉宽调制方式控制电子开关的变换器，称为PWM开关变换器。它是以使用硬开关为基本特征。另一类电子开关称为软开关。凡使用控制方法使电子开关在其两端电压为零时导通电流，或在流过电子开关的电流为零时关断，此类开关称为软开关。软开关的开通关断损耗理论值为零。这是二十世纪八十年代发展的新方法，这种开关方式显著地减少了开关损耗，可以大幅度地提高开关频率，开关频率可达到兆赫级，开关电源体积与重量显著减小。为了满足电子开关上电压或电流为零的条件，可以采用谐振的方法。在电子学中，谐振分串联谐振与并联谐振。串联谐振就是指正弦电压加在理想的电感和电容串联电路上。当正弦频率为某一值时，容抗与感抗相等，
5、电路的阻抗为零，电路电流达到无穷大；如果正弦电压加在电感和电容并联电路上，当正弦电压频率为某一值时，电路的总导纳为零，电感电容上电压为无穷大，这就是并联谐振。在开关电源电路中加的不是正弦电压，而是直流电压。直流电压加在串联的LC时，电路中电流按正弦规律无阻尼振荡，其频率即是电路的谐振频率。利用谐振现象，电子开关两端的电压按正弦规律振荡，当振荡到零时，使电子开关导通流过电流，此称为零电压开关（ZeroVoltageSwitching，ZVS）。同理当流过电子开关的电流振荡到零时，使电子开关断开，称为零电流关断（ZeroCurrentSwitching，ZCS）。利用谐振现象，使电子开关上的电压或
6、电流按正弦规律变化，以创造零电压开通或零电流关断的条件，以这种技术为主导的变换器称为谐振变换器。可分为串联和并联谐振变换器两种。如果在桥式变换器桥的输出端为串联LC网络，再接变压器原边绕组，称为串联谐振变换器。在桥式变换器串联LC网络的电容两端并联变压器原边绕组，称为并联谐振变换器。由于正向和反向LC回路值不一样，振荡频率不同，电流幅值也不样，所以振荡不对称。一般正向正弦半波大于负向正弦半波，所以称为准谐振。无论是串联LC还是并联LC都会产生准谐振。利用准谐振现象，使电子开关上的电压或电流按正弦规律变化，以创造零电压开通或零电流关断的条件，以这种技术为主导的变换器称为准谐振变换器。在单端半桥或
7、全桥变换器中，利用寄生电容和电感或外加谐振电感和电容，可得到相应的准谐振变换器。为保持输出电压不随输入电压变化而变化，不随负载变化而变化，谐振和准谐振变换器主要靠调整开关频率，所以是调频系统。调频系统不如PWM开关那样易控，加上谐振准谐振电路电压峰值高，开关受的应力大。从上面所述，DC/DC可分成PWM式谐振式和它们的结合方式。每一种方式中从输入与输出之间是否有变压器隔离，可以分成隔离式，非隔离式两类。每一类中又有六种拓扑：BuckBoostBuck-BoostCukSepic和Zeta。由此可见DC/DC基本电路就不胜其数了。多数电路都具有个性，有典型应用价值，也有的电路并无实用价值。以上是
8、从电路拓扑来分类，还有从其它角度，特征来分类的。若按激励方式不同，可分为自激式和他激式两种。自激式包括单管式和推挽式变换器两种。他激式中包括调频调宽调幅谐振等几种。目前应用广泛的调宽型（PWM）包括正激式反激式半桥式和全桥式。谐振式中有串联谐振并联谐振串并联谐振等电路。若按控制信号的隔离方式不同，可分为直接式光电耦合式变压器耦合式磁放大器式等。DC/DC变换器主回路元件及其特性开关无论哪一种DC/DC变换器，主回路使用的元件只有电子开关、电感和电容。电子开关只是快速地导通和关断，并且实现导通与关断的快速转换。只有力求快速，使开关快速地渡过线性放大区，状态转换引起的损耗才小。目前使用的电子开关是
9、双极型晶体管、功率场效应管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT管）。还有各种特性较好的新型大功率半导体器件，如静电感应晶闸管（SITH）和场控制晶体闸流管（MCT）。电感电感是开关电源中最常用的元件，由于它的电流与电压相位不同，因此理论损耗为零。常用作储能元件，也常与电容组合用作输入、输出滤波器。用于平滑电流，也称为扼流圈。其特点是流过其上的电流不能突变，否则将会产生很大的电压尖峰。电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题。应用中有允许其饱和的，有允许其从一定电流值开始进入饱和的，也有不允许饱和的。在具体电路中要注意区分。在开关电源中的电感，有一个不可忽视的问题，就是电感的绕线所引起两个寄生参数。其一是绕
10、线电阻，这是不可避免的。其二是分布杂散电容，随绕线工艺、材料而不同。杂散电容在低频应用时影响不大，随着频率提高而渐显出来，达到某一频率时，电感就变成了电容的特性了。在分析电感在电路中工作时，不妨考虑下面几个特点：（1） 在电感L中有电流I流过时，存储有LI2；（2） 当电感L两端的电压V不变时，依V=L公式可知，忽略内阻R时，电感电流变化率为=,表明电感电流线性增加；正在储能的电感，因为能量不能瞬时突变，若切断电感在变压器原边回路时,能量绝大部分经变压器副边输出到负载，原、副边耦合中保持相同的安匝数，维持磁场不变或每匝伏.秒值不变。电容电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储存和传递电能
11、的元件，但它的频率特性与电感刚好相反。应用上，主要起到平滑电压波形的作用。实际的电容并不是理想元件。电容由于有介质、接点与引出线，造成一个等效电阻。这种等效电阻在开关电源中小信号反馈控制以及输出纹波的抑制上，起着不可忽视的作用。另外，电容等效电路上有一串联的电感，它在分析电容器滤波效果时，非常重要。有时加大电容量并不能使电压波形平直，就是因为寄生电感起的副作用。电容的等效串联电阻与接点、引出线有关，也与电解液有关。温度下降，等效串联电阻（ESR）加大，导致电容寿命缩短，这是电解电容的缺点。为了改善这一点，将电解液覆盖在氧化膜表面后将其干燥，形成固体式电解质电容，即钽电容。在开关电源中的电容，工作时平均电流为零，但因充、放电流波形不同，有效电流是很大的。电容器的选择，除考虑电流的有效值外，还要考虑纹波电压和耐压的要求。-