小功率开关电源设计--毕业论文.doc

小功率开关电源设计论文摘 要随着电力电子技术的发展，开关电源逐渐取代了线性电源，称为当今电源的主流形式，在电力、电器等领域中得到广泛应用。本论文是通过开关电源集成控制芯片M51995AFP设计制作的一种降压型开关电源，输出电压5VDC。此开关电源是通过脉宽调制技术控制接通占空比来调整输出电压，达到稳定输出目的的。论文主要完成了以下内容： (1)根据需要选择开关电源拓扑结构； (2)基于M51995AFP设计开关电源的控制核心部分； (3)设计整流滤波电路，减小输出纹波； (4)建立开关电源的电路模型并分析； (5)选择控制模型并仿真分析，确定系统参数。本论文根据控制芯片内各部件的工作原理，设计了合理的辅助电路，通过计算和仿真分析，得到了系统优化参数。掌握了开关电源设计的核心技术，并对设计过程做了详细阐述。关键词：开关电源 占空比 脉宽调制 ABSTRCTWith the development of power electronics technology, switching power supply is gradually replaced by a linear power supply, known as the mainstream form of todays power supply, and is widely used in electricity, electronics and other fields.This paper is a switching power supply integrated the control chip M51995AFP design a step-down switching power supply, the output voltage of 5VDC. This switching power supply is on duty through pulse width modulation control to adjust the output voltage to achieve a stable output purposes.The thesis, completed the following:(1)Need to select the switching power supply topology;(2)Based on the design of switching power supply control core M51995AFP part;(3)Design rectifier filter circuit reduces the output ripple;(4)The establishment of the switching power supply circuit model and analysis;(5)Select the model and simulation analysis to determine the system parameters.This thesis is based on the works of the various components within the control chip design reasonable auxiliary circuit, calculation and simulation analysis, system tuning parameters. Mastered the core technology of the switching power supply design, and the design process elaborate.Keywords: Switching Power Supply, Duty Cycle, Pulse Width Modulation目录1.绪论- 1 -1.1开关电源的概念和分类- 1 -1.1.1开关电源的概念- 1 -1.1.2开关电源的分类- 3 -1.2开关电源的发展趋势- 3 -2.开关电源的设计基础- 4 -2.1开关电源中的电力电子电路- 4 -2.1.1非隔离型电路- 4 -2.1.2隔离型电路- 7 -2.2软开关技术- 9 -2.2.1软开关的基本概念- 9 -2.2.2零电压开关和零电流开关- 11 -2.2.3常见软开关电路- 11 -2.3谐振式电源- 18 -2.3.1谐振变换电路的原理及分类- 18 -2.3.2谐振式电源原理- 19 -2.3.3谐振开关的动态过程分析- 20 -3.开关电源元器件的选用- 24 -3.1二极管- 25 -3.1.1开关二极管- 25 -3.1.2稳压二极管- 25 -3.1.3快速恢复及超快速恢复二极管- 26 -3.2开关晶体管- 26 -3.2.1功率开关MOSFET- 26 -3.2.2绝缘栅双极型晶体管- 28 -3.3自动恢复开关- 28 -3.4热敏电阻- 29 -3.5光电耦合器- 30 -3.6软磁铁软体磁芯32 -3.6.1 磁性材料的基本特性- 33 -3.6.2 磁芯的选用及结构- 33 -4.开关电源设计- 34 -4.1开关电源集成控制器- 34 -4.1.1芯片管脚排列及说明- 34 -4.1.2 芯片的基本特性- 36 -4.1.3芯片工作原理- 38 -4.2开关电源电路分析- 45 -4.2.1开关电源电路原理图- 45 -4.2.2开关电源个各单元电路的具体分析- 47 -5.建模仿真与分析- 52 -5.1电路模型的建立- 53 -5.2滑模控制- 55 -5.2.1滑模变结构控制简介- 55 -5.2.2 滑动模型分析- 56 -5.3 开关电源建模总结分析- 58 -结论- 59 -参考资料- 60 -1.绪 论近年来开关电源发展迅速，以其小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。1.1开关电源的概念和分类通常所说的电源，是指发出电能的电源和变换电能的电源。电源输出的是电能，人们通常所用的电能是通过机械能、热能、化学能转换而来的，很多情况下，所得的电源并不符合使用的需求，需要进行再次变换，这种变换是指电能从一种形态变换为另一种形态。开关电源的输入、输出都是电能，因此开关电源属于电能变换的电源。1.1.1开关电源的概念通常把电力分为直流（AC）和交流（DC），所以电力电子电路有四大类：AC-DC电路、AC-AC电路、DC-AC电路、DC-DC电路。其中，AC-DC电路和DC-AC电路容易理解，而在AC-AC电路中可以变换的对象有频率、相数、电压和电流等，对于DC-DC电路，主要变换的是电压和电流。自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管等半导体器件，然后就用半导体器件作转换。这种用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源电路。开关电源电路的核心元器件是电力电子器件，一般都工作在开和关的状态，损耗很小，因而开关电源渐渐替代了线性稳压电源。开关电源通常由六大部分组成，见图1-1：图1-1 开关电源组成框图输入电路：由低通滤波和一次整流环节组成。功率因数校正电路：从输入电路输入的交流电经低通滤波和一次整流后得到未稳压的直流电压，为提高功率因数，保持输入电压与输入电流同相，经此部分需进行功率因数校正。其校正方法分为无源功率因数校正和有源功率因数校正，通常采用有源功率因数校正。功率转换电路：由电子开关和高频方波脉冲电压组成。输出电路：用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。控制电路：输出电压经过分压、采样后经此电路与基准电压进行比较、放大。频率振荡发生器：由频率震荡发生器产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。电能的转换通常使用高频电子开关，在它的一个开关周期T内，其接通时间与整个周期之比称为接通占空比，即接通占空比D=/T,开关断开时间与周期之比称为断开占空比，即断开占空比D=/T。容易知道，D越大，负载上的电压就越高，这表明电子开关接通时间越长，负载感应电压、工作频率越高，这有助于开关电源的高频变压器实现小型化和增加能量传递速度。但同时开关电源中断开关功率管、高频变压器、控制集成电路以及输入整流二极管的发热量也会变高、加大损耗。经过上面的分析和开关电源的典型结构可知，开关电源较其他形式的电源具有以下优点节能，体积小、重量轻，不易损坏，改变输出容易且稳定可控，易根据人们要求完成设计。1.1.2开关电源的分类目前开关电源种类很多，按其工作性质可以分为“硬开关”和“软开关”两类。在很多电路中，开关器件工作在高电压或大电流由基极（或栅极）控制电子开关的通和断。开关的过程中，电压、电流均不为零，出现重叠区，开关器件有一定消耗，且比通态或断态时的消耗大很多倍，这种开关过程称为硬开关。通过在原来的电路中增加很小的电抗性谐振原件，构成辅助换相网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关器件开通前电压先降为零或关断前电流先降为零，这样就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低了电压、电流的变化率，大大减小甚至消除开关损耗等，像这样的开关过程称为软开关。根据上面的介绍，可以知道电子开关具有零电压导通和零电流关断的外部条件，像这样的变换器称为准谐振变换器。准谐振变换器是在脉宽调制器上附加谐振网络，在开关导通时间固定的条件下，通过调整正当频率，电路产生谐振，从而获得准谐振变换器的模式。准谐振变换器开关电源的输出电压不受输入电压变化的影响、输出电流也不瘦负载变化的影响，这种开关电源的主变换器依靠开关的频率来稳定其输出参数，称这样的电源为调频开关电源。但调频式开关电源不像脉冲调制开关电源那么容易控制，而且准谐振电路的电压峰值高，开关所受压力大，因此目前还未得到广泛应用。开关电源按谐振方式分，还可以分为串联谐振式、并联谐振式和串并联谐振式；按能量传递方式，有连续模式和不连续模式之分。凡是以脉冲宽度来调制的电子开关变换器都叫PWM变换器。1.2开关电源的发展趋势随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。但不可否认，开关电源离人们的要求、应用的价值还差得很远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及使用的安全性都不能说是十分完美。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化是开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。未来的开关电源像一只茶杯的盖子：它的工作频高达210MHz，效率达到95%，功率密度为36W/cm2，功率因数高达0.99，长期使用完好，寿命在80000h以上。另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。2.开关电源的设计基础2.1开关电源中的电力电子电路开关电源的核心电路是开关电源中的电力电子电路，即主电路。对不同种类开关电源主电路的工作原理有深入的理解，是进行开关电路选型的基础，也是主电路和控制电路设计的基础。根据电路是否具有回馈能力、输入端和输出端是否电气隔离以及电路的结构形式等三个原则，可以将开关电源中的电力电子电路分为不同的种类。不同种类的电路有着不同的特点和应用场合。总的来说，非回馈型的电路要比回馈型的电路结构简单、成本低，而绝大部分应用不需要开关电源具备回馈能力，所以，非回馈型的电路应用远比回馈型的电路广泛。非隔离型的电路要比隔离型的电路结构简单、成本低，但多数应用需要开关电源的输入端与其输出端隔离，或需要多组相互隔离的输出，因此，隔离型的电路应用更为广泛。2.1.1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、丘克（Cuk）型电路等。降压（Buck）型电路降压型电路结构如图2-1所示：UoIDSIDVDIDLIDCID 图2-1 Buck电路拓扑结构稳态时，电感充放电伏秒积相等，即有： , 式（2.1） 化简得： 式（2.2）即，Buck型电路的输入输出电压关系为： (占空比) 式（2.3）开关S导通时，电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流；揩干S关断后，L通过二极管续流，保持负载电流连续。输出电压因为占空比的存在，其值不会超过输入电压。升压（Boost）型电路升压型电路结构如图2-2所示：UiIDUoIDSIDVDIDLIDCID图2-2 Boost电路拓扑结构根据稳态时电感L的充放电伏秒积相等的原理，同理可得出Boost型电路的输入输出电压关系为： 式（2.4）开关S和负载构成并联。S导通时，电流通过L平波，电源对L充电。S关断时，L向负载及电源放电，输出电压为，因而有升压作用。升降压（Buck-Boost）型电路升降压型电路结构如图2-3所示：UiIDUoIDSIDVDIDCIDL图2-3 Buck-Boost电路拓扑结构同理可得输入输出电压关系： 式（2.5）S导通时，电源仅对电感充电，S关断时，通过电感对负载放电来实现电源传输。因此，此电路中的电感L的作用是传输能量。丘克（Cuk）型电路丘克型电路结构如图2-4所示：C1C2L2RUoVDL1SUi 图2-4 Cuk变换器电路拓扑结构 电压关系： 式（2.6）开关S闭合时，电源对L1充电。S断开时，电源及电感通过VD对C1进行充电。再当S闭合时，VD关断，C1通过L2、C2滤波对负载放电，L1继续充电。此电路中的C1用于传递能量，而且输出极性和输入极性相反。2.1.2隔离型电路正激型电路正激型电路结构如图2-5所示：TN3CLR N2UoSN1VD1VD2VD3Ui图2-5 正激型变换器电路开关S导通时，原边经过输入电源-N1-S-输入电源线路，产生电流。S关闭时，N1能量转移到N3，经N3-电源-VD3线路向输入端释放电能，避免变压器过度饱和。此电路中二极管VD1用于整流，VD2用于S关闭期间的续流。半桥型电路反激型电路结构如图2-6所示：C2UiS2S1LRN1 N2N2UoTC1C2图2.6 半桥式变换电路开关S1和S2轮流导通时，一次侧通过电源-S1-T-C2-电源及电源-C1-T-S2-电源产生交变电流，在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。这个电路相当于降压型电路。全桥型电路全桥型电路结构如图2.7所示：CUiS3S2LRN1 N2N2UoTS4S1图2.7 全桥式变换电路开关S1、S3和S2、S4两两轮流导通时，一次侧将通过电源-S2-T-S4-电源及电源-S1-T-S3-电源产生交变电流，在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。这个电路也相当于降压型型电路。推挽型电路推挽型电路结构如图2.8所示：S2S1LCRN1N1 N2N2UiUoT图2.8 推挽型变换电路S1和S2轮流导通，将在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。由于电感L在开关之后，所以当变比为1时，它实际上类似于降压变换器。隔离Cuk型电路隔离Cuk型电路结构如图2.9所示： N2C12TC2L2RUoSN1VDUiL1C11图2.9 隔离型Cuk变换器开关S导通时，Ui对L1充电。S断开时，Ui+EL1对C11及变压器原边放电，同时给C11充电，电流方向从上向下。附边感应出脉动直流信号，通过VD对C12反向充电。在S导通期间，C12的反压将使VD关断，并通过L2、C2滤波后，对负载放电。此电路中的C12明显是用于传递能量的，所以Cuk电路是电容传输变换电路。2.2 软开关技术开关电源的发展趋势是装置的小型化、轻量化，同时对效率和电磁兼容性也提出了很高的要求。在一个开关电源装置中，滤波电感、电容和变压器占体积和重量的比重很大。采取有效措施减小滤波器和变压器的体积和重量是实现电源小型化和轻量化的主要途径。根据开关电源滤波器和变压器的工作原理可以知道，开关电源的小型化、轻量化最直接的途径是提高开关频率。但在提高开关电源频率的同时，开关损耗也随之增加，电路效率严重下降，电磁干扰也会增大，所以简单的提高开关电源频率是不行的。针对这些问题出现了软开关技术，它主要解决电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高。采用谐振变换器也是解决开关频率和开关损耗、开关噪声的另一种常用方法。2.2.1 软开关的基本概念根据前面对开关电源电路的描述，在分析开关电源时，首先将电路理想化，特别是将其中的开关元器件理性化，认为开关状态的转换是在瞬间完成的忽略了开关过程对电路的影响。这样的分析方法便是理解电路的工作原理，但必须认识到，实际电路中开关过程是客观存在的，一定条件下还可能对电路的工作造成显著影响。在很多电路中，开关元器件是在高电压或大电流的条件下，由栅极（或基极）控制开通和关断的，其典型的开关过程如图2.10所示：uu ii t ta）硬开关开通过程b）硬开关关断过程图2.10硬开关电路的开关过程由上图可见，开关过程中的电压、电流均不为零，出现了电压和电流的重叠区。根据开关两端的电压和开关中流过的电流可以计算开关元器件消耗的瞬时功率 p(t)=u(t)i(t) 式（2.7）开关处于通态时，电流i较大，但u较小，因此消耗的功率也较小；开关关断时，电压u很高，但电流i几乎为零，因此消耗的功率也较小；在开关状态转换的过程中，u和i都很大，因此消耗的瞬时功率比通态或断态大成百上千倍。通常每个开关在一个开关周期内各通断一次，而与开关周期相比，开关过程持续的时间很短，因此开关过程中产生的平均损耗功率通常是通态损耗功率的几分之一到数十倍，具体的数值要视开关元器件类型、电路类型、驱动特性，电路参数等而定。在开关过程中不仅存在开关损耗，而且电压和电流的变化很快，波形出现了明显的过冲和震荡，这导致开关噪声的产生，这样的开关称为硬开关。在硬开关过程中不仅存在较大的开关损耗和开关噪声。开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路小绿绿下降，发热量增大、温升提高，阻碍了开关频率的提高；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题，影响周边电子设备的正常工作。通过在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助环流网络，在开关过程前后引入谐振过程，使开关开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减小甚至消除开关损耗和开关噪声，这样的电路称为软开关电路，这样的开关过程称为软开关。软开关电路中典型的开关过程如图2.11所示： u u i i t ta）软开关开通过程 b）软开关关断过程图2-11软开关电路的开关过程2.2.2零电压开关和零电流开关使开关开通前其端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通；使开关关断前电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断。在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关。零电压开通和零电流关断主要依靠电路的谐振来实现。与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低开关损耗，有时称这种关断过程为零电压关断；与开关相串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗，有时称之为零电流开通。但简单的在硬开关电路中给开关并联电容或串联电感，不仅会降低开关损耗，还会带来总损耗增加、关断过电压增大等负面问题，这是要注意的。通常，在零电压开通的开关两端并联适当的电容可以在不增加开通损耗的前提下，显著降低开关损耗，是经常采用的手段。2.2.3常见软开关电路软开关按照控制方式可以分为：脉冲宽度调制式（PWM）、脉冲频率调制式（PFM）、脉冲移相式（PS）三种。下面分别介绍这三种常见软开关的工作过程：(1) PWM变换器PWM控制方式是指在开关工作频率一定的条件下，通过调节脉冲宽度来实现稳定输出。这种控制方式应用最多，适用于中小功率的开关电源。 零电流开关PWM变换器以Buck电路为例介绍该种变换器，其工作原理图如图2.12所示：图2-12 Buck型ZCS-PWM变换器(a) 线性阶段：管S1、S2均导通。初始时，在电感的作用下，S1呈零电流导通。随后，在电源Uin的作用下，通过的电流线性上升，并达到。(b) 正向谐振阶段：管S1导通，管S2关断。当时，电容开始产生电压，二极管VD在零电流下将自然关断。随后，电感与电容开始进入谐振状态，再经过半个谐振周期，将再次谐振到，电容电压上升至最大值，电流为零，管S2关断，与将保持，无法继续谐振。(c) 保持阶段：管S1导通、S2关断。这一状态的保持时间由脉冲频率调制PWM电路的要求而定，在保持期间，电源正常向负载以供电。(d) 反向谐振阶段：管S1由导通到关断、S2导通。当需要管S1关断时，可控制重新打开S2，这时在电感的作用下，通过S2的电流为零。谐振状态再次开始，当反向谐振为零时，管S1可在零电流零电压的条件下完成关断。(e) 恢复阶段：管S1关断、S2导通。此后，在的作用下，渐衰减至零。(f) 续流阶段：管S1关断、S2由导通到关断。衰减至零后，二极管VD导通，开始续流。因VD的短路作用，S2可在这之后至下一周期来临前以零电压零电流方式完成关断。由分析可见，线性、谐振、保持四个阶段管S1均导通，恢复和续流阶段管S1均关断。其中，管S2的作用主要是隔断谐振、产生保持阶段。管S1、S2的有效控制产生了PWM的效果，并利用谐振完成了自身的软开关。此电路中的开关管S1、S2及二极管VD均在零电流或零电压条件下通断，主开关的电压应力低，但电流应力大。续流二极管的电压应力大，并且谐振电感在主通路中，所以输入、负载将影响ZCS工作状态。 零电压开关PWM变换器以Boost电路为例介绍该种变换器，其工作原理图如图2-13所示：图2-13 Boost型ZVS-PWM变换器每次管S1导通前，辅助开关管S2导通，使谐振电路起振。管S1两端电压谐振至零后，导通S1。管S1导通后，快速关断S2，停振。这时，电路是以常规PWM方式运行。同样地，可以利用谐振再次关断S1，电容使得主开关管实现零关断。管S1、S2的配合控制，实现了软开关条件下的PWM调节。此电路实现了主开关管的零电压导通，并且保持恒频率运行。在较宽的负载电流和输入电压范围内，可以满足ZVS条件下二极管的零电流关断。该电路的缺点是辅助开关管没咋软开关条件下运行，和主开关管相比，它只处理少量的谐振能量。 有源钳位的零电压开关PWM变换器有源钳位的零电压开关PWM变换器原理图如图2.14所示：LRCSR0CCLMS2UosCRS1图2.14有源钳位ZVS-PWM正激变换器这是个隔离型的降压变换器。其中，电感为变压器的漏电感，电感是变压器的激磁电感。电容作为S1、S2的结电容。该电路巧妙地利用电路中的、产生谐振而达到ZVS条件。同时，电容有电压钳位作用，以防止S1在关断时过压。(2) PFM变换器脉冲频率调制式PFM变换器，顾名思义，是通过调节脉冲频率来实现稳压输出的。其控制电路相对简单，但工作频率不稳定，所以一般用于负载及输入电压相对稳定的场合。 Buck零电流开关变换器Buck零电流开关变换器原理图如图2.15所示：R0I0UosCRVDVDSLRL1C1S1 图2.15Buck型ZCS准谐振变换器容易知道该电路属典型ZCS降压型拓扑电路结构，可以利用谐振电流过零时实现S1通断，脉宽实际上受谐振电路的参数控制，但可通过控制S1开通时刻（频率）来实现PFM。 Buck零电压开关变换器Buck型零电压开关变换器电路原理图如图2-16所示：UinCRVDVDSLRCRR0SCSI0图2-16 Buck型ZVS准谐振变换器(a) 线性阶段：管S导通。S导通时，电源Uin将对电容充电，并输出恒流。初始时，续流过程还没有结束，二极管VD将维持一段时间向电感提供电流。(b) 谐振阶段1：管S由导通到关断。随着电容CR电压的上升，管VD逐渐承受反压而关断。和开始谐振，电源既要提供负载的恒定电流，又要提供谐振电流。因电源的钳位作用，管VD无法恢复续流状态。谐振中，可选择某一时刻关断S，关断时其端电压要为零。(c) 谐振阶段2：管S关断。此后，和、进入共同谐振谐振状态。当电容的端电压谐振过零时，二极管VD将重新导通续流。(d) 谐振阶段3：管S由关断到导通。在续流期间，和继续谐振。电容电压过零时，可以重新开通管S。(3) PS软开关变换器PS软开关变换器用于桥式变换器。桥式变换器必须在对角开关管都导通时，才输出功率。可以通过调整对角开关管的重合角度，来完成调节电压的目的。在大中功率开关电源中，经常使用这种变换器。 移相全桥零电压零电流变换器移相全桥零电压零电流脉宽调制变换器电路拓扑结构如图2.17所示：VD3S3VD1C1CS1LSCbUosVD2C2CS2S4VD4LRLrR0Cr图2-17 移相全桥零电压零电流变换器其中，电容、是并联电容或开关管结电容，为阻断电容，电感式变压器的漏电感，则为串联的饱和电感。起续流作用。这是一个全波桥软开关变换器，可让管S3、S4在移相时滞后，那么把管S1、S2称为超前桥臂，把管S3、S4称为滞后桥臂。管S1、S2可在、及副边耦合电感等的谐振作用下，来完成零电压开关。电流过零时，因阻断电容和饱和电感的作用，使得零电流有一定的保持时间，其间，管S3、S4实现令开关。若把和去掉，并在管S3和S4两端并联两个谐振电容，这就构成了移相全桥零电压变化器。 不对称移相全桥零电压零电流变换器不对称移相全桥零电压零电流变换器原理图如图2.18所示。图中，超前臂外接了反并二极管和旁路电容，没有滞后臂，因此称为不对称移相全桥变换器。这一电路也是通过谐振在零压时开关管S1、S3，在零电流时开关管S2、S4.对称全桥因滞后桥臂中有续流二极管和电容，故在电流过零后会形成返乡流通渠道，因此要有比较大的电感来维持电流过零的时间，以完成对滞后桥臂的开关。而不对称全桥则因没有滞后桥臂通路，所以过零后保持在零电流，以便完成滞后臂的开关。ViR0S1S3S2S4C1C2VD1VD2LKL0C0C3图2.18 不对称移相全桥零电压零电流变换器因对称全桥电路原边串联了较大的电感，故此电源效率会有一定的损失。而不对称电路可以不串有大电感，所以损耗降低，电源效率提高。该电路的工作过程分析如下：(a) 先看对角是否导通，例如S1、S4开通时，原边能量向副边传输，对C2、Cc充电。(b) S1关断时，对C1充电，C2放电，原边电流方向不变。因电容C1的电压上升是渐进的，所以管S1属于零电压关断。(c) 在电容C2放电过零、二极管VD2开始反向导通时，可控制管S3的导通，因此管S3为零电压导通。(d) S3导通，上升沿触发一单稳态脉冲，控制辅管Sc的导通。这时，电容Cc端电压瞬间接到了变压器的副边上，从而在原边产生一个瞬时高压，这一较高电压将加快原边电流迅速复位至零。(e) 电流回零后，辅管Sc关断。这时副边被钳制在近似短路的低电压中，原边的电压也迅速降低，使得电容C3电压反加到管S4上，促使管S4在零电流下关断。(f) 此时，在电感作用下，可以零电流开通管S2。电流换相成功，进入后半个周期。(g) 副边在原边换相的同时，也完成换相，由于电感Cc的存在，抑制了整流管的反向尖峰电压的产生。2.3谐振式电源2.3.1谐振变换电路的原理及分类应用各种软开关电路虽然可以大大降低开关器件的开关损耗，但是一种软开关电路一般情况下仅能减小一种开关损耗，如零电压开通电路主要降低器件的开通损耗，而零电流关断电路主要减少器件的关断损耗。当电路的开关频率很高时，器件的开关损耗仍是一个严重的问题。降低器件开关损耗除采用软开关电路，还可以采用准谐振型变换电路。谐振变换电路就是将L、C元件适当组合、连接形成特定的网络，与变换其和负载相连接。由于LC网络频率特性所呈现的选频特性，如变换器的输出电流（或电压）在开关周期内呈现近似正弦变化规律，如果变换器的开关频率选择适当，可以是开关器件在电流接近过零时开通和关断，进一步降低开关器件的开关损耗。因此，谐振变换电路在高频变换电路中得到广泛的应用。谐振变换电路多用于DC-DC电路中，为方便说明其工作原理及特性，这里可以将变压器二次侧的高频整流、滤波电路及负载看作一个整体，并等效至一次侧成为一个电阻。这样，根据负载与LC谐振网络的连接情况，可以将谐振变换电路分为以下三类：(1) 串联谐振电路：当等效负载电阻与谐振网络串联连接时，称为串联谐振变换电路。(2) 并联谐振网络：当等效负载电阻与谐振网络中的电容并联连接时，称为并联谐振变换电路。(3) 串并联谐振电路：串并联谐振电路中的LC谐振网络是由两个电容电路和一个电感或两个电感和一个电容构成，因此又称为LCC和LLC谐振电路，等效负载与谐振网络两个电容（LCC）或两个电感（LLC）分别串联和并联。谐振变换电路的主要优点是器件开关损耗大大减小，同时回路中的电流波形接近正弦，在电磁干扰方面也具有优势。但谐振变换器当输入电压、输出电压及负载发生变化时，需要采用调节工作频率的方法进行控制，当上述参数大幅度变化时，导致工作频率变化过大，造成相应的LC元件、滤波电路等设计困难。因此其对电源电压、负载变化的灵活性不如PWM变换电路。此外，由于电路中的工作电流接近正弦波，其有效值、峰值偏高，会造成较大的导通损耗。2.3.2谐振式电源原理根据谐振变换电路的特点可知，随着电力电子技术的发展，谐振式电源将是新型开关电源的发展方向。谐振式电源是利用谐振变换电路产生正弦波，在正弦波过零时切换开关，这不仅大大提高了开关的控制能力、减小了电源体积，而且也使得电源谐波成分大为降低、电源频率得到大幅度提高。谐振电源的频率可以达到1M以上，远远超过PWM控制电路；谐振变换电源结合功率校正电路，功率因数可以达到0.95，甚至更高，远远超过普通传统开关电源的功率因数，这大大抑制了对电网的污染。谐振式开关电源分为零电流开关（ZCS）和零电压开关（ZVS）。零电流开关和零电压开关工作的简单原理图如图2.19所示：onoffSIsTsTonToffSUsTsIcUiSLrCrVDIcUiSLrCrVD图2-19 电流谐振式开关和电压谐振式开关原理图电流谐振开关中，电感、电容构成的谐振电路中Lr的谐振电流通过S，可以人为控制开关在电流过零时进行切换。这种谐振电路的电流是正弦波电流，而Us为矩形波电压。电压谐振开关中，电感、电容构成的谐振电路中Cr端谐振电压并联到S上，可以人为控制开关在电压过零时进行切换。这种谐振电路的电压是正弦波电压，而Is接近矩形波。以上两种开关电源是半波的，也可以设计成全波的。因此谐振开关有半波谐振和全波谐振之分。2.3.3谐振开关的动态过程分析根据谐振式开关的原理可以知道，谐振式开关中的“谐振”并不是真正理论上的谐振，而是点抗性电路在送电瞬间产生了的阻尼振荡。下面，分析这一过程，以了解谐振式开关的工作原理。(1) 零电流开关零电流开关谐振部分拓扑结构又分L型和M型结构。分别如图2.20和图2.21所示：SL1C1VD1SL1C1VD1SL1C1图2.20 L型零电流谐振开关（中半波，右全波）SL1C1SL1C1VD1SL1C1VD1图2.21 M型零电流谐振开关（中半波，右全波）其中电感L1用于限制di/dt，电容C1用于传输能量，在开关导通时，构成串联谐振电路。用零电流开关代替PWM电路的半导体开关，便组成了谐振式变换器电路。按照Buck电路的原理拓扑结构，可以得到如图2.22和图2.23所示电路：ViVD2VD1L1L2C2RLSC1V0i1图2.22 Buck型准谐振ZCS变换器（L型）ViVD2VD1L1L2C2RLSC1V0图2.23 Buck型准谐振ZCS变换器（M型）以L型电路为例。我们假设这是一个由理想元器件组成的电源。其中的电感L2远大于L1，从L2左侧看，可以认为流过L2、C2、RL的输出电流是一个恒流源，电流记为I0。则有特性阻抗： 式（2.8）谐振角频率： 式（2.9） 工作时其动态过程分析如下： 线性阶段（）：在管S导通前，二极管VD2处于续流阶段。此时有。S导通时，L1电流由0开始逐渐上升，由于续流还未结束，此时初始。由，电感L1初始电流为0，可得： 式（2.10）到t1时刻，达到负载电流I0，因此：此阶段的持续时间： 式（2.11）经分析可知，这一阶段的是时间的线性函数。 谐振阶段（）：在电流i1上升期间，当时，由于无法供应恒流，续流过程仍继续。当时，将以对C1充电，VD2开始承受正压，VD2电流下降并截止。L1、C1开始串联谐振，因谐振继续上升，有： 式（2.12） 式（2.13）因而： 式（2.14）其中，为谐振电流。 式（2.15）谐振到时刻，谐振电流变为零。若是半波开关，则开关自行关断；若是全波开关，开关关断后，将通过VD1进行阻尼振荡，将电容能量馈送回电源，到时刻电流第二次为0。这一阶段结束，这时的时刻为t2。VC1在i1谐振半个周期，时，达最大值。第一次过零（）时，S断开。若为半波开关，则谐振阶段结束。若为全波开关，C1经半个周期的阻尼振荡到电流为0（）时，将放电到一个较小值。可以看出谐振阶段前，、是时间的正弦函数；如为全波开关，还有一段时间的阻尼振荡波。 恢复阶段（）：由于VC1滞后1/4个谐振周期，因而在t2后，因L2的作用还将继续向负载放电，直至=0。这阶段，如考虑电流方向性： 式（2.16）故有： 式（2.17）因此，这个阶段的是时间的线性函数，电压从逐步下降到零。若为半波开关，则开关分压也将线性上升到输入电源值。 续流阶段（）：当电容放电到零后，VD2因反压消失而导通，对L2及负载进行续流，以保持电流I0连续。此时，我们根据电路的要求，选择在适当时间再次开通S，重新开始线性阶段。根据上面的分析，可以得到如图2.14所示波形。ttttttttSiLVSVC1ONONSiLVSVC1t0t1t3t4t0t1t3t4t2t2I0图2.14 半波ZCS开关波形与全波ZCS开关波形(2) 零电压开关ZCS在S导通时谐振，而ZVS则在S截止时谐振，二者形成对偶关系。分析过程大体类似，这里不再详细描述。综合以上分析过程，我们可以看出，该拓扑谐振结构只能实现PFM调节，而无法实现PWM。原因是脉冲宽度仅受谐振参数控制。要实现PWM，还需要增加辅助开关管。 3.开关电源元器件的选用 设计制作开关电源时，无论采用的是那一种变换器、那一种结构形式，所使用的元器件都是开关晶体管、磁性材料、电感、电容、电阻等。所设计的开关电源往往在试验室中调试成功，到生产线上进行规模生产时，却出现各种问题。有工艺方面的，设计方面的，也有焊接方面的，但多数都是元器件选用的问题。因此决定开关电源质量的关键在于是否选用好元器件。随着半导体材料及及技术的发展，新型电力电子器件不断推出，传统电力电子器件的性能也不断提高，这成为包括开关电源在内的各种电力电子装置的体积、效率等性能指标不断提高的重要因素。了解和掌握各种电力电子器件的特性和使用方法是正确设计开关电源的基础。3.1二极管二极管是最为简单但又是十分重要的一种电力电子器件，在开关电源的输入整流电路、逆变电路、输出高频整流电路以及缓冲电路中均有使用。二极管按照功能来分，有快速恢复及超快速恢复二极管，有整流二极管、稳压二极管及开关二极管等。下面分别介绍几种常见二极管的特点。3.1.1开关二极管半导体二极管的导通相当于开关闭合，截止则相当于开关打开，所以二极管可用作开关，常用型号有IN4148和IN4448。利用二极管的单向导电特性，二极管在电路中起到控制电流接通或关断的作用，成为一个理想的电子开关。开关二极管具有开关速度快、可靠性高、体积小、寿命长等特点，广泛应用于电子设备中。开关硅二极管的主要技术指标是：(1) 反向最高工作电压和反向击穿电压，二者越大越好。(2) 最大管压降应小于0.8V。(3) 最大工作电流应大于150mA。(4) 反向恢复时间应小于10ns。3.1.2稳压二极管稳压二极管工作在反向击穿状态，当反向电压达到并超过稳定电压时，反向电流迅速增大，但管压降恒定，有稳压作用。因此在电力电子电路中，稳压二极管可用于过压保护、电平转换，也可用来提供基准电压。稳压二极管有高压与低压之分，稳压状态下端电压高于200V的称为高压稳压二极管，端电压值低于40V的叫做低压稳压二极管。稳压二极管从材料上可以分为N型稳压二极管和P型稳压二极管。市场上，稳压值从2.4V到200V的稳压二极管型号规格齐全，且性能好、体积小、价格便宜。选用稳压二极管时要注意其稳压值的标称值及电压的温度系数。稳定电压要设计人员根据需要选用，温度系数越高，稳压误差就越大。稳压二极管对漏极和源极有钳位保护作用，它还可以加速开关管的导