PWM型半桥开关电源设计毕业设计.doc

pwm型半桥开关电源设计 摘要开关电源是现代电力电子设备不可或缺的组成部分，其质量的优劣直接影响子设备性能，其体积的大小也直接影响到电子设备整体的体积。本设计根据设计任务进行了方案设计，设计了相应的硬件电路，研制了150w(15v、10a)板桥开关电源。整个系统包括主电路、控制电路和驱动电路三部分内容。系统主电路包括单相输入整流、半桥式逆变、高频交流输出，输出整流、输出滤波几部分。控制电路包括主电路开关管控制脉冲的产生和保护电路。论文具体地介绍了主电路、控制电路、驱动电路等各部分的设计及实验过程，包括元器件的选取以及参数计算。本设计中采用的芯片主要是pwm控制芯片sg3525a、光电耦合芯片pg817和半桥驱动芯片ir2110。设计过程中充分利用了sg3525a的控制性能，具有宽的可调工作频率，死区时间可调，具有输入欠电压锁定功能和双路输出电流。介绍了开关电源的相关知识，从开关电源的工作原理，组成，特点等方面进行阐述，把开关电源的分类，主要技术指标，典型结构，技术要点及其开关器件进行了系统的说明，同时在基于pwm技术的基础上。围绕高频变压器、pwm控制及驱动电路等模块，设计了一台功率为150w、输出电压为+15v的半桥式开关稳压电源，并给出了具体设计步骤。关键词开关电源；半桥；sg3525a；高频变压器；mosfetdesign of half bridge switching mode power supply based on pwm technologyli qianguang(grade 08,class 2,major electric engineering, electric engineering and automation dept, shaanxi university of technology, hanzhong 723003,shannxi)tutor: yan qunmin【abstract】switching mode power supply (smps) is a significant part of the power electronics, which effects the performance and volume of the electronic equipment. the scheme has made a plan of designs based on the task of design, designed corresponding hardware circuit and developed 150w(15v、10a) half-bridge switch power supply, it also can display voltage.the system included three parts: the main circuit part, the control circuit part and driving circuit. and the main circuit part consisted of one-phase input rectification. the control circuit involved two parts: one is the circuit brings the pulse controls the switches in main circuit, and the other is the protect circuit. and then detailedly recommended the designs of main circuit, control circuit and driving circuit, including selected components and calculated parameter. the cmos chip that is applied in the design is pwm controller sg3525、optical coupler circuit pc817、half bridge drive chipir2110. the controlled feature of pwm controller sg3525a is fully utilized in the process of design, which has wide adjustable operating frequency and dead time, input under voltage lock function and twin channel output current. a half bridge switching modepower supply (smpw)technology is introduced the detailed design method of high frequency transformer.pwm control and dirce circuit is procided a 150w half birdgs smps using this method is design .at last,the experimental waveforms are presented.【key words】 smps half birdge;sg3525a;high frequency transformer;mosfetii陕西理工学院毕业设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录绪论5第一章概述61.1 开关电源概述61.1.1 开关电源的工作原理61.1.2 开关电源的组成71.1.3 开关电源的特点71.2 开关电源的分类81.3 开关电源的主要技术指标10第二章 开关电源的拓扑结构及比较122.1 开关电源典型结构122.1.1 串联电源典型结构122.1.2 并联开关电源结构122.1.3 正激电源开关结构132.1.4 反激开关电源结构142.1.5 半桥开关源结构142.1.6 全桥开关电源结构152.2 开关电源技术要点162.2.1 电源电路的组成及主要特点162.2.2 倍压/桥式整流自动切换17第三章 开关电源的控制及pwm技术183.1 开关器件183.1.1 开关器件的特征183.1.2 开关器件的组成183.1.3 开关器件的分类183.1.4 电力场效应晶体管mosfet193.2 pwm调制技术213.2.1 pwm逆变电路及其控制方法213.2.2 pwm 跟踪控制技术233.2.3 pwm整流电路及其控制方法24第四章 pwm半桥式开关电源的设计284.1主电路结构及其工作原理294.2 电源系统框图及部分介绍294.3 高频变压器设计304.4 pwm控制电路324.5 隔离驱动线路324.6 结论33pwm型半桥式开关电源总体电路图34致 谢35参考文献36英文文献37中文翻译40绪论随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求量日益增长，并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。为了适应市场需求，全球各开关电源制造厂商不断推出各种性价比很高的产品或模块。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。pwm半桥式开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。从另一方面来说，pwm半桥式开关电源的技术追求也日趋高涨和发展趋势亦渐广泛，而且派生出了很多特殊的应用领域研制和开发的难度变得更大了，这就更有很多的研究价值和技术发展的空间了。开关电源的高频变换电路形式很多，常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。其中，在半桥式变换器电路中，变压器初级在整个周期中都有电流流过，磁芯利用更加充分。它克服了推挽式电路的缺点，所使用的功率晶体管耐压要求较低；其次，晶体管的饱和压降也减少到最小；再者，对输入滤波电容电压要求也比较低。由于以上诸多因素，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。本次设计从两个部分进行，第一部分介绍了开关电源基础知识和理论，第二部分具体介绍开关电源的设计步骤和具体电路及元件的设计计算。开关电源理论部分在第一节分别讲述了开关电源的 开关电源的工作原理、开关电源的特点；第二节介绍了开关电源的分类第三节介绍了开关电源的主要技术指标；第四节介绍了开关电源典型结构、串联电源典型结构、并联开关电源结构、正激电源开关结构、反激开关电源结构、半桥开关源结构、全桥开关电源结构；第五节介绍了开关电源技术要点、电源电路的组成及主要特点、倍压/桥式整流自动切换；第六节介绍了开关器件、开关器件的特征、开关器件的组成、开关器件的分类；第七节介绍了pwm调制技术详细说明了pwm逆变电路及其控制方法、pwm跟踪控制技术及pwm整流电路及其控制方法。设计部分从电源的主电路图，模块框图，高频变压器的设计，pwm控制及驱动电路等进行了详细的说明。第一章 概述 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。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。 随着开关电源在计算机、通信、家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求量增长和效率、体积、重量及可靠性等方面要求更高。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。在半桥式变换器电路中，变压器初级在整个周期中都流过电流，磁芯利用得更加充分。它克服了推挽式电路的缺点，所使用的功率晶体管耐压要求低，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。1.1 开关电源概述1.1.1 开关电源的工作原理开关电源的原理可以用图1.1进行说明。图中输入的直流不稳定电压经过开关s加至输出端，s为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关s按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压 （a） 电路图；（b）波形图图1.1 开关电源的工作原理 为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下： （1-1）式中，t表示开关s的开关重复周期；ton表示开关s在一个开关周期中的导通时间。开关电源直流输出电压与输入电压之间有如下关系： （1-2）由式（1-1）和（1-2）可以看出，若开关周期t一定，改变开关s的导通时间，即可改变脉冲占空比，从而达到输出电压的目的。不变，只改变来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调节（pwm）。由于pwm式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此pwm式的开关电源用的比较多。1.1.2 开关电源的组成开关电源的基本组成如图1-2所示。其中dc/dc变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是pwm信号、pfm信号或其它信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此以外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。dc/dc变换器驱动器信号源比较放大器图1.2 开关电源的基本组成dc/dc变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的pwm变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。 1.1.3 开关电源的特点 开关电源具有如下特点：（1）功耗小、效率高。开关电源结构原理方框图中的晶体管在激励信号的驱动下，其工作状态处于导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50khz左右。在一些技术先进的国家，可以做到几百或者上千khz。晶体管v饱和导通时，虽然电流较大，但管压降很小；截止断开时，虽然管压降很大，但通过的电流几乎为零。这就使得开关晶体管v在其整个工作过程中的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高。（2）体积小、重量轻。没有了笨重的工频降压变压器。由于调整管上的耗散功率大幅度地降低，因而省去了体积和重量都较大的散热片。由于这两方面的原因，故开关电源的体积小、重量轻。（3）稳压范围宽。开关电源的输出电压是通过激励信号的占空比来调节的，输入电压的波动变化，可以通过改变占空比的方式来进行补偿，这样在输入电压变化或波动较大时，它仍能保证有较稳定的输出电压。所以，开关电源的稳压范围很宽，稳压效果较好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型、频率调制型和混合调制型三种。这样开关电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多较灵活，设计人员可以根据实际应用的需要和要求，灵活选用各种形式的稳压方法。（4）滤波效率高，不需要叫大容量的滤波电容。开关电源的工作频率目前基本上是工作在50khz左右，是线性电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。在相同波纹输出电压的要求下，采用开关电源时，滤波电容的容量只是线性电源中滤波电容容量的1/5001/1000。滤波电容容量减小以后，整个电源的体积和重量也相应地有所减小。（5）电路形式灵活多样。例如：有自激式和他激式；有调宽型和调频型；有单端式和双端式；有开关元件为晶体管式和开关元件为可控硅式等等。设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足各种不同应用场合的开关电源。1.2 开关电源的分类为更好、更方便地设计和使用开关电源，在此按电路的输出稳压控制方式、开关电源的触发方式、电路的输出取样方式等多种角度，对开关电源进行分类。1. 按电路的输出稳压控制方式按电路的输出稳压控制方式，开关电源可分为脉冲宽度调制（pwm）式、脉冲频率调制（pfm）式和脉冲调频调宽式三种。2. 按开关电源的触发方式 1）自激式开关电源自激式开关电源利用电源电路中的开关晶体管和高频脉冲变压器构成正反馈环路，来完成自激震荡，使开关电源输出直流电压。在显示设备的pwm式开关电源中，自激震荡频率同步于行频脉冲，即使在扫描电路发生故障时，电源电路仍能维持自激震荡而有直流输出电压。2) 它激式开关电源它激式开关电源必须有一个震荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。3. 按电路的输出取样分类1) 直接输出取样开关电源直接输出取样电路在光电耦合器尚未应用时,主要在串联开关电源上使用;在光电耦合器使用后,开始在变压耦合并联开关上使用。图1-3为直接输出取样电路在开关电源中的应用实例。光电耦合器中三极管集电极电流的大小与发光二极管电流及光电耦合系数成正比关系，即 (1-4)当开关电源的输出电压因输入电压升高或负载减轻而升高时，滤波电容c1两端升高的电压一路经取样电阻r1、r2取样后，使光电耦合器v515的右下脚电压升高，即发光二极管正极电位升高，由于vt553发射极接有稳压管，其发射极电位不变，所以vt553加速导通，集电极电位下降，于是v515内的发光二极管发光强度增大，光电三极管内阻下降，脉宽调节电路图1.3 直接输出取样开关电源电路的vt5、vt1相继导通，开关管vt2导通时间减小，是输出电压下降到正常值采用直接输出取样方式的开关电源，不见安全性好，而且具有便于空载检修、稳压反应速度快、瞬间响应时间短等优点。图1.4 三端误差取样放大器由误差取样电路与误差放大电路组成的三端误差取样放大器见图1.4.该放大器的电路结构不但得到了简化，其可靠性也得到了提高，因此目前视听设备的开关电源大多采用这种三端误差取样放大器的直接取样电路方式。2)简介输出取样开关电源图1.5 间接输出取样开关电源电路图1.5是间接输出取样开关电源电路。该电路的特点是在开关变压器上专门设置了一个取样绕组，即-绕组，取样绕组感应的脉冲电压经v811整流，在滤波电容c815两端产生供养电路取样的直流电压。由于取样绕组与此取样绕组采用了紧耦合结构，因此滤波电容c815两端电压的高低，就间接反映了开关电源输出电压的高低，所以这种取样方式称为间接输出取样方式。间接输出取样方式的缺点是响应差，当输出电压因输入电压等原因发生变化时，输出电压的变化需经过开关变压器磁耦合才能反映到取样绕组两端，所以稳压速度低，并且这种开关电源不能空载检修，检修时须在输出端接替代负载。4. 按其他方式分类开关电源按功率开关管的连接方式，可分为单端正激开关电源、单端反激开关电源、半桥开关电源和全桥开关电源；按功率开关管与电源供电、储能电感、稳压电压的输出方式，可分为串联开关电源和并联开关电源。1.3 开关电源的主要技术指标开关电源主要有以下技术指标：(1)输入电压变化范围：当稳压电源的输入电压发生变化时，使输出电压保持不变的输出电压的变化范围。这个范围越宽，表示电源适应外界电压变化的能力越强，电源使用范围就越宽。他和电源的误差放大、反馈调节电路的增益以及占空比调节范围有关。目前开关电源的输入电压变化范围已经做到90270v，可以省去许多电器中的110v/220v转换开关。(2)输出内阻r0：输出电压的变化量u0 与输出电流的变化量i0的比值。这个比值越小，表示电源输出电压随负载的变化越小，稳压性越好。(3)效率：电源输出功率p0与输入功率pi的比值，这个比值越高，开关电源体积越小，同时可靠性也越高。目前开关电源的效率可达90%以上。(4)输出纹波电压：由于开关电源的稳压过程是一个不断反馈调节的过程，因此在输出的的直流电压u0会出现一个叠加的波动的纹波电压，即输出纹波电压。这个电压值越小，表示电源的输出性能越好。这个参数的表示方法有两种：一是输出波纹电压的有效值；二是输出波纹电压的峰峰值upp.(5)输出电压调节范围：由于电源的输出电压只和基准电压与输出取样电路的元器件参数有关，因此，输出电压调节范围反应在线性电源上是稳压调整管集电极电流的变化范围，反映在开关电源上是开关调整管脉冲占空比d的变化范围。(6)输出电压稳定性：输出电压随负载的变化而变化的特性，这个变化量越小越好。它主要和反馈调节回路的增益及频响特性有关。反馈调节回路增益越高，基准电压ue越稳定，输出电压u0的稳定性越好。(7)输出功率p0：电源能输出给负载的最大功率，他和负载功率有关。为了保证电源安全，要求输出功率有2050的裕量。第二章 开关电源的拓扑结构及比较2.1 开关电源典型结构2.1.1 串联电源典型结构串联开关电源原理图如图1.6所示。开关原件及功率开关晶体管vt串联在输入与输出之间。正常工作时，功率开关晶体管vt在开关脉冲信号的作用下周期性的在导通、界之间交替转换，是输入与输出之间周期性的闭合和断开。输入不稳定的直流电压通过功率开关晶体管vt后输出周期性脉冲信号电压，再经脉冲整流滤波后，就可以得到平滑直流输出电压u0。u0和功率开关晶体管vt的脉冲占空比d有式（1-2）的关系。输入交流电压或负载电流的变化，会引起输入直流电压的变化，通过输出取样电路后将得到的取样电压与基准电压比较，其误差值通过误差放大器放大后控制脉冲调宽电路的脉冲占空比d，达到稳定输出直流电压u0的目的。在串联开关电源中，由于功率开关vt串联在输入电压ui和输出电压u0之间，因此对开关耐压要求低。但由于输入电压和输出电压共用地线，电压输入与输出间不隔离，有可能使电路板底板带电，使用不安全，更不满足外接av输入、影碟机、录放相机的要求。因此在目前的电子装置和视听设备的电源电路中以较少采用长联开关电源，而更多是采用并联开关电源。图2.1 串联开关电源原理图2.1.2 并联开关电源结构 并联开光电源原理图如图1.7所示：其中功率开关管vt与输入电压。输出负载并联，输出电压为： (1-4)图1-7所示为一种输出升压型并联开关电源，电路中有一个储能电感，适当利用这个储能电感，可将输出升压型并联开关电源转化为广泛使用的变压器耦合并联开关电源。图2.2 并联开关电源原理图变压器耦合并联开关电源原理图如图1.8所示，功率开关管vt与开关变压器初级线圈相串联在电源供电输出端，功率开关管vt再开关冲脉冲的周期性的导通与截止，集电极输出的脉冲电压通过变压器耦合在次级得到脉冲电压这个次级脉冲电压经整流滤波后的到直流输出电压u0。同样，经过取样电路后将得到的取样电压与基准电压ue进行比较，其误差电压再被误差放大器放大后输出值功率开关管vt，来控制功率开关管vt的导通、截止，达到控制脉冲占空比的目的，从而稳定直流输出电压。由于采用变压器耦合，因此变压器的初、次级侧以相互隔离，从而使初级侧电路与次级侧图2.3 变压器耦合并联开关电源原理图电路的分开，做到次级侧路的不带电，使用安全。同时由于变压器耦合，因此可以使用多组次级线圈，在次级得到多组直流输出电压。由于变压器耦合并联开关电源输入端与输出端不共地，即所谓的冷底板供电，因此该开关电源可外接数字通信设备，从而在电子通信设备中得到广泛的使用。使用中应注意，在并联开关电源中，对功率开关管vt的耐压要求较高，一般高于23倍电源供电电压。2.1.3 正激电源开关结构 正激开关电源是一种更采用变压器耦合的降压型开关稳定电源，其电路图如图1.9所示。加在变压器n1绕组上的电压振幅等于输入电压ui功率开关管vt导通时间ton为开关脉冲宽度，变压器次级侧开关脉冲电压经二极管vi整流变为直流。图2.4 正激开关电源电路这种开关电源中功率开关管vt导通时，变压器初级绕组励磁电流最大值为： （1-5）式中，ln1表示变压器初级绕组n1的电感量；d表示脉冲占空比；t表示脉冲开关周期。正激开关源的特点是，当初级侧的功率开关管vt导通时，电源输入侧的能量由次级侧二极管v1经输出电感l为负载供电；当功率开关管vt断开时，有续流二极管v2=继续为负载供电，并由消磁绕组n3和消磁二极管v3将初级绕组n1的励磁回馈到输入端。2.1.4 反激开关电源结构反激开关电源结构电路如图1-10所示，当功率开关管vt导通时，输入侧的电能以磁能的形式储存在变压器的初级线圈n1中，由于同名端关系，次级侧二极管v1不导通，负载没有电流流过。当功率开关晶体管vt断开时，变压器次级绕组以输出电压u0为负载供电，并对变压器进行消磁。反激开关电源电路简单，输出电压u0即可高与输入电压ui又可低于输入电压，一般适用在输出图2.5 反激开关电源电路功率为200w以下的开关电源中。当要求电源开关输出功率更大，如在200w400w范围内时，可采用半桥开关电源，他在一些较大负载的电路中被普遍采用。2.1.5 半桥开关源结构 半桥开关电源结构电路及波形图如图1.11所示，两个功率开关管vt1和vt2在开关脉（a） 电路图；（b） 波形图图2.6 半桥开关电源电路及波形冲信号作用下，交替的导通与截止。当开关管vt1导通，vt2截止时，输入电压ui经vt1、变压器初级绕组n1及电容c2为变压器初级线圈n1励磁，同时经次级侧二极管v1、绕组n2给负载供电。所以，初级测电源通过功率开关管vt1、vt2交替给变压器供电。变压器初级侧的脉冲电压峰值为ui/2。同样，电容c1、c2上的电压也分别为ui/2。半桥开关电源最大的优点是自动平衡能力强，不易使变压器由于vt1、vt2的导通时间不一致而产生磁饱和显现，是功率开关管vt1、vt2损坏。这是因为，vt1、vt2导通时间不一致时，变压器初级侧n1绕组的励磁电流大小不一样，致使电容c1、c2上的电压不不相等，励磁电流越大，则对应的电容器电压越小，从而起到自动平衡的作用。但是由于每个开关管中流过的电压只有输出电源电压的的一半，因此要输出同样的功率，每个功率开关管中流过的电流就要增大一倍。300w左右的开关电源多采用半桥式。同时，半桥开关电源中需要避免功率开关vt1、vt2的共态导通问题，否则将是两个功率开关损坏。这点可以通过使vt1、vt2功率开关管的导通间相互错开来解决。这一相互错开的的最小时间成为死区时间。2.1.6 全桥开关电源结构 源电路及波形如图1-12所示。由4个功率开关管vt1、vt2、vt3、vt4组成一个电桥形式的电路，其中，由vt1与vt4、vt2与vt3分别组成两个导通回路，当vt2、vt3的触发控制信号有效时，vt1、vt4的触发控制信号无效，vt2、vt3导通时，输入电压ui经vt2、变压器的初级线圈n1和vt3形成电流回路，加之变压器初级线圈，的电压为电源电压ui,并经次级侧二极管v1整流、滤波后为负载供电。同理，当vt2、vt3关短，vt1、vt4导通时，输入电压ui从和vt2、vt3导通时的电流相反的方向为变压器初级线圈n1励磁，并通过次级线圈n2和整流二极管v2为负载供电，这样再次级得到如up所示的脉冲波形。 和半桥开关电源相比，由于家在全桥变压器初级线圈上的电压、电流比半桥开关电源的各大一倍，因此在相同的电源供电电压ui下，全桥开关电源的输出功率是半桥电源开关的4倍。全桥电源开关厂用在输出功率较大的场合。（a） 电路图；（b） 波形图图2.7 全桥开关电源及波形图同样，在全桥电源开关中也存在4个功率开关管vt1、vt2、vt3、vt4的共态导通问题。这点可以通过设置死区时间的方法来克服。2.2 开关电源技术要点2.2.1 电源电路的组成及主要特点1. 电源电路主要由开关电源、副电源、辅助电路组成。(1) 主开关电源主开关电源的输出功率较副电源、辅助电路的输出功率要大。它将220v的交流输入直接整流、滤波为300v左右的直流电压，在经过电源稳压调整环节中的开关调节管、开关变压器、稳压控制电路、激励脉冲产生电路对300v左右的直流电压进行dc/dc开关变换，产生各种所需稳定的直流电压输出。主开关电源主要为主负载电路提供110145v的直流电压。电源电路的遥控待机功能是通过对主开关电源的控制实现的，主开关电源一旦停止工作，则相应的功率放大级也将停止工作，于是主负载失去直流供电。(2)副电源电源的主要作用是为微处理器控制电路提供+5v的供电电压。副电源电路一般较简单，既可采用简易开关电源，也可采用传统的线性稳压电路。无论伏在处于正常工作状态还是待机状态，负电源都必须正常工作。(3)辅助电路将行输出变压器中产生的行扫描脉冲进行整流、滤波，就可以得到所需的直流电压。由于辅助电路是将行输出及经直流交流直流做两次变换，所以又称为二次电源。行输出极产生的各种直流电压主要给显像管各电极供电，同时也可以为视频输出板尾板、场扫描以及图像和伴音通道供电。2. 电源电路的主要特点电源电路的主要特点如下：(1) 由于设备都属于高可靠性设备，对电源的要求较高，因此除了提供大的功率外，好要求具有较高的效率。(2) 为扩大设备仪器的使用范围，要求电源电路能适应110v和220v交流供电的需要。一般要求电源电路对交流输入时电电压的适应范围为90245v，并对50hz即60hz输入频率均能适应。(3) 为了使负载仪器设备使用安全，要求机芯为冷底板设计，所以输出稳压取样反馈回路普遍采用光电耦合器进行电源初、次级侧的隔离，以提高设备的抗干扰性和安全性。(4) 要求电源电路有良好的过压、过流、输出短路、x射线保护及复位功能。(5) 为了保证遥控古代及功能的实现，电源电路一般还加有副电源电路（待机电源），副电源电路功率不大，一般在几瓦左右，既可以采用开关电源实现，也可以用线性电源实现。2.2.2 倍压/桥式整流自动切换 为了保证负载能在较宽的交流输入电压范围内正常工作，如90245v，有些电源加了一个倍压/桥式整流自动切换电路，使他在110v交流电压下工作在倍压整流方式，而在220v交流输入电压下工作在桥式整流方式，从而使负载在110v和220v两种交流供电情况下都能正常工作。如果不采用倍压/桥式整流自动切换，则易使开关电源在110v交流供电状态时处于欠激励工作状态，而在220v交流供电状态时有易工作于过激励状态，不能保证开关电源处在最佳工作状态，其效率及可靠性等指标都可以得到保证。 图2.8 倍压/桥式整流自动切换电路倍压/桥式整流自动切换电路如图1-13所示。当输入220交流电压时，通过电压检测电路可使双向晶闸管截止，这是电容c1、c2相串联，整流电路为普通的整流工作方式，整流输出电压为u0为300v左右的直流电压。当交流输入电压为110v时，通过电压检测电路是双向晶闸管v导通，整流电路工作在倍压整流方式。倍压整流方式的工作原理图所示。倍压/桥式整流自动切换电路可使在110v和220v交流输入电压下的整流滤波输出直流电压相差不大，从而确保开关电源即可工作在交款的交流输入电压范围，又可以使开关电源处在最佳工作状态，从而提高开关电源的效率和工作可靠性。但是倍压/桥式整流自动切换电路如不能正常完成切换功能，同样会引起负载电路的大面积损坏，设计电路时必须十分重视。第三章 开关电源的控制及pwm技术3.1 开关器件开关器件的特性及驱动是开关电源电路中关键的问题对开关器件的认识和了解是电源设计和使用的基本知识。3.1.1 开关器件的特征同处理信息的电子器件相比，开关电子器件具有以下特征：(1) 能处理功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于信息处理的电子器件(2) 开关器件一般都工作在开关状态，导通时阻抗很小，接近短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断是阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。(3) 开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题，做电路分析时，为简单起见往往用理想开关代替实际开关。(4) 电路中的开关器件有信息电路电件的驱动电路。(5) 为保证比值语音虽好散发的热量而导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作是一般都安装散热器。导通时，器件上有一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态电流流过；形成断态损耗时，在开关器件开通或断开地转换过成中产生开通损耗和关短损耗，总成开关损耗子来控制，在主电路和控电路之间需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器。对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。3.1.2 开关器件的组成开关电源系统由控制电路、驱动电路、以及开关器件为核心的主电路组成。控制电路系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制住电路中开关器件的通或断来完成整个系统的功能。 开关电源系统中需要有检测电路。广义上往往其他驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说开关电源系统是由电路和控制系统组成。开关器件一般有三个端子，其中两个来连接在主电路中，而第三端被称为控制端或者控制极。开关器件的通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路的公共端，一般是主电路电流流出期间的端子。3.1.3 开关器件的分类开关器件按照岂能被控制电路信号所控制的程度分为以下三类。（1） 半控制性器件 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，晶闸管及其大部分派生器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。(2) 全控制型器件 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件，如电力场效应管mosfet、门极可关断晶闸管gto。(3) 不可控器件不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。如电力二极管只有两个端子，它的通断是由其在主电路中承受的电压和电流绝定的。3.1.4 电力场效应晶体管mosfet功率场效应管又叫功率场控晶体管1.原理实际上，功率场效应管也分结型、绝缘栅型。但通常指后者中的mos 管，即mosfet（metal oxide semiconductor field effect transistor）。mos 器件的电极分别为栅极g、漏极d、源极s。和普通mos 管一样，它也有：耗尽型：栅极电压为零时，即存在导电沟道。无论vgs 正负都起控制作用。增强型：需要正偏置栅极电压，才生成导电沟道。达到饱和前，vgs 正偏越大，ids越大。一般使用的功率mosfet 多数是n 沟道增强型。而且不同于一般小功率mos 管的横向导电结构，使用了垂直导电结构，从而提高了耐压、电流能力，因此又叫vmosfet2.特点这种器件的特点是输入绝缘电阻大（1 万兆欧以上），栅极电流基本为零。驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时，导通电阻与电压的平方成正比，因而提高耐压和降低高压阻抗困难。适合低压100v 以下，是比较理想的器件。目前的研制水平在1000v/65a 左右（参考）。其速度可以达到几百khz，使用谐振技术可以达到兆级。3.参数与器件特性无载流子注入，速度取决于器件的电容充放电时间，与工作温度关系不大，故热稳定性好。（1） 转移特性：id 随ugs 变化的曲线，成为转移特性。从下图可以看到，随着ugs 的上升，跨导将越来越高。（2） 输出特性（漏极特性）输出特性反应了漏极电流随vds 变化的规律。这个特性和vgs 又有关联。下图反映了这种规律。爬坡段是非饱和区，水平段为饱和区，靠近横轴附近为截止区，这点和gtr 有区别。vgs=0 时的饱和电流称为饱和漏电流idss。（3）通态电阻ron：通态电阻是器件的一个重要参数，决定了电路输出电压幅度和损耗。该参数随温度上升线性增加。而且vgs 增加，通态电阻减小。（4）跨导：mosfet 的增益特性称为跨导。定义为：gfs= id/ vgs （1-6）显然，这个数值越大越好，它反映了管子的栅极控制能力。（5）栅极阈值电压栅极阈值电压vgs 是指开始有规定的漏极电流（1ma）时的最低栅极电压。它具有负温度系数，结温每增加45 度，阈值电压下降10%。（6）电容mosfet 的一个明显特点是三个极间存在比较明显的寄生电容，这些电容对开关速度有一定影响。偏置电压高时，电容效应也加大，因此对高压电子系统会有一定影响。器件开通延迟时间内,电荷积聚较慢。随着电压增加，电荷快速上升，对应着管子开通时间。最后，当电压增加到一定程度后，电荷增加再次变慢，此时管子已经导通。（8）正向偏置安全工作区及主要参数mosfet 和双极型晶体管一样，也有它的安全工作区。不同的是，它的安全工作区是由四根线围成的。最大漏极电流idm：这个参数反应了器件的电流驱动能力。最大漏源极电压vdsm：它由器件的反向击穿电压决定。最大漏极功耗pdm：它由管子允许的温升决定。漏源通态电阻ron：这是mosfet 必须考虑的一个参数，通态电阻过高，会影响输出效率，增加损耗。所以，要根据使用要求加以限制。4.绝缘栅型双极晶体管（igbt）igbt是功率mosfet和双极型功率晶体管组合在一起的复合功率器件。既有mosfet的通断速度快、输入阻抗高、驱动电路简单及驱动功率小等优点，又具有大功率双极晶体管的容量大和阻断电压高的优点。根据igbt是mosfet和双极型功率晶体管的复合器件，它具有以下特点。（1）igbt的输入级是是mosfet，在栅极g和发射极e之间加上驱动电压时，mosfet便进入导通（或关断）状态。因此igbt是一种电压控制器件。（2）在igbt中，mosfet的开关速度非常快，所以igbt的开关速度取决于等效晶体管的开关速度。（3）当在igbt的集电极和发射极之间施加负电压时，由于pn结处于反偏状态，在集电极和发射极之间不可能有电流流过。由于igbt比mosfet多了一个pn结，使igbt比mosfet具有更高的耐压。（4）igbt处于导通时，的大小能反映过流情况。因此，通过测量来识别过流情况，一旦高于某一数值表明出现过流情况时，可控栅极电压快速变为0或负电压，使igbt快速截止，实现对igbt的过流保护。通过以上分析可以看出，igbt具有正反相阻断电压高、通态电流大及通过电压来控制其导通或关断等特点。广泛的作为功率开关器件用于开关型直流稳压电源中。3.2 pwm调制技术3.2.1 pwm逆变电路及其控制方法pwm控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了pwm技术。逆变电路时pwm控制技术最为重要的应用场合。pwm逆变电路也可分为电压型和电流型两种。目前实际应用的pwm逆变电路几乎都是电压型电路。在电压型逆变电路的pwm控制中，运用调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的pwm波形。通常采用等腰三角波作为载波。因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合pwm控制的要求。在调制信号波为正弦波时，所得到的就是spwm波形。开关电源大多采用的是三相桥式pwm型逆变电路，如图1-14所示，这种电路都是采用双极性控制方式。采用双极性方式时，在调制信号的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得的pwm波也是有正有负。在的一个周期内，输出的pwm波形只有ud两种电平。在调制信号和载波信号的交点时刻控制各开关器件的通断。u、v和w三相的pwm控制通常公用一个三角波载波,三相的调制信号、和依次相差120。u、v和w各相功率开关器件的控制规律相同，现以u相为例来说明。当时，给上桥臂v1以导通信号，给下桥臂v4以关断信号，则u相相对于直流电源假象中点n的输出电压。当时，给v4 以导通信号，给v1以关断信号，则。v1 和v4的驱动信号始终是互补的。当给v1（v4）加导通信号时，可能是v1（v4）导通，也可能是二极管vd1（vd4） 续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。v相和w相的控制方式都和u相相同。电路的波形如图1-15所示。在电压型逆变电路的pwm控制中，同一相上下两个桥臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上下两个桥臂直通而造成短路，在上下两臂通断切换时要留小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由功率开关器件的关断时间来决定。这个死区时间将会给输出的pwm波形带来一定影响，使其稍稍偏离正弦波。图3.1 三相桥式pwm型逆变电路图3.2 三相桥式pwm逆变电路波形pwm调制方式可分为异步调制和同步调制。在pwm控制电路中，载波频率与调制信频率信号之比称为载波比。调制方式正式根据载波和信号波是否同步及载波比的