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开关电源拓朴结构分析 FAENAME CARY CHEN SZ2 2 电源的分类 什么是PowerSupply PowerSupply 负载 Vin Iin PowerSupply是一种提供电力能源的设备 它可以将一种电力能源形式转换成另外一种电力能源形式 并能对其进行控制和调节 上级电能形式 Vo Io f phase f phase 根据转换的形式分类 AC DC DC DC DC AC AC AC 根据转换的方法分类 线性电源 相控电源 开关电源 根据调控的效果分类 稳压 恒流 调频 调相 根据调控的方法分类 传统反馈控制 矢量控制 数位控制 3 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 4 三种基本的非隔离开关电源 Vo Vin D 1 D Vo Vin D Vo Vin 1 D Vo Vin Bulk降压型电路 Vo Vin Boost升压型电路 VoVin当D 0 5 buck boost升降压型电路 5 三种基本的隔离开关电源 正激型变换器 反激型变换器 桥式变换器 6 反激变换器 Flyback 工作原理 电流连续模式 根据变压器的伏秒平衡 7 反激变换器 Flyback 工作原理 电流断续模式 根据变压器的伏秒平衡 Vgs ID Vds D 1 D T Io Vin Vin nVo Im VL Vin nVo ID p nVo 根据能量守恒 8 反激变换器 Flyback 工作原理 1 Vr 9 反激变换器 Flyback 工作原理 2 Ploss Vc Vin 2 R Ploss Vc 2 R 10 反激变换器 Flyback 工作原理 3 Vo 根据Co在DT时间的基本方程 11 反激变换器 Flyback 工作原理 4 多路输出的反激变换器 减小交叉调整率的措施 尽量减少两个绕组之间的漏感 在辅助输出一路中加入尖峰抑制器 饱和电感 主路输出工作于电流连续模式 采用双路加权反馈的控制方式 12 反激变换器 Flyback 特征总结 缺点 输出纹波电流大 输出控制特性非线性 通常需要辅助的吸收回路 转换效率较低 优点 电路简单 输入电压范围广 容易实现多路输出 13 谐振复位正激变换器 ResonantResetForward 1 Io n 1 Vin Vo Lo G DS Vgs IL Vds D 1 D T Ip VL Io Vin n Vo Vo Im Vin IL IL Lm Lk Cr t0 t1 t2 t3 t4 Ip t0 t1 t5 14 谐振复位正激变换器 ResonantResetForward 2 Io n 1 Vin Vo L G DS Vgs IL Vds D 1 D T Ip VL Io Vin n Vo Vo Im Vin IL IL Lm Lk Cr t0 t1 t2 t3 t4 Ip t1 t2 t5 15 谐振复位正激变换器 ResonantResetForward 3 Io n 1 Vin Vo L G DS Vgs IL Vds D 1 D T Ip VL Io Vin n Vo Vo Im Vin IL IL Lm Lk Cr t0 t1 t2 t3 t4 Ip t2 t3 t5 16 谐振复位正激变换器 ResonantResetForward 4 Io n 1 Vin Vo L G DS Vgs IL Vds D 1 D T Ip VL Io Vin n Vo Vo Im Vin IL IL Lm Lk Cr t0 t1 t2 t3 t4 Ip t3 t4 t5 Lm Cr的选取原则 17 谐振复位正激变换器 ResonantResetForward 5 Io n 1 Vin Vo L G DS Vgs IL Vds D 1 D T Ip VL Io Vin n Vo Vo Im Vin IL IL Lm Lk Cr t0 t1 t2 t3 t4 Ip t4 t5 t5 Vin n Vo DT Vo 1 D T 根据电感的伏秒平衡 Vo VinD n 18 谐振复位正激变换器 ResonantResetForward 特征 Vin Vo Cr 缺点 原边开管电压应力较高 谐振电容的损耗大 宽范围输入效率很难兼顾 优点 电路简单 线性输出控制特性 不需要辅助的吸收回路 Vin Vo Cr Vin Vo Cr 19 有源钳位正激变换器 ActiveClampedForward 1 Io n 1 Vin Vo Lo G DS Sa IL Vds D T Ip VT Io Vin n Vc n Im Vin IL IL Lm Lk Cr t0 t1 t2 t3 t4 Ip t0 t1 t5 S1 S1 Sa 1 D VT 20 有源钳位正激变换器 ActiveClampedForward 2 Io n 1 Vin Vo Lo G DS Sa IL Vds D Ip VT Io Vin n Vc n Im Vin IL IL Lm Lk Vc t0 t1 t2 t3 t4 Ip t1 t2 t5 S1 S1 Sa 1 D VT 副边电压的死区跟Lk和Io有关 跟原边开管的死区无关 21 有源钳位正激变换器 ActiveClampedForward 3 Io n 1 Vin Vo Lo G DS Sa IL Vds D Ip VT Io Vin n Vc n Im Vin IL IL Lm Lk Vc t0 t1 t2 t3 t4 Ip t2 t3 t5 S1 S1 Sa 1 D VT Sa在零电压条件下开通 原边开管的死区时间需满足 22 有源钳位正激变换器 ActiveClampedForward 4 Io n 1 Vin Vo Lo G DS Sa IL Vds D Ip VT Io Vin n Vc n Im Vin IL IL Lm Lk Vc t0 t1 t2 t3 t4 Ip t3 t4 t5 S1 S1 1 D VT 激磁电流反向 变压器被复位 23 有源钳位正激变换器 ActiveClampedForward 5 Io n 1 Vin Vo Lo G DS Sa IL Vds D Ip VT Io Vin n Vc n Im Vin IL IL Lm Lk Vc t0 t1 t2 t3 t4 Ip t4 t5 t5 S1 S1 Sa 1 D VT 激磁电流对主开关的输出电容放电 t6 t0 24 有源钳位正激变换器 ActiveClampedForward 6 Io n 1 Vin Vo Lo G DS Sa IL Vds D Ip VT Io Vin n Vc n Im Vin IL IL Lm Lk Vc t0 t1 t2 t3 t4 Ip t4 t5 t5 S1 S1 Sa 1 D VT 激磁电流对主开关的输出电容放电 t6 t0 25 有源钳位正激变换器 ActiveClampedForward 7 Io n 1 Vin Vo Lo G DS Sa IL Vds D Ip VT Io Vin n Vc n Im Vin IL IL Lm Lk Vc t0 t1 t2 t3 t4 Ip t5 t6 t5 S1 S1 Sa 1 D VT t5时刻副边二极管钳位主开关的输出电容放电结束 t6时刻新的周期开始 t6 t0 26 有源钳位正激变换器 ActiveClampedForward 8 Io n 1 Vin Vo Lo G DS Sa IL Vds D Ip VT Io Vin n Vc n Im Vin IL IL Lm Lk Vc t0 t1 t2 t3 t4 Ip t5 S1 S1 Sa 1 D VT t6 t0 Vin n Vo DT Vo 1 D T 根据电感的伏秒平衡 Vo VinD n VinDT Vc 1 D T 根据变压器的伏秒平衡 Vc VinD 1 D Vds Vc Vin Vds Vin 1 D 27 有源钳位正激变换器 ActiveClampedForward 9 Vc VinD 1 D Vds Vin 1 D Vin 28 有源钳位正激变换器 ActiveClampedForward 10 Vin Vo Vin Vo Vin Vo Sa Sa Sa 缺点 钳位电压建立较慢 启动过程变压器易偏磁 对输入电压的动态响应慢 优点 变压器最优化复位 电压应力低 输入电压范围宽 线性输出控制特性 不需要辅助的吸收回路 29 桥式变换器 BridgeTypeConverter Vin Vo L S1 D1 D2 S2 半桥变换器 Vin Vo L S1 D1 D2 S2 全桥变换器 Vin Vo L S1 D1 D2 S2 推挽变换器 Vin Vo S1 D2 S2 半桥变换器 倍流整流 30 桥式变换器 BridgeTypeConverter 1 Vin Vo Lo S1 D1 D2 S2 n 1 1 Lm Lk Ip Io C B VT S1 IL Vds1 D Ip VT Io Vin 2n Vin 2n Im Vin IL t0 t1 t2 t3 t4 t5 S2 D t6 t0 T 2 T 2 Vc t0 t1 变换器正半周工作 Ip Im增加 Vc减少 C1 C1 31 桥式变换器 BridgeTypeConverter 2 Vin Vo Lo S1 D1 D2 S2 n 1 1 Lm Lk Ip Io B VT S1 IL Vds1 D Ip VT Io Vin 2n Vin 2n Im Vin IL t0 t1 t2 t3 t4 t5 S2 D t6 t0 T 2 T 2 Vc C1 C C1 Vin 2 t1 t2 S1关断 变压器副边续流 原边漏感能量被S2体二极管钳位 32 桥式变换器 BridgeTypeConverter 3 Vin Vo Lo S1 D1 D2 S2 n 1 1 Lm Lk Ip Io B VT S1 IL Vds1 D Ip VT Io Vin 2n Vin 2n Im Vin IL t0 t1 t2 t3 t4 t5 S2 D t6 t0 T 2 T 2 Vc C1 C C1 Vin 2 t2 t3 S1 S2全部关断 变压器副边续流 Lm保持不变 D1 D2电流之差为Lm 33 桥式变换器 BridgeTypeConverter 4 Vin Vo Lo S1 D1 D2 S2 n 1 1 Lm Lk Ip Io A B S1 IL Vds1 D Ip VT Io Vin 2n Vin 2n Im Vin IL t0 t1 t2 t3 t4 t5 S2 D t6 t0 T 2 T 2 Vin 2 VT Vc t3 t4 变换器负半周工作 Ip Im减少 Vc增加 34 桥式变换器 BridgeTypeConverter 5 Vin Vo Lo S1 D1 D2 S2 n 1 1 Lm Lk Ip Io A B S1 IL Vds1 D Ip VT Io Vin 2n Vin 2n Im Vin IL t0 t1 t2 t3 t4 t5 S2 D t6 t0 T 2 T 2 Vin 2 VT Vc t4 t5 S2关断 变压器副边续流 原边漏感能量被S1体二极管钳位 35 桥式变换器 BridgeTypeConverter 6 Vin Vo Lo S1 D1 D2 S2 n 1 1 Lm Lk Ip Io B VT S1 IL Vds1 D Ip VT Io Vin 2n Vin 2n Im Vin IL t0 t1 t2 t3 t4 t5 S2 D t6 t0 T 2 T 2 Vc C1 C C1 Vin 2 t5 t6 S1 S2全部关断 变压器副边续流 Lm保持不变 D1 D2电流之差为Lm t0 t1 t1 t3 36 桥式变换器 BridgeTypeCon