开关电源的工作原理与电路设计.ppt

开关电源的工作原理与电路设计 陶显芳2013 12 15 1 下面是本次技术交流的主要内容 一 开关电源基本电路的工作原理1 串联式开关电源2 并联式开关电源3 反转式开关电源4 单激式变压器开关电源5 双激式变压器开关电源6 各种开关电源的优缺点二 各种开关电源电路参数的计算1 输出电压的计算2 储能电感的计算3 储能滤波电容的计算4 变压器参数的计算5 单激式开关变压器气隙的选取 希望从事开关电源设计的工程师对此感兴趣 6 开关变压器伏秒容量的计算与测量7 开关变压器初次级线圈匝数计算8 开关电源占空比与变压比的计算三 开关电源电路设计 此部分为增补内容 1 开关电源电路设计的几个要素2 常用开关电源3 开关电源典型电路简介4 单IC开关电源5 自激式开关电源6 场效应管开关电源7 开关电源的安全设计8 开关电源调试方法要点 2 开关电源的工作原理与电路设计 概论 3 1 0 1 1开关电源的应用 开关电源的应用遍及各个行业和领域 图中列举的有 电子手表 MP3 MP4 手机 节能灯 LED灯 充电器 电源适配器 电脑 电视机 变频空调 UPS电源 电磁炉 电动摩托 电动汽车 动车组 逆变器 太阳能 风能 逆变站 高压直流电网 等等 4 1 2什么是开关电源 形象地说 开关电源就是一个对不同输入电压进行变换和调整 以适应不同负载要求的装置 其特点是电源工作在开 关状态 工作效率高 是一种比线性控制电源应用更广范的电源转换装置 根据用途来分 开关电源可分为 DC DC AC DC DC AC AC AC 等多种开关电源 根据开关工作模式来分 开关电源可分为 频率 脉冲宽度固定式 频率固定 脉冲宽度可变式 频率 脉冲宽度可变式 等3种开关电源 根据开关器件在电路中连接的方式 开关电源可分为 串联式开关电源 并联式开关电源 变压器式开关电源 其中分 单激式和双激式变压器开关电源 开关电源种使用的开关器件主要是 晶体管 场效应管 IGBT管 闸流管 电源IC 包括厚膜电路 及磁饱和开关等 5 1 3开关电源的几种工作模式 一 非隔离式开关电源1 串联式开关电源2 并联式开关电源3 反转式开关电源二 隔离式变压器开关电源 1 单激式变压器开关电源1 正激式变压器开关电源2 反激式变压器开关电源 2 双激式变压器开关电源1 推挽式变压器开关电源2 半桥式变压器开关电源a 单电容半桥式变压器开关电源b 双电容半桥式变压器开关电源3 全桥式变压器开关电源 6 串联式开关电源 7 开关电源的工作原理 2 0 2 1串联式开关电源的工作原理 图2 1 图2 1 a是串联式开关电源的最简单工作原理图 图1 1 b是串联式开关电源输出电压的波形 Ui 输入电压 uo 输出电压 Up 输出电压峰值 Ton 导通时间 Toff 关断时间 Ua 输出电压平均值 D 占空比 串联式开关电源也有人称为斩波器 或CuK开关电源 其工作原理简单 工作效率高 缺点是输入 输出共用一个地 容易一起触电和EMI干扰 2 1 2 2 8 图2 2 2 2串联式开关电源输出电压滤波电路 图2 2是串联式开关电源输出电压滤波电路 图中 K为开关 开关器件 L为储能滤波电感 C为储能滤波电容 D为续流二极管 R为负载电阻 Ui为输入电压 uo为滤波器输入电压 开关输出电压 eL为滤波电感产生的感应电动势 iL为流过电感L的电流 Uo为滤波输出电压 开关电源输出电压 Io为流过负载的电流 9 10 在Ton期间 输入电压Ui通过控制开关K输出电压uo 然后加到储能滤波电感L和储能滤波电容C组成的滤波电路上 在此期间储能滤波电感L两端的电压eL为 2 4 流过电感的电流 K关断前瞬间 2 5 流过电感的最大电流 上式中 i 0 为电流初始值 在开关K关断期间 储能电感L把磁能转化成电流iL 通过续流二极管D继续向负载R提供能量 在此期间L两端的电压eL为 K关断期间 2 6 对 2 6 进行积分得 K关断期间 2 7 K接通期间 2 3 串联式开关电源输出电压滤波电路 2 8 式中 分别为K从Toff转换到Ton的瞬间 或K从Ton 和 转换到Toff的瞬间 流过电感的电流 因此 2 7 式又可以改写为 K关断期间 2 9 当t Toff时刻 iL达到最小值 此值为 K接通前瞬间 2 10 上面计算过程中 2 4 式表示输入电压Ui通过电感L对滤波电容充电 同时也对负载供电 流过电感L的电流按线性规律上升 斜率为 Ui Uo L 2 9 式表示储能电感L在释放能量 继续对滤波电容充电和对负载供电 流过电感L的电流按线性规律下降 斜率为 Uo L 上面计算过程都是假说输出电压Uo不变的情况下得到的结果 实际应用中也是这样 因为输出电压的纹波非常小 综合上面计算结果进行分析 11 K关断期间 2 8 上式中 1 当Ui 2Uo时 即 D 0 5时 此时电感存储能量的速度与释放能量的速度完全相等 斜率相等 此时 2 5 式中的电流初始值i 0 和 2 10 式中的电流最小值iLx 终了值 均等于0 即流过储能电感的电流iL为临界连续电流 此时滤波输出电压Uo等于滤波输入电压uo的平均值Ua 如图2 3所示 12 串联式开关电源输出电压滤波电路分析 13 2 当Ui 2Uo时 即D 0 5时 虽然在K接通期间 流过储能电感L的电流上升率 绝对值 大于K关断期间流过电感L的电流上升率 绝对值 由于 2 5 式中i 0 等于0 以及Ton小于Toff 此时 2 10 式中的iLX会出现负值 即输出电压反过来要对电感充电 但由于整流二极管D的存在 这是不可能的 这表示流过储能电感L的电流提前过0 即有断流 在这种情况下 流过储能电感L的电流iL不是连续电流 开关电源工作于电流不连续状态 因此 输出电压Uo的纹波比较大 且滤波输出电压Uo小于滤波输入电压uo的平均值Ua 如图2 4所示 串联式开关电源输出电压滤波电路分析 3 当Ui 2Uo时 即 滤波输出电压Uo大于电源输入电压Ui的一半时 或控制开关K的占空比大于二分之一时 在K接通期间 虽然流过储能电感L的电流上升率 绝对值 小于在K关断期间 流过储能电感L的电流上升率 绝对值 但由于Ton大于Toff 2 5 式中i 0 和 2 10 式中iLx均大于0 即 电感存储能量每次均释放不完 在这种情况下 流过储能电感L的电流iL是连续电流 开关电源工作于连续电流状态 输出电压Uo的纹波比较小 且滤波输出电压Uo大于滤波输入电压uo的平均值Ua 如图1 4所示 14 串联式开关电源输出电压滤波电路分析 2 3串联式开关电源储能滤波电感的计算 从上面分析可知 串联式开关电源输出电压Uo与控制开关的占空比D有关 还与储能电感L的大小有关 因为储能电感L决定电流的上升率 di dt 即输出电流的大小 因此 正确选择储能电感的参数相当重要 串联式开关电源最好工作于临界连续电流状态 或连续电流状态 此时 开关电源输出电压的调整率为最好 且输出电压Uo的纹波也不大 因此 我们可以从临界连续电流状态着手进行分析 我们先看 2 5 式 K关断前瞬间 2 5 当串联式开关电源工作于临界连续电流状态时 即D 0 5时 i 0 0 iLm 2Io 因此 2 5 式可以改写为 或 D 0 5 2 11 2 12 2 12 式就是我们用来计算串联式开关电源储能滤波电感的计算公式 15 2 4串联式开关电源储能滤波电容的计算 图2 6是串联式开关电源工作于临界连续电流状态时 串联式开关电源电路中各点电压和电流的波形 图a 是控制开关K输出电压的波形 图b 是储能滤波电容C的充 放电波形 图c 是流过储能滤波电感电流iL的波形 当串联式开关电源工作于临界连续电流状态时 控制开关K的占空比D等于0 5 流过负载的电流Io等于流过储能滤波电感最大电流iLm的二分之一 当占空比D等于0 5时 电容器充 放电的电荷和充 放电的时间 以及正 负电压纹波值均应该相等 并且电容器充电流的平均值也正好等于流过负载的电流 因此 电容器充时 电容器存储的电荷 Q为 16 图2 6 D 0 5时 2 13 电容器储存的电荷 由此求得电容的值为 D 0 5时 2 14 或 2 14 和 2 15 式 就是计算串联式开关电源储能滤波电容的公式 式中 Io是流过负载的平均电流 T为控制开关K的工作周期 UP P为输出电压的波纹 电压波纹 UP P一般都取峰 峰值 所以电压波纹正好等于电容器充电或放电时的电压增量 即 UP P Uc 2 15 17 串联式开关电源储能滤波电容的计算 18 2 5串联式开关电源小结 串联式开关电源输出电压的平均值Ua为 2 12 串联式开关电源滤波电感的大小可根据 2 12 式选取 串联式开关电源滤波输出电压Uo为 2 1 D 0 5 D 0 5 2 1 D 0 5 串联式开关电源的占空比D为 2 2 由于串联式开关电源的输出负载一般都不是一个固定值 因此 实际应用时要用时要对 2 12 和 2 15 式给出的计算结果预留足够的余量 当输入电压Ui和L的值固定之后 串联式开关电源的输出电压Uo就与输出电流Io和占空比有关 通过改变占空比 就可以调整开关电源的输出电压Uo 这就是开关电源可以调压和稳压的原理 串联式开关电源滤波输出电压的电压纹波 UP P大小与滤波电容器的大小有关 当占空比D小于0 5时 由于流过储能滤波电感L的电流iL出现不连续 电容器放电的时间大于电容器充电的时间 开关电源滤波输出电压Uo的电压纹波 UP P将显著增大 这一点选择滤波电容器的参数时要特别注意 串联式开关电源滤波电容器的大小可根据 2 15 式选取 2 15 19 2 5串联式开关电源小结 反转式串联开关电源 20 开关电源的工作原理 3 0 3 1反转式串联开关电源的工作原理 图1 7是反转式串联开关电源的简单工作原理图 图中 K为开关 开关器件 L为储能电感 D为整流二极管 C为储能滤波电容 R为负载电阻 Ui为输入电压 uo为整流输入电压 eL为储能电感产生的感应电动势 iL为流过储能电感L的电流 Uo为开关电源的输出电压 Io为流过负载的电流 反转式串联开关电源输出的电压是负电压 由于储能电感L只在开关K关断时才向负载输出电流 因此 在相同条件下 反转式串联开关电源输出的电流比串联式开关电源输出的电流小一倍 图3 1 21 图3 2 图3 4 图3 2 3 3 3 4分别反转式串联开关电源工作于D 0 5 D 0 5 D 0 5时 各点的电压 电流波形 图3 2工作在临界电流连续状态 图3 3为电流不连续状态 图3 4为电流连续状态 22 反转式串联开关电源的工作原理 图1 9 23 在开关K接通期间 电源Ui开始对储能电感L供电 储能电感L两端的电压eL为 流过电感的电流 流过电感的最大电流 上式中 i 0 为电流初始值 在开关K关断期间 储能电感把iLm存储的磁能转化成反电动势eL 然后通过整流二极管D向负载R提供能量 eL为 K关断期间 3 4 K接通期间 3 1 K接通期间 3 2 K关断前瞬间 3 3 上式中Uo之前的负号 表示K关断期间电感产生电动势的方向与K接通期间电感产生电动势的方向正好相反 对 3 4 式进行积分得 K关断期间 3 5 反转式串联开关电源的工作原理 上式中i Ton 为控制开关K从Ton转换到Toff的瞬间流过电感的电流 i Ton 也可以写为i Toff 即 控制开关K关断或接通瞬间 之前和之后流过电感L的电流相等 实际上 3 5 式中的i Ton 就是 3 3 式中的iLm 即 K关断期间 3 6 因此 3 6 式可以改写为 K关断期间 3 7 当t Toff时iL达到最小值 其最小值为 K接通前瞬间 3 8 当开关电源工作于临界电流连续状态 或电流不连续状态时 即D 0 5时 流过储能电感的初始电流i 0 和流过储能电感电流的最小值iLX均等于0 参看图3 2和图3 3 而当开关电源工作于电流连续状态 流过储能电感的初始电流i 0 和流过储能电感电流的最小值iLX均相等 参看图3 4 即当D 0 5时 i 0 iLX 24 反转式串联开关电源的工作原理 因此 由 3 3 和 3 8 式 可求得反转式串联开关电源输出电压Uo为 3 9 25 3 9 式就是计算反转式串联开关电源输出电压的公式 式中负号 表示反转式串联开关电源输出电压为负脉冲 当图3 1中的滤波电容器C开路时 负脉冲的幅度将非常高 负脉冲是一个幅度按指数规律下降的尖脉冲 其幅度主要由负载电阻的大小 以及占空比来决定 当图3 1中的滤波电容器C接入后 反转式串联开关电源输出电压uo为一负方波 我们把此方波称之为半波平均值 关于半波平均值的概念我们后面还会详细解释 由 3 9 式可以看出 反转式串联开关电源输出电压与输入电压与开关接通的时间成正比 与开关关断的时间成反比 而与储能电感L的大小无关 与储能电感L有关的是输出电流的大小 而电流的大小隐含在 3 3 3 7 3 8 式中 反转式串联开关电源中的储能电感仅在控制开关K关断期间才产生反电动势向负载提供能量 因此 当占空比等于0 5时 反转式串联开关电源中流过负载R的电流Io只有流过储能电感L最大电流iLm的四分之一 比串联开关电源小一半 当占空比小于0 5时 3 3 式中的i 0 0 因此 3 3 式可以改写为 3 2 反转式串联开关电源储能电感的计算 D 0 5 3 10 式中Io为流过负载的电流 T为开关电源的工作周期 当D 0 5时 T正好等于2倍Ton 由此求得 D 0 5 3 11 3 12 3 11 和 3 12 式为计算反转式串联开关电源储能电感的公式 式中 Io是流过负载的平均电流 26 3 3 反转式串联开关电源储能滤波电容的计算 从图3 2可以看出 在占空比D等于0 5的情况下 电容器充电的时间为3 8T 电容器充电电流的平均值为3 8iLm 或3 2Io 而电容器放电的时间为5 8T 电容器放电电流的平均值为0 9Io 因此有 D 0 5 3 13 式中 Q为电容器充电的电荷 Io流过负载的平均电流 T为工作周期 电容器充电时 电容器两端的电压由最小值充到最大值 绝对值 相应的电压增量为 Uc 由此求得电容器两端的波纹电压 UP P为 D 0 5 3 14 D 0 5 3 15 由此求得 或 3 16 3 15 和 3 16 式是计算反转式串联开关电源储能滤波电容的公式 27 3 4 反转式串联开关电源小结 反转式串联开关电源输出电压Uo为 3 9 反转式串联开关电源储能电感的大小可根据 3 12 式选取 3 12 28 反转式串联开关电源储能滤波电容器的大小可根据 3 16 式选取 3 16 上面两式中 Io为流过负载的平均电流 Ton为控制开关接通时间 UP P为纹波电压 由于反转式串联开关电源的输出负载一般都不是一个稳定值 因此 上式中的Io和 UP P也不是固定值 使用时要预留足够的余量 反转式串联开关电源中的储能电感仅在控制开关K关断期间才产生反电动势向负载提供能量 因此 当占空比等于0 5时 反转式串联开关电源中流过负载R的电流Io只有流过储能电感L最大电流iLm的四分之一 比串联开关电源小一半 在相同条件下 反转式串联开关电源输出电压的纹波要比串联式开关电源输出电压的纹波大一些 这一点选择滤波电容器的参数时要特别注意 29 3 4 反转式串联开关电源小结 反转式串联开关电源输出波纹电压 UP P为 D 0 5 3 14 并联式开关电源 开关电源的工作原理 30 4 0 4 1 并联式开关电源的工作原理 图4 1 a是并联式开关电源的最简单工作原理图 Ui是工作电压 L是储能电感 K是控制开关 R是负载 图4 1 b是并联式开关电源输出电压的波形 uo是开关电源输出电压 Up是开关电源输出电压的峰值 Upa是开关电源输出电压的半波平均值 当控制开关K接通时 输入电源Ui开始对储能电感L加电 流过储能电感L的电流按线性规律增加 电流被转换化成磁能 并存储在储能电感中 当控制开关K由接通转为关断的时候 储能电感会产生反电动势 反电动势产生电流的方向与原来电流的方向相同 因此 在负载上会产生很高的电压 31 并联式开关电源电路工作原理分析 在开关K接通期间 电源Ui开始对储能电感L供电 储能电感L两端的电压eL为 K接通期间 4 1 流过电感的电流 流过电感的最大电流 上两式中的i 0 为电流初始值 其值与D大小有关 当占空比D小于或等于0 5时 i 0 Ui R 而当D大于0 5时 i 0 Ui R 为了简单 这里我们先只考虑D 0 5的情况 即 i 0 Ui R的情况 当t Ton瞬间 流过储能电感L的电流达到最大值ILm K关断前瞬间 D 0 5 4 4 K接通期间 4 2 K关断前瞬间 4 3 32 上式中的负号 表示K关断期间电感产生电动势的方向与K接通期间电感产生电动势的方向正好相反 对 4 5 进行积分得 K关断期间 D 0 5 4 7 在开关K关断期间 储能电感L产生的电动势eL为 K关断期间 4 5 K关断期间 4 6 上式中C为常数 把初始条件 令t 0 代入上式 很容易就可求出C 由于控制开关K由接通状态突然转为关断时 流过储能电感L中的电流iL不能突变 即i Ton i Toff 并且正好等于流过储能电感L的最大电流ILm 因此 4 6 式可以写为 33 并联式开关电源电路工作原理分析 K关断期间 D 0 5 4 8 从 4 8 式可以看出 当t 0时 即 K关断瞬间 输出电压有最大值 K关断瞬间 D 0 5 4 9 从 4 9 式可以看出 当并联式开关电源的负载R很大或开路时 输出脉冲电压的幅度将非常高 随后 随着时间的增长 幅度按指数下降 最后下降到与输入电压Ui基本相同 这种情况有时是需要避免的 因为高压脉冲很容易通过静电感应 使电路中的其它器件过压击穿 或产生EMI干扰 并联式开关电源输出电压经滤波之后 可得到一个高于输入电压的输出电压 因此并联式开关电源经常作为倍压或升压电源使用 34 由此可求得 并联式开关电源输出电压uo等于 并联式开关电源电路工作原理分析 4 2 并联式开关电源输出电压滤波电路 35 图4 2 a是带有整流滤波功能的并联式开关电源工作原理图 Ui是开关电源的工作电压 L是储能电感 eL为储能电感L两端产生的反电动势 K是控制开关 D为整流二极管 C为储能滤波电容 R是负载 Uo为滤波输出电压 Io为流过负载的电流 图4 2 b表示并联式开关电源输出电压中各种成份之间的关系 其中 Ui为输入电压 uo为并联开关K两端的输出电压 Up为输出电压uo的峰值 Upa是输出电压uo的半波平均值 Ua是输出电压uo的平均值 Uo为直流输出电压 图4 3 图4 4 图4 5分别是并联式开关电源工作于D 0 5 D 0 5时 D 0 5时 图4 2 a电路中各点的电压 电流波形 36 图4 3 a 图4 4 a 图4 5 a分别为开关电源工作于临界电流连续 电流不连续 电流连续状态时 图4 2 a电路中各点的电压 电流波形 图4 3 b 图4 4 b 图4 5 b分别为3种状态之下 滤波电容两端的纹波电压 图4 3 c 图4 4 c 图4 5 c分别为3种状态之下 流过储能电感的电流 37 并联式开关电源滤波电路分析 当控制开关K接通时 输入电源Ui开始对储能电感L加电 流过储能电感L的电流iL开始增加 同时电流在储能电感L中也要产生反电动势eL 当控制开关K由接通转为关断的时候 储能电感又会产生反电动势eL eL反电动势的方向与开关K关断前的方向相反 但与电流的方向相同 因此 在控制开关K两端的输出电压uo等于输入电压Ui与反电动势eL之和 因此 在Ton期间 K接通期间 4 10 流过储能电感L的电流 K接通期间 4 11 上式中的i 0 为控制开关K接通瞬间之前 流过储能电感L中的电流 当占空比等于0 5或小于0 5时 i 0 0 由此可以求得 K接通期间 D 0 5 4 12 38 并联式开关电源滤波电路分析 39 在开关K关断Toff期间 控制开关K关断 储能电感L把电流iLm转化成反电动势 与输入电压Ui串联迭加 通过整流二极管D继续向负载R提供能量 在此期间储能电感L两端的电压eL为 K关断期间 4 13 式中负号表示反电动势eL的极性与 4 10 式相反 对上式进行积分 即可求得流过储能电感L的电流 K关断期间 4 14 上式中i Ton 为控制开关K从Ton转换到Toff的瞬间之前流过电感的电流 i Ton 也可以写为i Toff 即 控制开关K关断或接通瞬间 之前和之后流过电感L的电流相等 实际上 4 14 式中的i Ton 就是 4 12 式中的iLm 因此 4 14 式可以改写为 K关断期间 4 15 并联式开关电源滤波电路分析 40 当t Toff时 iL达到最小值 其最小值为 K接通前瞬间 4 16 当占空比等于0 5或小于0 5时 i 0 0 即 4 16 式中流过储能电感电流的最小值iLX等于0 因此 由 4 12 和 4 16 式 可求得反转式串联开关电源整流滤波输出电压Uo为 K接通前瞬间 4 17 带整流滤波开关电源 4 18 一般 并联式开关电源的输出电压Uo都是取自并联开关K两端输出脉冲电压uo的半波平均值Upa 经整流滤波以后储能滤波电容C两端的输出电压基本就是Upa 即 因此 4 17 式可以改写为 4 19 并联式开关电源滤波电路分析 41 并联式开关电源 4 20 4 10 表明 并联式开关电源输出电压的平均值Ua与控制开关K的占空比D的大小无关 即 并联式开关电源输出电压的平均值Ua永远等于输入电压Ui 这里特别指出 4 17 和 4 19 式的结果 虽然是以开关电源工作于临界连续电流状态的条件求得 但对于开关电源工作于连续电流状态或断流状态同样成立 因为 并联式开关电源的输出电压Uo是取自输出脉冲电压uo的半波平均值Upa 而不是取其平均值Ua 另外 并联式开关电源输出电压uo的平均值Ua与输入电压的大小相等 即 并联式开关电源滤波电路分析 4 3 并联式开关电源储能电感的计算 并联式开关电源中的储能电感仅在控制开关K关断期间才产生反电动势向负载提供能量 因此 当D 0 5时 流过负载的电流只有流过储能电感电流的四分之一 根据 4 12 式 当D 0 5时 上式可以改写为 D 0 5 4 21 由此求得 或 4 23 4 22 和 4 23 式是计算并联式开关电源储能电感的公式 对于极端情况最好在此计算结果上再乘以一个大于1的系数 K接通期间 4 12 D 0 5 4 22 42 4 4 并联式开关电源储能滤波电容的计算 从图4 3可以看出 在占空比D等于0 5的情况下 电容器充电的时间为3 8T 电容器充电电流的平均值为3 8iLm 或3 2Io 而电容器放电的时间为5 8T 电容器放电电流的平均值为0 9Io 因此有 D 0 5 4 24 式中 Q为电容器充电的电荷 Io流过负载的平均电流 T为工作周期 电容充电时 电容两端的电压由最小值充到最大值 对应电压的变化量为 Uc 此电压变化量正好就是输出电压的纹波 由此可求得输出电压的波纹 UP P为 D 0 5 4 25 由此求得 D 0 5 4 26 或 D 0 5 4 27 43 4 5 并联式开关电源小结 并联式开关电源整流滤波输出电压Uo为 44 输出电压 4 19 并联式开关电源平均输出电压 4 20 并联式开关电源输出电压uo的平均值Ua为 并联式开关电源输出电压uo等于 K关断期间 D 0 5 4 8 当控制开关K关断瞬间 并联式开关电源输出电压uo的峰值为 K关断瞬间 D 0 5 4 9 4 5 并联式开关电源小结 45 并联式开关电源在控制开关K关断期间 输入电压与储能电感产生的反电动势一起向负载提供能量 当占空比等于0 5时 其输出电压是输入电压的两倍 在同等条件下 并联式开关电源输出电压的纹波与串联式开关电源输出电压的纹波大体相当 并联式开关电源输出电压纹波 D 0 5 4 25 并联式开关电源储能滤波电容器的大小可根据 4 27 式选取 D 0 5 4 27 D 0 5 4 23 并联式开关电源储能电感的大小可根据 4 23 式选取 单激式变压器开关电源 46 开关电源的工作原理 5 0 5 1 单激式变压器开关电源的工作原理 图5 1 a是单激式变压器开关电源的最简单工作原理图 图中 Ui是开关电源的输入电压 T是开关变压器 K是控制开关 R是负载电阻 图5 1 b是单激式变压器开关电源输出电压的波形 图中 uo为输出电压脉冲 Up为正脉冲幅值 Up 为负脉冲幅值 Upa为正脉冲半波平均值 Upa 为负脉冲半波平均值 Ua为输出正脉冲的平均值 整个周期 Ua 为负脉冲平均值 Ton为开关接通时间 Toff为开关断开时间 47 当控制开关K接通的时候 直流输入电压Ui首先对变压器T的初级线圈N1绕组供电 电流在变压器初级线圈N1绕组的两端会产生自感电动势e1 同时 通过互感M的作用 在变压器次级线圈N2绕组的两端也会产生感应电动势e2 当控制开关K由接通状态突然转为关断状态的时候 电流在变压器初级线圈N1绕组中存储的能量 磁能 也会产生反电动势e1 同时 通过互感M的作用 在变压器次级线圈N2绕组中也会产生感应电动势e2 所谓单激式变压器开关电源 是指开关电源在一个工作周期之内 变压器的初级线圈只被直流电压激励一次 一般单激式变压器开关电源在一个工作周期之内 只有半个周期向负载提供功率 或电压 输出 当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时 变压器的次级线圈也正好向负载提供功率输出 这种变压器开关电源称为正激式开关电源 当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时 变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出 而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出 这种变压器开关电源称为反激式开关电源 单激式变压器开关电源输出电压是由变压器的次级输出 因此 在输出电压uo中完全没有直流成份 输出电压正半波的面积与负半波的面积完全相等 这是单激式变压器开关电源输出电压波形的特点 48 5 2 单激式变压器开关电源电路分析 如果用 1来表示变压器初级线圈电流产生的磁通量 用 2来表示变压器次级线圈电流产生的磁通量 由于变压器初 次级线圈电流产生的磁场方向总是相反 则在控制开关K接通期间 流过变压器初 次级线圈电流在变压器铁心中产生的合成磁场的总磁通量为 K接通期间 5 1 其中 变压器初级线圈电流产生的磁通 1还可以分成两个部分 一部分用来抵消变压器次级线圈电流产生的磁通 2 记为 10 另一部分是由励磁电流产生的磁通 记为 1 显然 10 2 1 即 变压器铁心中产生的磁通量 只与流过变压器初级线圈中的励磁电流有关 而与流过变压器次级线圈中的电流无关 流过变压器次级线圈中的电流产生的磁通 完全被流过变压器初级线圈中的另一部分电流产生的磁通抵消 根据电磁感应定律可以对变压器初级线圈N1绕组回路列出方程 K接通期间 5 2 49 同样 可以对变压器次级线圈N2绕组回路列出方程 单激式变压器开关电源电路分析 根据 5 2 和 5 3 可以求得正激式开关变压器次级输出电压uo为 K接通期间 5 3 K接通期间 5 4 上式中 uo 为单激式变压器开关电源正激输出电压 Up 为单激式变压器开关电源正激输出电压的幅值 图5 1 b中正半周 Ui为正激式开关变压器初级线圈N1绕组的输入电压 n为变压比 即 开关变压器次级线圈输出电压与初级线圈输入电压之比 n也可以看成是开关变压器次级线圈N2绕组与初级线圈N1绕组的匝数比 即 n N2 N1 由此可知 在控制开关K接通期间 正激式开关变压器次级输出电压的幅值只与输入电压和变压器的次 初级变压比有关 在控制开关K关断的Toff期间 变压器铁心中的磁通 主要由变压器次级线圈回路中的电流来决定 即 50 K关断期间 5 5 单激式变压器开关电源电路分析 式中负号表示反电动势e2的极性与 5 3 式中的符号相反 即 K接通与关断时 变压器次级线圈N2产生感应电动势的极性正好相反 对 5 5 式阶微分方程求解得 K关断期间 5 6 式中 C为常数 把初始条件代入上式 就很容易求出C 由于控制开关K由接通状态突然转为关断瞬间 变压器初级线圈回路中的电流突然为0 而变压器铁心中的磁通量不能突变 因此 必须要求流过变压器次级线圈回路的电流也跟着突变 以抵消变压器初级线圈电流突变的影响 要么 在变压器初 次级线圈回路中将出现无限高的反电动势电压 并在次级线圈回路中产生无限大的电流 这是不可能的 由此可知 在控制开关K关断后的瞬间 变压器次级线圈回路中的电流i2一定正好等于控制开关K关断前瞬间的电流i2 Toff 与变压器初级线圈回路中的电流i1 Toff 被折算到变压器次级线圈回路电流之和 在控制开关K关断前的瞬间 流过变压器初级线圈回路中的电流i1 Toff 可分成两个部分 一个部分为与变压器次级线圈回路电流i2大小有关的电流i10 Toff 另一部分为励磁电流 i1 Toff 这个电流与变压器次级线圈回路的电流i2大小无关 51 单激式变压器开关电源电路分析 K关断期间 5 7 5 7 式中 负号表示K关断前后流过变压器次级线圈的电流方向正好相反 根据 5 7 式 图5 1 a单激式变压器开关电源反激输出电压 uo 为 52 K关断期间 5 8 在控制开关K关断前的瞬间 由于i10 Toff 产生的磁通与i2 Toff 产生的磁通可以互相抵消 因此 在控制开关K关断后的瞬间 在变压器次级线圈回路中对磁通起作用的 仅有初级线圈励磁电流 i1 Toff 被折算到变压器次级线圈回路电流 i12 Toff i12 Toff n i1 Toff 根据 4 12 式 5 6 式可以写为 由 5 8 式可以看出 当t 0时 即 K关断瞬间 输出电压有最大值 K关断瞬间 5 9 单激式变压器开关电源电路分析 53 5 9 式中的 Up 为反击式输出电压的峰值 负值 或输出电压负最大值 由此可知 在控制开关K关断瞬间 当变压器次级线圈回路负载开路时 变压器次级线圈回路会产生非常高的反电动势 从 5 4 和 5 8 式可以看出 开关变压器的工作原理与普通变压器的工作原理是不一样的 当开关电源工作于正激时 开关变压器的工作原理与普通变压器的工作原理基本相同 当开关电源工作于反激时 开关变压器的工作原理相当于一个储能电感 如果我们把输出电压uo的正 负半波分别用平均值Upa Upa 来表示 则有 K接通期间 5 10 K关闭期间 5 11 单激式变压器开关电源电路分析 根据电磁感应定律 可以对变压器次级线圈N2绕组回路列出方程 K接通期间 5 12 K关闭期间 5 13 分别对 5 12 和 5 13 两式进行积分得 K接通期间 5 14 K关闭期间 5 15 54 根据能量守恒定理 单激式变压器开关电源输出电压正半波的面积与负半波的面积应该完全相等 即 一个周期内单激式输出 5 16 单激式变压器开关电源电路分析 5 16 式 就是计算单激式变压器开关电源输出电压的半波平均值Upa和Upa 的表达式 利用半波平均值计算非正弦波电压 可使电路分析与计算变得非常简单 前面 5 14 5 15 5 16 式 我们分别把Upa和Upa 定义为正半波平均值和负半波平均值 简称半波平均值 而把Ua和Ua 分别称为输出电压的正向平均值和负向平均值 统称平均值 或单向平均值 从图5 1 b可以看出 Upa正好等于正激输出电压的峰值Up 但Upa 并不等于反激输出电压的峰值Up Upa 小于Up 根据 5 4 式与半波平均值的定义 5 10 可以求得正激式开关电源输出电压为 K接通期间 5 17 整个周期 5 18 根据 5 11 式和 5 16 式 可以求得反激式开关电源输出电压为 K关断期间 5 19 整个周期 5 20 55 单激式变压器开关电源电路分析 正激电压的幅值Up或半波平均值Upa是不会跟随控制开关的接通时间Ton或占空比D的改变而改变的 而反激电压的幅值Up 或半波平均值Upa 则要跟随控制开关的接通时间Ton或占空比D的改变而改变 占空比D越大 反激电压的幅值Up 或半波平均值Upa 就越大 正激式开关电源与反激式开关电源的区别不只是输出电压极性的不同 更重要的是变压器的参数要求不一样 在正激式开关电源中 反激输出电压的能量与正激输出电压的能量相比 一般都比较小 有时甚至可以忽略 因为正激式变压器初级线圈的电感量比反激式变压器初级线圈的电感量大很多 当开关电源工作于正激式输出状态时 改变控制开关K的占空比D 只能改变输出脉冲电压的平均值Ua 而正激输出电压的幅值Up不变 当开关电源工作于反激式输出状态的时候 改变控制开关K的占空比D 不但可以改变反激输出电压uo的幅值Up 而且反激输出电压的平均值Ua 也会改变 特别指出 在决定反激式开关电源输出电压的 5 19 式中 并没有使用反激输出电压最大值或峰值Up 的概念 而 5 19 式使用的Up正好是正激式输出电压的峰值 这是因为反激输出电压的最大值或峰值Up 计算比较复杂 5 9 式 并且峰值Up 的幅度不稳定 它会随着输出负载大小的变化而变化 而正击式输出电压的峰值Up则不会随着输出负载大小的变化而变化 56 单激式变压器开关电源电路分析 5 3 单激式变压器开关电源小结 57 单激式变压器开关电源正激输出电压的峰值Up与半波平均值Upa相等 K接通期间 5 4 单激式变压器开关电源输出电压uo的正 负半波平均值Upa Upa 分别为 单激式变压器开关电源反激输出电压uo为 K关断期间 5 8 单激式变压器开关电源反激输出电压的最大值Um为 K关断瞬间 5 9 K接通期间 5 10 K关闭期间 5 11 单激式变压器开关电源输出电压正半波的面积与负半波的面积应该完全相等 即 正激式开关电源输出电压的半波平均值 峰值 平均值分别为 58 一个周期内单激式输出 5 16 K接通期间 5 17 整个周期 5 18 K关断期间 5 19 整个周期 5 20 正激式开关电源输出电压是正激输出脉冲电压的平均值 反激式开关电源输出电压是反激输出电压的半波平均值 反激式开关电源输出电压的半波平均值 峰值 平均值分别为 单激式变压器开关电源小结 正激式变压器开关电源 59 开关电源的工作原理 5 3 5 3 1正激式变压器开关电源的工作原理 图5 2是正激式变压器开关电源的简单工作原理图 图中 Ui是开关电源的输入电压 T是开关变压器 N1 N2 N3分别为开关变压器的3个线圈绕组 e1 e2 e3分别为3个线圈绕组产生的感应电动势 K是控制开关 D1是整流二极管 D2是续流二极管 D3是削反峰整流二极管 L是储能滤波电感 C是储能滤波电容 R是负载电阻 uo为滤波器输入电压 eL为滤波电感产生的感应电动势 iL为流过电感L的电流 Uo为滤波输出电压 Io为流过负载的电流 60 图5 3是图5 2中中正激式变压器开关电源中几个关键点的电压 电流波形图 图5 3 a 是变压器次级线圈N2的正激脉冲输出电压波形 和整流输出波形 虚线部分是反激输出电压脉冲波形 图5 3 b 是变压器次级反馈线圈N3输出的反激脉冲电压波形 实线部分为半波平均值 虚线部分是反击电压脉冲 图5 3 c 是流过变压器初级线圈N1和次级反馈线圈N3的电流波形 其中 实线部分是流过N1的电流波形 虚线部分是流过N3的电流波形 61 正激式变压器开关电源电路分析 图5 2中 在控制开关K接通的Ton期间 输入电源Ui对变压器初级线圈N1加电 初级线圈N1有电流i1流过 在N1两端产生自感电动势的同时 在变压器次级线圈N2绕组的两端也同时产生感应电动势 并向负载提供输出功率 开关变压器次级线圈输出电压大小由 5 4 5 17 5 18 等式给出 电压输出波形如图5 3 a K接通期间 5 4 K接通期间 5 17 整个周期 5 18 图5 3 c 是流过变压器初级线圈N1的电流i1的波形 与流过电感线圈中的电流完全不同 流过正激式开关变压器初级线圈的电流i1是会产生突变的 当控制开关K由关断突然转到接通的瞬间 流过正激式开关变压器初级线圈的电流i1会立刻就可以达到某个值 如图5 3 c 中的i10 如果我们把在控制开关K接通瞬间之前流过正激式开关变压器次级线圈N2的电流记为i2 则它们之间的关系是 i10 N2 N1 i2 其中N2 N1为变压器的次级线圈N2与初级线圈N1之比 这个i10就是流过变压器次级线圈N2的电流i2被折算到变压器初级线圈N1中的电流 62 正激式变压器开关电源电路分析 在流过正激式开关变压器的电流i1中 除了i10之外还有一个励磁电流 i1 所谓励磁电流 就是令变压器铁芯产生磁通量的电流 在变压器铁芯中 产生磁通 的电流 只与流过变压器初级线圈中的励磁电流 i1有关 而与流过变压器次级线圈中的电流无关 即 在控制开关K接通期间 流过变压器次级线圈中的电流i2产生的磁通 2 完全被流过变压器初级线圈中的另一部分电流i10产生的磁通 1抵消 励磁电流 i1就是i1中随着时间线性增长的部分 假设i2不变 励磁电流 i1由下式给出 K接通期间 5 21 当控制开关K由接通突然转为关断瞬间 由于流过变压器初级线圈的电流i1突然由最大值降为0 这必然会引起变压器铁芯中的磁通量产生突变 使变压器的初 次级线圈产生非常高的反电动势 如果不对这个反高压电动势进行抑制 势必会使开关器件或开关变压器击穿 这是正激式开关电源必须考虑的地方 在图5 2电路中 开关变压器N3线圈和整流二极管D3的作用 就是专门为抑制开关变压器 因流过N1线圈的电流突然由最大值降为0时 各个线圈绕组产生的高压反电动势而设置的 当流过变压器初级线圈的电流i1突然由最大值降为0时 N3线圈会产生高压反电动势 使整流二极管D3导通 由于流过N3线圈的电流产生反磁通 使变压器铁芯中的磁通量不能产生突变 从而抑制了高压反电动势在初 次级各线圈回路中产生 63 正激式变压器开关电源电路分析 下面我们来详细分析电流i3对变压器铁芯进行退磁的过程 假设开关变压器初级线圈N1的匝数与次级线圈N3的匝数完全相等 当D 0 5时 流过初级线圈N1励磁电流 i1的平均值与流过次级线圈N3中电流i3的平均值相等 但它们的变化过程在时间上并不同步 i1在Ton期间是按线性规律增加 而i3在Toff期间是按线性规律下降 图5 3 c 中 线性增长部分为 i1 实线表示 线性下降部分为i3 虚线表示 下面我们进一步对图5 3 c进行分析 当控制开关K关闭时 根据 5 21 式可求得 假设 n N3 N1 1时 即 L1等于L3时 上式可以变为 K关断期间 5 22 K关断期间 5 23 K关断期间 5 24 64 正激式变压器开关电源电路分析 5 24 式表明 当N1线圈绕组的匝数与次级线圈N3绕组的匝数相等时 如果占空比D小于0 5 当t Ton时 i3将为负值 但由于D3的作用 这是不可能的 这只能说明电流i3不连续 表示退磁过程过早结束 如果占空比D等于0 5 当t Ton时 i3等于0 表示电流i3为临界连续 说明退磁过程结束时间刚刚好 图5 3 b 和图5 3 c 就表示这种情况 如果占空比D大于0 5 当t Ton时 i3 0 表示电流i3为连续电流 说明退磁过程没有结束 还在继续进行中 根据 5 19 式 当N3的匝数大于N1的匝数时 变压器次级线圈N3产生的反电动势将会升高 假设D 0 5 此时N3产生的反激电压u3的半波平均值U3pa 将高于输入电压Ui 二极管D3不但会对u3高于输入电压Ui的部分进行限幅 并且U3pa 高于输入电压Ui的部分也要被限幅 N1线圈产生的反激电压u1 高于其半波平均值U1pa 电压的部分也要被限幅 因为 U1pa 与U3pa 也要按照匝数比的关系达成平衡 根据 5 25 式 当N3的匝数大于N1的匝数时 i3的最大值将要减小 N3 N1 倍 与此同时 i3下降的速率 di dt 将变小了 i3过0的时间将被延长 65 正激式变压器开关电源电路分析 这说明 N3匝数的增加 最大安匝数并没有增加 退磁作用与安匝数成正比 只是N3对变压器铁芯退磁的作用时间有所延长 因此 当占空比增大时 相当对变压器的磁化时间增长 同时也要增大N3与N1的匝数比 来时延长i3的退磁时间是合理 从理论上来说 无论N3的匝数取多大 其产生的作用都不可能把变压器铁芯中 原来由N1励磁电流产生的磁感应强度退回到其开始磁化时的初始值 因为 在N3线圈回路中产生反电动势的能量 本身就是来自N1线圈中励磁电流在变压器铁芯中存储的能量 而N3线圈回路对变压器铁心退磁时所提供的能量 应永远小于N1线圈励磁电流在变压器铁芯中存储的能量 N3线圈的退磁作用只是想把剩磁尽量降低一些 N3绕组的匝数的选取与占空比D的选取有关 当占空比D约等于0 5时 N3绕组的匝数与变压器初级线圈N1绕组的匝数之比 最好略大于1或等于1 当占空比D小于0 5时 N3与N1的匝数之比应大于1 这样才能保证 N3绕组反激输出电压的半波平均值大于输入电压Ui 使退磁电流处于连续状态 如果N3与N1的匝数之比取得过大 虽然退磁效果有所增大 但开关电源的损耗也是要增加的 因为 整流二极管以及消磁线圈绕组也会损耗一部分功率 66 正激式变压器开关电源电路分析 根据图5 2 加到开关器件两端的峰值电压UKP正好等于输入电压Ui与反电动势峰值Up 之和 即 当控制开关的占空比为0 5时 变压器初级线圈N1产生反电动势e1的半波平均值Upa 正好等于Ui 因此 在选用开关器件的时候 要求其耐压必须大于输入电压的两倍 即 这个电压对于电源开关管来说是很高的 例如 对于输入电压为交流220伏电源 经整流滤波后其直流电压的最大值为311伏 根据 5 26 式可求得UKP 622伏 如果输入电压为交流253伏 15 那么 可以求得UKP 715伏 这个电压还不包括变压器初级线圈漏感产生的反电动势电压 因为如图1 17中的变压器反馈线圈N3绕组和整流二极管D3组成的尖峰吸收电路 是不能对N1线圈的漏感产生的反电动势电压进行吸收的 为了吸收变压器初级线圈N1绕组漏感产生的反电动势 在变压器初级线圈回路中还要专门设置一个反电动势吸收电路 一般为RCD吸收电路 这一方面内容后面还要更详细介绍 K关断期间 5 25 K关断期间 5 26 67 正激式变压器开关电源电路分析 5 3 2正激式变压器开关电源储能滤波电感和储能滤波电容参数的计算 在图5 2的正激式变压器开关电源电路中 其输出电压滤波电路的工作原理与图2 2中的串联式开关电源滤波电路的工作原理完全相同 因此 正激式变压器开关电源储能滤波电感和储能滤波电容参数的计算 可参考图2 2中的串联式开关电源中储能滤波电感和储能滤波电容参数的计算方法 这里我们不准备再详细分析 可以直接引用 2 12 式和 2 15 式 即 2 12 5 27 2 15 5 28 式中Io为流过负载的电流 平均电流 Ton为控制开关的接通时间 当D 0 5时 Io正好等于流过储能电感L最大电