第八章-开关电源

随着电力电子技术的发展 大功率开关晶体管 快恢复二极管及其它元器件的电压得到很大的提高 这为取消稳压电源中的工频变压器 发展高频开关电源创造了条件 由于它不需要工频变压器 故称无工频变压器开关式直流稳压电源 它使电源在小型化 轻量化 高效率等方面又迈进了一步 图8 3是无工频变压器的开关电源的方框图 图8 3无工频变压器的开关电源原理框图 无工频变压器开关稳压电源 有如下的优点 1 效率高 一般在70 80 以上 2 体积小 重量轻 随着频率的提高 收效更显著 3 稳压范围广 一般交流输入80 265V 负载作大幅度变化时 性能很好 4 噪声低 声频在20kHz以上时 已是人耳听不到的超声波 而开关电源的工作频率一般都大于此频率 5 性能灵活 通过输出隔离变压器 可得到低压大电流 高压小电流 一个开关控制的一路输入可得到多路输出以及同号 反号等输出 6 电压维持时间长 为了适应交流停电时 计算机 现代自动化控制设备电源转换的需要 开关电源可在几十毫秒内保证仍有电压输出 7 可靠性大 当开关损坏时 也不会有危及负载的高电压出现 无工频变压器开关稳压电源的不足之处 1 输出纹波较大 约有10 100mV的峰峰值 2 脉冲宽度调制式的电路中 电压 电流变化率大 3 控制电路比较复杂 对元器件要求高 4 动态响应时间至少要大于一个开关周期 不如串联式晶体管线性稳压电源 8 1 2用高频变压器的开关电源结构概述 图8 5高频变压器开关电源基本功能框图 这类电源的共同特点是具有高频变压器 直流稳压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来 变压器原副方是隔离的 或是部分隔离的 而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流 目前 用高频变压器的变换电路按其工作方式可分为五类 每类传输的功率也不相同 应用环境也稍有不同 如下所示 8 2DC DC变换的开关电源 对于输入与输出电压不需隔离只用一个工作开关和L D C组成的变换器电路最基本的为如下三种 1 降压变换器 buckconverter 2 升压变换器 boostconverter 3 降 升压变换器 buck boostconverter 其原理电路如图8 6所示 图8 6无隔离的DC DC变换电路 8 2 1Buckconverter a 电路拓扑b 工作波形图8 7Buckconverter 一 在开关VT导通期间 二 在开关VT截止期间 1 临界连续工作状态2 电流断续的工作状态3 电流连续的工作状态 三 电感电流的平均值计算 四 输出电压纹波值的计算 8 2 2Boostconverter a 电路拓扑b 工作波形图8 8Boostconverter 1 在期间 2 在期间 3 负载电流的平均值 4 输入电流的平均值 5 输出电压的纹波计算 8 2 3Buck Boostconverter 图8 9Buck Boostconverter 图8 10Buck Boostconverter工作波形图 8 3单端功率输出的直流变换器 8 3 1CW34063的工作原理 图8 11CW34063的原理框图 8 3 2CW34063的应用电路 一 降压式电路 a 直接用于降压b 外接NPN晶体管扩流电路图8 12CW34063的降压应用电路 二 升压式电路 a b a 直接升压式b 外接NPN管扩流式图8 13CW34063的Boostconverter 三 反转电路 a b a 直接变换式b 外接PNP管扩流式图8 14CW34063的Buck Boostconverter 8 4单端反激式开关电源 8 4 1工作原理分析 一 在开关VT导通期间 二 在开关VT截止期间 图8 15单端反激式变换器 单端反激式变换器也有三种工作状态 1磁通临界连续的工作情况 图8 16临界连续状态时的电压电流波形 2磁通不连续的工作状态 图8 17磁通不连续时的工作波形 3磁通连续的工作状况 图8 18磁通连续时的工作波形 3 输入电压Uin与导通比 t的对应关系 即是输入电压最高时 相应的导通比是最小 输入电压最低时 相应的导通比是最大 因此 输入电压与导通比是一一对应 相互制约的 运行中由于闭环调节 这种相互适应是自动的 但必须指出的是 由控制电路振荡器和PWM门闩电路本身固有的最大最小导通比 一定要与运行条件所需的最大最小导通比不矛盾 否则就会失调 4 磁通复位问题 为了不致于出现磁路饱和每个开关周期工作磁通都能复位 因此 1 单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有气隙 2 原方绕组电流实现脉冲限流控制 5 间歇振荡问题 当电网电压升到一定值而又很大的情况下 欲维持输出电压恒定 则脉宽调制器会使脉宽减少到某一极限值时 不能再减小了 只能以最小导通比运行 但由于导通时所储存的能量没有释放回路 就有可能出现 有的振荡周期没有PWM脉冲输出 开关管不导通 有的振荡周期就很宽 变成了作周期性或非周期性的间歇振荡器 这时输出电压不稳 纹波大 变压器发出刺耳的哨叫声 克服这一问题的办法之一 也是最安全和可靠的办法是在付绕组中加一固定负载电阻 假负载 以防负载开路 这样电网电压最高 负载开路了 由于有固定的假负载 脉宽保证有一最小的宽度而不致于出现间歇振荡现象 最小的脉宽是由控制电路振荡器的最小导通比决定的 8 5单端正激式变换器 图8 19正激式变换器的原理电路图 图8 20正激式变压器等效电路 图8 21单端正激式变换器的电压电流波形 8 6半桥式变换器 8 6 1工作原理 图8 22半桥式变换器原理电路 图8 23半桥式变换器的工作波形 图8 24串联电容半桥式变换器原理电路 a 串联电容前交流电压 斜格面积表示A1 A2的伏秒值不平衡波