开关电源概述

1、1.开关电源概述主要内容主要内容n1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源n1.2降压型开关电源降压型开关电源n1.3升压型开关电源升压型开关电源 n1.4极性反转型开关电源极性反转型开关电源n1.5开关电源中的控制、驱动和保护电路开关电源中的控制、驱动和保护电路n1.6开关电源中的器件开关电源中的器件n1.7开关电源中的材料开关电源中的材料1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源图图1-1线性稳压电源原理图线性稳压电源原理图图图1-2开关稳压电源原理图开关稳压电源原理图1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源逆变器逆变器直流变换器直流变换

2、器1. 开关稳压电源的结构开关稳压电源的结构1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源2. 开关稳压电源的优点开关稳压电源的优点(1) 功耗小，转换效率高功耗小，转换效率高(2) 体积小，重量轻体积小，重量轻(3) 稳压范围宽，线性调整率高稳压范围宽，线性调整率高(4) 滤波电容小滤波电容小(5) 电路形式灵活多样电路形式灵活多样3. 开关稳压电源的缺点开关稳压电源的缺点(1) 存在较严重的开关噪声和干扰存在较严重的开关噪声和干扰(2) 电路复杂，不便于维修电路复杂，不便于维修(3) 成本高，可靠性低成本高，可靠性低1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源1.

3、20世纪世纪50年代：美国宇航局用于搭载火箭年代：美国宇航局用于搭载火箭2.20世纪世纪80年代：计算机全面实现开关电源化年代：计算机全面实现开关电源化3.20世纪世纪90年代：电子电器、家电广泛应用年代：电子电器、家电广泛应用发展史：发展史：1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源1.小型化、薄型化、轻量化、高频化小型化、薄型化、轻量化、高频化发展趋势：发展趋势：2.高可靠性、集成化高可靠性、集成化3.低噪声，采用谐振回路技术低噪声，采用谐振回路技术4.提高电磁兼容性提高电磁兼容性(EMC)5.提高智能化程度提高智能化程度1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳

4、压电源1. 按激励方式分类按激励方式分类(1)他激式开关电源他激式开关电源(2)自激式开关电源自激式开关电源图图1-3 按激励方式划分按激励方式划分 (b)(b)自激式开关稳压电源电路自激式开关稳压电源电路1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源2. 按调制方式分类按调制方式分类(1)脉宽调制型开关电源脉宽调制型开关电源(2)脉频调制型开关电源脉频调制型开关电源(3)混合型开关电源混合型开关电源1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源3. 按功率开关管的类型分类按功率开关管的类型分类(1)晶体管型开关电源晶体管型开关电源(2)晶闸管型开关电源晶闸管型开关电源

5、(3)MOSFET型开关电源型开关电源(4)IGBT型开关电源型开关电源图图1-4 按功率开关管的类型分类按功率开关管的类型分类(1) 串联型：储能电感串联型：储能电感 和负载相串联和负载相串联 V V饱和导通时，饱和导通时，VDVD截止，截止，U UI I经经V V在在L L中产生电流中产生电流iL向电容向电容C充电。充电。 V V截止截止时，时， L L中的电流不能突变，产生左负中的电流不能突变，产生左负右正右正 的自感电动的自感电动势，势，VDVD导通，续流电流导通，续流电流 iZ 向电容向电容C充电充电，将，将L L中的磁能转换为电中的磁能转换为电 容容C C中的电能中的电能。总之，调

6、整管总之，调整管V导通期间，导通期间，L储存磁能，并给电容储存磁能，并给电容C充电，同时向负载供电；充电，同时向负载供电；调整管调整管V截止期间，截止期间，L释放磁能，转变为释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。的电能，同时向负载供电。1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源4. 按储能电感的连接方式分类按储能电感的连接方式分类串联型并联型并联独立输出型串联型并联型并联独立输出型(2)、并、并联型：储能电感联型：储能电感 和负载相并联和负载相并联 V V饱和导通时，饱和导通时，VDVD截止，截止，U UI I经经V V在在L L中产生电流中产生电流iL，L储能。储能。 V

7、 V截止截止时，时， L L中的电流不能突变，产生上负中的电流不能突变，产生上负下下正正 的自感电动的自感电动势，势，VDVD导通，续流电流导通，续流电流iZ 向电容向电容C充电充电，将，将L L中的磁能转换为电中的磁能转换为电 容容C C中的电能中的电能。总之，调整总之，调整管管V导通期间，导通期间，L储存磁能，负载由电容储存磁能，负载由电容C供电；供电；调整管调整管V截止期间，截止期间，L释放磁能，转变为释放磁能，转变为C的电能，同时向负载供电。的电能，同时向负载供电。并联型电路中，调整管承受的反峰电压为并联型电路中，调整管承受的反峰电压为2UI ，为串联型的两倍。，为串联型的两倍。1.1

8、线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源4. 按储能电感的连接方式分类按储能电感的连接方式分类(3) 并并联独立输出型：通过续流电感的电磁耦合，实现隔离输出。联独立输出型：通过续流电感的电磁耦合，实现隔离输出。（电源输入端不使用变压器、实现多种电压输出）（电源输入端不使用变压器、实现多种电压输出）应用最多的一种电路形式应用最多的一种电路形式三极管三极管V可使用功率场效应管可使用功率场效应管脉冲调宽、脉冲发生及误差信号的产生等可集成化例如脉冲调宽、脉冲发生及误差信号的产生等可集成化例如TOP221 TOP2271.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源4. 按储能电感

9、的连接方式分类按储能电感的连接方式分类1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源3. 按功率开关管的连接方式分类按功率开关管的连接方式分类(1)单端正激式单端正激式(2)单端反激式单端反激式(3)推挽式推挽式(4)半桥式半桥式图图1-6 按功率开关管的连接方式分类按功率开关管的连接方式分类(a) (b)(5)全桥式全桥式(1)单端正激式单端正激式(2)单端反激式单端反激式1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源3. 按功率开关管的连接方式分类按功率开关管的连接方式分类(1)单端正激式单端正激式(2)单端正激式单端正激式(3)推挽式推挽式(4)全桥式全桥式图图1

10、-6 按功率开关管的连接方式分类按功率开关管的连接方式分类(c) (5)半桥式半桥式(3)推挽式推挽式1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源3. 按功率开关管的连接方式分类按功率开关管的连接方式分类(1)单端正激式单端正激式(2)单端正激式单端正激式(3)推挽式推挽式(4)全桥式全桥式图图1-6 按功率开关管的连接方式分类按功率开关管的连接方式分类(e) (5)半桥式半桥式(4)全桥式全桥式1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源3. 按功率开关管的连接方式分类按功率开关管的连接方式分类(1)单端正激式单端正激式(2)单端正激式单端正激式(3)推挽式推挽式

11、(4)全桥式全桥式图图1-6 按功率开关管的连接方式分类按功率开关管的连接方式分类(d) (5)半桥式半桥式(5)半桥式半桥式1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源6. 按输入和输出电压的大小分类按输入和输出电压的大小分类(1)升压式开关电源升压式开关电源(2)降压式开关电源降压式开关电源(3)输出极性反转式开关电源输出极性反转式开关电源图图1-7升压式开关电源升压式开关电源1.1线性稳压电源与开关稳压电源线性稳压电源与开关稳压电源7. 按工作方式分类按工作方式分类(1)可控硅整流型开关电源可控硅整流型开关电源(2)斩波型开关电源斩波型开关电源(3)隔离型开关电源隔离型开关

12、电源8. 按电路结构分类按电路结构分类(1)分立式开关电源分立式开关电源(2)集成式开关电源集成式开关电源1.2降压型开关稳压电源降压型开关稳压电源图图1-8降压式开关电源降压式开关电源1.2降压型开关稳压电源降压型开关稳压电源图图1-8降压式开关电源降压式开关电源(1).开关管开关管V的导通期内，储能电感中的导通期内，储能电感中 电流的最大变化量为电流的最大变化量为(2).开关管开关管V的截止期内，储能电感中的截止期内，储能电感中 电流的最大变化量为电流的最大变化量为(3).开关管开关管V导通期与截止期能量转换的条件：导通期与截止期能量转换的条件：OFFOLtLUI2maxONOiLtLUU

13、I1maxOFFOONOitLUtLUUiONiiOFFONONOUTtUDUtttU即1.2降压型开关稳压电源降压型开关稳压电源1.输出纹波输出纹波UO 的计算的计算21OOOUUUiOOULCTUU822LttUCUOFFONOO811UO1：开关管：开关管V导通时间内滤波电容导通时间内滤波电容C上电压的变化量上电压的变化量UO2：开关管：开关管V截止时间内滤波电容截止时间内滤波电容C上电压的变化量上电压的变化量LtUCUONOO8122图1-21.2降压型开关稳压电源降压型开关稳压电源1.输出纹波输出纹波UO 的计算的计算iOOULCTUU822实际输出的纹波还包括电网工频纹波电压和高频

14、功率转换产生的寄生纹波电压实际输出的纹波还包括电网工频纹波电压和高频功率转换产生的寄生纹波电压减少纹波电压的方法：减少纹波电压的方法：(1).采用肖特基二极管或快恢复二极管采用肖特基二极管或快恢复二极管(2).采用阻容吸收网络采用阻容吸收网络图图1-10采用阻容吸收网络采用阻容吸收网络(3).串接小容量电感串接小容量电感1.2降压型开关稳压电源降压型开关稳压电源2.功率开关管功率开关管V功率损耗功率损耗P的计算的计算(四段计算四段计算)()2(611frcesCCONcesCOFFCCOZttUUItUItUITP3.功率开关管功率开关管V功率损耗功率损耗P的计算的计算(四段计算四段计算)LI

15、TttUUItUItUITUIOfrcesCCONcesCOFFCCOii2)()2(6111.转换效率转换效率与开关管与开关管V的功率损耗的功率损耗PZ成反比成反比.转换效率转换效率与储能电感与储能电感L上的功率损耗成反比上的功率损耗成反比.转换效率转换效率与输入电流与输入电流Ii 和输入电压和输入电压Ui成正比成正比1.2降压型开关稳压电源降压型开关稳压电源1.功率开关管功率开关管V的选择的选择2.续流二极管续流二极管VD的选择的选择3.储能电感储能电感L的选择的选择4输出滤波电容输出滤波电容C的选择的选择IGBT或或MOSFET或或GTRfDRLL5 . 1)1 (maxUiUULfUC

16、OOO1821.3升压型开关稳压电源升压型开关稳压电源图图1-14升压型开关电源升压型开关电源1.3升压型开关稳压电源升压型开关稳压电源图图1-14升压型开关电源升压型开关电源(1).开关管开关管V的导通期内，储能电感中的导通期内，储能电感中 电流的变化量为电流的变化量为(2).开关管开关管V的截止期内，储能电感中的截止期内，储能电感中 电流的变化量为电流的变化量为(3).开关管开关管V导通期与截止期能量转换的条件：导通期与截止期能量转换的条件：OFFdOiLtLUUUI2ONiLtLUI1OFFdOiONitLUUUtLU) 1(11DDUUttUiiOFFONO即1.3升压型开关稳压电源升

17、压型开关稳压电源1.功率开关管功率开关管V的选择的选择2.续流二极管续流二极管VD的选择的选择4.储能电感储能电感L的选择的选择3.输出滤波电容输出滤波电容C的选择的选择Uceo、Ic、PcfIDDULOO7)1 (102OOiOOfUUUUIC)(1.4极性反转型开关稳压电源极性反转型开关稳压电源图图1-15极性反转型开关电源极性反转型开关电源(1).开关管开关管V的导通期内，电感储存的能量：的导通期内，电感储存的能量：(2).开关管开关管V的截止期内，电感中的能量传给的截止期内，电感中的能量传给 负载：负载： 图图1-15极性反转型开关电源极性反转型开关电源1.4.2极性反转型开关稳压电源

18、的工作原理极性反转型开关稳压电源的工作原理1.4极性反转型开关稳压电源极性反转型开关稳压电源结论：结论：.U.UO O与与U Ui i极性相反极性相反 . .改变改变D D可改变可改变U UO O，稳定，稳定D可稳定可稳定UO.D.D1-D1-D时，即时，即D D0.50.5时，时，U UO OU Ui i D D1-D1-D时，即时，即D D0.50.5时，时，U UO OU Ui iLTtUPOFFOL222DDUUiO11.4极性反转型开关稳压电源极性反转型开关稳压电源图图1-14升压型开关电源升压型开关电源(a)图图1-15极性反转型开关电源极性反转型开关电源(a) 有关极性反转型开关

19、稳压电源的设计与升压型开关有关极性反转型开关稳压电源的设计与升压型开关稳压电源除极性相反外，其它基本相同。稳压电源除极性相反外，其它基本相同。1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路开关电源中的控制、驱动与保护电路p.33-p.341.组成组成2.作用作用3.要求要求1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路开关电源中的控制、驱动与保护电路1.对驱动信号波形的要求对驱动信号波形的要求P.351.5.2驱动电路驱动电路1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路开关电源中的控制、驱动与保护电路2.驱动电路的种类驱动电路的种类(2). 抗饱和抗饱和图图1-21抗饱和抗饱和(1).单端单端 式式图图1-20单端

20、单端 式式1.5.2驱动电路驱动电路1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路开关电源中的控制、驱动与保护电路2.驱动电路的种类驱动电路的种类(3).固定反偏固定反偏图图1-22固定反偏固定反偏(4). 比例驱动比例驱动图图1-23比例驱动比例驱动1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路开关电源中的控制、驱动与保护电路2.驱动电路的种类驱动电路的种类(5).互补驱动互补驱动图图1-24互补驱动互补驱动(6). 射极开路射极开路图图1-25射极开路射极开路1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路开关电源中的控制、驱动与保护电路3.驱动电路的设计驱动电路的设计P.371.5开关电源中的控制、驱动与保护电路

21、开关电源中的控制、驱动与保护电路1.对保护电路的要求对保护电路的要求2.保护电路的种类保护电路的种类(1).过流保护电路过流保护电路(2).过压保护电路过压保护电路(3).欠压保护电路欠压保护电路(4).过热保护电路过热保护电路(5).开机软启动保护电路开机软启动保护电路1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路开关电源中的控制、驱动与保护电路3.实际应用中的保护电路实际应用中的保护电路(1).实际应用中的过流保护电路实际应用中的过流保护电路图图1-26MT230SE计算机开关电源中的过流保护电路计算机开关电源中的过流保护电路1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路开关电源中的控制、驱动与保护电路3

22、.实际应用中的保护电路实际应用中的保护电路(2).实际应用中的过压保护电路实际应用中的过压保护电路图图1-27彩电开关电源中的过压保护电路彩电开关电源中的过压保护电路1.5开关电源中的控制、驱动与保护电路开关电源中的控制、驱动与保护电路3.实际应用中的保护电路实际应用中的保护电路(3).实际应用中的欠压保护电路实际应用中的欠压保护电路图图1-28 MT230SE计算机开关电源中的欠压保护电路计算机开关电源中的欠压保护电路(4).实际应用中的过热保护电路实际应用中的过热保护电路89141.5开关电源中的控制、驱动与保护电路开关电源中的控制、驱动与保护电路3.实际应用中的保护电路实际应用中的保护电

23、路(5).实际应用中的开机软启动保护电路实际应用中的开机软启动保护电路图图1-29 MT230SE计算机开关电源中的计算机开关电源中的 开机软启动保护电路开机软启动保护电路图图1-30 投影仪溴钨灯开关电源中的投影仪溴钨灯开关电源中的 开机软启动保护电路开机软启动保护电路1.6开关电源中的几个重要问题开关电源中的几个重要问题图图1-31 功率开关管的击穿特性曲线功率开关管的击穿特性曲线 1.一次整流和滤波问题一次整流和滤波问题(1).一次整流电路一次整流电路 图图1-35(a) 一次整流和一次滤波电路一次整流和一次滤波电路 1.6开关电源中的几个重要问题开关电源中的几个重要问题1.一次整流和滤

24、波问题一次整流和滤波问题(2).一次滤波电路一次滤波电路 图图1-35(b) 一次整流和一次滤波电路一次整流和一次滤波电路 2.二次整流和滤波问题二次整流和滤波问题2.二次整流和滤波问题二次整流和滤波问题(P.55)1.6开关电源中的几个重要问题开关电源中的几个重要问题图图1-39(a)(b) 二次整流和二次滤波电路二次整流和二次滤波电路 2.二次整流和滤波问题二次整流和滤波问题(P.55)1.6开关电源中的几个重要问题开关电源中的几个重要问题图图1-39(c)(d) (e)(f)二次整流电路二次整流电路 2.二次整流和滤波问题二次整流和滤波问题(P.56)1.6开关电源中的几个重要问题开关电

25、源中的几个重要问题图图1-40 各种各样的二次整流电路各种各样的二次整流电路 2.二次整流和滤波问题二次整流和滤波问题(P.58)1.6开关电源中的几个重要问题开关电源中的几个重要问题图图1-41 有源滤波器电路有源滤波器电路 1.接地问题接地问题(P.58)1.6开关电源中的几个重要问题开关电源中的几个重要问题2.隔离与耦合技术隔离与耦合技术(P.60)(1).光电耦合技术光电耦合技术图图1-44 具有一路光耦合器的开关稳压电源电路具有一路光耦合器的开关稳压电源电路 1.6开关电源中的几个重要问题开关电源中的几个重要问题2.隔离与耦合技术隔离与耦合技术(P.60)(1).光电耦合技术光电耦合

26、技术图图1-45 具有两路光耦合器的开关稳压电源电路具有两路光耦合器的开关稳压电源电路 1.6开关电源中的几个重要问题开关电源中的几个重要问题2.隔离与耦合技术隔离与耦合技术(P.60)(2).变压器磁耦合技术变压器磁耦合技术图图1-46 使用一个单独变压器进行耦合的开关稳压电源电路使用一个单独变压器进行耦合的开关稳压电源电路 1.6开关电源中的几个重要问题开关电源中的几个重要问题2.隔离与耦合技术隔离与耦合技术(P.60)(2).变压器磁耦合技术变压器磁耦合技术图图1-47 具有耦合变压器，又具有副激励绕组的开关稳压电源电路具有耦合变压器，又具有副激励绕组的开关稳压电源电路 1.6开关电源中的几个重要问题开关电源中的几个重要问题2.隔离与耦合技术隔离与耦合技术(P.65)(3).光电与磁混合耦合技术光电与磁混合耦合技术图图1-50 具有光电和磁混合耦合技术的开关稳压电源电路具有光电和磁混合耦合技术的开关稳压电源电路 1.6开关电源中的几个重要问题开关电源中的几个重要问题2.隔离与耦合技术隔离与耦合技术