第四章现代电源技术

第四章现代电源技术第一页，共五十九页，编辑于2023年，星期五第1章现代电源技术概述

1.1什么是现代电源技术

1.2现代电源的构成及特点

1.3

现代电源技术的现状与发展

第二页，共五十九页，编辑于2023年，星期五1.1什么是现代电源技术■现代电源技术的概念◆电源是产生电能的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流以及体积、重量和效率、可靠性等等。我们所用的电源是指经过转换才能适合使用的电源。

☞电源技术其实很大程度上就是电力变换技术。

☞电源技术还包括电子器件的制造技术以及磁技术等。

☞我们所说的电源技术特指直流电源技术。

3第三页，共五十九页，编辑于2023年，星期五1.1什么是现代电源技术◆直流电源分为：线性电源和开关电源。

☞线性电源是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。

图1-1利用可变电阻稳压4第四页，共五十九页，编辑于2023年，星期五◆实际电源电路中，通常利用负反馈原理，以输出电压的变化量去控制晶体管集电极与发射极之间的电阻值，原理电路见图1-2。

图1-2利用反馈加晶体管稳压1.1什么是现代电源技术5第五页，共五十九页，编辑于2023年，星期五☞常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX系列（正电压型），79XX系列（负电压型）（例如7805，输出电压为5V）；LM317（可调正电压型），LM337（可调负电压型）；

☞由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，所以工作在线性状态下的调整管，一般会产生大量的热，导致效率不高。这是线性稳压电源的一个最主要的一个缺点。1.1什么是现代电源技术6第六页，共五十九页，编辑于2023年，星期五1.1什么是现代电源技术7第七页，共五十九页，编辑于2023年，星期五☞线性电源特点优点：技术成熟，已有大量集成化的稳压电源模块，稳定性好，输出纹波电压小等。缺点：需要的变压器为工频变压器体积大，效率低。

整流管流过和负责相同的电流，损耗增大；为减少纹波，输入滤波电容容量要求大，否则脉动电压增加；此外，由于调整管功耗大，所以需要装体积很大的散热片，很难满足现代电力电子设备发展的需求。1.1什么是现代电源技术8第八页，共五十九页，编辑于2023年，星期五■开关电源1.1什么是现代电源技术9第九页，共五十九页，编辑于2023年，星期五◆开关电源的特点

☞直流电直接由市电整流获得，不需要工频变压器，体积小重量轻。

☞工作频率高，滤波电容数值小也使得整个电源体积小，重量轻。

☞调整管工作在开关状态，功耗小，机内温升低，提升了整机的稳定性和可靠性。◆现代电源技术指开关电源技术。

1.1什么是现代电源技术10第十页，共五十九页，编辑于2023年，星期五◆电子设备的小型化和低成本化，使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的线性稳压电源很难满足现代电子设备发展的要求。◆开关电源以其体积小、重量轻、效率高性能稳定等优点逐渐取代传统技术制造的线性电源，并广泛应用于电子整机和设备中。◆现代电源技术指开关电源技术1.1什么是现代电源技术11第十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期五1.2开关电源国内外发展状况◆20世纪50年代，美国宇航局最先为搭载火箭开发了体积小，重量轻的开关电源。

◆20世纪80年代，计算机已经全面实现了开关电源化。随后90年代，开关电源在其他领域（电子，电气设备、家电领域）得到了广泛应用。12第十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期五◆开关电源技术的发展趋势

☞高频化、小型化。开关电源的体积、重量主要是由储能元件决定。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效的减少储能元件的体积、重量，而且还能抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。☞高可靠性。从寿命的角度，提高电解电容，光耦，排风扇的寿命。从设计的角度，提高电源集成度，减少元器件，简化电路，提高可靠性。

1.2开关电源国内外发展状况13第十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期五☞低噪声。开关电源的频率越高，噪声也就越大。这是开关电源的缺点之一。因此，尽可能降低噪声是开关电源的发展方向（目前是谐振转换技术）

☞采用计算机辅助设计和控制。采用CAD设计（拓扑结构和参数)，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机监测，构成多功能监系统，实现实时监测、自动报警等。

1.2开关电源国内外发展状况14第十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期五☞电力电子器件和磁性元件的发展与开关电源发展是息息相关的。☞研究低损耗，低噪声技术以及开发新型（高速高频）元器件，是开关电源实现小型化、高频化以及高可靠性的重要推动。☞

总之，高效率、小型化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是开关电源今后的发展方向。1.2开关电源国内外发展状况15第十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期五1.3开关电源的基本构成和分类◆开关电源技术的构成开关电源的构成核心是DC/DC变换技术◆开关电源技术的分类

☞AC/DC和DC/DC两大类。目前，DC/DC变换技术已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化。但AC/DC技术因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到了较为复杂的技术问题和工艺问题。16第十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期五第2章开关电源的功率变化电路

2.1单端正激变换电路

2.2单端反激变换电路

2.3

推挽式变换电路

2.4

全桥变化电路

2.5

半桥变化电路第十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期五引言■直流-直流变流电路（DC/DCConverter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。

■直接直流变流电路◆也称斩波电路（DCChopper）。

◆功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。

◆一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。

■间接直流变流电路

◆在直流变流电路中增加了交流环节。◆在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直—交—直电路。

18第十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期五引言图2-1间接直流变流电路的结构■同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直—交—直电路。■采用这种结构较为复杂的电路来完成直流—直流的变换有以下原因

◆输出端与输入端需要隔离。

◆某些应用中需要相互隔离的多路输出。

◆输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。◆交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。■间接直流变流电路分为单端(SingleEnd)和双端(DoubleEnd)电路两大类，在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流，正激电路和反激电路属于单端电路，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。

19第十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.1正激变换器图2-2正激变换电路■正激电路(Forward)

◆工作过程

☞开关VT开通后，变压器原边绕组两端的电压为上正下负，与其耦合的副边绕组两端的电压也是上正下负，因此VD处于通态。

☞VT关断后，电感L通过

VD1续流，VD关断。☞正激变换就是带隔离的Buck斩波电路20第二十页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.1正激变换器图2-3带有磁复位的正激电路■正激电路的磁复位变压器线圈电压或电流回零时，磁芯中的磁通并不为零，称之为剩磁。剩磁的累加可能导致磁芯饱和，因此正激电路需要磁复位技术。21第二十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.1正激变换器图2-4正激变换电路工作波形SuVT

iLiSOttttUiOOO图2-5正激变换电路工作波形22第二十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.1正激变换器

◆

变压器的磁心复位所需的时间为,◆输出电压

☞输出滤波电感电流连续时

磁复位期间，开关管两端电压为

23第二十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期五

◆

变压器的磁心复位所需的时间推导：利用开关管导通期间变压器原边磁通的增加量等于关断期间磁通的减少量。

导通期间

关断期间2.1正激变换器24第二十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期五

◆

输出电压推导：利用开关管导通期间电感储存的能量等于关断期间电感释放的能量。

导通期间

关断期间2.1正激变换器25第二十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期五

◆正激电路的缺点☞正激变换器因为复位绕组的存在使变压器体积增加。☞正激变换器的占空比不能太大（小于50%），会引起磁芯饱和以及关断期间不能完成磁复位。（通过减少复位绕组匝数解决，但会增加关断期间开关管两端的电压）。☞单管正激电路很少采用2.1正激变换器26第二十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期五图2-6双管正激变换电路2.1双管正激变换器27第二十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.1双管正激变换器

◆双管正激电路的特点☞取消复位绕组，降低了变压器的体积和工艺要求。☞开关管承受的电压降低（电源电压和二极管的管压降）。☞双管正激电路可靠性高（不存在直通问题），结构简单，在中小功率开关电源中应用比较普遍。28第二十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期五

◆电路结构如图

◆工作原理

当开关管导通时，原边电压近似为输入电压，但副边因整流管反偏而无电流流过，变压器储存磁场能量。当开关管V关断时，各线圈电压反向，整流管正向导通，变压器储存的能量通过整流管向负载释放。

2.2单端反激变换器图2-7反激变换电路29第二十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.2单端反激变换器

依据变压器二次侧能量在截止期间是否完全传送出去，反激电路的工作状态分为两种：☞二次侧电流连续

导通期间

截止期间

由磁通平衡原理得：30第三十页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.2单端反激变换器☞电流断续此时先求出电流断续发生时刻

求得

输入电源在一个周期内提供的平均功率为：

注意：反激电路不能开路，此时31第三十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期五32第三十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期五

◆反激电路特点：☞电路简单。没有续流二极管和滤波储能电感，不需要复位绕组（开关管关断期间，二次侧绕组完成能量传递，同时完成磁复位）☞输出电压纹波大。(可以增大滤波电容，但会增加成本和体积）☞主要用于100W左右的小功率电源，且对电源性能指标要求不太严格的场合。2.2单端反激变换器33第三十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期五

◆反激变换器设计存在的困难☞当反激电路工作于电流连续时，直流分量相当大，处理不当会造成磁芯饱和，功率管损坏。☞为避免饱和，变压器磁芯应增加气隙。气隙的调整是一件麻烦的工作。因为气隙增加会使漏感增加，而且自感减少（会影响到输出电压以及单位时间能量的传输),因此，必须加以综合考虑。☞为防止开关管承受电压过大，占空比D不能太大，一般为0.3~0.4。占空比的减小，会影响到输出电压减小。参数之间关系相互牵制，需要综合考虑。而正激电路与占空比无关。2.2单端反激变换器34第三十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.3推挽变换器与双管正激电路区别（从电路结构和两个开关管的驱动信号区分）变压器磁芯工作在一三象限，即双向磁化。工作原理☞重新定义占空比在半个周期内开关管导通，关断一次。

☞分析VT1导通时，变压器副边二极管VD3导通，把一次侧能量传递给负载。VT1截止后，变压器经二极管VD2复位，将VT1导通期间的励磁能量返回电源。此时变压器副边两个二极管（变压器漏感的原因）都导通，把变压器一、二次侧电压钳位为零。

35第三十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.3推挽变换器图2-8反激变换电路36第三十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期五37第三十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.3推挽变换器S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图2-9推挽电路的理想化波形38第三十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期五

◆

输出电压推导：利用开关管导通期间电感储存的能量等于关断期间电感释放的能量。

导通期间

关断期间2.3推挽变换器39第三十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.3推挽变换器

☞当输出电感电流连续时☞

当输出电感电流不连续时，输出电压Uo将连续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下

☞其它关系式（1）开关管VT1(VT2)截止时承受的电压为2Ui。为(适用于低输入电压场合）（2）整流管承受的电压为（3）与开关管并联的二极管承受的电压为2Ui40第四十页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.3推挽变换器推挽式的优点：

☞电压利用率高。开关和交替工作，其输出电压波形非常对称，并且开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压输出特性很好。推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，所以推挽式变压器开关电源被广泛应用于低输入电压的电路中。

☞推挽式开关电源的两个开关器件有一个公共接地端，相对于半桥式或全桥式开关电源来说，驱动电路要简单很多，这也是推挽式开关电源的一个优点。41第四十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.3推挽变换器

☞双极性磁化使得变压器，磁感应变化范围比单极性大，变压器铁心不需要气隙，增加了电源的效率缺点：☞开关器件需要很高的耐压，输入电压两倍。☞变压器有两组初级线圈，对于小功率输出的推挽式开关电源是个缺点，对于大功率输出的推挽式开关电源是个优点。42第四十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.4半桥电路图2-10半桥电路原理图43第四十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期五44第四十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期五图2-11半桥电路的理想化波形2.4半桥电路45第四十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.4半桥电路◆工作过程

☞VT1导通时二极管，VD3处于通态，VD4截止，电感储能，电流增加。

☞VT1截止后，两个开关都关断时，一次侧电流VT2经并联的二极管VD2续流，由于VD2的导通，一次侧电压变为负值，二极管VD4导通，VD3继续导通（变压器漏感)，VD3和VD4都处于通态，各分担一半的负载电流，变压器绕组中的电流为零。

☞后半个周期的工作过程与之前相似，只是一次电压、电流反向，二次侧电压也反向。其数值关系不变。46第四十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.4半桥电路◆输出电压

☞滤波电感L的电流连续时，利用半个周期内电感电流的增加量与其减少量相等，得

☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下☞其它关系式（1）开关管VT1(VT2)截止时承受的电压为Ui。为(适用于高输入电压场合）（2）整流管承受的电压为（3）与开关管并联的二极管承受的电压为Ui47第四十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.4半桥电路◆变压器漏感对工作波形影响的分析

☞漏感的存在，限制了一次侧电流的上升速率使一次侧电流小于二次侧折算到一次侧的电流，此时二极管VD3和VD4均导通，把二次侧电压钳位为零。使整流后的方波削去一部分，有效占空比减小。☞VT1刚截止时，由于漏感的存在，使得电流不能突变，所以经二极管VD2续流，使得一次侧电压变为导致二极管VD4导通，将一二次电压钳位为零，这个负压全部加在漏感上，直到电流减小为零，一次侧电压才变为零。这段时间的长短取决于漏感的大小，漏感越大，时间越长。限制了最大占空比。

48第四十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.4半桥电路◆半桥电路的偏磁现象及解决

☞半桥电路由于两个开关工作特性不同而导致导通时间不对称，从而造成的变压器一次侧电压出现直流分量。这种现象称为直流偏磁。直流谝磁容易造成变压器饱和。☞通常通过在一次侧串联耦合电容解决。由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用。☞注意电容选等效电阻小的，否则分压太大。因此耦合电容容量不能太大，通常选用无极性的薄膜电容。49第四十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.5全桥电路图2-12全桥电路原理图

50第五十页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.5全桥电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图2-13全桥电路的理想化波形51第五十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.5全桥电路■全桥电路

◆工作过程

☞全桥电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。

☞当VT1与VT4开通后，VD5处于通态，电感L的电流逐渐上升。☞当VT2与VT3开通后，VD6处于通态，电感L的电流也上升。

☞当4个开关都关断时，VD5、VD6都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降。52第五十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.5全桥电路◆输出电压

☞滤波电感电流连续时

☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下

53第五十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2.5全桥电路

☞如果VT1、VT4与VT2、VT3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。

☞为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过50%，还应留有裕量。

54第五十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期五电路优点缺点功率范围应用领域正激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W~几kW各种中、小功率电源反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W~几十W小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源。全桥变压器双向励磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离