开关电源及其软开关技术自整理提纲

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开关电源及其软开关技术自整理提纲

《开关电源及其软开关技术》复习资料 2013.6

综合成绩=平时成绩(30%)+期末考试(70%) 考试题型:1.单项选择题:20%,共10小题

2.简述题:约40%,共7小题 3.问答题:约40%,共3小题

第一章

1. 高频开关电源由哪几部分组成?其作用分别是什么?(画出原理方框图加以说明)P3

① 输入滤波电器:其作用是将电网存在的杂波过滤,同时也阻碍本机产生的杂音反馈公共电网。 ② 整流与滤波:将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电,以供下一级变换。 ③ 逆变:将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关的核心部分。 ④ 输出整流滤波:根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。

第二章

1. 串联型线性调整型稳压电源的工作原理、开关型稳压电源的工作原理(包括原理图、电压方程等),以及

两种电源的特点(优缺点)比较。P5、P8~ P10

串联型线性调整型稳压电源:

电压公式:0L W V E I R =-

原理:当E 或L R 变化时,可以调整W R 的阻值,使输出电压0V

维持不变,这便是串联线性调整型稳压电源的基本工作原 理,可变电阻W R 用晶体管取代,因为晶体管工作在输出特

性的线性区,所以称为串联线性调整稳压电源。

优点:①稳定性好,输出纹波电压小,使用可靠

②输入电源能向负载连续地提供能量

缺点:①当E 和0V 差值越大,流过晶体管电流越大,功率晶体管 上的功耗越大,稳压电源效率越低

②工频变压器和滤波器体积大且笨重 ③功耗大,效率低,需要大功率调整管 ④需要体积很大的散热器

开关型稳压电源: 电压公式:on

AB t E E T

=

原理:开关K 以一定时间间隔重复通/断,当开

关K 接通时,输入电源E 向负载L R 提供

能量;当开关K 便中断能量供应。故电源E 向负载提供能量是断续的。

优点:①功耗小,效率可达70%~95% ②可靠性、稳定性高

③重量轻,体积小:散热器体积小;不需要电源变压器;工作频率高,滤波电容电感数值小 ④对电网输入的适应能力提高

缺点:①较之串联线性调整型稳压电源,其提供的能量是断续的

②为了使其能得到连续的能量供给,必须加装储能装置,开关接通时储存能量,断开时向负载

释放能量

2.TRC 控制的方式和特点 P6 TRC 控制原理分为三种: ①脉冲宽度调制(PWM ):指开关周期恒定,通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。 优点:周期恒定,有很小的on T 时间连续可调,滤波电路容易设计

缺点:连续可调的导通时间很小,会导致电压不稳定,要接一定数量的假负载

②脉冲频率调制(PFM ):指导通脉冲宽度恒定,通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。 优点:因为

on

t T

可以在很宽范围内变化,输出电压可调范围较PWM 大;只需要极小假负载 缺点:滤波电路要适应较宽的频段,因而体积较大

③混合调制:指导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定,彼此能改变的方式。 优点:可以得到非常大的可调范围输出电压

3.PWM 和PFM 型开关电源的基本稳压原理,两种控制方式在控制回路中的区别。P8

PWM 原理:由于某些原因(负载电流减少或电网电压上升)使高频变压器副边输出电压平均值增大,电

源输出电压随之升高,反馈检测电路将输出电压与基准电压进行比较,放大,然后将这一电压变化量由电压——脉宽转换电路转换成脉冲宽度的变化,使脉冲宽度变窄,占空比减小,高频变压器输出电压平均值下降,从而使输出电压达到稳定;反之,由于某些原因导致电源输出电压下降时,控制回路输出脉宽将增大,高频变压器输出电压平均值增加,使电源输出电压返回原值。

逻辑顺序【输出电压增大→反馈电路检测该值→与基准电压比较、放大→脉宽-转换电路转换成脉

冲宽度的变化(使脉冲变窄,即占空比变小)→输出电压值下降→输出电压稳定 或 输出电压减小→控制回路输出脉宽增大→输出电压增大→输出电压稳定】

PFM 原理:电源输出电压上升时,控制回路输出脉冲的工作周期变长(即频率下降);电源输出电压下降

时,控制回路输出脉冲的工作周期缩短。

二者区别:PFM 控制方式与PWM 控制方式差别在于以恒脉宽发生电路代替PWM 的时钟振荡器,用电压

—频率转换电路(用V/F 电路表示)取代电压—脉宽转换电路。

4.PWM 型稳压电源的优缺点。P8~ P10 (只需答标题)

优点:①体积小、重量轻;②效率高;③适应性强;④可防止过电压危害;⑤输入交流突然停供时,输出

电压保持时间长;⑥输出电压越低,输出电流越大。

缺点:①电路复杂,元器件数量多;②输出纹波大;③动态响应稍差。

第三章

1. 推挽、全桥、半桥功率转换电路的结构,工作过程,各自的特点(比较三种功率转换电路的主要优缺点)。P11~P14 (考选择)

A .推挽式功率转换电路原理(工作过程): 由驱动电路控制基极的开关BG1和BG2 交替导通,输入直流电压变换成高频方波 交流电压;上绕组N1和下绕组N1两端分 别形成相位相反的交流电压;BG1导通时, 下面绕组N1两端电压为E ,BG2两端电 压2E ;BG2 导通时,上面绕组N1两端电

压为-E ,BG1两端电压2E ;当两个开关都关断时,V CE1和V CE2 均为E 。

优点:①管子数目少;②基极驱动电路无需彼此隔离。驱动电路和过流保护电路简化、选择余地增大 缺点:①开关导通时,产生尖峰冲击电流;②关断瞬间,产生尖峰电压使开关管承受两倍以上输入电压,

使开关器件选择困难;③原边绕组只有一半工作时间,高频变压器利用率太低

B . 全桥式功率转换电路原理(工作过程): 互为对角的两个开关同时导通,同一侧桥臂 上下两开关交替导通,使变压器一次侧形成 幅值为E 的高频方波交流电压;当BG1与 BG2开通,截止晶体管(BG3、BG4)上的电 压为输入电压E ;当4个开关都关断时,同 桥臂上的每个开关承受电压为E /2;由于高频 变压器漏感引起尖峰电压,当超过输入电压 时,管子集电极电压被管子反向并联续流二极 管箝位,管子集电极电压为E 。

优点:①晶体管的选择比较方便;②有利于提高效率;③高压开管耐压要求低,易于获得大功率输出 缺点:需要使用四个开关管,需要彼此绝缘的基极驱动电路,电路复杂,元器件多

C. 半桥式功率转换电路原理(工作过程):

当两个开关管BG1和BG2都截止时,电容 C01,C02中点A 的电压为E /2;当BG1导 通时,C02充电,C01放电,中点A 电位在 BG1导通终了,将下降2E E ?-;当BG2 导通,C01充电,C02放电,中点A 电位 在BG2导通终了增至2+E E ?;中点A 点 位在开关过程中,将在的E /2电位上以E ? 的幅度做指数变化。

优点:①暂态过程高压开管上承受的最高电压不超过电源电压;②晶体管数量只有全桥式电路的一半;③由

于电容的隔直作用,半桥式电路具有抗不平衡能力

缺点:①高频变压器上的电压只有输入电源电压的一半,欲要获得全桥、推挽电路相同的输出功率,开关管

需要流过两倍的电流;②必须要有两个输入电容且过限电路工作频率相同的充放电电流;③电压脉冲顶部有倾斜;④只能获得中等容量输出。

综合对比:

2.单端反激变换器的电路结构,工作过程,电路波形。P14~P16

工作过程:

第一阶段(t0 , t1 ):开关管导通,变压器T的初级线圈N P电

流i P线性增加,在N P上产生上正下负的感应电动势,在

N S上产生上负下正的感应电动势,二极管D反向截止,

变压器初级线圈电感储存能量。

第二阶段(t1 , t2 ):开关管Q由导通变截止,i P减小,N P磁通

量变小,N S上产生上正下负的感应电动势,二极管D导

通,给输出电容充电和负载供电。

3.单端正激变换器的电路结构,工作过程,电路波形。P16~P17

工作过程:

第一阶段(t0 , t1 ):开关管Q导通后,N P线圈流过电流i P,在

N P线圈中产生上正下负的感应电动势,次级线圈N S感应

电动势也是上正下负,二极管D2导通,D3截止,输入端

能量供给电感L、电容C和负载。

第二阶段(t1 , t2 ):开关Q截止,i P 趋于零,感应电动势反向;

二极管D2截止,D3导通,电感L通过D3续流;去磁

线圈N t感应电动势上负下正D1导通续流,使N t上储存的

能量通过D1回送到直流输入回路。起到去磁作用。

4.合闸浪涌电流的起因,危害,限制合闸浪涌电流的方法。P28

电容输入式整流滤波电路在接入交流电压时,合闸瞬间由于电容充电往往会引起较大的浪涌电流,特别是高频开关电源,由于希望获得纹波较小的滤波电压,一般输入滤波电容较大,且由于从电网获取交流进行整流电压较高,因此,合闸浪涌电流比一般传统整流式电源要高得多,电流持续时间会比较长。

危害:①引起电源开关接点的熔接,或使输入熔断器熔断;②浪涌电流产生的干扰会为相邻用电设备带来妨碍;③多次、反复经受大电流冲击,会使电容器和整流器性能劣化;④合闸浪涌电流会引起一系列可靠性问题,必须加以抑制。

1.输入滤波电路的作用,三种电容输入滤波电路的工作原理,画出能够抑制常态干扰和共模干扰的电容组合型输入滤波电路。P36

凡是接在交流电网与开关电源输入之间的滤波设备都叫输入滤波设备,其主要作用是抑制开关电源本身对交流电网的反干扰、抑制交流电源中的高频干扰串入开关电源。

工作原理:将滤波电容C接在两根电源线之间,只要电容值选择适当(一般在0.01~0.10μF),就可对高频干扰起抑制作用,因该电容对高频干扰阻抗甚低,故可将两线之间存在的干扰通过电容C自成短路消除;

由二电容组成的输入滤波设备,它们分别接在两电源线和地线之间,这样每根线上相同的干扰可通过电容入地,以滤除共模干扰,其中C1和C2滤除共模纵向干扰,C3滤除常态干扰。

2.共模扼流线圈的工作原理,画出能够抑制常态干扰和共模干扰的电感电容组合型输入滤波电路。P37

工作原理:电感线圈L1、L2主要吸收共态噪声,当输入电网中有共态噪声时,两线圈产生的顺向串联磁通相加,电感呈现高阻抗,阻止共态噪声进入开关电源;对于工频电源,则为一进一出,L1、L2产生的反向串联磁通相减,感抗为零,故毫无影响。

3. 噪声干扰的种类,产生的原理。P39

噪声干扰可分为静电干扰和磁的或电磁干扰。

静电干扰:来自开关电源中的高压切换,导致开关管,散热器与机壳及机内引线之间的分布电容产生瞬变电压。这种电压变化最高可达600V/ms。

磁的或电磁噪声:来自大的脉冲电流、电源内部元件,如开关管的存储时间,大电流开关二极管的反向恢复时间,将会造成回路瞬时短路,产生很大短路电流,该电流比正常工作电流大很多。短路回路中的导线,变压器,电感都是产生噪声干扰源。

4. 各种防止辐射干扰的方法、措施。P40~42

○1适当控制开关管驱动信号的上升时间和下降时间(控制开关时间);

○2在开关管两端并联一RCD网络,减缓开关管集射极之间电压上升速率(控制开关时间);

○3控制输入开关管的驱动功率,限制管子过饱和,减少存储电荷,缩短其存储时间(防止共态导通);

○4设置死区时间限制驱动脉冲的控制脉宽,防止出现共态导通(防止共态导通);

○5在开关管输入端并接小容量电容,延迟管子导通时间(防止共态导通);

○6采用反向恢复时间短的二极管,减小反向恢复时间(防止共态导通);

○7在输出端加多级滤波器,使二极管中电流减少,以减少恢复时间(减少恢复时间);

○8在每个开关二极管两端并接RC网络以改善二极管恢复特性,消除二极管寄生电容和线路电感构成的振荡;○9在二极管回路中串联电感以抑制二极管反向恢复电流尖峰;

○10在开关管与散热器间插入静电隔离层/绝缘导热层/屏蔽层;

○11加入RC网络限制变压器电压变化率,减少电压过冲,抑制噪声;

1.控制电路的主要功能。P43

控制回路的作用是向驱动电路提供一对前沿陡峭、相位差180°、对称和宽度可变的矩形脉冲列,通过这一对脉冲电压的有与无、脉冲的宽与窄,脉冲宽度的变化量和输出电压变化量的关系,以及从一个脉冲变换到另一脉冲的速度等关系来实现设计目标。具体有: ○

1要有足够的电路增益; ○

2获得规定的输出电压值和调节范围; ○

3实现输出电压软启动; ○

4实现输入电压软启动; ○

5负载过流或短路时,应对负载和稳压电源提供可靠的保护; ○

6当稳压电源输出过压时,应对负载提供保护; ○

7实现输入和反馈输入之间的绝缘; ○

8远距离操作功能; ○

9程序供电功能; ○10并联运行功能

2.脉宽调制集成芯片的基本功能电路以及各功能电路的原理:PWM 信号产生的原理以及波形。P45~ P47 放大器的输入同相端被控制信号o V 经检测所得反馈电压f o V KV .给定的参考电压g V 加到放大器反相输入端,放大后输出直流误差电压e V 加到比较器的反相输入端,由一固定频率振荡器产生锯齿波sa V 加到比较器同相输入端,然后比较器输出一方波信号,此方波信号占空比随误差电压e V 变化,从而实现脉宽调制。分相电路由触发器及两个与门组成,触发器时钟信号对应锯齿波下降沿,A 和B 端输出二组PWM 信号。

3. SG1525/ SG1527集成PWM 控制器的主要构成。P47~ P49

主要由:①基准电压源、②振荡器、③误差放大器、④PWM 比较器及锁存器、⑤分相器、⑥欠压锁定、⑦

输出级、⑧软启动、⑨关断电路

4.电压控制型和电流控制型PWM 芯片的区别。P50(选择)

①电压源和电流源最大的区别就是一个是按反馈电压调节脉宽,一个是按反馈电流调节脉宽。电流型PWM 控制是一阶系统,电压型PWM 控制是二阶系统.②以AC-DC-AC 为例,电压型直流侧并大电容,电压脉动小,可近似恒压源,电压无法反向。电流型直流侧串大电感,电流脉动小,可近似恒流源,电流无法反向。③逆变电路来看,由于电流型电流不可反向,而电压可反向,因此无需电压型所用的反并联无功反馈二极管。而电机驱动时,电流型更容易实现再生制动。④逆变负载来看,电压型适合对谐波电流表现出高阻抗的负载,如电感;而电流型则适合谐波阻抗低的负载,如电容;因此在控制电机时,电流型需并联电容;类似电压型接电容负载时,需串联电感。⑤电流型可能因负载多为感性,直流侧电感往往体大笨重,应用较少,

5.由UC3842构成的反激电源各部分的原理。P52~ P55

①使用内部E /A 误差放大器构成电压闭环;②利用电流测定比较器构成电流闭环;③R S 作用为参与当前工作周波占空比控制;④R2,C2//C3构成启动电路。电源电压超过15V 时,电路启动,然后由N2,VD1,C3构

6.软启动电路的分类。P59

分为输出电压软启动和输入电网电压分段启动两类;

输出电压软启动:一般PWM低电压大电流稳压电源的输出滤波电容较大,输出电压突然建立形成很大的电容充电电流。

输入电网电压分段启动:在合闸时,先接入限流电阻R,将合闸浪涌电流限制在设定范围,待输入电容充满后,将该电阻短接。

7.过流保护电路的形式、工作原理,特点。P61

A.切断式保护:

工作原理:检测电流信号经电流-电压转换电路转换成电压信号,再经过比较电路进行比较,当负载电流达到额定值,信号电压大于或等于比较电压,比较电路产生输出。

优点:属于一次性动作,对保护电路中电流检测和电压比较电路的要求较低,容易实现

缺点:一旦切断,电源不能自行恢复,必须改变保持原件或电路状态才能恢复正常输出

B.限流式保护:

工作原理:当负载电流达到设定值时,保护电路工作,使V/W电路输出脉宽变窄,稳压源输出电压下降以维持输出电流在某设定范围以内,直至负载短接,V/W电路输出最小脉宽,输出电流为某值。

特点:较之前者,电流比较电路的输出取代误差放大器控制的V/W电路的输出脉冲宽度;电压比较器的输出不是使整个控制电路失效。

C. 限流—切断式保护:

工作原理:实施分段保护,当负载达到某个设定值,保护电路动作,输出电压下降。负载电流被限制。

如果负载继续增大至第二个设定值或输出电压下降到某个设定值,保护电路进一步动作,将电源切断。

特点:这是切断式保护和限流式保护相结合的产物,兼二者之长。

8.过压保护电路的工作原理。P62~P63

护动作,切断电源输出。此类方法只能在小电流输出时应用。

B. 当出现过电压,晶体管导通,阳极将输出低电平,从而使V/W电路停振或整个控制电路停止工作,使高

压开关管截止。此法可以单独进行保护并作过压指示,也可和过电流保护电路合用晶闸管和指示灯。

第六章

1.驱动电路的主要作用。P66

驱动电路的主要作用是将控制电路的驱动脉冲放大到足以激励高压开关管,由于它所提供的脉冲幅度以及波形关系到晶体管的饱和压降、存储时间、开通和关断瞬间集电极电压电流上升下降速率等运行特性,从而直接影响其损耗和发热,故驱动电路被认为是决定PWM型开关电源优劣的要素之一。

2.恒流驱动电路的缺点以及该缺点在比例电流驱动电路如何改善。P67

缺点:恒流驱动的基极驱动电流保持恒值,其最大值只在管子开通瞬间和变换器转换最大功率时才需要,在空载或轻载情况下不仅显得多余还增加存储时间。

改善方案:使晶体管工作在临导饱和状态,使基极驱动电流按集电极电流的大小进行调整,维持一定的比例关系。

3.反向驱动电路的工作原理,电容储能式驱动电路特点。(只需描述工作过程) P71

I,同时向电容C1充电,

正向驱动时电阻R1限制正向基极电流

1

B

晶体管BG2被二极管D1的正向压降置于反向偏置而截止。

当脉冲变压器副边电压降低为零时,BG2被正向驱动到饱和,储

存在电容C1上的能量通过高压开关管发射结和BG2释放,BG1

基极剩余载流子被迅速抽出而关断。用一个脉冲变压器获得反偏

是其特点,其不足是电容C的充放电依赖于脉冲宽度。

4. 电压型驱动电路的分类以及各自的工作原理或特点。P75~ P77

V A. 不隔离电压型驱动电路原理:当控制信号为高电平时,BG1导通,BG2关断,功率MOSFET的门极被

CC

V时导通;当控制信号为低电平时,BG2导通,功率MOSFET门极上存储的电电源通过R9充电至

CC

荷由BG2释放到零,MOSFET随之关断。

特点:电路结构比较简单

V通过R9对功率MOSFET门B.推挽式结构驱动电路原理:当控制信号为高电平时候,BG1导通,电源

CC

极充电,VD1随之导通;反之,当信号低电平时候,BG2导通,门极上的电荷被释放,功率MOSFET 关断。

特点:电路结构比较简单

副边获得一感应电压,通过R9给场控器件门极充电,使之导通;反之,当信号低电平时候,变压器原边电压下降或为零,此时场控器件门极存储的电荷通过R9和变压器副边释放,从而被关断。图中Z2、Z3和R2作用是保护场控器件的门极。

特点:由开关管推动高频脉冲变压器原边,而副边产生的电压脉冲直接去驱动电压型场控器件;同一电路中,若有几个不共地元件,驱动电路必须相互隔离。

D.间接式磁隔离驱动电路原理:当控制信号为高电平时,BG1导通,

CC

V电压加到脉冲变压器原边,副边获得一感应电压,放大电路将初级微弱信号放大到足以驱动场控元件;低电平时,变压器原边电压下降或为零,此时场控器件门极存储的电荷通过功放电路和变压器副边释放,从而被关断。

特点:同一电路中,若有几个不共地元件,驱动电路必须相互隔离。

E. 光隔离电压型驱动电路原理:当控制信号为高电平时,BG1导通,光耦的原边流过电流使副边饱和导通,

经功放回路去驱动场控器件;当信号低电平时候,BG1关断,光耦原边无电流,副边随之关断而使功率MOSFET的门极存储电荷由BG3释放而关断。

特点:采用光耦来实现控制信号和驱动信号之间的电隔离,由于光耦传输能量弱,故光耦输出不能推动开光器件,因此该类电路没有直接驱动型。

软开关部分 (最后两点考电流走向及工作过程)

1.硬开关的工作原理,存在的问题;软开关的优点。P261

工作原理:在硬开关开通时电压不能立即下降到零,电流不能立即上升到负载电流;关断时电压不能立即从零上升到电源电压,电流不能立即从负载电流下降至零。在开通和关断过程当中电流和电压之间形成交叠区,分别产生开通损耗和关断损耗,二者合称为开关损耗。

存在问题:①开关损耗限制变换器开关频率的提高,不利于变换器小型化和轻型化;

②会产生较高的di

dt 和du

dt

,从而产生较大的电磁干扰

软开关优点:①减小开关损耗、变换器的体积和重量;②提高开关频率、电源效率和变换器变换效率;

③简化电路,提高动态性能和可靠性。

2.软开关的种类以及各自的原理。P262

①零电流开通:在开关管开通时,使其电流保持为零,或限制电流上升率,减小电流和电压交叠区。

②零电压开通:管子开通前,使电压下降到零,使其损耗减少到零。

③零电流关断:在开关管关断之前,使其电流减小到零,从而使损耗降低。

3. 零电流谐振开关的工作原理。P270~P271

基本原理:在1S 开通之前,r L 的电流为零;当1S 开通时,

r L 限制1S 中电流的上升率,从而实现1S 的零电流

开通;当1S 关断时,r L 和r C 的谐振工作使r L 的电

流回到零,从而实现1S 的零电流关断。

根据功率开关1S 的单向导通和双向导通,可把零电流谐振开关分为半波模式和全波模式。

4. 零电流开关准谐振变换器(半波模式、全波模式)的工作过程,每个阶段的特点、等效电路。P272~P276 ①开关模态1 [0t ,1t ]――电感充电阶段:在0t 时刻前,开关管1Q 处于关断状态,输出滤波电感o I 通过续流二极管D1,谐振电感电流Lr i 与谐振电容电压Cr v 均为零,在0t 时刻,1Q 开通,加在r L 上的电压为in V ,其电流从零线性上升,此时1Q 零电流开通。在1t 时刻,Lr i 上升到o I ,D1自动关断。

②开关模态2 [1t ,2t ]――谐振阶段:从1t 时刻开始,r L 和r C 开始谐振工作。若为半波模式,在2t 时刻Lr

i 减小为零,此时关闭开关管1Q ,则1Q 是零电流关断;若为全波模式,在1b t 时刻,Lr i 减小为零,此时1Q 的反并二极管1Q D 导通,Lr i 继续反向流动。在2t 时刻,Lr i 再次减小为零,[1b t ,2t ]时段,1Q D 导通,1Q 的电流为零,则1Q 是零电流关断。

③开关模态3 [2t ,3t ]――电容放电阶段:此模态中,由于Lr i 为零,输出滤波电感电流o I 全部流过谐振电

容,谐振电容放电,在3t 时刻,Cr v 减小为零,续流二极管D1导通。

④开关模态4 [3t ,4t ]――自然续流阶段:此模态中,输出滤波电感电流o I 经续流二极管D1续流,在4t 时刻,零电流开通1Q ,开始下一个开关周期。

5. 零电压开关准谐振变换器(半波模式、全波模式)的工作过程,每个阶段的特点、等效电路。P282~P285

①开关模态1 [0t ,1t ]――电感充电阶段:在0t 时刻前,开关管1Q 导通,输入电流i I 经1Q 续流,谐振电容r C 电压为零,D1处于关断状态,谐振电感r L 电流为零;在0t 时刻,关断1Q ,输入电流i I 从1Q 中转移到r C 中,为r C 充电,其电压从零线性上升,由于r C 电压慢慢上升,1Q 为零电压关断,在1t 时刻Cr v 上升到o V 。

②开关模态2 [1t ,2t ]――谐振阶段:从1t 时刻开始,r L 和r C 开始谐振工作,谐振电流Lr i 开始增加。若为

半波模式,在2t 时刻Cr v 减小为零,此时反并二极管1Q D 导通,将1Q 电压箝在零位,1Q 开通,为零电压开通;若为全波模式,在1b t 时刻,Cr v 减小为零,并开始变负电压,在2t 时刻,Cr v 再次减小为零,此时开通1Q ,则1Q 是零电压开通。

③开关模态3 [2t ,3t ]――电容放电阶段:此模态中,1Q 开通,输入电流i I 流经1Q ,谐振电感两端电压为

o V -,Lr i 线性减小;在3t 时刻,Lr i 减小为零,由于D1阻断作用,Lr i 不能方向流动。

④开关模态4 [3t ,4t ]――自然续流阶段:此模态中,谐振电感r L 和谐振电容r C 停止工作,输入电流i I 经

1Q 续流,负载由输出滤波电容提供能量,在4t 时刻,零电流开通1Q ,开始下一个开关周期。

开关电源之软开关技术在开关电源中的应用阐述

开关电源之软开关技术在开关电源中的应用阐述 开关电源中的硬开关和软开关是针对开关晶体管而言的。硬开关是不管 开关管上的电压或电流,强行接通或关断开关管。当开关管(漏极和源极之间,或者集电极和发射极之间)的电压及电流较大时,切换开关管,由于开关管状态间的切换(由导通到截止,或由截止到导通)需要一定的时间,这样就会造 成在开关管状态切换的某一段时间内,电压和电流有一个交越区域,这个交 越造成的开关管损耗(开关管的切换损耗)随开关频率的提高而急速增加。 ?若是感性负载,在开关晶体管关断时会感应出尖峰电压。开关频率越高, 关断越快,该感应电压越高。此电压加在开关器件两端,容易造成器件击穿。 ?若是容性负载,在开关晶体管导通瞬间的尖峰电流大。因此,当开关晶体 管在很高的电压下接通时,储存在开关晶体管结电容中的能量将以电流形式 全部耗散在该器件内。频率越高,开通电流尖峰越大,从而会引起开关管的 过热损坏。 ?另外,在次级高频整流回路中的二极管,在由导通变为截止时,有一个反 向恢复期,开关晶体管在此期间内接通时,容易产生很大的冲击电流。显然 频率越高,该冲击电流也越大,对开关晶体管的安全运行造成危害。 ?最后,做硬开关运用的开关电源中,开关晶体管会产生严重的电磁骚扰。 随着频率的提高和电路中的di/dt和du/dt增大,所产生的电磁骚扰也在增大,影响开关电源本身和周围电子设备的正常工作。 ?上述问题严重阻碍了开关器件(开关晶体管和高频整流二极管)工作频率的 提高。近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径。和硬开关工作原理不同,理想的软关断过程是电流先降小到零,电压在缓慢

开关电源技术规格书

开关电源技术规格书 Switching Power Supply Specification 型号Model: 1305AC 拟制(Editor) :段家贵 审核(Verifier) : 批准(Approver) : 版本(Edition) :1305 1、总则Introduction 该款电源参考intel提出的ATX12V V2.31标准设计制造,额定输出功率90W。 。 The Power Supply was designed reference Intel Power Supply Design Guide ATX12V 2.31. Rated output total power is90W. 2、电气特性Electrical 2.1、 2.2、直流精度 [鍵入文字]

注:当+12V处于峰值电流负载时,输出电压范围为±10%。 Note: At +12VDC peak loading, regulation at the +12V outputs can go to ±10%. 2.3、直流功率分布Typical Power Distribution 2.4、 注意:1、噪声与纹波的测试带宽为10Hz~20MHz; 2、在测试噪音与纹波期间,用一个0.1UF瓷片电容和10UF的电解电容并接在输出端上。 Note: 1、Ripple and noise are defined as periodic or random signals over a frequency band of 10Hz to 20 MHz. 2、Measurements shall be made with an oscilloscope with 20 MHz of bandwidth. Outputs should be bypassed at the connector with a 0.1μF ceramic disk capacitor and a 10 μF electrolytic capacitor to simulate system loading. 2.5、电源效率Efficiency 在25℃下,直流输入11.4V-12.6V 、Intel规定的满负载条件下,电源效率不小于80%。 The efficiency of the power supply should be greater than or equal to 80%, at nominal input voltage of DC 11.4V-12.6V input, under the load conditions defined in the form factor specific sections of intel PSDG, at 25℃。

一种基于软开关三电平DCDC开关电源的研制.pdf

目前,开关电源正朝着高频、高效、环保等方向发展。与传统拓扑结构相比,三电平变换器由于具有开关管电压应力为输入直流电压的一半,适合输入电压较高的场合,输出电压谐波小等优点,从而备受关注。此外,伴随着高频化发展,出现了软开关技术,并结合三电平产生了不同拓扑的DC/DC变换器。传统ZVS半桥三电平DC/DC变换器轻载时滞后管难以实现ZVS,且开通损耗严重。ZVZCS变换器消除了ZVS三电平变换器零状态时变压器初级环流,减小了初级通态损耗,同时改善了占空比丢失问题,近年来得到了广泛研究。 这里提出一种新型ZVZCS半桥三电平DC/DC变换器,其次级采用了一个简单的无源筘位网络,通过这个无源箝位网络实现了超前桥臂在一定负载范围内的ZVS和滞后桥臂的ZCS。 2 主电路工作原理 图1为新型半桥三电平DC/DC变换器拓扑。 由图1可见,次级采用的无源箝位网络主要由箝位电容CA和二极管VDA1,VDA2,VDA3构成。变压器次级中心抽头通过VDA1连接到CA,将次级电压箝位在一个较低的水平。Cs1,Cs2为等值的输入分压电容,VDc1,VDc2为箝位二极管,Css为飞跨电容,Llk为变压器漏感,n为变比,VDR1~VDR4为整流二极管,Lf,Cf分别为滤波电感、电容,Uin,Uo 为输入、输出直流电压。采用移相PWM控制策略,工作波形如图2所示。 为简化分析,作如下假设:电路各器件均为理想元件;Lf足够大,其电流不变;将Cf看作

恒压源。变换器在半个稳态开关周期内有9个工作模态,分析如下: 新周期开始前超前管VS1导通,负载电流通过整流二极管续流,a,b间电压、次级电压、初级电流分别为uab,urec,ip,此时uab=urec= 0,ip=0. 模态1(t1~t2) t1时刻,滞后管VS2导通,新周期开始。由于ip=0,VS2此时ZCS开通。uab=Uin/2,ip线性增加。由于ip仍小于负载电流Io折算到初级的值Io/n,VDR1~VDR4全部导通,urec为零,说明该模态中次级存在占空比丢失现象。 模态2(t2~t3) t2时刻,ip达到Io/n,VDR1,VDR4关断,初级开始向负载传递能量。由于CA上电压为零,VDR1,VDR4为ZVS关断。同时VDA1导通,输入部分能量通过Ilk,VDA1向CA充电。记Uins(m2)为此模态中初级折算到次级的等效电压,Llk(m2)为折算到次级的等效漏感,则CA的电流iCA电压uCA,ip及urec分别为: 由于CA通过变压器次级中心抽头充电,urec=2uCA.t3时刻,uCA=Uo,VDA3导通,urec 被箝位为2Uo.记UrecP为次级电压峰值,则UrecP= 2Uo. 模态3(t3~t4)记uCA电压峰值为UCAM,UCAM=Uo保持不变,Llk中的谐振电流经过VDA3流向Cf,iCA迅速减小为零,urec保持2Uo不变。t4时刻Llk电流谐振到零,VDA1,VDA3 ZCS关断。 模态4(t4~t5) uCA仍保持UCAM不变,由于该模态下urec>Uo,VDA2不会导通,有ip(t)=Io/n,urec(t)=Uin/(2n)。 模态5(t5~t6) t5时刻,VS1 ZVS关断,记电容C1,C4电压分别为uC1,uC4,则UC1(t5)=0,UC4(t5)=Uin/2,ip向C1充电,C4放电,次级电压和整流二极管电压迅速减小,则有: 模态6(t6~t7)随着urec的减小,整流二极管两端电压迅速下降,在t6时刻被箝位为UCAM,此时VDA2 ZVS导通,CA开始放电,ip下降。则有:

开关电源的分类及运用

开关电源的分类及运用 1.开关电源的分类 开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类,DC/DC变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化,并已得到用户的认可,但AC/DC的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。 1.1DC/DC变换 DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种,一是脉宽调制方式Ts不变,改变ton (通用),二是频率调制方式,ton不变,改变Ts(易产生干扰)。其具体的电路由以下几类: (1)Buck电路降压斩波器,其输出平均电压Uo小于输入电压Ui,极性相同。 (2)Boost电路升压斩波器,其输出平均电压Uo大于输入电压Ui,极性相同。 (3)Buck-Boost电路降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui,极性相反,电感传输。 (4)Cuk电路降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo大于或小于输入电压UI,极性相反,电容传输。 当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃,美国VICOR公司设计制

造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功率密度为(6、2、10、17)W/cm3,效率为(80-90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为(200~300)kHz,功率密度已达到27W/cm3,采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二极管),是整个电路效率提高到90%。 1.2AC/DC变换 AC/DC变换是将交流变换为直流,其功率流向可以是双向的,功率流由电源流向负载的称为整流,功率流由负载返回电源的称为有源逆变。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电,因必须经整流、滤波,因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的,同时因遇到安全标准(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA),交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件,这样就限制AC/DC电源体积的小型化,另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作,使得解决EMC电磁兼容问题难度加大,也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求,由于同样的原因,高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大,限制了AC/DC变换器模块化的进程,因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。 AC/DC变换按电路的接线方式可分为,半波电路、全波电路。按电源相数可分为,单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。

开关电源软启动电路设计

开关电源软启动电路设计 1 简介 开关电源的输入电路大都采用整流加电容滤波电路。在输入电路合闸瞬间,由于电容器上的初始电压为零会形成很大的瞬时冲击电流如图1所示,特别是大功率开关电源,其输入采用较大容量的滤波电容器,其冲击电流可达100A以上。在电源接通瞬间如此大的冲击电流幅值,往往会导致输入熔断器烧断,有时甚至将合闸开关的触点烧坏,轻者也会使空气开关合不上闸,上述原因均会造成开关电源无法正常投入。为此几乎所有的开关电源在其输入电路设置的防止冲击电流的软起动电路,以保证开关电源正常而可靠的运行。 2 常用软起动电路 2.1 采用功率热敏电阻电路 热敏电阻防冲击电流电路如图2所示。它利用热敏电阻的Rt的负温度系数特性,在电源接通瞬间,热敏电阻的阻值较大,达到限制冲击电流的作用;当热敏电阻流过较大电流时,电阻发热而使其阻值变小,电路处于正常工作状态。采用热敏电阻防止冲击电流一般适用于小功率开关电源,由于热敏电阻的热惯性,重新恢复高阻需要时间,故对于电源断电后又需要很快接通的情况,有时起不到限流作用。

2.2 采用SCR-R电路 该电路如图3所示。在电源瞬时接通时,输入电压经整流桥VD1-VD4和限流电阻R对电容器C充电。当电容器C充电到约80%的额定电压时,逆变器正常工作,经主变压器辅助绕组产生晶闸管的触发信号,使晶闸管导通并短路限流电阻R,开关电源处于正常运行状态。 这种限流电路存在如下问题:当电源瞬时断电后,由于电容器C上的电压不能突变,其上仍有断电前的充电电压,逆变器可能还处于工作状态,保持晶闸管继续导通,此时若马上重新接通输入电源,会同样起不到防止冲击电流的作用。 2.3 具有断电检测的SCR-R电路 该电路如图4所示。它是图3的改进型电路,VD5、VD6、VT1、RB、CB组成瞬时断电检测电路,时间常数RBCB的选 取应稍大于半个周期,当输入发生瞬间断电时,检测电路得到的检测信号,关闭逆变器功率开关管VT2的驱动信号,使逆变器停止工作,同时切断晶闸管SCR的门极触发信号,确保电源重新接通时防止冲击电流。 2.4 继电器K1与电阻R构成的电路 该电路原理图如图5所示。电源接通时,输入电压经限流电阻R1对滤波电容器C1充电,同时辅助是电源Vcc经电阻R2对并接于继电器K1线包的电容器C2充电,当C2上的充电电压达到继电器的动作电压时,K1动作,旁路限流电阻

软开关技术在开关电源中的应用

软开关技术在开关电源中的应用 开关电源中的硬开关和软开关是针对开关晶体管而言的。 硬开关是不管开关管上的电压或电流,强行接通或关断开关管。当开关管(漏极和源极之间,或者集电极和发射极之间)的电压及电流较大时,切换开关管,由于开关管状态间的切换(由导通到截止,或由截止到导通)需要一定的时间,这样就会造成在开关管状态切换的某一段时间内,电压和电流有一个交越区域,这个交越造成的开关管损耗(开关管的切换损耗)随开关频率的提高而急速增加。 开关管的切换损耗与开关管的负载特性有关: 若是感性负载,在开关晶体管关断时会感应出尖峰电压。开关频率越高,关断越快,该感应电压越高。此电压加在开关器件两端,容易造成器件击穿。 若是容性负载,在开关晶体管导通瞬间的尖峰电流大。因此,当开关晶体管在很高的电压下接通时,储存在开关晶体管结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率越高,开通电流尖峰越大,从而会引起开关管的过热损坏。 另外,在次级高频整流回路中的二极管,在由导通变为截止时,有一个反向恢复期,开关晶体管在此期间内接通时,容易产生很大的冲击电流。显然频率越高,该冲击电流也越大,对开关晶体管的安全运行造成危害。 最后,做硬开关运用的开关电源中,开关晶体管会产生严重的电磁骚扰。随着频率的提高和电路中的di/dt 和du/dt增大,所产生的电磁骚扰也在增大,影响开关电源本身和周围电子设备的正常工作。 上述问题严重阻碍了开关器件(开关晶体管和高频整流二极管)工作频率的提高。近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径。和硬开关工作原理不同,理想的软关断过程是电流先降小到零,电压在缓慢上升到断态值,所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已经下降到零,便解决了感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零,电流在缓慢上升到通态值,所以开通损耗近似为零,器件结电容的电压也为零,解决了容性开通问题。同时,开通时,二极管反向恢复过程已经结束,因此二极管反向恢复问题不存在。 软开关技术还有助于电磁骚扰水平的降低,其原因是开关晶体管在零电压的情况下导通和在零电流的情况下关断,同时快恢复二极管也是软关断的,这可以明显减小功率器件的di/dt和du/dt,从而可以减小电磁干扰的电平。 一般来说软开关的效率较高(因为没有切换损);操作频率较高,PFC或变压器体积可以减少,所以开关电源的体积可以做到更小。但成本也相对较高,设计较复杂

开关电源技术教学大纲

《开关电源技术》课程教学大纲 课程代码: 060432005 英文名称: Switching Power Supply Technology 总学时: 32 其中实践学时: 0 适用专业:电气工程及其自动化 大纲编写(修订)时间:2017.11 一、课程目的与任务 本课程是电气工程及其自动化专业的专业选修课程,是一门理论性和实践性都很强的 课程。通过本课程的学习,使学生了解和掌握了开关电源最常用拓扑的基本原理(例如BUCK、BOOST、FLYBACK、正激电路等等)、磁性元件的设叶、开关电源的闭环控制系统设计和驱动 保护电路设计等,为今后从事电气设备或电子设备领域的研究和技术工作打下必要的专业 基础。 二、教学基本要求 学生通过本课程的学习,在知识、能力和素质上应达到的基本要求如下:了解和掌握开关电源的基本理论和分析方法,能够根据应用要求进行开关电源的拓扑电路选择,熟悉主要 的电路拓扑,例如BUCK、BOOST、FLYBACK、正激电路等,能够根据负载特性进行主电路拓 扑的主要元件的参数计算,能够根据负载特性选择合适的驱动管(MOSFET或者IGBT等等), 能够根据负载特性要求设计恰当合适的闭环控制系统的类型和参数 三、教学内容(按章、节、目三个层次详细编写,含具体要求、重难点内容和学时分配) 1.开关电源的基本理论和分析方法(8学时) 1.1开关电源的应用场合(2学时): 1.2开关电源的基本概念(2学时) 1.3开关电源的基本分析方法(2学时) 1.4开关电源设计的一般考虑(2学时) 要求了解和掌握开关电源的设计要求的制定以及各项指标的内涵等等。 2。开关电源的电路拓扑(8学时) 2.1开关电源的电路拓扑综述(2学时) 2.2 BUCK电路拓扑(2学时) 2.3 BOOST和FLYBACK电路拓扑(2学时) 2.4正激电路拓扑(2学时) 要求了解和掌握两大类电路拓扑的各自特点,能够进行BUCK和FLYBACK开关电源主电路拓扑的设计计算。 3.元件选择(8学时) 3.1 MOSFT和IGBT(2学时) 3.2磁性元件(4学时)

SIMetrix在“开关电源及其软开关技术”教学中的应用

SIMetrix 在“开关电源及其软开关技术”教学中的应用 为了完善专业的知识结构、配合学校培养应用型人才的办学思路,华南理工大学广州学院电气工程学院为本科生开设了“开关电源及其软开关技术”这门课程。该课程是“电力电子技术” 的后续课程,系统地介绍了开关电源电路的结构组成、工作原理、设计方法和开发过程,其综合性、工程性和实用性很强。目前,课程在教学中存在的主要问题:第一,虽然在课堂教学中使用了多媒体课件,但依然需要花费大量精力对电路工作原理及其波形进行描述和分析,学生仅凭听讲还是很难深入理解。第二,在本科生中开设该课程的高校较少,在市场上很难找到针对该课程的实验装置,学生学习的理论知识得不到很好的验证。第三,开关电源的硬件开发是一项知识面要求宽、难度大又危险的复杂技术工作,受时间、空间、物质条件等因素限制,在这方面不能做过多要求,因此学生动手能力得不到真正的锻炼。 为了弥补以上不足,本文提出在课程教学中引入SIMetrix 仿真工具。借助该仿真软件,学生更容易理解理论知识,还可以在课堂外对所学的知识加以验证以及进行一些设计应用,从而激发学习的兴趣并增强实践能力。 一、SIMetrix 仿真软件介绍 特点一:包含丰富的器件模型。模型库不仅包含了理想的电路元件,同时还提供了比较通用的、常见的半导体器件和各类应用广泛的

集成电路控制芯片,在此基础上足以构建完整的开关电源系统。 特点二:先进的测量功能。波形可通过选择检测器然后点击原理图生成,或在原理图上放入固定的检测器生成,可在仿真后甚至仿真时查看波形,非常方便。 特点三:强大的波形处理功能。为波形分析提供RMS、frequency、-3dB、FFT等40多种函数,选择这些函数可获得计算结果并显示在波形旁边。 特点四:具有多种分析功能。包括瞬态分析、交流分析、直流分析、噪声分析、传输函数分析等,每种分析功能下又提供多种扫描模式,如频率扫描、器件扫描、参数扫描、模型参数扫描、温度扫描、蒙特卡罗扫描等等。 此外,SIMetrix 仿真软件的仿真结果与实际非常接近,用户图形界面友好,仿真直观,使用者容易掌握。 二、基于UC3842的反激电路仿真实例分析 反激变换器具有高可靠性、高效率、电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、升/ 降压范围宽、易于多路输出等优点,是小功率开关电源的理想电路拓扑。UC3842是SIMetrix仿真工具模型库 自带的集成芯片,其外围器件少、性能良好、价格低廉。综上所述,以UC3842空制的反激电源为仿真实例,电路简单且具有代表性,满足初学者的基本学习要求,具体的仿真电路如图1 所示 1. 仿真电路原理 (1)主电路原理。交流输入电压经D1-D4 组成的桥式整流

移相全桥大功率软开关电源的设计

移相全桥大功率软开关电源的设计 移相全桥大功率软开关电源的设计 1引言 在电镀行业里,一般要求工作电源的输出电压较低,而电流很大。电源的功率要求也比较高,一般都是几千瓦到几十千瓦。目前,如此大功率的电镀电源一般都采用晶闸管相控整流方式。其缺点是体积大、效率低、噪音高、功率因数低、输出纹波大、动态响应慢、稳定性差等。 本文介绍的电镀用开关电源,输出电压从0~12V、电流从0~5000A连续可调,满载输出功率为60kW.由于采用了ZVT软开关等技术,同时采用了较好 的散热结构,该电源的各项指标都满足了用户的要求,现已小批量投入生产。 2主电路的拓扑结构 鉴于如此大功率的输出,高频逆变部分采用以IGBT为功率开关器件的全桥拓扑结构,整个主电路,包括:工频三相交流电输入、二极管整流桥、EMI滤波器、滤波电感电容、高频全桥逆变器、高频变压器、输出整流环节、输出LC滤波器等。 隔直电容Cb是用来平衡变压器伏秒值,防止偏磁的。考虑到效率的问题,谐振电感LS只利用了变压器本身的漏感。因为如果该电感太大,将会导致过高 的关断电压尖峰,这对开关管极为不利,同时也会增大关断损耗。另一方面,还会造成严重的占空比丢失,引起开关器件的电流峰值增高,使得系统的性能降低。 图1主电路原理图 3零电压软开关 高频全桥逆变器的控制方式为移相FB2ZVS控制方式,控制芯片采用Unitrode公司生产的UC3875N。超前桥臂在全负载范围内实现了零电压软开关,滞后桥臂在75%以上负载范围内实现了零电压软开关。图2为滞后桥臂IGBT的驱动电压和集射极电压波形,可以看出实现了零电压开通。

开关频率选择20kHz,这样设计一方面可以减小IGBT的关断损耗,另一方面又可以兼顾高频化,使功率变压器及输出滤波环节的体积减小。 图2IGBT驱动电压和集射极电压波形图 4容性功率母排 在最初的实验样机中,滤波电容C5与IGBT模块之间的连接母排为普通的功率母排。在实验中发现IGBT上的电压及流过IGBT的电流均发生了高频震荡,图3为满功率时采集的变压器初级的电压、电流波形图。原因是并联在IGBT模块上的突波吸收电容与功率母排的寄生电感发生了高频谐振。满载运行一小时后,功率母排的温升为38℃,电容C5的温升为24℃。 图3使用普通功率母排时变压器初级电压、电流波形 为了消除谐振及减小功率母排、滤波电容的温升,我们最终采用了容性功率母排,图4为采用容性功率母排后满功率时采集的变压器初级的电压、电流波形图。从图中可以看出,谐振基本消除,满载运行一小时后,无感功率母排的温升为11℃,电容C5的温升为10℃。 图4使用容性功率母排后变压器初级电压和电流波形 5采用多个变压器串并联结构,使并联的输出整流二极管之间实现自动均流为了进一步减小损耗,输出整流二极管采用多只大电流(400A)、耐高电压(80V)的肖特基二极管并联使用。而且,每个变压器的次级输出采用了全波整流方式。这样,每一次导通期间只有一组二极管流过电流。同时,次级整流二极管配上了RC吸收网络,以抑止由变压器漏感和肖特基二极管本体电容引起 的寄生震荡。这些措施都最大限度地减小了电源的输出损耗,有利于效率的提高。 对于大电流输出来说,一般要把输出整流二极管并联使用。但由于肖特基二极管是负温度系数的器件,并联时一般要考虑它们之间的均流。二极管的并联方

17 他激ZVS-RCC式零电压软开关开关电源充电器的研究与实践1115300605

他激ZVS-RCC式零电压软开关开关电源充电器的研究与实践关键词:自激振荡,无源、无辅助开关准谐振,零电压开关(ZVS),PWM自适应同步,分布电容电流尖刺消除。 一、小功率AC/DC开关电源的技术现状: 现有离线式小功率AC/DC开关电源从线路结构形式来分类大致有正激式、反激式、半桥式等等几种;按驱动结构分类大致有自激式、它激式;按控制结构分类大致有PWM 控制、PFM控制。 AC/DC开关电源从核心技术上讲主要是控制方式。PWM控制方式制作的开关电源是当今开关电源方式制作的主流。由于PWM控制方式控制特性好,控制电路较简单,控制频率固定,成本低,在小功率开关电源中应用广泛。 但随着对开关电源的高功率密度,高可靠性、低成本要求的市场需求,对硬开关PWM 控制电路提出了挑战。由于主开关器件结电容,变压器及线路板的分布电容的不可避免。硬开关PWM控制电路暴露出了主开关器件随功率增大、频率进一步提高损耗会明显增大的缺点,表现为主开关器件温升高,影响了开关电源的可靠性,且变换效率无法再进一步提高。 常规(非正向式)硬开关PWM控制线路的主开关电压、电流波形(图1)及功耗分析: 由以上V/I波形可以看到,两种电路的波形有一个共同的特点:在主开关开通(T on)时,都有一电流上冲尖刺,并且尖刺电流与主开关电压波形明显重叠。在主开关关断(T off)时,主开关电压和电流波形明显重叠。正是由于这种重叠的存在,使主开关的动态损耗在电流大及频率高时更加严重。

如果用一个MOSFET作主开关,这个MOSFET的C oss为300P,变压器及线路板的分布电容为100P,Cr总共为400P,假设频率f=100KHz。 由线路原理可知,MOSFET在开通时的电压(即Cr上的电压)为 V f=V in+V clam V clam=N·(V out+V d+V tsr), V f:MOSFET漏极上的回扫电压, V in:电源的DC输入电压, N:变压器初次级匝比, V out:输出DC电压, V d:输出整流二极管上的压降, V tsr:变压器次级绕组上内阻引起的压降, 得到:V f=V in+ N·(V out+V d+V tsr) 假设有一回扫线路 V f= V in+N·(V out+V d+V tsr)=310+10×(12+1+0.2)=442(V), V cr=V f=442V, MOSFET开通(Ton)时Cr电容的损耗可用下式计算: P cr=(C r·V cr2·f)/2 代入计算:P cr= (400×10-12×4422×100×103 )/2 =7.81456/2=3.90728(w)≈4W。 由以上计算可知,MOSFET主开关输出电容Coss,及变压器、线路板的分布电容全部等效为C r在MOSFET主开关内要消耗4W左右(不包括MOSFET主开关关断时的消耗,及MOSFET导通电阻所引起的消耗)。 由RCC式线路原理可知,自激RCC式电路也工作在初级电感能量释放完状态,MOSFET在开通时的电压(即Cr上的电压)因自激条件需要为恒定V f=V in。仍根据以上条件可计算出MOSFET开通时Cr电容的损耗为: P cr= (400×10-12×3102×100×103 )/2=1.922(w)。 回扫式及他激RCC式电路如果工作在初级电感能量释放完的状态,MOSFET在开通时的电压(即C r上的电压)在不同负载条件下是不同的,P cr损耗的大小由于负载的轻重不能确定而无法预知,所以不能保证低的P cr功耗。 有朋友在做充电器时,可能会遇到,在输出电压的某一段时感觉MOSFET的温升还可以、但在另一电压段时MOSFET的温升很高而无从着手。

开关电源的软启动电路

开关电源的软起动电路 1引言 开关电源的输入电路大都采用整流加电容滤波电路。在输入电路合闸瞬间,由于电容器上的初始电压为零会形成很大的瞬时冲击电流(如图1所示),特别是大功率开关电源,其输入采用较大容量的滤波电容器,其冲击电流可达100A以上。在电源接通瞬间如此大的冲击电流幅值,往往会导致输入熔断器烧断,有时甚至将合闸开关的触点烧坏,轻者也会使空气开关合不上闸,上述原因均会造成开关电源无法正常投入。为此几乎所有的开关电源在其输入电路设置防止冲击电流的软起动电路,以保证开关电源正常而可靠的运行。 2常用软起动电路 (1)采用功率热敏电阻电路 热敏电阻防冲击电流电路如图2所示。它利用热敏电阻的Rt的负温度系数特性,在电源接通瞬间,热敏电阻的阻值较大,达到限制冲击电流的作用;当热敏电阻流过较大电流时,电阻发热而使其阻值变小,电路处于正常工作状态。采用热敏电阻防止冲击电流一般适用于小功率开关电源,由于热敏电阻的热惯性,重新恢复高阻需要时间,故对于电源断电后又需要很快接通的情况,有时起不到限流作用。 (2)采用SCR R  电路  和限流电阻R对电容器C充电。该电路如图3所示。在电源瞬时接通时,输入电压经整流桥VD1VD4 当电容器C充电到约80%的额定电压时,逆变器正常工作,经主变压器辅助绕组产生晶闸管的触发信号,使晶闸管导通并短路限流电阻R,开关电源处于正常运行状态。 这种限流电路存在如下问题:当电源瞬时断电后,由于电容器C上的电压不能突变,其上仍有断电前的充电电压,逆变器可能还处于工作状态,保持晶闸管继续导通,此时若马上重新接通输入电源,会同样起不到防止冲击电流的作用。  电路 (3)具有断电检测的SCR R 该电路如图4所示。它是图3的改进型电路, 图1合闸瞬间滤波电容电流波形

开关电源的主要技术指标知识

开关电源的主要技术指标知识 开关电源以其低功耗、高效率、小体积等显著优点而深受人们的青睐,并被广泛应于 计算机设备、电子仪器、通信设备和家用电器中。开关电源的主要技术指标知识: 第一、输出电压的纹波:由于开关电源的稳压过程是一个不断取样反馈调节的过程,因此在输出的直流电压上会出现一个叠加的波动的纹波电压,即输出的纹波电压。这 个值越小,表示输出特性越好。纹波有两种表示方法:一是输出纹波电压有效值;二是输出纹波电压的峰峰值。一般开关电源的规格都要求小于输出直流电压的1%,其频 宽为20Hz-20MHz或者其他更高频率,如100MHz等。开关电源在恶劣环境下,其输 出直流电压加上杂讯纹波后的输出瞬时电压,应不超出输出高低电压界线(Min值和Max值),否则将可能会导致电源电压超过或者低于逻辑电路(如TTL电路)的工作电压而误动作,进一步造成死机现象。 第二、电压调整率:电压调整率也称为电压稳定度,是在输出电流不变(即负载不变化),而输入的交流工作电压变化时,输出电压的相对变化量。此项技术指标用来验证开关电源在最恶劣的电源电压环境下,输出电压的稳定度是否符合需求规格。 第三、输入电压范围:当开关电源的输入电压发生变化时,保持输出特性不变的输入 电压变化范围。这个范围越宽,表示电源适应外界的市电变化的能力越强,开关电源 的工作范围就越宽。它和开关电源内部的误差放大器、取样反馈调节电路的增益及占 空比调节范围有关。目前开关电源的输入电压变化范围已经做到90V-270V,可以省去 许多电器上的110V/220V转换开关。 第四、转换效率:电源输出功率与输入功率的比值。这个比值越高,表示变化效率高,开关电源的体积越小,可靠性也越高。目前开关电源的效率可达到90%以上。 第五、输出内阻:输出电压的变化量与输出电流的变化量的比值。这个比值越小,表示电源输出电压随负载大小的变化越小,稳压性能好。

移相全桥为主电路的软开关电源设计详解

移相全桥为主电路的软开关电源设计详解 2014-09-11 11:10 来源:电源网作者:铃铛 移相全桥变换器可以大大减少功率管的开关电压、电流应力和尖刺干扰,降低损耗,提高开关频率。如何以UC3875为核心,设计一款基于PWM软开关模式的开关电源?请见下文详解。 主电路分析 这款软开关电源采用了全桥变换器结构,使用MOSFET作为开关管来使用,参数为1000V/24A。采用移相ZVZCSPWM控制,即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS。电路结构简图如图1,VT1~VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管,VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管,C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容,VD3、VD4是反向电流阻断二极管,用来实现滞后臂VT3、VT4的ZCS,Llk为变压器漏感,Cb为阻断电容,T 为主变压器,副边由VD5~VD8构成的高频整流电路以及Lf、C3、C4等滤波器件组成。 图1 1.2kw软开关直流电源电路结构简图 其基本工作原理如下: 当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时,电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样,主变压器原边向负载提供能量。通过移相控制,在关断VT1时并不马上关断VT4,而是根据输出反馈信号决定移相角,经过一定时间后再关断VT4,在关断VT1之前,由于VT1导通,其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降,理想状况下其值为零,当关断VT1时刻,C1开始充电,由于电容电压不能突变,因此,VT1即是零电压关断。 由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用,VT1关断后,原边电流不能突变,继续给Cb充电,同时C2也通过原边放电,当C2电压降到零后,VD2自然导通,这时开通VT2,则VT2即是零电压开通。 当C1充满电、C2放电完毕后,由于VD2是导通的,此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压,原边电流开始减小,但继续给Cb 充电,直到原边电流为零,这时由于VD4的阻断作用,电容Cb不能通过VT2、

开关损耗及软开关技术

开关损耗及软开关技术 概述 本文简单介绍了开关电路的常见形式,讲述了开关电路开通和截止的过程以及开关损耗产生的原因。最后介绍了减少开关损耗的办法—软开关技术。 开关电路简介 开关是我们经常碰到的一种物品,如电灯的开关,电源的开关,电闸,继电器等。现代电子电路中也经常会使用到开关电路。只不过在电子电路中的开关与上面所提到的机械方式的开关不同,电子电路中的开关一般利用晶体管或场效应管的导通截止特性构成。 开关电路经常出现在电源,功率放大器,电机伺服,音视频切换等电路中。下面举两个例子 开关电源中的开关管(Q) D 类音频功率放大器中的开关管(M1,M2) 从上面两个例子可以看出在功率电子电路中是用的开关电路有以下两个特点 1、 开关管的负载都是感性负载(开关电源电路中的f L 和音频功放中的1L ) 2、 都有相应的续流二极管(如开关电源电路中的D) *在音频功放中的续流二极管实际上是功率场效应管的体二极管。 开关电路的开关过程及开关损耗 以开关电源电路中的开关电路为例介绍一下开关的过程。在这里假定电感f L 较大所以在开关过程中流过电感的电流可以近似认为没有变化。 开通过程 下图描述了开关管开通时电压电流的关系,其中CE V 指得是开关管Q 发射极和集电极之间的电压,对场效应管就是源极(S)和漏极(D)之间的电压。L I 是关断前电感流过的电流。

在0t 时刻开关管Q 开始流过电流,开关管逐渐开通。 在10~t t 时刻流过开关管Q 的电流逐渐增大,同时流过二极管D 的电流逐渐减小。在此时刻Q 一直工作在放大状态,即流过开关管的电流的大小是由流过基极的电流大小决定的。 在1t 时刻开关管Q 流过了所有的L I ,这时流过二极管的电流为零。但是由于二极管反向恢复时间的原因,二极管不会立即进入截止状态,而是要继续保持一段时间的导通。 在21~t t 时刻流过开关管的电流继续增大,Q 还是工作在放大状态。二极管处于反向恢复期流过反向的电流。 在2t 时刻二极管的反向电流开始减小。在此时刻流过开关管的电流已经不再由Q 基极电流的大小决定,所以在此时刻Q 工作在放大和饱和的临界状态。 在32~t t 时刻流过开关管的电流开始减小,同时开关管两端的电压也开始急剧下降,电压下降的速度主要取决于二极管的反向恢复过程。 在3t 时刻二极管完全截止。 在43~t t 时刻里开关管处于动态饱和区CE 端的压降受三极管本身的特性,积极驱动电流,和结温影响。这里不再讨论。 关断过程 关断过程可以分成两部分 10~t t 时刻开关管逐渐退出饱和状态两端电压不断上升。但是流过其中的电流大小没有明显变化。 21~t t 时刻开关管逐渐关断,而二极管逐渐导通。 在关断过程中开关管决定了电流和电压的变化率。

开关电源的技术指标及术语

开关电源的技术指标及术语 一、输入特性: 1. 输入电压相数 对AC/DC、AC/AC型变换器,一般都是采用单相二线和三相三线,也有采用单相三线或三相四线式的。该供电方除供给电源的相数外,还要标明包括漏电流规格在内的输入线的使用条件,例如单相三线或三相四线中的一线和中线及供电系统的接地条件等。 2. 输入电压范围 A.交流输入 中国及欧洲的供电电压是AC220V,美国是ACl20V,日本有ACl00V和AC200V。不同的国家和地区有差异,变动范围一般是±10%,考虑配电线路和各国不同的电源情况,其改变范围多为-15%到+10%,但在我国农村及边远地区,供电条件要恶劣得多,要考虑为±20%。 如至尊金格600W电源输入电压范围为176-264V,电压范围广能应对恶劣条件。 3. 输入频率 工业用额定频率有50Hz和60Hz。开关电源对频率变动范围等特性影响不大,多为47到63Hz。作为特殊标准,船舶及飞机等用的是400Hz。 4. 输入电流

开关电源输入电流的最大值发生于输入电压的下限和输出电压电流的上限,因此要标明该条件下的有效输入电流。额定输入电流是指输入电压和输出电压、电流在额定条件下的电流。三相输入时各相电流会发生失衡现象,应取其平均值。 5. 输入冲击电流 接通电源时交流回路的最大瞬时电流值。受输入功率限制,100W以下为20A~30A;100W~400W为30A一50A;400w以上大于50A。 6. 功率因数 a.前级不带Pfc电路,功率因数=I cosa/L i.输入基波电流L:非正弦波电流有效值cosa:位移因数 b.前级带PFC电路功率因数=Volo/VNLN Vo.输出电压DC lo:输出电流DC Vn.输入电压AC Ln:输入电流AC 由干AC—Dc、AC—AC型开关电源的输入部分大多采用整流加电容滤波的方式,因此输入电流的波形为脉冲状而不是正弦波,因而其功率因数只有0.6左右。采用了功率因数补偿(无源或有源)后,功率因数可达0.93—0.99。 7.效率 指额定的输出功率除以有效功率所得的数值,一般在70%一90%之间。 开关电源的效率=(V olo/VnlnCOSA)*100% 接下来我们要着重讲一下开关电源的输出特性。 二、输入特性: 1.输出电压: 指出现于输出端子间的电压(直流或交流)的标称值。常见直流输出电压有:3.3V、5V、12V、24V、48V等。 2.输出电压可调范围 指在保证稳压精度的条件下可从外部调节输出电压的范围,一般为±5%或±10%左右。在多路输出情况下,要标明输出电压可按与控制非稳定输出的输出大致相同的比率发生变化。

大功率移相全桥软开关电源的设计

工程硕士学位论文 大功率移相全桥软开关电源的设计 THE DESIGN ON SOFT SWITCHING POWER SUPPLY WITH HIGH POWER PHASE-SHIFTED FULL-BRIDGE 雷连方 哈尔滨工业大学 2006年12月

国内图书分类号 : TM92 国际图书分类号: 621.38 工程硕士学位论文 大功率移相全桥软开关电源的设计 硕士研究生:雷连方 导师:刘瑞叶 教授 副导师:肖连存 高工 申请学位:工程硕士 学科、专业:电气工程 所在单位:中国科工集团第三总体设计部 答辩日期:2006年12 月 授予学位单位:哈尔滨工业大学

Classified Index: TM92 U.D.C: 621.38 Dissertation for the Master Degree in Engineering THE DESIGN ON SOFT SWITCHING POWER SUPPLY WITH HIGH POWER PHASE-SHIFTED FULL-BRIDGE C a n d i d a t e:Lei Lianfang Supervisor:Prof. Liu Ruiye Associate Supervisor:Senior Engineer Xiaolianchun Academic Degree Applied for:Master of Engineering Speciality:Electrical Engineering Affiliation:The 3rd Headquarters of China Aerospace Science Industry Company Date of Defence:December,2006 Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of technology

详解开关电源的几种常用软启动电路

详解开关电源的几种常用软启动电路 来源:电子元件技术网 [导读]开关电源的输入电路大都采用整流加电容滤波电路。在输入电路合闸瞬间,由于电容器上的初始电压为零会形成很大的瞬时冲击电流。 关键词:电源电路开关电源 开关电源的输入电路大都采用整流加电容滤波电路。在输入电路合闸瞬间,由于电容器上的初始电压为零会形成很大的瞬时冲击电流(如图1所示),特别是大功率开关电源,其输入采用较大容量的滤波电容器,其冲击电流可达100A以上。在电源接通瞬间如此大的冲击电流幅值,往往会导致输入熔断器烧断,有时甚至将合闸开关的触点烧坏,轻者也会使空气开关合不上闸,上述原因均会造成开关电源无法正常投入。为此几乎所有的开关电源在其输入电路设置防止冲击电流的软起动电路,以保证开关电源正常而可靠的运行。本文介绍了几种常用的软启动电路。 图1 合闸瞬间滤波电容电流波形 (1)采用功率热敏电阻电路 热敏电阻防冲击电流电路如图2所示。它利用热敏电阻的Rt的负温度系数特性,在电源接通瞬间,热敏电阻的阻值较大,达到限制冲击电流的作用;当热敏电阻流过较大电流时,电阻发热而使其阻值变小,电路处于正常工作状态。采用热敏电阻防止冲击电流一般适用于小功率开关电源,由于热敏电阻的热惯性,重新恢复高阻需要时间,故对于电源断电后又需要很快接通的情况,有时起不到限流作用。 图2 采用热敏电阻电路 (2)采用SCR-R电路

该电路如图3所示。在电源瞬时接通时,输入电压经整流桥VD1?VD4和限流电阻R对电容器C充电。当电容器C充电到约80%的额定电压时,逆变器正常工作,经主变压器辅助绕组产生晶闸管的触发信号,使晶闸管导通并短路限流电阻R,开关电源处于正常运行状态。 图3 采用SCR-R电路 这种限流电路存在如下问题:当电源瞬时断电后,由于电容器C上的电压不能突变,其上仍有断电前的充电电压,逆变器可能还处于工作状态,保持晶闸管继续导通,此时若马上重新接通输入电源,会同样起不到防止冲击电流的作用。 (3)具有断电检测的SCR-R电路 该电路如图4所示。它是图3的改进型电路,VD5、VD6、VT1、RB、CB组成瞬时断电检测电路,时间常数RBCB的选取应稍大于半个周期,当输入发生瞬间断电时,检测电路得到的检测信号,关闭逆变器功率开关管VT2的驱动信号,使逆变器停止工作,同时切断晶闸管SCR的门极触发信号,确保电源重新接通时防止冲击电流。 图4 具有断电检测的SCR-R电路 (4)继电器K1与电阻R构成的电路 该电路原理图如图5所示。电源接通时,输入电压经限流电阻R1对滤波电容器C1充电,同时辅助电源VCC经电阻R2对并接于继电器K1线包的电容器C2充电,当C2上的充电电压达到继电器的动作电压时,K1动作,旁路限流电阻R1,达到瞬时防冲击电流的作用。通常在电源接通之后,继电器K1动作延时0.3~0.5秒,否则限流电阻R1因通流时间过长会烧坏。

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