李山山-开关电源1.docVIP

第一章　开关电源概论 第一节 开关电源简介 20世纪70年代中期以来，无工频变压器开关电源技术风靡于欧、美、日等世界各国。最初的开关电源功率变换器的开关频率为20Hz。随着电力电子技术的发展，开关电源利用半导体开关型电力电子器件（诸如GTR、GTO、功率MOSFET以及IGBT等等）组成的电力变换电路，推出了一系列的开关电源变换形式，从脉宽调制技术到谐振技术，近几年来又出现了相移脉宽调制零电压谐振转换技术，这种PWM控制技术加上零电压、零电流转换的软开关技术是当今电源技术发展的新潮流。主要应用中，高工作频率的功率器件功率MOSFET和IGBT等，使电源的工作频率可达到100－500kHz，乃至MHz量级，同时也提高了开关电源的效率、降低了电磁干扰（EMI）。开关电源是调整元件工作在开关状态的一类电源。由于它们具有体积小、重量轻和效率高等优点，因而发展非常迅速，应用范围日益扩大。 按照输出是否与由调整元件（开关元件）等构成的其他部分隔离，这种电源可分为非隔离型和隔离型两种类型；按照开关元件的激励方式，可分为自激式和他激式类型；按照调整输出电压的方式，可分为脉宽－调制（PWM）式、频率调制式和脉宽－频率混合调制式三种类型；按照电源的输入，可分为AC/DC和DC/DC两种类型；按照开关元件的连接开工，可分为串联型和并联型两种类型。开关电源还可按其他方式分类，这儿不再一一列举。 第二节 开关电源原理 图1-1是说明开关电源的框图和波形图。图1-1（a）由开关元件、控制电路和滤波电路三部分组成。开关串联在电源的输入和负载之间，构成串联型的电源电路。实际的开关元件常常是功率开关晶体管或功率MOS场效应管。它在控制电路的控制之下，或者饱和导通，或者截止。开关接通时，UD＝Uin，输入电压Uin 通过滤波器加在负载电阻上。开关截止时，UD 等于零。开关交替通断，则在滤波器的输入端产生矩形脉冲波。此矩形脉冲再经滤波电路滤波，即可在负载两端产生平滑的直流电压UO 。很明显，直流电压UO 的大小与一个周期中开关管接通的时间ton成正比。ton越长，UO越大。因为开关管截止时，从扼流圈流过的电流不能立刻降到零，故增设了一只续流二极管，为此电流提供一条返回通路。 图1-1 （a）开关电源框图 (b) 开关电源波形图 开关电源的基本结构如图1-2所示，整个电路可分为主电路和控制电路两部分，主电路由交流输入EMI防电磁干扰电源滤波器、二极管整流与电容滤波、DC/DC功率变换器三个环节组成，控制电路的作用是保证主电路正常工作，同时也起到对主电路的保护作用。 图1-2 DC/DC变换器是开关电源中最主要的电子功率变换环节，它有两种基本类型即脉宽调制型和谐振型。脉宽调制型用控制脉冲占空比，间断工作来产生所需的脉冲电压和电流。谐振型有零电流谐振式和零电压谐振式。它们以正弦形式处理开关管，使开关管在零电流下换流或在零电压下换向，降低了开关的转换损耗，提高了电源系统的稳定性。 第三节 开关电源的发展趋势 在功率电子技术的应用及基本电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。传统的相控型电源非常庞大而笨重，例如逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源。如果采用高频开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可较大地提高电能利用率、节省材料、降低成本。在电动汽车和交流传动中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近乎理想的负载匹配和驱动控制。现在，开关电源技术方兴未艾，而近年来又被大的市场需求所推动，必将带来开关电源技术的大发展。这几年，随着通信行业的发展，以开关电源技术为核心的通信电源，国内将有较大的市场需求。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋，因此同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在起动，并将很快发展起来。还有其他许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源，也将得到迅速发展。1955年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了千赫的开关电源。 　　目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的kHz、用－制成的kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。