DCDC電源變換器開(kāi)關(guān)電源基礎(chǔ)知識(shí)詳解

1、dc-dc電源變換器(開(kāi)關(guān)電源)基礎(chǔ)知識(shí)詳解更多文檔請(qǐng)點(diǎn)擊：溫 馨 家 園概述電子設(shè)備都需要供電，其電能來(lái)源于火力、水力、核子發(fā)電廠提供的交流電。這些交流電通過(guò)電源設(shè)備變換為直流電。但是，這種直流電源不 符合需要，仍需變換，這稱為dc/dc變換。常規(guī)的變換器是串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源，其調(diào)整元件工作于線性放大區(qū)，通過(guò)的電流是連續(xù)的，功耗很大，需要非常大的體積，變換效率通常只有30。70年代，隨著功率晶體管的研制，隔離集成電路和磁性材料的研制、應(yīng)用；隨著功率電子學(xué)領(lǐng)域中技術(shù)的日新月異的發(fā)展，理論研究不斷深化，功率變換拓?fù)浼捌骷?duì)偶理論的日趨完善，開(kāi)關(guān)電源以其強(qiáng)大的生命力適應(yīng)當(dāng)今高效率、小型輕量化的要求。

2、開(kāi)關(guān)電源去除了工頻變壓器，代之以幾十khz、幾百khz甚至數(shù)mhz的高頻變壓器。由于調(diào)整管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài),功耗小,效率高,可達(dá)80-95。因此開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源體積小，重量輕。但由于電路負(fù)載，高頻元器件價(jià)格高，因此成本較高，且輸出紋波噪聲電壓較高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。線性穩(wěn)壓電源在功率開(kāi)關(guān)晶體管問(wèn)世以前，串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器一直是最簡(jiǎn)單的、最常用的穩(wěn)壓技術(shù)?；镜拇?lián)穩(wěn)壓電路如圖11.1:圖中，vl是調(diào)整管，vi是輸入電壓，vo是輸出電壓。rl,r2形成采樣電阻，采樣電壓vf同參考電壓vr進(jìn)行比較，放大產(chǎn)生的電壓經(jīng)過(guò)直流電平位移后，作為調(diào)整管的基極輸入，這樣構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋回路，負(fù)載rl變化時(shí)，通過(guò)反饋回路調(diào)整以

3、使vo保持穩(wěn)定。這樣的集成穩(wěn)壓器有固定輸出的w78xx系列，其中xx的值即輸出電壓值，如7805，輸出電壓為sv。還有一些是輸出可以調(diào)節(jié)的lm117、lm317，這也是我們經(jīng)常使用的。線性穩(wěn)壓電源的功耗同輸入、輸出電壓之間的差有關(guān)系，壓差越大，功耗越大。決定輸入、輸出電壓之間的差與輸出級(jí)的調(diào)整管的飽和壓降有 關(guān)系。在低飽和方式中，輸出級(jí)采用pnp功率晶體管，此外還開(kāi)發(fā)了用cmos管作為輸出級(jí)的大功率電路，而bicmos則結(jié)合了低壓降大電流的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于提高穩(wěn)壓電源的效率起到了很好的作用。下圖是幾種不同方式的輸出級(jí)電路，其飽和壓降是不同的：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中，直流變換器中的功率晶體管工

4、作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。目前開(kāi)關(guān)電源的工作頻率在幾百khz,有些甚至已經(jīng)到了mhz量級(jí)。圖11.3是dc/dc開(kāi)關(guān)變換器的原理框圖：開(kāi)關(guān)電源的實(shí)現(xiàn)方式有很多種，如最傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制（pwm）技術(shù)，目前流行的為提高變換效率的零電壓（zv）,零電流（zc）技術(shù)、相移脈寬調(diào)制零電壓諧振變換等。每一種技術(shù)之下，又有很多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)需要豐富的模擬電路知識(shí)，涉及到功率器件選取、電源濾波 、驅(qū)動(dòng)電路、控制環(huán)路、高頻磁芯變壓器、emc等多個(gè)方面，具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)已經(jīng)超出了本文的范圍。本文將從原理的角度介紹脈寬調(diào)制的幾種類型、全橋變換技術(shù)，最后將介紹最新的zvzcspwmdc/dc變換器。11.3.1脈寬調(diào)制的幾種

5、形式脈寬調(diào)制是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中最成熟的技術(shù)。脈寬調(diào)制是一種功率控制方式，不同占空比的脈沖具有不同的直流分量，所以負(fù)載變化時(shí)，根據(jù)調(diào)整輸出脈沖的占空比達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。脈寬調(diào)制易于實(shí)現(xiàn)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)脈沖具有固定的頻率，與負(fù)載特性無(wú)關(guān)，因而應(yīng)用最為廣泛。buck變換器電路及原理buck變換器由電壓源、串聯(lián)開(kāi)關(guān)和電流負(fù)載組成，也稱它為串聯(lián)開(kāi)關(guān)變換器。圖11.4是它的基本拓?fù)湫问?。圖11.4buck變換器圖11.5是晶體管開(kāi)關(guān)變換器（buck）電路，其中晶體管q為開(kāi)關(guān)器件，l為濾波電感，c為濾波電容，d為續(xù)流二極管。ton為晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，在此時(shí)間段，l內(nèi)的電流逐漸增加，當(dāng)導(dǎo)通結(jié)束后，進(jìn)入晶體管截止

6、時(shí)間段toff，這時(shí)候由于l內(nèi)的電流到達(dá)最大值ilmax，電感中的電流不能突變，所以，繼續(xù)有電流流過(guò)，二極管d充當(dāng)截止期間的續(xù)流元件。當(dāng)截止時(shí)間結(jié)束后，電感中的電流到達(dá)最小值ilmin，重新開(kāi)始新的周期。在buck變換器開(kāi)關(guān)與負(fù)載時(shí)間插入隔離變壓器，這種隔離型buck變換器叫做forward單端正激變換器。如圖11.6:圖11.6forward單端正激變換器簡(jiǎn)單分析可知，濾波電感l(wèi)在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間，通過(guò)續(xù)流二極管為負(fù)載提供電流。d3的作用是鉗位，其功能是完成磁心的復(fù)位。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，能量通過(guò)d3泄放到電源端，保證磁心的磁通回到零。boost變換器是從buck變換器進(jìn)行對(duì)偶變換后得到的，其原理

7、如圖11.7所示：boost變換器稱為并聯(lián)開(kāi)關(guān)變換器。與buck變換器其不同的是，boost型電感在輸入端（開(kāi)關(guān)）,buck型電感在輸出端。boost型變換器的輸出電壓vo總是大于輸入電壓vi。解釋比較簡(jiǎn)單，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，二極管d關(guān)閉，電感l(wèi)與開(kāi)關(guān)管的節(jié)點(diǎn)電壓為o。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉時(shí)，電感l(wèi)兩端的電勢(shì)翻轉(zhuǎn)，所以電感l(wèi)與開(kāi)關(guān)管的節(jié)點(diǎn)電壓大于輸入電壓vl，電感電流通過(guò)二極管d續(xù)流，使得vo大于vi?？梢宰C明，vo=vi*t/(t-ton)，t是開(kāi)關(guān)脈沖周期，ton是導(dǎo)通時(shí)間。buck-boost變換器基本電路及原理將buck、boost兩種形式的變換器結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生一種新的變換器，叫做buck一bo

8、ost變換器，其結(jié)構(gòu)如圖11.8這種形式的變換器輸出電壓同輸入電壓是反相的。在buck型和boost型變換器中，存在一個(gè)能量直接從電源流向負(fù)載的時(shí)間，而在buck一boost變換器中，能量先存儲(chǔ)在電感中，然后再流向負(fù)載，這是它們的主要區(qū)別。如果將中間段的電感，改為隔離變壓器，就得到了常用的反激變換器（flyback變換器）。圖11.9是單端反激式變換器的電路圖：由變壓器的同名端可見(jiàn)，在開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通期間，變壓器儲(chǔ)存能量，當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，二極管導(dǎo)通，能量傳遞給負(fù)載。cuk變換器將buck-boost變換器進(jìn)行對(duì)偶變換，可以得到cuk變換器。其電路形式如圖11.10:其中c是傳遞能量的藕合電容。原理

9、分析是這樣的：當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，電容c的能量通過(guò)l2,c2、r回路釋放，同時(shí)向c2、l2儲(chǔ)能，同時(shí)電源向ll儲(chǔ)存能量。在三極管關(guān)閉時(shí)，ll上的電流通過(guò)二極管d續(xù)流，同時(shí)向c充電。當(dāng)要求不同極性不同電壓的輸出時(shí)，需要加入隔離變壓器，這樣就形成了隔離cuk變壓器，如圖11.lh其工作原理同cuk型變換器原理是一樣的。co,cl的作用是變壓器初、次級(jí)繞組均無(wú)直流流過(guò)。磁心在兩個(gè)方向磁化，不需要加氣隙，體積可以做得很小。推挽變換器電路及原理圖11.12是推挽變換器原理圖。推挽變換器有兩個(gè)三極管在交替開(kāi)關(guān)，以達(dá)到比單管工作電路高的輸出功率。由于初級(jí)線圈的中心抽頭接在輸入電源的正級(jí)，這樣當(dāng)一邊三極管導(dǎo)通時(shí)，

10、另外一邊的三極管要承受的耐壓為兩倍的電源電壓，這對(duì)晶體管的要求較高。全橋變換器電路及原理前文已經(jīng)說(shuō)過(guò)，推挽變換器要求晶體管的耐壓比較高，從安全的角度看，實(shí)際應(yīng)用中常常要考慮為電源電壓的3.3倍。如果輸入電源直接從市電（我國(guó)是22ovac）整流而得，那么晶體管的耐壓要求i000v。這樣的晶體管不是很多，所以在我國(guó)，一次電源中基本不采用推挽設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源。解決晶體管耐壓的方法是采用橋式電路。這樣做增加了成本，用四個(gè)晶體管代替了兩個(gè)晶體管，但是可靠性彌補(bǔ)了這些缺點(diǎn)。圖11.13是全橋變換器的原理電路：這種設(shè)計(jì)降低了晶體管的電壓，所以提高可靠性。需要指出的是，串聯(lián)在一起的兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，晶體管將

11、損壞。解決這個(gè)問(wèn)題的技術(shù) 將在后面講述。半橋變換器基本電路及原理如果將全橋變換器的一個(gè)橋臂的兩只晶體管用兩個(gè)電容代替，可以節(jié)省兩個(gè)晶體管，比較經(jīng)濟(jì)。但是通常兩個(gè)電容體積比晶體管還大。這樣的電路稱為半橋變換器，如圖11.14所示：以上是一些pwm形式變換器的種類。在設(shè)計(jì)這些開(kāi)關(guān)電源時(shí)候，經(jīng)常會(huì)碰到如下問(wèn)題，如果解決不好，將嚴(yán)重影響開(kāi)關(guān)電源的工作：晶體管同時(shí)導(dǎo)通：在雙端變換器（如推挽、橋式），有可能產(chǎn)生晶體管同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，這將導(dǎo)致晶體管在瞬間損壞。容性負(fù)載：變換器的功 耗取決于電壓電流在時(shí)間軸上的重疊部分。在瞬間關(guān)斷和導(dǎo)通，晶體管將對(duì)容性負(fù)載充電，如果容性負(fù)載很大，晶體管的功耗將變得很大，甚 至

12、損壞。集電極尖峰電壓：電源主變壓器的漏感，就象在集電極上串聯(lián)的一個(gè)小電感，當(dāng)晶體管電流關(guān)斷時(shí)，這個(gè)漏感將在集電極上產(chǎn)生尖峰電壓。如 果尖峰電壓不被抑制，會(huì)擊穿晶體管。變壓器工作點(diǎn)沿磁滯回線垂直漂移：變壓器磁滯回線工作點(diǎn)應(yīng)該保持在中心，如果電路使之偏離中心點(diǎn)，磁芯將進(jìn)入飽和區(qū)。磁芯進(jìn)入飽和區(qū) 是，變壓器失去阻抗變換的作用，阻抗值急劇下降，這樣晶體管的電流將會(huì)瞬間急劇擴(kuò)大而導(dǎo)致器件損壞。電源機(jī)殼上的開(kāi)關(guān)噪聲電壓：通常在開(kāi)關(guān)管集電極上出現(xiàn)高峰值的方波，或變壓器次級(jí)輸出接地端同機(jī)殼之間出現(xiàn)噪聲電壓。諧振型電源變換器下面介紹功率變換的第二種形式，即諧振型變換器。前面介紹的脈寬調(diào)制型通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通占

13、空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電源功率，而諧振型變換 器以正弦形式處理功率開(kāi)關(guān)管，使得開(kāi)關(guān)管在零電流或者在零電壓的情況下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和關(guān)閉，從而降低開(kāi)關(guān)功耗，提高變換效率。在20世紀(jì) 70年代到80年代期間，20-50khz的開(kāi)關(guān)頻率是非常普遍的。到了90年代，隨著mosfet的高電壓器件的出現(xiàn)，為了進(jìn)一步提高功率密度，開(kāi)關(guān)頻率提高到了幾百khz乃至幾mhz，隨著頻率升高，開(kāi)關(guān)損耗增加，加上變壓器存在的漏感，開(kāi)關(guān)管存在的結(jié)電容，使得開(kāi)關(guān)管承受感 性關(guān)斷、容性導(dǎo)通的惡劣條件。關(guān)斷時(shí)，由ldi/dt感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生電壓尖刺和噪聲，同時(shí)關(guān)斷時(shí)結(jié)電容儲(chǔ)存cv2/2的能量；當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電容上的能量損耗在器件內(nèi)部，造成嚴(yán)重的開(kāi)

14、關(guān)噪聲，并且通過(guò)開(kāi)關(guān)密勒電容藕合到驅(qū)動(dòng)電路，使得驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生噪聲和不穩(wěn)定的因素。為了改善晶體管的工作條件，提出零電流開(kāi)關(guān)(zcs）和零電壓（zvs）開(kāi)關(guān)技術(shù)，并且引入諧振的概念。零電流諧振開(kāi)關(guān)零電流諧振開(kāi)關(guān)由開(kāi)關(guān)sl、電感l(wèi)r、電容cr構(gòu)成，其中電感同開(kāi)關(guān)串聯(lián)。如圖11.15:按照開(kāi)關(guān)中電流允許單向還是雙向流動(dòng)，可以分為半波型和全波型，如圖11.16:圖（b）中，采用了二極管使得電流可以雙向流動(dòng)，所以是全波型的。諧振開(kāi)關(guān)的原理是：當(dāng)lc回路經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管諧振，電流緩慢上升，在電流上升之前，晶體管經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)進(jìn)入飽和區(qū)，由于lc的諧振作用，開(kāi)關(guān)中的電流將震蕩，使開(kāi)關(guān)能夠自動(dòng)換流。由于諧振開(kāi)關(guān)沒(méi)有瞬態(tài)的大

15、電壓和大電流同時(shí)流過(guò)，因此開(kāi)關(guān)管的損耗是很低的，離開(kāi)關(guān)管的安全工 作區(qū)（soa）很遠(yuǎn)，保證了開(kāi)關(guān)管可靠地工作。零電壓諧振開(kāi)關(guān)將開(kāi)關(guān)sl同電容cl并聯(lián)，就構(gòu)成了零電壓（zvs）開(kāi)關(guān)。原理框圖如圖11.17:同樣，依據(jù)開(kāi)關(guān)中電流的流向分為半波型和全波型。諧振型開(kāi)關(guān)技術(shù)解決了常規(guī)的pwm開(kāi)關(guān)電路在開(kāi)關(guān)切換時(shí)開(kāi)關(guān)管損耗過(guò)大的問(wèn)題。諧振型開(kāi)關(guān)在零電流和零電壓時(shí)進(jìn)行切換，大大減小了切換損耗。但是在提高工作效率方面也碰到了新的問(wèn)題。諧振型開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)分為諧振、準(zhǔn)諧振、多諧振三種，這里不一一舉例，感興趣的讀者可以查看相關(guān)技術(shù)書籍。諧振型開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)特點(diǎn)是不需要增加額外功率開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)單管變換器開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)關(guān)（

16、zvs）或零電流開(kāi)關(guān)（zcs）。這類變換器不同于脈寬調(diào)制（pwm）技術(shù)，有器件應(yīng)力高、循環(huán)能量大和變頻控制等缺點(diǎn)。此外，由于諧振電源中傳輸?shù)氖钦也?，pwm電路中傳輸?shù)氖欠讲?，正弦波包含的能量沒(méi)有方波高。經(jīng)過(guò)諧振型開(kāi)關(guān)電源減低了開(kāi)關(guān)損耗，可是傳遞的能量也下降了，所以整體轉(zhuǎn)換效率并不比pwm電路高多少。人們希望將兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)。首先利用脈寬調(diào)制提供方波電壓、電流，對(duì)于同樣的電流，不僅提供更多的功率，同時(shí)開(kāi)關(guān)管保持較低的導(dǎo)通損耗。其次，利用零電壓諧振技術(shù)，在開(kāi)關(guān)管上的電壓達(dá)到零以后再 轉(zhuǎn)換。然后再改變兩組方波之間的相移進(jìn)行控制，電路工作在恒定的開(kāi)關(guān)頻率上，這種相移零電壓技術(shù)，采用全橋變換器很

17、容易實(shí)現(xiàn)。全橋變換的好 處是利用4個(gè)晶體管可以方便地實(shí)現(xiàn)zvt或zct，同時(shí)可輸出大的功率，這是多管隔離型直流變換器得到廣泛應(yīng)用的原因。zvzcs（零電壓零電流開(kāi)關(guān)）pwmdc/dc變換器從技術(shù)的角度分析（主要是相移方式的不同，可參見(jiàn)有關(guān)書籍），全橋變換技術(shù)種類很多。但是，主要有兩種，一種是zvspwmdc/dc變換器，另一種是zvzcspwmdc/dc變換器。這里，僅僅簡(jiǎn)單介紹后一種電路的工作原理。zvzcspwmdc/dc變換器的方式也有好幾種，這里給出一種原理圖，它在滯后橋臂中串入兩個(gè)二極管。如圖11.18:ql,q2,q3,q4是四只開(kāi)關(guān)管；dl,d2是續(xù)流二極管；d3,d4是橋臂滯后

18、二極管；cb是阻斷電容，通常容量很大；變壓器的原、副線圈匝比為k;l工為線圈的等效漏感；以下是分析條件：假定二極管和三極管的開(kāi)關(guān)是理想的；電感、電容是理想元件；·阻斷電容cb足夠大；·ci=c3=cr;·rlf>>llk;圖11.19是該電路的主要參考點(diǎn)的波形。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，變換器有10種開(kāi)關(guān)模態(tài)（狀態(tài)），其等效電路在下面逐一畫出，其中，粗線條代表電流流過(guò)的路徑。各個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)的描述如下：(a）開(kāi)關(guān)模態(tài)o等效電路如圖11.20，其中ip為初級(jí)線圈中的電流方向。在t0時(shí)刻之前，ql、q4導(dǎo)通。原邊電流ip給阻斷電容cb充電。假定輸出濾波電感足夠大，可以將它當(dāng)成是一個(gè)電流源。此時(shí)，原邊電流ipo=io/k,io是輸出電流，k為變壓器原副邊線匝比。阻斷電容cb上的電壓為vcb(t0）。(b）