开关电源中电力电子电路

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1、第4章 开关电源中的电力电子电路 4.1开关电源中电力电子电路的分类 开关电源 非回馈型 回馈型 非隔离型 隔离型 非隔离型 隔离型 降压型 升压型 升降压型 Cuk型 Sepic型 Zeta型 正激型 反激型 半桥型 全桥型 推挽型 二象限型 四象限型 4.2 非隔离型电路 v非隔离型电路（直流斩波电路）可分为： v降压（Buck）型电路 v升压（Boost）型电路 v升降压（Buck-Boost）型电路 vCuk型电路 vSepic型电路 vZeta型电路 推导过程中应用的基本原理： （1）稳态条件下电感两端电压在一个开关周 期内平均值为零； （2）稳态条件下电容电流在一个开关周期内 的平

2、均值为零。 4.2.1降压（Buck）型电路 v降压型电路结构图 两种工作模式：电感电流连续（Continuous Conduction Mode） 电感电流断续（Discontinuous Conduction Mode ） 1.电感电流连续工作模式 开关状态1（S通） 开关状态2（S断） 电流连续模式下电路波形 稳态条件下电感两端电压在一个开关周期内平均值为 零的基本原理 D为占空比，定义为开关导通时间与开关周期比，即 由于 ,降压型电路的输出电压不可能高于其输入电压 且与输入电压极性相同 2.电感电流断续工作模式 开关状态1（S通） 开关状态2（S断） 开关状态3（电感电流为零） 电流断

3、续模式下电路波形 电流临界连续下电路波形 电感电流开关周期平均值等 于三角形面积除以TS。 3.电感电流临界连续条件 电感电流仍连续 电感电流开关平均值表达式： 电感电流连续的临界条件 根据表达式 有 判断电感电流是否连续条件 临界连续电流 开关S关断后电感的续流时间为 稳态条件下电感电压开关平均值 为零的原理 电感电流开关平均值 负载电流为 电感电流断续时的工作波形 4.电感电流断续时的各种关系 稳态条件下，电容的开关周期平均电流为零，故电感电 流开关周期平均值等于负载电流，即 由 和 上式可化简为 令 只在电感电流断续条件下成立 PSIM-buck1 1、电感电流连续时，电压比为 2、电流

4、断续时，总有 ，且负载电 流越小， 越高。 输出空载时 。 4、降压型电路常用于降压型直流开关稳压器、 不可逆直流电动机调速等场合。 小 结 3、电感电流连续的临界条件 4.2.2升压（Boost）型电路 1.电感电流连续工作模式 开关状态1（S通） 开关状态2（S断） 电感电流连续模式下工作波形 令 由于 ，升压型电路的输出电压不可能低于其 输入电压且与输入电压极性相同。应避免D接近于1，以 免造成电路损坏。 2.电感电流断续工作模式 开关状态1（S通） 开关状态2（S断） 开关状态3（电感电流为零） 电感电流断续模式下电路波形 3.电感电流连续的临界条件 电感电流临界连续下电路波形 电感电

5、流峰值 VD电流开关周期平均值 负载电流为 稳态条件下，升压型电路中，二极管VD电流的开 关周期平均值等于负载电流Io。 电感电流连续的临界条件 则有 判断电感电流是否连续条件 电感电流断续时的工作波形 4.电感电流断续的各种条件 开关S关断后电感的 续流时间为 稳态条件下电感电压开关 平均值为零的原理 二极管电流开关周期平均值 负载电流为 稳态条件下，电容的开关周期平均电流为零，故二极管 电流开关周期平均值等于负载电流，即 由 和 上式可化简为 令 电感电流断续条件下成立 PSIMboost1 1、电感电流连续时，电压比为 2、电流断续时，总有 ，且负载电流 越小， 越高。 输出空载时 ,故

6、升压电路不应空载，否则元 件可能损坏。 4、升压型电路常用于将较低的直流电压变换到较 高直流电压的场合，也用于功率因数校正。 小 结 3、电感电流连续的临界条件 4.2.3 升降压（Buck-Boost）型电路 1.电感电流连续工作模式 开关状态2（S断） 开关状态1（S通） 电感电流连续模式下电路波形 令 升降压电路的输出电压极性与输入电 压极性相反！ 其输出电压既可高于其输入电压，也 可低于输入电压！ 2.电感电流断续工作模式 开关状态2（S断） 开关状态1（S通） 开关状态3（电感电流为零） 电感电流断续模式下电路波形 3.电感电流连续的临界条件 电感电流临界连续下电路波形 稳态条件下，

7、二极管VD电流 的开关周期平均值等于负载电 流Io。 负载电流为 电感电流峰值 VD电流开关周期平均值 电感电流连续的临界条件 则有 判断电感电流是否连续条件 4.电流断续模式的各种条件 设开关S关断后电感的 续流时间为 稳态条件下电感电压开关周 期内的平均值为零的原理 二极管电流开关周期平均值 负载电流为 电感电流断续时的工作波形 稳态条件下，电容的开关周期平均电流为零，故二极管 电流开关周期平均值等于负载电流，即 由 和 上式可化简为 令 电感电流断续条件下成立 PSIMbuck-boost123 1） D接近1，UO接近无穷大，故应避免D过于接近1， 以免造成电路损坏。 2）负载电流很小

8、时，电感电流不连续，输出电压 |Uo|DUi/(1-D),且负载电流越小，Uo越高。 3）输出空载时，Uo趋于无穷大，故升降压电路也不 应当空载。否则产生很高的电压造成电路的损坏。 4）升降压型电路可以灵活地改变电压高低，还能改 变电压极性，因此常用于电池供电设备中产生负电源 的电路，还可用于各种开关稳压器中。 小 结 4.2.4 Cuk型电路 Cuk型电路可以看成是由升压型电路和降压 型电路前后级联而成的 Cuk型电路电路工作波形 开关状态1（S通） 开关状态2（S断） 令 输出电压极性与输入电压极性相反，其输出电 压既可高于其输入电压，也可低于输入电压。 电感L和L1的电流都连续 2）负载

9、电流很小时，电感电流将不连续，输出电压 |Uo|DUi/(1-D),且负载电流越小，Uo越高。输出空载时， Uo趋于无穷大，故Cuk型电路也不应当空载。否则产生很 高的电压造成电路的损坏。 3）Cuk型电路的特点与升降压电路相似，因此也常用于相 同的用途，但Cuk型电路较为复杂，因此使用不甚广泛。 该电路一个突出优点是输入和输出回路中都有电感，因此 输出电压纹波较小，从输入电源吸取的电流纹波也小，在 某些对这些问题有特殊要求的场合使用比较合适。 1）应避免D过于接近1，以免造成电路损坏。 小 结 4.2.5 Sepic型电路 Sepic型电路可以看成是由升压型电路和降压型电 路前后级联而成的。

10、 Sepic型电路输出、输入电压比同开关通断的占空比间的关系 ： 同样，应避免D过于接近1，以免造成电路损坏。 负载电流很小时，电感电流将不连续，电压比的公式不再 满足。此时输出电压UoDUi/(1-D),且负载电流越小，Uo 越高。输出空载时，Uo趋于无穷大，故电路也不应当空载 。否则产生很高的电压造成电路的损坏。 Sepic型电路也较为复杂，限制了其使用范围。由于有输 出电压比输入电压可高可低，它可用于要求输出电压较 低的单相功率因数校正电路。 4.2.6 Zeta型电路 Zeta型电路可以看成是由升压型电路和降压型 电路前后级联而成的。 Zeta型电路输出、输入电压比同开关通断的占空比间

11、的关系： 同样，应避免D过于接近1，以免造成电路损坏。 负载电流很小时，电感电流将不连续，电压比的公式不再 满足。此时输出电压UoDUi/(1-D),且负载电流越小，Uo 越高。输出空载时，Uo趋于无穷大，故电路也不应当空载 。否则，产生很高的电压造成电路的损坏。 Zeta型电路也较为复杂，限制了其使用范围。 电路特点电压比 开关和二极管承 受最高电压 应用 降压型 只能降压不能升 压，输出与输入 同极性，输入电 流脉动大，输出 电流脉动小，结 构简单 UMS=Ui UMD=Ui 各种降压型 开关稳压电 路 升压型 只能升压不能降 压，输出与输入 同极性，输入电 流脉动小，输出 电流脉动大，不

12、 能空载工作，结 构简单 UMS=UO UMD=UO 升压型开关 稳压器、升 压型功率因 数校正电路 各种不同的非隔离型电路比较 电路特点电压比 开关和二极管承 受最高电压 应用 升降压型 能降压能升压， 输出与输入极性 相反，输入输出 电流脉动大，不 能空载工作，结 构简单 UMS=Ui+UO UMD=Ui+UO 反相型开关 稳压器 Cuk型 能降压能升压， 输出与输入极性 相反，输入输出 电流脉动小，不 能空载工作，结 构复杂 UMS=UC1 UMD=UC1 对输入输出 纹波要求较 高的反相型 开关稳压器 电路特点电压比 开关和二极管承 受最高电压 应用 Sepic型 能降压能升压， 输出

13、与输入同极 性，输入电流脉 动小，输出电流 脉动大，不能空 载工作，结构复 杂 UMS=UC1+UO UMD=UC1+UO 升降压型功 率因数校正 电路 Zeta型 能降压能升压， 输出与输入同极 性，输入电流脉 动大，输出电流 脉动小，不能空 载工作，结构复 杂 UMS=UC1+Ui UMD=UC1+Ui 对输出纹波 要求较高的 升降压型开 关稳压器 4.3 隔离型电路 4.3.1 正激型电路 1.电感电流连续工作模式 开关状态1（S通） 开关状态2（S断）正激型电路电路工作波形 S关断后变压器的励磁电流经绕组W3和VD3流回 电源，所以S关断后承受的电压为： S关断后到下次开通的一段时间，

14、必须设法使励磁电流降到 零，否则下个开关周期中，励磁电流将在本周期结束的剩余 值基础上累加，并在以后的开关周期中累积，从而导致变压 器励磁电感饱和。励磁电感饱和后，励磁电流会迅速地增长 ，最终损坏电路中的开关器件。因此，在S关断后，使励磁 电流降回到零是很重要的。这个过程称为变压器的磁心复位 。 磁心复位过程 开关处于断态的时间必须大 于trst，保证开关开通前励磁 电流下降到零，使变压器磁 心可靠复位！ 在输出滤波电感电流电流连续时，输出电压与 输入电压比为： 根据稳态条件下，电感电压在开关周期内平均值为0 原理，得 2.电感电流断续工作模式 开关状态1（S通） 开关状态2（S断） 开关状态

15、3（电感电流为零） 电路电流断续工作波形 电感电流连续的临界条件为 输出电压与输入电压的电压比为 电感电流断续时，输出电压Uo将随负载电流减小而升高， 在负载电流为零的极限情况下，Uo=UiN2/N1。 双开关正激型电路 双开关正激型电路的工作原理与单开关正激型电路基本相 同。 双开关正激型电路中，每个开关承受的断态电压均为Ui， 比相同条件下的单开关正激型电路低，故双开关正极性电路 适合用于高压输入电源中使用。 正激型电路简单可靠，广泛用于功率为数百瓦到 数千瓦的开关电源中。 但该电路变压器工作点仅处于磁化曲线平面的第 象限，没有得到充分利用，因此，同样的功率 ，其变压器体积、重量和损耗都较大。 正激型电源多用于在电源和负载条件恶劣、干扰 很强的环境下，并且对体积、重量、效率要求不 高的场合。 4.3.2 反激型电路 反激（Flyback）型电路可 以看成是将升降压型电路 中的电感换成变压器绕组 W1和W2相互耦合的电感 而得到的。 1.电流连续工作模式 开关状态1（S通） 开关状态2（S断） 反激型电路工作波形 S关断后电压为： 在电流连续时，输出电压与输入电压比为： 反激型电路工作在电流连续模式时，其变压器 磁心的利用率会显著下降，因此实际应用中， 通常避免工作于电流连续模式！ 2.电流断续工作模式 开关状态1（S通） 开关状态2（S断） 开关状态3（电感电流为零）