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1、开关电源的技术现状及失效分析,一、开关电源技术现状 二、开关电源失效分析,一、开关电源技术现状 (1)开关电源的发展方向及技术趋势 (2)开关电源基本拓朴 (3)常用电路结构 (4)功率因数校正技术 (5)开关电源常用PWM控制模式 (6)同步整流简介,二、开关电源失效分析 (1)概述 (2)整机失效分析 (3)器件失效模式及分析,(2)开关电源基本拓朴 1)降压变换器BUCK 2)升压变换器BOOST 3)升降压变换器BUCK-BOOST,基本数量关系 负载电压平均值 tonV通的时间 toffV断的时间 -导通占空比 Uo最大为E ，减小占空比 ，Uo随之减小。因此称为降压斩波电路。 负载
2、电流平均值：,降压变换器电路的原理图及波形 a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形,降压变换器BUCK,稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量 相等： 化简得： T/toff1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压变换器,升压变换器BOOST,升压变换器工作原理（boost变换器） 假设L值很大，C值也很大； V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为,升压变换器电路及其工作波形
3、 a）电路图 b）波形,升压变换器BOOST,1. 升降压斩波电路 设L值很大，C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。 基本工作原理 V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。 V断时，L的能量向负载释放，同时向C充电，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。,升降压电路及其波形 a）电路图 b）波形,稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即： 当V处于通态期间，uL = E；而当V处于断态期间，uL = - uo。于是： 所以输出电压为：,升压变换器BOOS
4、T,改变导通比 ，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0 1/2时为降压，当1/2 1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。也有文献直接按英文称之为buck-boost 变换器（Buck-Boost Converter）。 图中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有:,升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形,升压变换器BOOST,(3)常用电路结构 1)反激变换器Flyback 2)正激变换器Forward 3)半桥变换器Half-Bridge 4)全桥变换器Full-Bridge,反激电路中的变压器起着储能元件的
5、作用，可以看作是一对相互耦合的电感。 工作过程： S开通后，VD处于断态，N1绕组的电流线性增长，电感储能增加； S关断后，N1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放。S关断后的电压为：,反激电路原理图,反激电路的理想化波形,反激变换器Flyback,反激电路的工作模式： 电流连续模式：当S开通时，N2绕组中的电流尚未下降到零。 输出电压关系： 电流断续模式：S开通前，N2绕组中的电流已经下降到零。 输出电压高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下， ，因此反激电路不应工作于负载开路状态。,反激变换器Flyback,正激变换器Forward,电路
6、的工作过程 开关S开通后，变压器绕组N1两端的电压为上正下负，与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长； S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。S关断后变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为 。,变压器的磁心复位：开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随着时间的增加而线性的增长，直到S关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。,正激变换器Forward,变压器的磁心复位时间为 输出电压： 输出滤波电感电流连续的情况下：
7、 输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，,正激变换器Forward,半桥电路原理图,半桥电路的理想化波形,半桥变换器Half-Bridge,工作过程： S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。 S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态， 当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。 S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。S
8、1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。,半桥变换器Half-Bridge,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，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。 输出电压： 当滤波电感L的电流连续时： 如果输出电感电流不连续，输出电压U0将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下， 。,半桥变换器Half-Bridge,全桥电路原理图,全桥电路的理想化波形,全桥变换器Full-Bridge,工作过程： 全桥逆变电路中，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，
9、改变占空比就可以改变输出电压。 当S1与S4开通后，二极管VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升； S2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。 当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降.S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。 如果S1、S4与S2、S3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，也可以在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。,全桥变换器Full-Bridge,输出电压： 滤波电感电流连续时： 输出电感
10、电流断续时，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，,全桥变换器Full-Bridge,(4)功率因数校正技术PFC 1)概述 2)无源功率因数校正Passive PFC 3)有源功率因数校正技术Active PFC,1)概述 随着电力电子技术的发展,从上世纪五六十年代开始,由于电力电子装置的大量出现和在工业及日常生活的应用,如整流装置、高频焊机、电子镇流器等接到交流电网时，电网电流将产生非正弦畸变和高次谐波，影响其他用电设备、通信等正常运行，严重时还影响到发电设备的安全运行，为此，国际电工委员会已制定了相关的标准IEC1000-3-2，该标准对用电装置输入
11、波形失真度和功率因数都作了明确的具体限制。 功率因数定义为：有功功率与视在功率的比值 PFC（Power Factor Correction，功率因数校正器）电路根据工作方式可分为两大类，即无源PFC电路(也称被动式PFC电路)和有源PFC电路(也称主动式PFC电路)。,1)概述 下图按IEC1000-3-2的分类法给出了功率电子装置的4种分类等级：A，B，C，和D。对于这4种不同的等级，分别有相应的各次谐波限制。IEC标准规定，输出功率在75600W的电子装置都要满足ClassD，对于这类设备不仅在满载时要满足ClassD，而且在输入功率=75W时也要满足ClassD；而对于照明装置的要求更
12、加严格，要求它满足ClassC。,2)无源功率因数校正Passive PFC 无源技术，是接入L、C网络，只能对某些特定的谐波进行抑制和基波移相补偿。这种方法最早是用于电力系统，但体积和质量都很大。对于我们开关电源来说，无源PFC电路一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，在交流电源进线或整流桥与滤波用的200V电容之间直接串联电感，同时改造开关电路的校正，一般在高压滤波电容附近，是一个较大的工频电感，它最大好处就是所需线路简单，生产成本较低。被动式PFC的能源转换效率不高，容易产生工频震动和噪音等问题。如下图所示,2)有源功率因数校正技术Active PF
13、C 随着电力电子电子技术的发展，对消除谐波提出了另外的对策：在负载即电力电子装置本身的整流器和滤波电容之间增加一个功率变换电路，这就是有源功率因数校正（Active Power Factor Correction,简称APFC）电路。它能将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除了谐波和无功电流，从而将电网功率因数提高到近似为1。下图为在DC-DC主变换与交流整流之间插入了一级Boost变换器来实现APFC的电路简图。,2)有源功率因数校正技术Active PFC PFC整流器的控制策略 理论上电力电子电路的几种基本拓扑结构（Buck、Boost、Buck-boost、Sepic
14、、Cuk）原则上都可以构成PFC，但使用Boost电路有一些独特优点，如下：1、输入电流连续，EMI小，RFI低。2、有输入电感，可减少对输入滤波器的要求，并可防止电网对主电路高频瞬态冲击。3、输出电压大于输入电压峰值，对市电电压为100V（AC）的国家和地区特别合适。例如，输入90132V交流，输出直流电压约为200V；若输入为90264V交流，直流输出将为400V。4、开关器件S的电压不超过输出电压值。5、容易驱动功率开关，其参考端点的电位为0V。6、可在国际国际标准规定的输入电压和频率广泛变化范围内保持正常工作。 缺点：1、输入、输出之间没有绝缘隔离。2、在开关S、二极管D和输出电容形成
15、的回路中若有杂散电感，则在25100KHz的PWM频率下，容易产生危险的过电压，对开关S的安全运行不利。,2)有源功率因数校正技术Active PFC PFC整流器的常用控制方式 PFC的常用控制方式为峰值电流控制（临界电流控制）、滞环电流控制（也称滞后电流控制）、平均电流控制。 滞环电流型：滞环电流控制的输入电流波形如下图所示：开关导通时电感电流上升，上升到上限阈值时，滞环比较器输出低电平，开关管关断，电感电流下降；下降到下限阈值时，滞环比较器输出高电平，开关管导通，电感电流上升，如此周而复始地工作，其中取样电流来自电感电流。特点：结构简单，实现容易，具有很强的快速动态响应能力。开关频率不固
16、定，滤波器设计困难。目前，关于滞环电流控制改进方案的研究还很活跃，目的在于实现恒频控制。将其他控制方法与滞环电流控制相结合是SPWM电流变换器电流控制策略的发展方向之一。,PFC整流器的常用控制方式 平均电流控制模式： 平均电流控制的输入电流波形如下图所示。平均电流控制将电感电流信号与锯齿波信号相加。当两信号之和超过基准电流时，开关管关断，当其和小于基准电流时，开关管导通。取样电流来自实际输入电流而不是开关电流。由于电流环有较高的增益带宽、跟踪误差小、瞬态特性较好。THD(5)和EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定、适用于大功率应用场合，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。其缺点是参考电流与实际电流的误差随着占空比的变化
