开关整流器的基本原理

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1、目目 录录 1.1 开关整流器的分类与构成 1.1.1 开关整流器基本构成原理及特点 1.1.2 开关整流器的基本分类 1.2 开关整流器功率变换电路 1.2.1 单端正激变换电路 1.2.2 单端反激变换电路 1.2.3 推挽式功率变换电路 1.2.4 全桥式功率变换电路 1.2.5 半桥式功率变换电路 1.2.6 功率变换电路的比较与应用 1.3 谐振型开关电源技术 1.3.1 开关电源模块的几个技术参数分析 1.3.2 谐振型开关技术 1.3.3 谐振型开关电源的应用及发展趋势 1.4 开关电源的控制和驱动电路 1.4.1 控制电路 1.4.2 驱动电路 1.5 功率因数校正器 1.5.

2、1 问题的提出 1.5.2 功率因数校正器工作原理 1.5.3 选择高功率因数校正器的最佳拓扑 1.6 开关电源的电磁兼容性 1.6.1 问题的提出 1.6.2 电磁兼容性EMC涉及的内容 1.6.3 有关EMC的各种标准 1.6.4 开关电源中的EMC设计 1.7 开关电源的负载均分技术 1.7.1 负载均分的概念 1.7.2 一种脉宽调制（PWM）型负载均分电路 1.1 开关整流器的分类与构成开关整流器的分类与构成 1.1.1 开关整流器基本构成原理及特点开关整流器基本构成原理及特点 1 开关整流器基本原理框图 开关整流器基本原理框图如图1.1-1所示。 页码，1/31开关整流器的基本原理

3、图1.1-1 开关整流器基本原理框图 具体说明如表1.1-1所示。 表1.1-1 开关整流器基本原理说明 2 开关整流器的特点 （1） 重量轻、体积小 采用高频技术，去掉了工频变压器，在输出同等功率的情况下，与相控整流器相比较，开关整流器的体积只是相控整流器的1/10，重量约为1/10。 （2） 功率因数高 相控整流器的功率因数随可控硅导通角的变化而变化，在全导通时，一般大于0.7，小负载时，仅为0.3左右。 经过校正的开关电源功率因数一般大于0.93，并且基本不受负载变化的影响（对20%以上负载）。 （3） 可闻噪声低 在相控整流设备中，工频变压器及滤波电感工作时，产生的可闻噪声一般大于60

4、 dB。 在无风扇噪声的情况下，开关电源可闻噪声仅为45 dB左右。 （4） 效率高 开关电源采用的功率器件一般功耗较小，带功率因数补偿的开关电源其整机效率大于88%。 （5） 冲击电流小 开机冲击电流可限制在额定输入电流的范围。 （6） 模块式结构 由于体积小，重量轻，可设计为模块式结构。 1.1.2 开关整流器的基本分类开关整流器的基本分类 目前，开关整流器主要分为以下两类。 组成的电路 作用 输入回路 将交流输入电压整流滤波变为较平滑的高压直流电压 功率变换器 将高压直流电压转换为频率大于20 Khz的高频脉冲电压 整流滤波电路 将高频的脉冲电压转换为稳定的直流输出电压 开关电源控制器

5、根据输出直流电压取样控制功率开关器件的驱动脉冲的宽度，从而调整开通时间以使输出电压可调且稳定 从框图中可见，由于高频变压器取代了笨重的工频（50 Hz）变压器，使稳压电源的体积和重量大大减小 页码，2/31开关整流器的基本原理? 采用硬开关技术设计的整流器。 ? 采用软开关技术设计的整流器，主要指谐振型开关整流器。 两种开关整流器的比较如表1.1-2所示。 表1.1-2 两种开关整流器的比较一览表 1.2 开关整流器功率变换电路开关整流器功率变换电路 1.2.1 单端正激变换电路单端正激变换电路 1 基本工作原理 （1） 正激式开关电源的核心部分是正激式直流-直流变换器，基本电路如图1.2-1

6、所示： 图1.2-1 正激式直流-直流变换器原理图 （2） 其工作过程说明如下。 ? 当开关管V1导通时，输入电压Uin加到变换器初级线圈两端，去磁线圈上产生的感应电压使二极管V2截止，次级线圈上感应的电压使V3导通，并将输入电流的能量传送给电感L0、电容C和负载。同时在变压器T中建立起磁化电流。 开关整流器名称 特点 硬开关技术设计的整流器 1功率开关器件工作在强迫关断（即电流不为零）和强迫导通（即电压不为零）方式 2在开关器件的导通和截至期间，存在一定的功率损耗 3开关频率的提高受到限制，一般控制在300 kHz左右 4硬开关技术已完全成熟，如何减少开关器件的损耗，提高整机的效率有许多有效

7、的措施 5整机效率可大于91% 6技术成熟，对高频信号干扰的处理方式完善，主回路可靠，制造成本易于控制 软开关技术设计的整流器 1各开关器件可实现零电压导通和截止，减少了开关损耗，提高开关频率 2工作频率可大于10 MHz 3按过零开关方式，可以将谐振型开关技术分为零电流开关型（ZCS）和零电压开关型（ZVS）两大类 页码，3/31开关整流器的基本原理? 当V1截止时，V3截止，L0上的电压极性反转并通过续流二极管V4继续向负载供电，变压器中的磁化电流则通过、V2向输入电源Uin 释放而去磁。 ? 具有箝位作用，其电压等于输入电压Uin ，在V1再次导通之前，T中的去磁电流必须释放到零，即T中

8、的磁通必须复位，否则，变压器T将发生饱和，导致V1损坏。 ? 通常，采用双线并绕耦合方式。? V1的导通时间应小于截止时间，即占空比0.5，否则T将饱和，可从下面的推导来证明。参见图1.2-2。 图1.2-2 正激式直流-直流变换器波形图 在0t1时，即V1导通期间TON，此时激磁，有：Uin = =（V）,=(-)式中为在情况下的剩余磁感应强度。=，页码，4/31开关整流器的基本原理在时，即截止期间，此时去磁，有：当时，比较上两式，当时，则，此时铁心磁通量复位；当时，则，即去磁电流未释放到零，磁通量未复位而高于起始值，如此必将趋向饱和。 由图1.2-2所示可得出： 、中的电流最大值为：电流最

9、大值为：（为变压器初级电感量）上最大电压：上最大反向电压：和上最大电压：和关系：2 当需要较大的输出功率时，一般采取电压迭加式的双正激开关电路，如图1.2-3所示。 图1.2-3 双正激开关电路原理图 页码，5/31开关整流器的基本原理（1） 电路特点 ? 两个正激电路并联，T1和T2反相180驱动，功率增大一倍，输出频率增加一倍，纹波及动态响应改善。 ? K1和K2串联（K3、K4），开关管耐压减半。 ? 取消了反馈线圈，V1、V2、V3、V4为馈能路径，降低了变压器的制作工艺等要求。 ? 具有死区限制特性，两部分电路不存在共态导通问题，可靠性较高。 （2） 特性分析 ? 正 激：导通时输入

10、馈电给负载，截止时L供电给负载，称为正激式。 ? 耐 压：单管正激，开关管最大电压为2。? 双管正激：开关管最大电压为。? 变压器：变压器利用率不高（仅使用磁滞回线第一象限），工艺制作上要加馈能线圈。 ? 用 途：由于双管正激并联电路具有输出功率大，输出方波频率加倍，易于滤波，开关管耐压减半约为输入电压，取消变压器馈能线圈等优点，因此，广泛应用于大功率变换电路中，被认为是目前可靠性较高，制造不复杂的主要电路之一。 1.2.2 单端反激变换电路单端反激变换电路 1 基本工作原理 （1） 反激式开关电源中应用最多的是自激型电路，图1.2-4所示为自激型反激式直流变换器的基本电路。图1.2-4 反激

11、式直流变换器原理图 （2） 其工作过程说明如下。 接通，通过启动电路、在基极中流过小电流，初级线圈启动，在反馈线圈上产生一个感应电压；此电压使基极电流进一步增大，导致集电极电流进一步增大，形成正反馈过程，使很快饱和。 此时，两端电压使反偏，随着集电极电流上升，上压降增加，的基极电位由于稳压管而保持不变，故基极电流不断减少，开始退出饱和区向截止状态转换。 的基极电流减少引起集电极电流减小，、及上的极性均发生颠倒，的基极电流进一步减小，其集电极电流也随之减小，形成正反馈过程，使很快截止。 截止期间，由于极性颠倒使导通，在导通期间所存储的磁能转成电能而释放，供给负载。当磁能全部释放完毕，上压降为零，

12、此时启动电路重新开始工作，周而复始，形成自激振荡。 图1.2-5所示为自激型反激式电路的电压、电流波形图。 页码，6/31开关整流器的基本原理图1.2-5 反激式直流变换器波形图 从图1.2-5所示中可见： 整流二极管上的最大反压：周期与输入电压及输出电压的关系式为： 从上式中可知，当、一定时，与成反比，属于脉冲宽度与频率混合调制，也是自激型电路的主要特征。 变压器初级电流与输入电压、输出电压的关系式为： 从上式可知，当、一定时，增大，减少；当、为一定时，与（即）成正比；在等于，以及等于时，值最大。 上述两式为设计自激型电路的主要依据。 输出电压与输入电压之间的关系为： =2 特性分析 反激式

13、：在导通期间反偏，截止时正偏，供给负载功率。 耐 压：集电极承受最大电压值，。变压器：利用率不高（单方向）。 页码，7/31开关整流器的基本原理应 用：一般用在小功率输出场合。 1.2.3 推挽式功率变换电路推挽式功率变换电路 1 基本工作原理 推挽式功率变换电路原理图，如图1.2-6所示，这种电路典型波形图，如图1.2-6所示。工作时两个功率开关管V1、V2交替导通或截止。当V1和V2分别导通时，W1和W2有相应的电流流过，这时变换器次级将有功率输出。当V1导通，V2截止时，V2集射两端承受的电压为2倍的Uin，而在V1、V2都处于截止时它们所承受的电压为输入直流电压Uin。 图1.2-6

14、推挽式功率变换电路和典型波形图 从图1.2-6中可见，开关管最大耐压为2倍的输入电压Uin。2 电路特点 （1） 由于功率开关器件发射极是共地的，所以基极驱动电路无需隔离，使驱动电路简化； （2） 使用两个功率开关器件可获得较大的功率输出； （3） 功率开关器件耐压应大于2 Uin值。 3 应用 推挽式功率变换电路在早期的开关电源中有所采用，近期已很少采用。 1.2.4 全桥式功率变换电路全桥式功率变换电路 1 基本工作原理 全桥式功率变换电路原理图，如图1.2-7所示，这种变换电路的典型波形图，如图1.2-7所示。它由四个功率开关器件V1V4组成，变压器T连接在四桥臂中间，相对的两只功率开关

15、器件V1、V4和V2、V3分别交替导通或截止，使变压器T的次级有功率输出。当功率开关器件V1、V4导通时，另一对V2、V3则截止，这时V2和V3两端承受的电压为输入电压Uin在功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管V5V8箝位于输入电压Uin。 页码，8/31开关整流器的基本原理图1.2-7 全桥式功率变换电路和典型波形 从图中可见，开关管最大耐压为输入电压值。 2 电路特点 （1） 全桥式变换电路中一般选用的功率开关器件的耐压只要大于U inmax即可，比推挽式功率变换电路所用的功率开关器件需承受的电压要低1/2； （2） 由于使用箝位二极管V5V8，有利于提高电源效率； （3） 电路

16、使用了四个功率开关器件，其四组驱动电路需隔离。 3 应用 全桥式功率变换电路主要应用于大功率变换电路中。由于驱动电路复杂且均需隔离，因此在电路设计和工艺结构布局中要有足够的考虑。 1.2.5 半桥式功率变换电路半桥式功率变换电路 1 基本工作原理 半桥式功率变换电路原理图和波形图，如图1.2-8所示。 图1.2-8 半桥式功率变换电路和波形图 半桥式功率变换电路与全桥式电路相类似，只是其中两个功率开关器件改由两个容量相等的电容器C1和C2代替。C1和C2的作用主要是实现静态时分压，使Ua=1/2Uin。当V1导通，V2截止时，输入电流方向为图中虚线方向，向C2充电；当V1截止，V2导通时，输入电流方向为图中实线方向，向C1充电。当V1导通，V2截止时，V2两端承受的电压为