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1、开关电源技术闫 石开关电源技术课件课程内容l一、概论l二、开关电源变换器原理技术l三、开关电源变换器实例l实验参考文献l1. 开关电源的原理与设计张占松、蔡宣三 编著 l2. 智能型高频开关电源系统的原理使用与维护-王家庆 主编 人民邮电出版社 l3. 通信用高频开关电源 人民邮电出版社l4. 电力电子技术 丁道宏 主编 航空工业出版社l5. 现代通信电源技术参考文献l电工学报l电力电子技术l电信科学研究院情报所:一、开关电源概论开关电源技术课件1.通信电源的分级变电站变电站备用发备用发电机组电机组市市电电油油机机转转换换整流器整流器直流屏直流屏蓄电池蓄电池交流不间断电源交流不间断电源通信设备
2、通信设备通信设备通信设备市电市电第一级电源第一级电源(Primary Power Supply) 第二级电源第二级电源(Secondary Power Supply) 第三级电源第三级电源(Tertiary Power Supply) 2.开关电源的定义l开关变换器: 凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一形态的主电路都叫做开关变换器电路。l开关电源:转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节。开关电源基本构成框图整整 流流滤滤 波波开关电源控制器开关电源控制器滤滤 波波整流及整流及滤波滤波AC/DC输入回路输入回路功率开功率开关器件关器件高频高频变压器变压器DC/DC功率变换器功
3、率变换器UinUout开关电源的特点l1.重量轻，体积小: 是相控电源体积的1/10l2. 功率因数高: 相控 0.7 ,小负载 0.3， 有功率因数的开关电源在0.93以上l3.可闻噪声低: 工频变压器 大于60 dB ,开关电源 45dBl4. 效率高: 一般88%以上，l5. 冲击电流小: 可接近额定电流 l6.模块式结构: 可更换模块，2M的19英寸机架 48V/1000A, 输出功率60KW开关电源的特点l7. 稳压精度高 : 可达0.2%l8. 维护、监控方便: 对与较大的电源系统可采用计算机进行监控通信中对开关电源的要求l欧洲通信标准化委员会制定的第二级电源与通信设备界面上的技术
4、规范(ETS300132)直流电压允许变化范围 -40.5 -57 VDC直流电压变化 直流冲击电流 5I 额定 (10ms)杂音电压无线电频率干扰符合EN55022或IEC CISPR22标准安全、接地要求等通信中对开关电源的要求l主要技术要求:l电压变动范围要求、频率变化要求、波形要求。l电压暂降、短时中断和电压变化的要求:lIEC1000-4-11;GB/T17626.11l浪涌耐量要求(雷击):lIEC801-5; IEC1000-4-5; GB/T 17626.5l无线电频率干扰要求:lEN55022,CISRR22; GB9254l谐波电流要求:lIEC1000-3-2, IEC
5、1000-3-4l安全、接地要求 通信中对开关电源的要求l直流输出电压及其调节范围48V系统 : 48.00V 57.60 (充电)l静态稳压精度l整流器输出限流和电池充电限流l功率限制/恒功率输出特性通信中对开关电源的要求l输出端杂音电压电话衡重杂音: 2mv峰峰值杂音: 0 300Hz, 400mv宽频杂音电压: 3.4KHz 150 KHz, 100mv有效值150KHz 30MHz, 30mv有效值l离散频率杂音电压:3.4 150KHz 5mv 有效值;150 200KHz 3mv 有效值;200 500KHz 2mv 有效值;0.5 30MHz 1mv 有效值; 通信中对开关电源的
6、要求l动态响应lEMC要求l并联运行l效率l功率因数电流谐波l可靠性相关国家标准lGB/T 762-1996 标准电流lGB/T 2423.1-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试 验A：低温试验方法lGB/T 2433.2-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试 验B：高温试验方法lGB/T 2423.9-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试验Cb：设备用恒定湿热试验方法lGB/T 2423.10-1995 电工电子产品基本环境试验第二部分，试验方法试验Fc和导则：振动(正弦)相关国家标准lGB/T 2828-1987 逐批检查计数抽样程序及抽样表(适 用于连续批的检查)lG
7、B/T 2829-1987 周期检查计数抽样程序及抽样表(适用于生产过程稳定性的检查)lGB/T 3859.1-1993 半导体变流器 基本要求的规定lGB/T 3873-1993 通信设备产品包装通用技术条件lGB/T 4720-1984 电控设备 第一部分 低压电器电控 设备lGB/T 16821-1997 通信用电源设备通用试验方法相关国家标准lYDN 023-1996 通信电源设备和空调集中监控系统技术要求lYD/T 638.3-93 通信电源设备型号命名方法lYD/T 944-1998 通信电源设备的防雷技术要求和测试方法lYD/T 983-1998 通信电源设备电磁兼容性限值及测量
8、方法lSJ2811.2-87 通用直流稳定电源测试方法3.开关电源变换器的基本手段l1. PWM变换器:l脉宽调制法( Pulse Width Modulation ):保持开关频率恒定但改变接通时间长短(脉冲的宽度)，使负载变化时，负载电压变化不大lPWM开关变换器:用脉宽调制方式控制电子开关的开关变换器3.开关电源变换器的基本手段lPWM开关变换器实现的优点和不足优点:控制容易，技术成熟，适应范围广，输入电流突然停电时，输出电压保持时间长:例如计算机系统不足:开关损耗大，频率不能很高l软开关:用控制方法使电子开关在其两端电压为零时导通电流，或使流过电子开关电流为零时关断。3.开关电源变换器
9、的基本手段l2.谐振变换器:l谐振:串联谐振:正弦电压加在理想的(无寄生电阻)电感和电容串联电路上，当正弦频率为某一值时，容抗与感抗相等，电路的阻抗为零，电路电流达无穷大并联谐振:正弦电压加在理想的电感和电容并联电路上，当正弦频率为某一值时，容抗与感抗相等，电路的总导纳为零，电感、电容元件上的电压为无穷大ZVS(零电压开通): 电子开关器件两端电压振荡为零时，使电子开关导通流过电流。ZCS(零电流关断): 流过电子开关器件的电流振荡到零时，使电子开关断开。3.开关电源变换器的基本手段l谐振变换器:利用谐振现象，使电子开关器件上电压或电流按正弦规律变化，以创造零电压开通或零电流关断的条件，以这种
10、技术为主导的变换器。串联谐振变换器并联谐振变换器3.开关电源变换器的基本手段l准谐振:当正向和反向LC回路值不一样，即振荡频率不同，电流幅值也不同，所以振荡频率不对称，一般正向正弦半波大于负向正弦半波。l准谐振变换器:利用准谐振现象，使电子开关器件上的电压或电流按正弦规律变化，从而创造了零电压或零电流的条件，以这种技术为主导的变换器l多谐振变换器:谐振回路、参数超过两个的变换器3.开关电源变换器的基本手段l3.零开关-PWM变换器在准谐振变换器中，增加一个辅助开关控制的电路，使变换器一周期内，一部分时间按ZCS或ZVS准谐振变换器，另一部分时间按PWM变换器工作，称为ZCS-PWM变换器或ZV
11、S-PWM变换器4.开关变换器的分类l按输入和输出的隔离性: 有隔离和无隔离l按拓扑结构分: Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zetal按激励形式:自激式: 单管式、推挽式他激式: 调频、调宽、调幅、谐振lPWM: 正激式、反激式、半桥式和全桥式l谐振:串联谐振、并联谐振、串并联谐振零电压开关和零电压开关二、开关电源 基础电路l开关电源的功率转换电路模型l控制电路l谐振变换器l功率因数校正电路基本电路模型 - Buck 变换器变换器降压变换器、串联开关稳压电源开关闭合时，电能储存于电感和电容中(同时也馈向负载)。开关打开后，储存于电感和电容中的能量继续供给负载。
12、二极管构成电流回路降压型转换器控制电路控制电路VINVOUTVdiodeVGateILIT-VDVIN0VIN0ImaxD DI基本电路模型 - Boost 变换器变换器(升压型升压型)开关闭合，电感中储存能量。开关打开时，电感中储存的能量通过二极管供给负载，同时对电容充电。负载电压跌落时，电容再放电，输出可获得高于输入的电压。基本电路模型 Buck-Boost (反转电反转电路路)开关接通，电感中流过电流，储存能量。开关断开，电感中电流流向负载。由于二极管的接法，负载得到反极性的电压。负载电压跌落时，电容再向负载放电。基本电路模型 Flyback (回扫型)回扫型变换器回扫型开关电源l隔离低
13、损耗l容易实现多种电源输出l高效率l在较高工作频率下(例如400KHz以上)体积小巧特性分析简化的电路原理图+VIQ1Primary SecondaryIsolationBoundary+VO2VO1+PWMControllerFBREFTPS5904开关电源的功率转换电路1.单端反激式变换器UceV1截止截止0I2abcV1导通导通V1开启开启V1关断关断IbT1+_Uin+_UoutRL+R2R1C2V2W1W2V3iLC1W1V4R3V1电路特点l变压器初级磁通是单向的，故称该变压器为单端变压器l输出电容器C和负载在开关管截止时从变压器次级获得能量，故称为反激式。反激式变换波形器tttt
14、tUcei1i2Uv3Uin/n+UoTTonTofft1t2特性分析l反激式:在V1导通期间V3反偏，V1截止时V3正偏，供给负载功率l耐压:V1集电极承受最大电压值:Vcemax = Uin+nUomaxl变压器: 利用率不高l应用: 一般利用在小功率场合实际电路举例单端他激式开关电源lUC3842保护环节电路特性l1. 输入电压 : 95 VAC to 130 VAC(50 Hz/60 Hz)l2. 隔离电压 : 3750 Vl3. 开关频率 : 40 KHzl4. 效率 满负荷 : 70 %l5. 输出电压 :A. + 5 V, 5 % : 1 A to 4 A load纹波 : 50
15、 mV P-P Max.B. + 12 V, 3 % : 0.1 A to 0.3 A load纹波 : 100 mV P-P Max.C. -12 V, 3 % : 0.1 A to 0.3 A load纹波 : 100 mV P-P Max.VIPer100 典型应用2.单端正激变换电路+_+_+UinUoutV2iRLIoLoV3V4iLW2TCV1W1”W1i1正正激激式式变变换换器器波波形形itttttTUin/LpILMAX/4iTUin/LpUv12UinUinUwUiniLTonTofft1t2特性分析l正激: 导通时输入馈电给负载，截止时L供电给负载。l耐压:单管正激，开关管
16、最大电压为2Uin双管正激，开关管最大电压为 Uinl变压器:单管变压器利用率不高，工艺制作上要求加馈能线圈l用途:双管正激并联电路输出功率大，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Uin,取消变压器馈能线圈等优点。因此，广泛应用大功率变换电路中，可靠性高，简单的电路。+_+_+UinUoutRLIoLoV3V4iLTC双正激开关电路K1K2电路特点l(1) 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。l(2) K1和K2串联(K3、K4), 开关管耐压减半;l(3) 取消了反馈线圈，V1、V2、V3、V4为馈能路径，降低了变
17、压器的制作工艺等要求;l(4) 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。3.推挽式功率变换电路+V1V2UinL_+W1W2Uout推挽式功率变换电路典型波形图tUcetIcTToffTon00Uin2Uin电路特点l优点:功率器件发射极相连，两组基极驱动电路彼此间就无需隔离，使得驱动电路和过流保护电路简化。只要两个高压开关管便能获得较大功率的输出。l缺点:开关管必须承受较高的电压大于2Uin，为防止磁心材料的偏磁饱和，电路的两个开关管饱和特性和开关特性要求各种工作条件和温度下都尽可能配对，更增加了选择元器件的难度。原边绕组只有一半时间工作，高频变压器利用率太低l应用: 早
18、期采用，现在已很少用推挽式变换器双端输出控制器实例lSG1524/35244. 全桥式功率变换电路+V3V4V1V2V7V8V5V6LVinVout全桥式功率变换电路典型波形tUcetIcTToffTon00Uin/22Uin电路特点l优点:开关管稳态时承受的最高电压只要大于输入电压Uinmax即可。暂态过程的尖峰电压被钳位于输入电压，漏感储能归还给输入电源，利于提高效率。开关管耐压低，输出功率大。l缺点:电路使用四个高压开关管，并要求尽可能配对，且需要彼此绝缘的基极驱动电路，电路复杂，元器件多，对电路设计和工艺布局要求较高。l应用:主要应用于大功率变换电路中。实际电路举例5. 半桥式功率变换
19、电路+C1C2V1V2V4V4LVinVoutUa半桥式功率变换器波形图tUcetIcTToffTon00Uin/22Uin电路特点优点:一个晶体管导通时，截止晶体管上的电压和输入电压相等，高压开关管上的电压不超过电源电压。晶体管的数量只有全桥变换器的一半。具有抗不平衡能力l缺点:高频变压器上的电压只有输入电压的一半，在同等输出功率的条件下，开关器件V1、V2通过的电流是全桥电路的两倍必须有两个分压电容，流过和电路工作频率相同的充放电电流，由于电容的放电，输出电压脉冲顶部有倾斜。一般，半桥式只用于中等输出功率的电路中。变形的半桥功率变换电路+LUoutC1C1aC1bV1V2C2C2aC2bV
20、3V4UinUC1UC2电路特性l优点V1、V2为一组，V3、V4为一组，双双串联，可减少单管耐压值。可解决大电流输出的问题变压器工作正反两方向，提高变压器利用率，具有抗不平衡能力。l应用高电压输入，大功率输出半桥式变换器l胶片开关电源控制电路PWM控制电路l1.对控制电路的基本要求:l频率可在较宽范围内预调的固定频率振荡器，l占空比可调节的脉宽调制功能，l死区时间较准器，l一路或两路具有一定驱动功率的输出图腾式电路l禁止、软启动功能l电流、电压保护功能脉宽调制电路原理图EA脉宽调制脉宽调制门门电电路路基准电压基准电压振荡器振荡器分频器分频器门门电电路路误差放大器U样PWM控制电路l2. 控制
21、电路的实现基准源: 芯片内大部分电路由它供电，兼作误差放 大器的基准电压输入振荡器: 一般由恒流充电快速放电电路以及电压比 较器组成，频率由外接RC元件决定误差放大器: 将取样电压和基准电压比较放大，送 至脉宽调制电路输入端。脉宽调制器: 输入为误差放大器输出。输出分为两 路，一路送给门电路，另一路送给振荡器 输入端分频器: 将输入分频后输出，控制门电路输出脉冲 的频率。PWM控制电路l控制电路的发展高频化: l误差放大器和脉宽调制器的频带要宽，一般要上 1M (100K) 7M ( 500 )智能化:l 引入单片机技术，采用DSP处理技术l小型化:降低功耗: 控制在几个 mA 内高密度安装电
22、压型PWM控制器VERRVOSCVPWMOSCI/PO/PVERRVOSCVPWMREF+ -双端输出控制器实例lSG1524/3524开关电源功率驱动电路l概述驱动电路原理图T1驱动电路作用驱动电路作用:隔离隔离减小漏感、漏电容，使开关器件迅速导通和关断减小漏感、漏电容，使开关器件迅速导通和关断提供足够大的驱动电流提供足够大的驱动电流驱动电路图+Vcc隔离隔离抗干扰抗干扰隔离隔离图腾式输出图腾式输出开关元件安全工作区及其保护lP144开关电源缓冲电路l现代电力电子技术开关电源功率因数校正功率因数校正器l1. 电功率: P = U x Il2. 功率因数有功功率 P ( 阻性器件消耗的功率)无
23、功功率 Q ( 电容和电感上获得的功率)视在功率 S ( S = U x V )S2 = P2 + Q2 P = S CoS P = U I COS = S CoS S = U I功率因数功率因数Q谐波标准分类l1. IEC建议的谐波标准 IEC 1000-3-2A类: 平衡的三相设备B类: 轻便的工具C类: 照明负载D类: 有带特殊波形输入的设备谐波标准分类谐波次数3579 11 1315N392468n40最大电流值(A)2.31.140.770.40.330.210.15x15/n1.080.430.30.23x8/nA类、B类谐波次数2357911N39最大电流值(A)2.31.140
24、.770.40.330.15x15/nC类C类25&D类谐波次数相对值绝对值允许的最大电流mA/W(A)(A)(A)33.41.082.3051.90.601.1471.00.450.7790.50.300.4011n390.6PWMNVCVIn+PWMKVCVI2+PWM1VCVI1VeVeVe电流放大VfVr主模块从模块从模块主从设置法原理示意图开关电源并联系统的均流技术+功率级电流电流放大放大Vr均流控制器电压放大VeRab负载电流VfVI均流母线VbVrVC+平均电流法:(V11Vb) / R + (V12Vb) / R = 0Vb = ( V11+V12) / 2开关电源并联系统的均
25、流技术ab均流母线Vb+10Ka、b两点间接一缓冲器最大电流法均流开关电源并联系统的均流技术DC-DCPWMSCVe_+VfVcVoVIVrb均流总线1VI1VC1KVIkVCknVInVcn均流总线SC外加均流器控制器均流法开关电源并联系统的均流技术+VC22Va1S2V12b+VC12Va1S1V11bN=2时均流控制器的原理图开关电源并联系统的均流技术DC-DC+IVOVeVI电流放大VbbaR1R3R2R4R6R5R7Vr电压放大平均母线热应力自动均流控制电路原理图开关电源的负载均分技术l负载均分的概念分布式电源系统并联使用带来负载不平衡的问题l解决方法模拟法:使用模拟信号提取，通过外
26、部导线来传输，性能较差。采用PWM方法:PWM均分电路原理图光光藕藕 N”整流模块整流模块2”整流模块整流模块_+_+_+1”整流模块整流模块UUref+_IOPWMURUSUD电路分析l1. Us为系统取样电压，UR为系统基准电压，两者比较后产生误差电压UDl2. UD与三角波进行比较产生一脉冲调制方波信号，波宽受UD大小控制l3. 方波信号送至每个整流模块，再通过模块内光藕隔离整形放大后与模块电流IO比较。l4. 比较信号再与模块的电压参考值Uref叠加，从而发出电压U调节信号，改变模块的输出电压，调整模块输出电流，使每个模块的输出电流相等。谐振型开关电源技术l开关电源模块的几个技术参数分
27、析l1.效率l2.功率密度l3.重量谐振开关电源的提出谐振开关电源的提出零电流式准谐振开关(ZCS-QRC)SLCV电容器电容器 C和整流二极管并联，和整流二极管并联，有源开关有源开关 S 和谐振电感和谐振电感 L 串联，串联，有源开关有源开关 S 在零电流时开通和关断。在零电流时开通和关断。整流管整流管 V 则在零电压时开通和关断。则在零电压时开通和关断。 零电流式准谐振开关(ZCS-QRC)l优点:降低关断损耗，不受变压器的漏感和整流器的结电容的影响。l缺点:电容器的开通损耗，断态时存储在开关管输出端电容器的能量，开通时则在器件内部损耗掉了。零电压式准谐振开关(ZVS-QRC)SLCV电容
28、器电容器 C和有源开关和有源开关 S并联，并联，整流二极管整流二极管V和谐振电感和谐振电感 L 串联，串联，有源开关有源开关 S 在在零电压零电压时开通和关断。时开通和关断。整流管整流管 V 则在则在零电流零电流时开通和关断。时开通和关断。 零电压式准谐振开关(ZVS-QRC)l优点:开关器件的电压被整形成一准正弦波。对开关的开通就建立起零电压条件，从而削弱了有源开关寄生输出电容相关的开通损耗l缺点:负载变化很宽的单边电路内的电应力过大和整流二极管的结电容形成的谐振电路内的寄生振荡，并产生强烈的电磁干扰零电压式多谐振(ZVS-MRC)开关技术SLCVCsVs电路分析l优点:把主电路内所有主要寄
29、生电抗都并入谐振电路内，零电压式多谐振开关(ZVS-MRC)在所有半导体器件的最佳零电压开关下工作，大大降低开关损耗和干扰。l缺点:电流和电压应力比PWM开关变换器的应力大，但比准谐振开关电源的变换器的应力要小。恒频多谐振(CF-MRC)开关电源技术S1LCs2S2Cs1把无源的开关二极管把无源的开关二极管 V由有源开关由有源开关 S2 代替代替谐振型开关电源的应用l1. 技术PWM在几十KHz -几百KHz的开关频率，在重量、效率、可靠性、价格和体积上认为是最佳的。l2. 在功率密度高的情况下，采用PWM技术的电源无能为力，应采用谐振型开关电源。l3. 在DC/DC的应用中，特别是低压的应用
30、、移动设备应用广泛。l4. 在大功率AC/DC中应用不是主流。原因: 电路不成熟、元器件水平低、可靠性不如PWM电源。谐振变换器举例开关变换器中的元器件半导体功率器件l半导体开关管(三极管)l功率整流管(二极管)半导体开关管l开关管的损耗与基极的驱动电压、电流的波形有直接的关系l1.理想的驱动波形:在波形起始部分前沿陡峭带点尖峰脉冲目的: 加快开关的接通，减少损耗l2.关断时，最好加反向偏压，将晶体管导通时存储在基区内的载流子吸出来，提高关断速度。双极性晶体管l开关过程l开关时间的物理意义及减小的方法l抗饱和技术功率场效应管l简介l主要参数l静态特性lMOSFET的体内二极管功率场效应管l驱动
31、问题一般要求l驱动电路TTLCMOS驱动IGBT管(Insulated Gate Bipolar Transistor)(Insulated Gate Bipolar Transistor) 绝缘栅双极性晶体管lMOSFET管在开关电源中的应用:优点:开关速度快，电压控制，缺点: 导通电压降稍大，电流、电压容量不大l双极性管在开关电源中的应用:优点:导通电压降稍小，电流、电压容量大缺点: 开关速度慢，电流控制IGBT管l结构与工作原理lIGBT的静态工作特性lIGBT的动态特性lIGBT的栅极驱动及其方法直接驱动隔离驱动法集成模块驱动电路MCTl输入阻抗高、驱动功率小、快速开关l电流大、耐压高
32、。开关元件的安全工作区及其保护l双极性晶体管二次击穿原因及对安全工作区的影响。l安全工作范围l保护环节-RC缓冲器功率整流管l1.功率整流二极管l二极管的电路模型LDRsRpCjD: 理想二极管Rp: 并联电阻Rs: 引线电阻Cj: 结电容1.功率整流二极管l功率二极管的主要参数l正向导通压降VDF低压情况l反向漏电流及反向电压反向漏电流决定了二极管关断状态的损耗反向峰值电压(PIV)l反向恢复时间trr1.功率整流二极管l选择功率二极管的注意事项:正向压降要小，减小损耗，提高效率，尤其对大电流、低电压输出的电路反向恢复电流峰值IRm要小，反向恢复时间trr要小正向恢复电压VFRM要小，尤其是
33、采用反向峰值电压(PIV)值高的整流管，及采用UFRD(超快恢复二极管)反向漏电流IR小，尤其是高电压和高结温应用的场合。1.功率整流二极管l几种快恢复二极管l1. 快恢复二极管(FRD:Fast Recovery Diode)反向恢复时间短l2. 超快恢复二极管( UFRD: Ultra- FRD)正向导通损耗小，结电容小，运行温度可靠l3. 肖特基二极管( SBD)肖特基势垒二极管(Sohottky Barrier Diode)Si-SBD: 硅SBD GaAs: 砷化鎵SBD正向压降比PN结二极管的VDF低1/2 2/3,trr约为10ns,适用于低电压的电力电子中。因为SBD结电容较大
34、，反向漏电流比普通二极管大得多。几种典型二极管的主要参数参数普通二极管FRDUFRDSi-SBDGaAs-SBDVDF(V)1.2 1.41.21.40.910.40.61 1.5Trr(ns)100020075025100105 10PIV(V)50100050100050100015100150 350可用频率 50Hz200KHz200KHz1MHz1MHz应用输入整流 输出整流 输出整流输出整流 输出整流48V或更高4 5V1224V2.同步整流管(SR:Synchronous Rectifier)l1. 产生由来l低电压应用l正向压降l损耗l2.应用lDC/DC,软开关电路l100W
35、 ZVS-PWM电路中，使用SRl83% 90 % l损耗: SR 4.2W 总损耗11W适用Si-SBD, 8.9W 总损耗21W 磁性元件的特性及应用变压器利用率l单端正激，反激变换器磁心中磁感应强度的变化量B=Bm-Br,磁滞回线仅在第一象限内变化，因而变压器利用率低。l推挽式、全桥式、半桥式变换器用的磁心在工作时，所产生的磁通都沿着交流磁滞回线对称地上下移动， B=2Bm,这三种功率变换器的磁心是全磁滞回线工作的。l全磁滞回线工作的变换器磁心中的磁感应强度变化量比一般的单端变换的磁心中的磁感应强度变化量高一倍左右，在输出同等功率的情况下所用的磁心体积将相应缩小。变压器磁滞回曲线BHBr
36、BsBrBmBmBsBs:饱和磁感应强度 Br:剩余磁感应强度Bm: 工作磁感应强度磁性元件的特性l在开关电源中磁元件的作用及应用l当变压器用，可起作用为:电气隔离;变比不同，达到电压升、降;大功率整流副边相移不同，有利于纹波系数减小磁藕合传送能量;l当电感器用，可起作用为:储能、平波、滤波抑制尖峰电压或电流，保护易受电压、电流损坏的电子元件于电容器构成谐振，产生方向交变的电压或电流磁性元件的参数的复杂性l电压l电流l频率l温度l能量l电感量l变比l漏电感l磁性材料参数l铜损耗l铁损耗磁性材料基本特性的描述参数l1.初始磁导率，i磁性材料的磁化曲线始端磁导率的极限值:0 :真空磁导率H: 交流
37、磁场强度B: 交流磁感应强度磁性材料基本特性的描述参数l2. 有效磁导率:在闭合磁路中(漏磁可忽略),磁心的有效磁导率为:L 线圈的自感量(mH)N 线圈圈数 磁芯常数，磁路长度I与磁芯截面积之比值磁性材料基本特性的描述参数l3. 饱和磁感应强度，Bs随磁芯中磁场强度 H 增加，磁感应强度出现饱和时的B值，称饱和磁感应强度Bsl4. 剩余磁感应强度，Br磁芯从磁饱和状态去除磁场后，剩余的磁感应强度。l5. 矫顽力，Hc磁芯从饱和状态去除磁场后，继续反向磁化，直至磁感应强度减小到零，此时的场强强度称为矫顽力。磁性材料基本特性的描述参数l6. 温度系数，在T1至T2范围内变化时，每1C相应磁导率的
38、相对变化量:1 : 温度为T1时的磁导率2 : 温度为T2时磁导率磁性材料基本特性的描述参数l7. 居里温度，Tc磁芯状态由铁磁性转变成顺磁性时的温度l8. 磁芯损耗(铁损), Pc磁芯在工作磁感应强度时的单位体积损耗，工作磁感应强度可表示为:Bm : 工作磁感应强度 Vs : 线圈两端的电压(V)F : 频率(KHz) N : 线圈圈数Ae : 有效截面积磁性材料基本特性的描述参数l9. 电感系数，AL电感系数是磁芯上每一匝线圈产生的自感量:L : 有磁芯的线圈的自感量(H)N: 线圈匝数磁芯损耗包括: 磁滞损耗、涡流损、残留损耗磁性材料及铁氧体磁性材料l磁芯磁性能:l在开关电源中的变压器，
39、多是低磁场下使用的软磁材料，要求:l较高的磁导率:在一定线圈匝数时，较小的电流就可以得到较高的磁感应强度，使线圈能够承受较高的外加电压，在一定输出功率下，可减轻磁芯体积。l磁芯矫顽力低: 磁滞回环面积小，铁耗小。l高的电阻率:涡流小，铁耗小。磁性材料及铁氧体磁性材料类别名称材料导磁率Bs(磁饱和强度)fmax(KHz)特点说明金属铁芯硅钢片Si-Fe 180020000 10除钴铁合金外，其它都是高导磁率，除超级坡莫合金外，都是高磁感应强度。除非晶合金外，适合在30KHz下工作，电阻率低。坡莫合金Ni-Fe 20000750030超级坡莫合金Ni-Fe100000780030钴铁合金Co-Fe
40、8002450030非晶合金Fe(Ni,Co) 100000150001000三类铁芯的基本特性参数磁性材料及铁氧体磁性材料类别名称材料导磁率Bs(磁饱和强度)fmax(KHz)特点说明铁粉磁芯碳基铁粉芯Fe3 1209000 300000低导磁率，高磁感应强度，低损失，适合在中高频下工作。铝硅铁粉芯Al、Si、Fe10 80 90001000钼坡莫合金铁粉芯Mo、Ni、Fe14 1458000300三类铁芯的基本特性参数磁性材料及铁氧体磁性材料类别名称材料导磁率Bs(磁饱和强度)fmax(KHz)特点说明铁氧体磁芯锰锌铁氧体Mn、Zn、Fe1000 18000 5000 300000锰锌铁氧
41、体导磁率高，磁感应强度中等，电阻率高，低损失，价格便宜，适合在高频下使用。镍锌铁氧体Ni、Zn、Fe15 500 3000100000铜镁锌铁氧体Cu,Mg,Zn,Fe108000200000三类铁芯的基本特性参数各种磁芯特性比较特性非晶合金 薄硅钢片 坡莫合金铁氧体铁损低高中低磁导率高低高中饱和磁密度高高中低温度影响中小小中加工难易易易价格中低中低各种材质磁芯应用场合应用场合要求特性适用材质材质特点中、低频大功率变压器高磁饱和强度、高居里温度、高热传导系数、低损耗 硅钢片有方向性、成本低 钴铁合金高价位 镍铁合金薄带可有方向性非晶质合金薄带高电阻系数高、中频变压器中等磁饱和强度、高e(有效磁
42、导率),磁回线高角形性、低损耗、高稳定性 镍铁合金薄带可作不同形状绕制，可成为极薄的薄带 非晶合金薄带高角形性，低磁伸缩高频小功率变压器、滤波器低e,中、低损耗，直流重叠性佳，温度、时间稳定性好 镍铁粉 (50%80%Ni)低损耗，稳定性好，高Bs 铁粉芯成本低铁氧体磁芯适用的装置铁氧体适用装置应用频率特性要求线性B/H,低磁通密度BsMn-Zn,Ni-Zn 电感1MHz(MnZn)1100MHz(NiZn)高(有效磁导率)，高Q值高温度稳定性Mn-Zn,Ni-Zn 脉冲变压器 宽频带变压器1MHz(MnZn)1500MHz(NiZn)高，低损失铁氧体磁芯适用的装置铁氧体适用装置应用频率特性要求非线性B/H,高磁通密度BsMn-Zn, Ni-Zn反激变换器变压器100KHz高e，Bs,低损耗Mn-Zn,Ni-Zn滤波磁珠(尖峰抑制器) 250MHz高e，高Bs,高损耗Mn-Zn,Ni-Zn电感(扼流圈)250MHz高e，高Bs,高损耗Mn-Zn,Ni-Zn功率变压器1MHz高Bs,低损耗开关电源的辅助设计lSpice 软件l专用软件实验l1. 设计单端电路 VIPerXX系列l2. 设计PFC电路l3. 设计DC/DC电路 DSRl4. Easy Power
