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2022-12-21 15:24

高频开关电源 High- frequency Switching Mode Power Supply (电源技术讲座四)北京电子信息大学路秋生吴亚娟(北京100031)

1高频开关电源的组成与分类 开关电源具有体积小、效率高等一系列优点,在各类电子产品中得到广泛的应用。但由于开关电源的控制电路比较复杂、输出纹波电压较高,所以开关电源的应用也受到一定的限制。

电子装置小型轻量化的关键是供电电源的小型化,因此需要尽可能地降低电源电路中的损耗。开关电源中的调整管工作于开关状态,必然存在开关损耗,而且损耗的大小随开关频率的提高而增加。另一方面,开关电源中的变压器、电抗器等磁性元件及电容元件的损耗,也随频率的提高而增加。

目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管,开关频率可达几十kHz;采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百kHz。为提高开关频率要采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路,这种工作方式称为谐振开关方式。它可以很大地提高开关速度,原理上开关损耗为零,噪声也很小,这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。

开关电源的集成化与小型化已成为现实。然而,把功率开关管与控制电路都集成在同一芯片上,要解决电隔离和热绝缘的问题。

1.1开关电源的基本构成 开关电源采用功率半导体器件作为开关器件,通过周期性间断工作,控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图1所示,其中DC/DC变换器进行功率转换,它是开关电源的核心部分,此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路(R1、R2)检测输出电压变化,与基准电压Ur比较,误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路,再经过驱动电路控制功率器件的占空比,从而达到调整输出电压大小的目的。图2是一种电路实现形式。

DC/DC变换器有多种电路形式,常用的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器。 图1开关电源的基本构成 图2开关型稳压电源的原理电路.

对于串联线性稳压电源,输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定。但对于开关型稳压电源,输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。提高开关频率的同时,由于反馈放大器的频率特性得到改善,开关电源的瞬态响应问题也能得到改善。负载变化瞬态响应主要由输出端LC滤波器特性决定,所以可以利用提高开关频率、降低输出滤波器LC乘积的方法来改善瞬态响应特性。

1.2开关型稳压电源的分类

开关型稳压电源的电路结构有多种:

(1)按驱动方式分,有自励式和他励式。

(2)按DC/DC变换器的工作方式分:①单端正励式和反励式、推挽式、半桥式、全桥式等;②降压型、升压型和升降压型等。

(3)按电路组成分,有谐振型和非谐振型。

(4)按控制方式分:①脉冲宽度调制(PWM)式;②脉冲频率调制(PFM)式;③PWM与PFM混合式。

(5)按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分,有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光电耦合式等。

以上这些方式的组合可构成多种方式的开关型稳压电源。因此设计者需根据各种方式的特征进行有效地组合,制作出满足需要的高质量开关型稳压电源。 2开关电源常用的电路类型

2.1PWM变换器

脉冲宽度调制(PWM)变换器就是通过重复通/断开关工作方式把一种直流电压(电流)变换为高频方波电压(电流),再经过整流平波后变为另一种直流电压输出。PWM变换器有功率开关管、整流二极管及滤波电路等元器件组成。输入输出间需要进行电气隔离时,可采用变压器进行隔离和升降压。PWM变换器的工作原理如图3所示。由于开关工作频率的提高,滤波电感L,变压器T等磁性元件以及滤波电容C等都可以小型化。

对于PWM变换器,加在开关管S两端的电压us及通过S的电流is的波形近似为方波,如图4所示。占空比D定义为式中:Ts——开关工作周期; ton——一个开关周期内导通时间; toff——一个开关周期内断开时间;

对于这种变换器,有两种工作方式。一种是保持开关工作周期Ts不变,控制开关导通时间ton的脉冲宽度调制(PWM)方式,另一种是保持导通时间ton不变,改变开关工作周期Ts的脉冲频率调制(PFM)方式。 图3PWM变换器的基本工作原理 图4变换器开关工作的波形

2.2隔离型变换器

DC/DC变换器用于开关电源时,很多情况下要求输入与输出间进行电隔离。这时要采用变压器进行隔离,称为隔离变换器。这类变换器把直流电压或电流变换为高频方波电压或电流,经变压器升压或降压后,再经整流平滑滤波变为直流电压或电流。因此,这类变换器又称为逆变整流型变换器。

(1)推挽型变换器与半桥型变换器 推挽型变换器与半桥型变换器是典型的逆变整流型变换器,电路结构和工作波形如图5所示。加在变压器一次绕阻上的电压幅度为输入电压UI,宽度为开关导通时间ton的脉冲波形,变压器二次电压经二极管V1、V2全波整流为直流。图5(a)表示推挽型变换器的电路结构和工作波形,图5(b)表示半桥型变换器的电路结构和工作波形。如只从输出侧滤波器来看,工作原理和降压型变换器完全相同,二次侧滤波电感用于存储能量。如以图中所示的占空比来表示时,电压变换比m与降压型变换器相类似,即 m=D/n 式中n——变压器的匝数比,n=N1/N2; N1——为一次绕组的匝数; N2——为二次绕组的匝数。 (a)推挽型 (b)半桥型图5推挽型与半桥型变换电路

(2)正激型变换器 正激型变换器电路如图6所示,它是采用变压器耦合的降压型变换器电路。与推挽型变换器一样,加在变压器一次侧(一半)上的电压振幅为输入电压UI,宽度为开关导通时间ton的脉冲波形,变压器二次电压经二极管全波整流变为直流。电压变换比为 m=D/n 对于这种变换器,开关导通时变压器存储能量,一次绕组中的励磁电流达到:式中:IM1为绕组N1的励磁电感。 图6正激型变换电路 开关断开时,变压器释放能量,二极管V3和绕组N3就是为此而设,能量通过它们反馈到输入侧。开关一断开,绕组N1中存储的能量转移到绕组N3中,绕组N3的励磁电流为式中:N1、N2、N3为绕组N1、N2和N3的匝数。 反馈二极管V3为导通状态时,变压器去磁。绕组N3的励磁电感LM3与绕组N1电感LM1的关系为LM3释放能量所需要的时间可由下式求出:为防止变压器饱和,在开关断开期间内变压器要全部消磁,则tre≤(1-D)Ts。

(3)隔离型CuK变换器 隔离型CuK变换器电路如图7所示。开关断开时,电感L1的电流IL1对电容C11充电,充电电荷量为 ΔQoff=IL1·toff 图7隔离型Cuk变换电路同时C12也充电(二极管V导通),开关S导通时,二极管V变为截止状态,C12通过L2向负载放电,放电电荷为这时C11也处于放电状态。稳定状态时,电容C11充放电电荷量相等,则电压变换比为式中:n为变压器匝数比,n=N1/N2

(4)电流变换器 电流变换器电路如图8所示,它是逆变整流型变换器。图8(a)是能量回馈方式,开关S导通时[S1、S2导通时刻见图8(a)],电感器L的一次侧电压为UI-nTUO(nT=N1/N2),电感L励磁并储存能量;S断开时,储存在电感L中的能量通过二极管V3反馈到输入侧。若采用图示的占空比,则电压变换比为:式中:nL为反馈绕组的匝数比,nL=N3/N4

对于图8(b)所示的变换器,两只开关同时导通时,加在电感L上的电压为UI,电感L励磁并储存能量。任意一只开关断开时,反向电压(nTUO-UI)加到电感L上,电感L释放能量。其工作原理与升压型变换器类似,电压变换比为(5)全桥型变换器 (a)能量回馈式(b)升压式图8电流变换电路 全桥型变换器如图9如示,S1、S3及S2、S4是两对开关,重复交互通断。但两对开关导通有时间差。所以变压器一次侧加的电压UAB为脉冲宽度等于其时间差的方形波电压。变压器二次侧的二极管将此电压整流变为方波(UF),再经滤波器变为平滑直流电供给负载。 图9全桥型变换电路 电压变换比为m=D/n

2.3准谐振型变换器 在PWM电路中接入电感和电容的谐振电路,流经开关的电流以及加在开关两端的电压波形为准正弦波,这种电路被称为准谐振型变换器。图10表示出电流谐振开关和电压谐振开关的基本电路以及工作波形。

图10(a)是电流谐振开关,谐振用电感Lr和开关S串联,流经开关的电流为正弦波的一部分。当开关导通时,电流is从0以正弦波形状上升,上升到电流峰值后,又以正弦波形状减小到零,电流变为零之后,开关断开,见图(a)波形。开关再次导通时,重复以上过程。由此可见,开关在零电流时通断,这样动作的开关叫做零电流开关(Zero-CurrentSwitch),简称为ZCS。在零电流开关中,开关通断时与电压重叠的电流非常小,从而可以降低开关损耗。采用电流谐振开关时,寄生电感可作为谐振电路元件的一部分,这样可以降低开关断开时产生的浪涌电压。 (a)电流谐振式(b)电压谐振型图10准谐振开关电路

图10(b)所示电路为电压谐振开关,谐振电容Cr与开关并联,加在开关两端的电压波形为正弦波的一部分。开关断开时,开关两端电压从0以正弦波形状上升,上升到峰值后又以正弦波形状下降为零。电压变为零之后,开关导通,见图(b)波形。开关再断开时,重复以上过程。可见开关在零电压处通断,这样动作的开关叫做零电压开关(Zero-VoltageSwitch),简称ZVS。在零电压开关中,开关通断时与电流重叠的电压非常小,从而可以降低开关损耗。这种开关中寄生电感与电容作为谐振元件的一部分,可以消除开关导通时的电流浪涌与断开时的电压浪涌。

电流谐振开关中开关导通时电流脉冲宽度ton由谐振电路决定,为了进行脉冲控制,需要保持导通时间不变,改变开关的断开时间。对于电压谐振开关,开关断开时的电压脉冲宽度toff由谐振电路决定,为了进行脉冲控制,需要保持开关的断开时间不变,改变开关的导通时间。在以上两种情况下,改变开关工作周期,则谐振变换器就由改变开关工作频率进行控制。

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