一、開關(guān)電源的概念

1、一、開關(guān)電源的概念,電力電子電路基本類型有如下幾種：AC-DC 整流AC-AC 交流電力控制、變頻、變相DC-AC 逆變 DC-DC 直流斬波開關(guān)電源電路是 DC-DC變化電路,開關(guān)電源的基本工作原理是：用一個半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，該器件不斷地重復(fù)開啟和關(guān)斷，使得輸入的直流電壓在通過這個開關(guān)器件后變成了方波，該方波經(jīng)過電感、電容等組成的濾波器濾波之后便得到了另一個直流電壓。 在一個開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)管導(dǎo)通

2、的時間占整個周期的比例稱為導(dǎo)通占空比D。很明顯，當(dāng)開關(guān)周期不變時，導(dǎo)通占空比越大，負(fù)載上獲得的直流電壓越大。這就是PWM在開關(guān)電源中的應(yīng)用。,顧名思義，開關(guān)電源中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，這是相對于線性穩(wěn)壓電源來說的。線性穩(wěn)壓電源中的開關(guān)管工作在線性放大狀態(tài)。所以，我們先來回顧一下線性穩(wěn)壓電源的工作原理。,,開關(guān)電源需要具備的三個條件：1、開關(guān)：電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)。2、高頻：器件工作在高頻（如50KHZ），而非工頻狀態(tài)。

3、3、直流：電源輸出直流。DC-DC變化。,二、開關(guān)電源拓?fù)?電氣非隔離型：Buck電路、Boost電路、升降壓、Cuk、Sepic、Zeta 電氣隔離型：單端變換（正激、反激） 雙端變換（半橋、全橋、推挽） 非隔離電路比隔離電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但是多數(shù)場合我們希望輸入與輸出隔離，所以隔離電路應(yīng)用廣泛。,首先，我們來簡單回顧一下降壓電路。,正激電路,,電感電流連續(xù)時，一個開關(guān)周期經(jīng)歷兩個狀態(tài)狀態(tài)1、開關(guān)閉合：初

4、級繞組接電源Vin，同時次級繞組把能量傳遞到輸出端。初級、次級電流流向。 狀態(tài)2、開關(guān)打開：當(dāng)s關(guān)斷時，續(xù)流二極管D2和儲能元件k構(gòu)成放電回路，繼續(xù)對負(fù)載R供電。復(fù)位電流、次級電流流向。 正激電路可以等效為輸入電壓經(jīng)過繞組變化的Buck電路,,,正激電路中存在磁芯復(fù)位的問題，即開關(guān)管關(guān)斷后到下一次開通時，必須設(shè)法使勵磁電流降為0否則在下一個周期時，勵磁電流將在本周期結(jié)束時的剩余值上繼續(xù)增加，并在以后的開關(guān)周期中逐步積累起來，越

5、來越大，從而導(dǎo)致勵磁電感飽和。這里我們用復(fù)位繞組W3和二極管D3組成復(fù)位電路。工作原理如下：開關(guān)關(guān)斷后，勵磁電流D3—W3—電源，線性下降為0，所以管子關(guān)段時間應(yīng)大于復(fù)位時間。,半橋電路,,,三、軟磁材料,（1）飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm ：是在指定溫度(25℃或100℃)下，用足夠大的磁場強(qiáng)度磁化磁性物質(zhì)時，磁化曲線達(dá)到接近水平時，不再隨外磁場增大而明顯增大(對于高磁導(dǎo)率的軟磁材料,在?r=100處)對應(yīng)的B值。（2）剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br ：

6、鐵磁物質(zhì)磁化到飽和后，又將磁場強(qiáng)度下降到零時，鐵磁物質(zhì)中殘留的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即為Br。稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡稱剩磁。（3）矯頑力Hc ：鐵磁物質(zhì)磁化到飽和后，由于磁滯現(xiàn)象，要使磁介質(zhì)中B為零，需有一定的反向磁場強(qiáng)度-H，此磁場強(qiáng)度稱為矯頑磁力Hc。,,如果磁滯回線很寬，即Hc很高，需要很大的磁場強(qiáng)度才能將磁材料磁化到飽和，同時需要很大的反向磁場強(qiáng)度才能將材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度下降到零，也就是說這類材料磁化困難，去磁也困難，我們稱這類材料為硬磁

7、材料。 另一類材料磁滯回線很窄在較弱外磁場作用下，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到很高的數(shù)值，同時很低的矯頑磁力，即既容易磁化，又很容易退磁。我們稱這類材料為軟磁材料。開關(guān)電源主要應(yīng)用軟磁材料。,對軟磁材料的要求為,(1) 磁導(dǎo)率要高(2) 要求具有很小的矯頑力Hc和狹窄的磁滯回線(3) 電阻率ρ要高。(4) 具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm。 軟磁鐵氧體又是開關(guān)電源中主要應(yīng)用的軟磁材料。,在開關(guān)電源中，應(yīng)用得最多的材料是軟磁鐵氧

8、體。主要有兩類：MnZn鐵氧體和NiZn鐵氧體。鎳鋅(NiZn)鐵氧體具有更高的電阻率，因此它適合工作在1MHz以上的場合；而錳鋅(MnZn)鐵氧體電阻率較低，通常工作在1MHz以下。鐵氧體的結(jié)構(gòu)形式很多，開關(guān)電源中應(yīng)用較多的是EE、EI、U、環(huán)形。,設(shè)計(jì)變壓器鐵芯和電感鐵芯的時候，主要關(guān)注以下參數(shù)：Ae Aw Ap le Ve AL Ae為鐵芯截面積 Aw為鐵芯窗口面積 Ap=Ae×Aw，這是選擇鐵芯是的重要參數(shù)

9、，是選擇鐵芯型號的主要依據(jù)，在設(shè)計(jì)變壓器和電感時，常用的方法就是Ap法，即截面積和窗口面積乘積法。下面在講設(shè)計(jì)方法時會講解。 le為有效磁路長度。 Ve為有效體積 AL電感系數(shù) 它表示磁芯具有1匝（或規(guī)定整數(shù)匝,例如1000匝）線圈時的電感量。如果線圈為N匝，電感量為 L=N2AL,以形狀較復(fù)雜的EE和EI為例講解Aw的概念：EE型鐵心的窗口面Aw=EI型鐵心窗口面積Aw=,,,,四、設(shè)計(jì)部分,,正激、推挽、半橋和全

10、橋電路的主電路參數(shù)設(shè)計(jì),A、變壓器的設(shè)計(jì)：,1、電壓比kT：電壓比計(jì)算的原則是電路在最大占空比和最低輸入電壓的情況下，輸出電壓能達(dá)到要求的上限,ΔU為電路中電壓降，一般取為2V；Dmax為最大占空比，一般取0.9，經(jīng)驗(yàn)值。,2、鐵心的選?。?式中，Ae為鐵心截面積；Aw為鐵心窗口面積；PT為變壓器的傳輸功率；fs為開關(guān)頻率；ΔB為鐵心所允許的最大磁通密度變化范圍； 這就是我們所說的Ap法，截面窗口面積乘積法。根據(jù)廠家提

11、供的數(shù)據(jù)手冊，選擇Ap大于上述值的鐵心，就可以找到對應(yīng)的Ae和Aw。,,3、繞組匝數(shù)：根據(jù)電壓比可以從二次（一次）的匝數(shù)推算出一次（二次）的匝數(shù)，通常先計(jì)算二次繞組的匝數(shù),,Sv為這一繞組承受的最大伏秒面積。對于正激型電路，對于半橋、全橋、推挽等電路，ΔB為為鐵心材料所允許的最大磁通密度變化范圍（單端，雙端）。,,,4、繞組導(dǎo)體截面,根據(jù)流過每個繞組的電流值和預(yù)先選定的電流密度，可以計(jì)算出導(dǎo)體截面積。,,B、輸出濾波電路設(shè)計(jì),輸

12、出濾波電路的作用是濾除二次側(cè)整流輸出電路的脈動直流中的交流部分，得到平滑的直流輸出。通常采用一級LC濾波電路。,1、濾波電感首先確定電感值：對于正激電路 對于半橋、全橋、推挽電路 為電感電流紋波最大峰峰值。一般取,,,,,計(jì)算出電感值后可以確定電感鐵心 ，也是用Ap法： 式中，L為計(jì)算出的電感值；Imax為電感電流的最大有效值；Ipmax為電感電流最大峰值；Bmax為磁路磁通最大值；kc為繞組在

13、鐵心中的填充因數(shù)；dc為電感電流密度。,,,一般，,,,,,,最后確定：繞組匝數(shù) 導(dǎo)體截面積氣隙長度,,,,,2、濾波電容 ΔIp為電感電流最大紋波峰峰值，可取20%Io;ΔUO為輸出電壓紋波電壓峰峰值，一般指標(biāo)會給出。,,C、開關(guān)器件的設(shè)計(jì),開關(guān)管：流過開關(guān)器件的峰值電流為 最大平均電流：正激電路 半橋、全橋、推挽 反向擊穿電壓Ubr：一個管子導(dǎo)通后對

14、于另一個管子的影響，半橋電路中的一個開關(guān)管導(dǎo)通后，另一個管子承受的電壓為Ui,,,,,D、其他問題設(shè)計(jì),防止磁通不平衡的阻斷電容的選擇 在半橋電路中，若兩個虛假電容中點(diǎn)處的電壓不能精確得到電源電壓的一半，則Q1導(dǎo)通時初級承受電壓將于Q2導(dǎo)通時不一樣，磁通將會沿磁滯回線正向或反向持續(xù)增加，直至鐵心飽和，損壞開關(guān)管。存在磁通不平衡的主要原因是初級存在直流分量，所以要接直流阻斷電容，由于要對電容充電，所以變壓器的初級

15、脈沖電壓的平頂將有所下降，圖中dV為初級電壓允許的壓降，一般為10%初級電壓。,,,式中，Po為輸出功率；Ui為輸入直流電壓；T為開關(guān)管周期；dV為初級電壓有效值的10%。半橋中初級電壓有效值為1/2Ui。,控制電路設(shè)計(jì)（PWM產(chǎn)生電路）：,TL494是一種性能優(yōu)良的電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器,被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源中,是開關(guān)電源的核心控制器件。芯片詳情自己查閱。 UC3843、SG3525等都是可以產(chǎn)生PWM信號的芯片。,使