通信電源（第5版）漆逢吉主編1第6章高頻開(kāi)關(guān)電源電路原理通信電源（第5版）漆逢吉主編2高頻開(kāi)關(guān)電源電路概述

高頻開(kāi)關(guān)電源（簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)電源）是指功率晶體管工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)的直流穩(wěn)壓電源，其開(kāi)關(guān)頻率在20kHz以上。它的主要組成部分是DC/DC變換器。按控制方式分類，可分為脈寬調(diào)制（PWM）、脈頻調(diào)制（PFM）和混合調(diào)制（即脈寬和脈頻同時(shí)改變），通信用開(kāi)關(guān)電源一般采用脈寬調(diào)制。按功率開(kāi)關(guān)電路的結(jié)構(gòu)形式分類，可分為非隔離型（主電路中無(wú)高頻變壓器）、隔離型（主電路中有高頻變壓器）以及具有軟開(kāi)關(guān)特性的諧振型等類型。開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)：效率高、體積小、質(zhì)量輕、穩(wěn)壓性能好、無(wú)可聞噪音等。因此得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。通信電源（第5版）漆逢吉主編36.1開(kāi)關(guān)電源中的功率電子器件

6.1.1概述開(kāi)關(guān)電源中的功率電子器件，主要是可以快速開(kāi)關(guān)的功率二極管和功率開(kāi)關(guān)晶體管。開(kāi)關(guān)電源中在高頻（20kHz以上）條件下工作的功率二極管，不能采用普通硅整流二極管，而必須采用快恢復(fù)二極管（FRD）、超快恢復(fù)二極管（UFRD）或肖特基二極管（SBD）等開(kāi)關(guān)速度快的功率開(kāi)關(guān)二極管。開(kāi)關(guān)電源中使用的功率開(kāi)關(guān)管有三大類：雙極型功率晶體管（BJT）、VMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（VMOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT或稱IGT）。通信用高頻開(kāi)關(guān)電源中功率開(kāi)關(guān)管主要采用VMOSFET和IGBT。功率開(kāi)關(guān)晶體管以及功率二極管等功率器件，都應(yīng)配置適當(dāng)?shù)纳崞鳎⒉捎煤侠淼睦鋮s方式和安裝方法，以獲得良好的散熱效果，限制器件的溫升。通信電源（第5版）漆逢吉主編46.1.2VMOSFET

1．VMOSFET概述場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）又稱單極型晶體管，因?yàn)樗鼘?dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子參與導(dǎo)電。它用柵極（G）電場(chǎng)控制漏極（D）和源極（S）之間的溝道電導(dǎo)，從而控制漏極電流（ID），在直流狀態(tài)下柵極幾乎沒(méi)有電流，因此是電壓控制型器件。導(dǎo)電溝道中載流子是電子時(shí)，稱為N溝道；導(dǎo)電溝道中載流子是空穴時(shí)，稱為P溝道。MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），即金屬（Metal）—氧化物(Oxide)—半導(dǎo)體(Semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它的柵極由金屬構(gòu)成，絕緣層由二氧化硅（SiO2）構(gòu)成，導(dǎo)電溝道由半導(dǎo)體（硅）構(gòu)成。通信電源（第5版）漆逢吉主編5VMOSFET概述（續(xù)1）MOS場(chǎng)效應(yīng)管不僅分為N溝道和P溝道，而且在每種當(dāng)中，因溝道產(chǎn)生的條件不同又分為增強(qiáng)型和耗盡型。增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管在零柵壓（UGS=0）時(shí)不導(dǎo)電，耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管在零柵壓時(shí)導(dǎo)電。VMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（VMOSFET）是垂直導(dǎo)電型MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（VerticalMOSFET）的簡(jiǎn)稱。它是功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，與一般MOS管不同之處是源極與漏極分別處在上下兩個(gè)端面上，電流不再沿表面水平方向流動(dòng)，而是漏極和源極間電流的流向垂直于芯片表面。通信電源（第5版）漆逢吉主編6VMOSFET概述（續(xù)2）N溝道增強(qiáng)型VVMOSFET結(jié)構(gòu)示意圖N溝道增強(qiáng)型VDMOSFET結(jié)構(gòu)示意圖

通信電源（第5版）漆逢吉主編7VMOSFET概述（續(xù)3）開(kāi)關(guān)電源中使用的VMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，不論N溝道或P溝道，一般為增強(qiáng)型。VMOS場(chǎng)效應(yīng)管大多數(shù)是N溝道，這是因?yàn)橄嗤臏系莱叽鏝溝道管比P溝道管導(dǎo)通電阻小。圖形符號(hào)及電壓極性與電流方向寄生二極管（客觀存在）N溝道增強(qiáng)型VMOSFET通信電源（第5版）漆逢吉主編82．VMOSFET的靜態(tài)參數(shù)（1）開(kāi)啟電壓VGS(th)它是指漏區(qū)和源區(qū)之間形成導(dǎo)電溝道所需的最低柵-源電壓。N溝道增強(qiáng)型VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的VGS(th)一般在2~4V之間。在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，為使VMOS場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)漏-源間電壓降較?。ㄍ☉B(tài)電阻Ron小），以減小通態(tài)損耗，通常驅(qū)動(dòng)電壓UGS約為10~15V。通信電源（第5版）漆逢吉主編9VMOSFET的靜態(tài)參數(shù)（續(xù)1）（2）導(dǎo)通電阻（通態(tài)電阻）

Ron是指VMOS場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)在確定的柵-源電壓UGS下，漏-源極間的直流電阻。Ron隨UGS增大而減小，隨ID增大而有所增加。Ron具有正溫度系數(shù)，使VMOS場(chǎng)效應(yīng)管很容易并聯(lián)。VMOS場(chǎng)效應(yīng)管除低壓大電流器件外，導(dǎo)通電阻Ron較大，因此作功率開(kāi)關(guān)管用其導(dǎo)通壓降比雙極型晶體管的飽和壓降大，相應(yīng)地導(dǎo)通損耗較大，這是VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的主要缺點(diǎn)。通信電源（第5版）漆逢吉主編10VMOSFET的靜態(tài)參數(shù)（續(xù)2）（3）漏-源擊穿電壓BVDS（V（BR）DSS）它是為了避免器件擊穿而設(shè)的極限參數(shù)。應(yīng)UDS<BVDS（4）最大柵-源電壓VGS(max)

一般為±20V。應(yīng)UGS<VGS（max)（5）漏極直流電流額定值ID和漏極脈沖電流額定值IDM它們是VMOS場(chǎng)效應(yīng)管電流定額的參數(shù)。其測(cè)試條件通常是UGS=10V、UDS為某個(gè)適當(dāng)數(shù)值。一般IDM約為ID的2~4倍。VMOS場(chǎng)效應(yīng)管用作功率開(kāi)關(guān)時(shí)，應(yīng)漏極電流最大值IDmax<IDM，漏極電流有效值IDx<ID。

通信電源（第5版）漆逢吉主編11VMOSFET的靜態(tài)參數(shù)（續(xù)3）（6）漏極最大允許耗散功率PDM漏極最大允許耗散功率PDM按熱歐姆定律可表示為

式中，Tjm為VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的額定結(jié)溫（150℃）；Tc為管殼溫度，單位為℃；R(th)jc為器件的結(jié)—?dú)嶙瑁瑔挝粸椤?W

。

器件手冊(cè)上給出的PDM值，通常是在殼溫TC=25℃時(shí)的漏極最大允許耗散功率。當(dāng)TC>25℃時(shí)，必須降額使用。

通信電源（第5版）漆逢吉主編123．VMOSFET的動(dòng)態(tài)參數(shù)（1）極間電容極間電容是影響VMOS場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)速度的主要因素。漏-源極間短路時(shí)的輸入電容Ciss、柵-源極間短路時(shí)的輸出電容Coss和反饋電容(又稱反向傳輸電容)Crss，可用下列公式計(jì)算：

Ciss=CGS+CGDCoss=CDS+CGDCrss=CGD

通信電源（第5版）漆逢吉主編13VMOSFET的動(dòng)態(tài)參數(shù)（續(xù)1）（2）開(kāi)關(guān)時(shí)間·開(kāi)通時(shí)間ton是指從輸入電壓波形上升至幅值(Uim)的10%到漏極電流波形上升至幅值(Im)的90%所需時(shí)間，它分為延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr兩部分?！りP(guān)斷時(shí)間toff是指從輸入電壓波形下降至幅值(Uim)的90%到漏極電流波形下降至幅值(Im)的10%所需時(shí)間，它分為存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間tf兩部分。

開(kāi)關(guān)時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于等效輸入電容充放電所需時(shí)間。通信電源（第5版）漆逢吉主編14VMOSFET的動(dòng)態(tài)參數(shù)（續(xù)2）VMOSFET是依靠多數(shù)載流子導(dǎo)電的多子器件，沒(méi)有少子存儲(chǔ)延遲效應(yīng)，因此開(kāi)關(guān)速度比雙極型晶體管快得多。一般開(kāi)通時(shí)間ton為幾十納秒，關(guān)斷時(shí)間toff為幾百納秒，開(kāi)關(guān)時(shí)間比雙極型晶體管約快10倍。采用VMOSFET作功率開(kāi)關(guān)管，開(kāi)關(guān)損耗小，開(kāi)關(guān)電源的工作頻率可以達(dá)到500kHz，甚至兆赫級(jí)。通信電源（第5版）漆逢吉主編154．VMOSFET的使用注意事項(xiàng)（1）防止靜電放電失效（2）防止過(guò)電壓（3）防止過(guò)電流（4）防止寄生振蕩損壞器件見(jiàn)教材P128~129。通信電源（第5版）漆逢吉主編165．VMOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電路VMOSFET是電壓控制型器件，柵-源間驅(qū)動(dòng)脈沖電壓幅值一般取10～15V；柵極在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)無(wú)電流流過(guò)，僅在開(kāi)關(guān)過(guò)程中有輸入電容的充放電電流，因此所需驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路較簡(jiǎn)單。VMOSFET的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程就是輸入電容的充放電過(guò)程。驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻愈小，開(kāi)關(guān)速度愈快。為使柵-源間脈沖電壓前后沿均陡峭，柵極驅(qū)動(dòng)電路在控制VMOSFET開(kāi)通時(shí)，應(yīng)能提供足夠大的輸入電容充電電流；在控制VMOSFET關(guān)斷時(shí)，應(yīng)能使輸入電容快速放電。通信電源（第5版）漆逢吉主編17（1）直接驅(qū)動(dòng)電路PWM集成控制器直接驅(qū)動(dòng)加設(shè)驅(qū)動(dòng)功放的直接驅(qū)動(dòng)通信電源（第5版）漆逢吉主編18（2）隔離驅(qū)動(dòng)電路①磁耦驅(qū)動(dòng)電路通信電源（第5版）漆逢吉主編19隔離驅(qū)動(dòng)電路（續(xù)）②光耦驅(qū)動(dòng)電路光耦驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路

光耦合器及基本電路

通信電源（第5版）漆逢吉主編206.1.3IGBT門極絕緣雙極晶體管又稱絕緣門極晶體管，簡(jiǎn)稱IGBT或IGT，人們往往習(xí)慣性地稱為絕緣柵雙極晶體管，或絕緣柵晶體管，它是一種VMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管和雙極型晶體管的復(fù)合器件。

增強(qiáng)型N溝道IGBT的圖形符號(hào)及電壓極性與電流方向增強(qiáng)型N溝道IGBT的簡(jiǎn)化等效電路G為門極，習(xí)慣上常稱柵極C為集電極E為發(fā)射極通信電源（第5版）漆逢吉主編21IGBT的特點(diǎn)①IGBT從輸入端看，類似于VMOS場(chǎng)效應(yīng)管，是電壓控制型器件，具有輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電流小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷由柵極電壓來(lái)控制，當(dāng)柵-射電壓（即柵極-發(fā)射極電壓）UGE大于開(kāi)啟電壓VGE(th)時(shí)IGBT導(dǎo)通，當(dāng)柵-射電壓小于開(kāi)啟電壓時(shí)IGBT截止，IGBT的開(kāi)啟電壓一般為3~6V。在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，使IGBT導(dǎo)通的柵-射電壓通常取15V，以保證集-射間導(dǎo)通壓降小；關(guān)斷IGBT時(shí)，為使器件可靠截止，最好在柵-射間加負(fù)偏壓，通常取-5~-12V。通信電源（第5版）漆逢吉主編22IGBT的特點(diǎn)（續(xù)1）②IGBT從輸出端看，類似于雙極型晶體管，導(dǎo)通壓降小，飽和壓降一般在2~4V之間，故導(dǎo)通損耗小。此外，IGBT能夠做得比VMOS場(chǎng)效應(yīng)管耐壓更高，電流容量更大。通信電源（第5版）漆逢吉主編23IGBT的特點(diǎn)（續(xù)2）③IGBT的開(kāi)關(guān)速度在VMOS場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型晶體管之間。IGBT關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，由于簡(jiǎn)化等效電路中PNP晶體管存儲(chǔ)電荷的影響，關(guān)斷時(shí)電流下降存在拖尾現(xiàn)象。電流拖尾現(xiàn)象使IGBT的關(guān)斷損耗比VMOS場(chǎng)效應(yīng)管大。IGBT一般適用于工作頻率50kHz以下的開(kāi)關(guān)電源。有的IGBT開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)150kHz。通信電源（第5版）漆逢吉主編24IGBT的特點(diǎn)（續(xù)3）④IGBT存在擎住效應(yīng)。

當(dāng)集電極電流大到一定程度時(shí)，在Rbr上產(chǎn)生的正向偏壓足以使NPN晶體管導(dǎo)通，進(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，于是寄生晶閘管開(kāi)通，柵極失去控制作用，這就是擎住效應(yīng)。擎住效應(yīng)將導(dǎo)致IGBT損壞，使用者必須避免擎住效應(yīng)的產(chǎn)生。因此IGBT的集電極電流必須小于器件制造廠家規(guī)定的最大值ICM，同時(shí)IGBT的電壓上升率也必須小于規(guī)定的dVCE/dt值。IGBT的完整等效電路

通信電源（第5版）漆逢吉主編256.2非隔離型開(kāi)關(guān)電源電路非隔離型開(kāi)關(guān)電源又稱非隔離型直流變換器，還可稱為斬波型開(kāi)關(guān)電源，主要有降壓（Buck）式、升壓（Boost）式和反相（Buck-Boost即降壓-升壓）式三種基本電路結(jié)構(gòu)。降壓式、升壓式和反相式等非隔離型開(kāi)關(guān)電源的基本特征是：用功率開(kāi)關(guān)晶體管把輸入直流電壓變成脈沖電壓（直流斬波），再通過(guò)儲(chǔ)能電感、續(xù)流二極管和輸出濾波電容等元件的作用，在輸出端得到所需平滑直流電壓，輸入與輸出之間沒(méi)有隔離變壓器。通信電源（第5版）漆逢吉主編266.2.1電感和電容的特性

1．電感的特性電感中的電流不能突變。eL=-Ldi/dt，反抗電流變化。

當(dāng)流過(guò)電感的電流i上升時(shí)，eL與i方向相反（電勢(shì)的方向是由負(fù)指向正，而電壓的方向是由正指向負(fù)，故uL與i方向相同），電感中儲(chǔ)能，所儲(chǔ)存的能量為WL=i2L/2

。在電流i下降時(shí)，eL與i方向相同（uL與i方向相反），電感中的儲(chǔ)能釋放。

通信電源（第5版）漆逢吉主編272．電容的特性電容兩端的電壓不能突變。電容電流

i=dq/dt=Cdu/dt電容充電時(shí)，u上升，du/dt為正值，電流方向與圖中i的正方向一致；電容儲(chǔ)能，所儲(chǔ)存的能量為WC=Cu2/2。電容放電時(shí)，u下降，du/dt為負(fù)值，電流方向與圖中i的正方向相反，此時(shí)電容釋放儲(chǔ)能。

通信電源（第5版）漆逢吉主編286.2.2降壓式直流變換器電感電流連續(xù)模式時(shí)，輸出直流電壓為：占空比：

通信電源（第5版）漆逢吉主編29降壓變換器L值對(duì)電壓電流波形的影響

(a)L<Lc(b)L=Lc臨界電感Lc是使得通過(guò)儲(chǔ)能電感的電流iL恰好連續(xù)而不出現(xiàn)間斷所需要的最小電感量。電感電流iL連續(xù)的條件是L≥LC。LC用式（6.8）計(jì)算。通信電源（第5版）漆逢吉主編30降壓變換器的輸出濾波電容Co輸出濾波電容Co采用高頻電解電容器，為使Co具有較小的等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL），常用多個(gè)電容器并聯(lián)。電容器的額定電壓應(yīng)大于電容器上的直流電壓與交流電壓峰值之和，電容器允許的紋波電流應(yīng)大于實(shí)際紋波電流值。電解電容器是有極性的，使用中正、負(fù)極性切不可接反，否則，電容器會(huì)漏電流很大而過(guò)熱損壞，甚至發(fā)生爆炸。應(yīng)Co≥

通信電源（第5版）漆逢吉主編31功率開(kāi)關(guān)管漏極電壓電流開(kāi)關(guān)工作波形

·VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的耗散功率PD近似等于開(kāi)關(guān)損耗與通態(tài)損耗之和（截止損耗Poff可忽略不計(jì)）?！ら_(kāi)關(guān)頻率愈高，即T愈小，開(kāi)關(guān)損耗愈大。為了避免開(kāi)關(guān)損耗過(guò)大，（tr＋tf）應(yīng)比T小得多。通信電源（第5版）漆逢吉主編326.2.3升壓式直流變換器電感電流連續(xù)模式時(shí)，輸出直流電壓為：通信電源（第5版）漆逢吉主編336.2.4反相式直流變換器電感電流連續(xù)模式時(shí)，輸出直流電壓為：通信電源（第5版）漆逢吉主編346.3隔離型開(kāi)關(guān)電源電路隔離型開(kāi)關(guān)電源又稱隔離型直流變換器，按其電路結(jié)構(gòu)的不同，可分為單端反激式、單端正激式、推挽式、全橋式和半橋式。隔離型開(kāi)關(guān)電源的基本工作過(guò)程是：輸入直流電壓，先通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的通斷把直流電壓逆變?yōu)檎伎毡瓤烧{(diào)的高頻交變方波電壓加在變壓器初級(jí)繞組上，然后經(jīng)過(guò)變壓器變壓、高頻整流和濾波，輸出所需直流電壓。在這類開(kāi)關(guān)電源中均有高頻變壓器，可以實(shí)現(xiàn)輸出側(cè)與輸入側(cè)之間的電氣隔離。高頻變壓器的磁芯，通常采用鐵氧體或鐵基納米晶合金（超微晶合金）。通信電源（第5版）漆逢吉主編356.3.1單端反激式直流變換器

1．工作原理?這種變換器當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，整流二極管VD截止，電源不直接向負(fù)載傳送能量，而由變壓器儲(chǔ)能，當(dāng)VT變?yōu)榻刂箷r(shí)，VD導(dǎo)通，儲(chǔ)存在變壓器磁場(chǎng)中的能量釋放出來(lái)供給負(fù)載RL和輸出濾波電容Co，因此稱為反激式變換器。?CI用于輸入濾波；C1、R1、VD1為關(guān)斷緩沖電路，用于對(duì)功率開(kāi)關(guān)管進(jìn)行保護(hù)，并抑制高頻變壓器漏感釋放儲(chǔ)能所引起的尖峰電壓。通信電源（第5版）漆逢吉主編36單端反激變換器波形圖（a）勵(lì)磁電感小于臨界電感（b）勵(lì)磁電感大于臨界電感通信電源（第5版）漆逢吉主編372．變壓器的磁通

在穩(wěn)態(tài)情況下，一周期內(nèi)磁通的正增量必須與負(fù)增量的絕對(duì)值相等，稱為磁通的復(fù)位。磁通復(fù)位是單端變換器必須遵循的一個(gè)原則。在單端變換器中，磁通Φ只工作在磁滯回線的一側(cè)（第一象限），假如每個(gè)開(kāi)關(guān)周期結(jié)束時(shí)Φ沒(méi)有回到周期開(kāi)始時(shí)的值，則Φ將隨周期的重復(fù)而漸次增加，導(dǎo)致磁芯飽和，于是VT導(dǎo)通時(shí)磁化電流很大(即漏極電流iD很大)，會(huì)造成功率開(kāi)關(guān)管損壞。因此，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期結(jié)束時(shí)的磁通必須回復(fù)到原來(lái)的起始值，這就是磁通復(fù)位的原則。通信電源（第5版）漆逢吉主編383．輸出直流電壓UO

（1）磁化電流連續(xù)模式（2）磁化電流不連續(xù)模式應(yīng)注意反激變換器不要讓負(fù)載開(kāi)路。在輸出濾波電容Co兩端并聯(lián)一只大約流過(guò)1％額定輸出電流的泄放電阻（死負(fù)載），使單端反激式直流變換器實(shí)際上不會(huì)空載，可以防止產(chǎn)生過(guò)電壓。D為占空比，D=ton/T；n為變壓器的變比，n=Np/Ns。通信電源（第5版）漆逢吉主編394．性能特點(diǎn)①利用高頻變壓器初、次級(jí)繞組間電氣絕緣的特點(diǎn)，當(dāng)輸入直流電壓UI是由交流電網(wǎng)電壓直接整流濾波獲得時(shí)，可以方便地實(shí)現(xiàn)輸出端和電網(wǎng)之間的電氣隔離。②能方便地實(shí)現(xiàn)多路輸出。只需在變壓器上多繞幾組次級(jí)繞組，相應(yīng)地多用幾只整流二極管和濾波電容，就能獲得不同極性、不同電壓值的多路直流輸出電壓。③保持占空比D在最佳范圍內(nèi)的情況下，可適當(dāng)選擇變壓器的變比n，使開(kāi)關(guān)電源滿足對(duì)輸入電壓變化范圍的要求。見(jiàn)例6.1。以上①～③是各種隔離型開(kāi)關(guān)電源電路共有的優(yōu)點(diǎn)，以后不再重述。例6.1例6.1某單端反激變換器應(yīng)用在無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)整流器中做輔助電源，用交流市電電壓直接整流濾波獲得輸入直流電壓UI，允許市電電壓變化范圍為150～290V，要求占空比D的變化范圍為0.2～0.4，驗(yàn)證能否實(shí)現(xiàn)輸出電壓UO＝18V保持不變？解：由式（6.29）可得設(shè)變壓器的變比n＝NP/NS=5，將D＝0.2及D＝0.4分別代入上式，得VV通信電源（第5版）漆逢吉主編40例6.1（續(xù)）單相橋式整流電容濾波電路，其輸出直流電壓UI與輸入交流電壓有效值UAC之間的關(guān)系式為UI＝1.2UAC故41通信電源（第5版）漆逢吉主編VV由此可見(jiàn)，選變比n＝5，在D＝0.2～0.4范圍內(nèi)，輸入交流電壓有效值在113～300V之間變化，可以保持輸出直流電壓UO＝18V不變，所以交流市電電壓變化范圍150～290V完全能夠滿足UO＝18V不變的要求。通信電源（第5版）漆逢吉主編42性能特點(diǎn)（續(xù)1）④單端反激變換器抗擾性強(qiáng)。由于VT導(dǎo)通時(shí)VD截止，VT截止時(shí)VD導(dǎo)通，能量傳遞經(jīng)過(guò)磁的轉(zhuǎn)換，因此通過(guò)電網(wǎng)竄入的電磁干擾不能直接進(jìn)入負(fù)載。⑤單端反激變換器功率開(kāi)關(guān)管在截止期間承受的電壓（UDS）較高。在設(shè)計(jì)無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)電源中的單端反激變換器時(shí)，考慮功率開(kāi)關(guān)管的耐壓，通常選取占空比D＜0.5。通信電源（第5版）漆逢吉主編43性能特點(diǎn)（續(xù)2）⑥單端反激變換器在隔離型直流變換器中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，但只能由變壓器勵(lì)磁電感中的儲(chǔ)能來(lái)供給負(fù)載，故主要適用于輸出功率較小的場(chǎng)合，常在開(kāi)關(guān)整流器中用做輔助電源。⑦單端變換器的變壓器，磁通Φ只工作在磁滯回線的一側(cè)，即第一象限。為防止磁芯飽和，使勵(lì)磁電感在整個(gè)周期中基本不變，應(yīng)在磁路中加氣隙。反激變換器的氣隙較大，雜散磁場(chǎng)較強(qiáng)，需要加強(qiáng)屏蔽措施，以減小電磁騷擾。通信電源（第5版）漆逢吉主編446.3.2單端正激式直流變換器雙晶體管電路電感電流連續(xù)模式時(shí)，輸出直流電壓為：為了保證磁通復(fù)位，必須D≤0.5（6.32）通信電源（第5版）漆逢吉主編45單端正激變換器單晶體管電路?圖中NF是變壓器中的去磁繞組，通常這個(gè)繞組和初級(jí)繞組的匝數(shù)相等，即NF＝NP，并且保持緊耦合，它和儲(chǔ)能反饋二極管VD3用以實(shí)現(xiàn)磁通復(fù)位（VD3在VT由導(dǎo)通變截止后導(dǎo)通），NF和VD3絕不可少。?這種電路UO仍用式（6.32）計(jì)算，同樣必須D≤0.5；但當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管VT截止時(shí)，在VD3導(dǎo)通期間，漏-源極間電壓UDS=2UI；VD3截止后，UDS=UI。正激變換器的變壓器次級(jí)回路，類似于降壓變換器。由于這種變換器在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的同時(shí)向負(fù)載傳送能量，因此稱為正激式變換器。通信電源（第5版）漆逢吉主編46單端正激變換器的優(yōu)、缺點(diǎn)及應(yīng)用單端正激變換器具有類似降壓變換器的輸出電壓脈動(dòng)小、帶負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但高頻變壓器磁芯僅工作在磁滯回線的第一象限，其利用率較低。適用于輸入電源電壓較高、要求輸出功率不大的場(chǎng)合。在實(shí)際應(yīng)用中，單端正激變換器采用雙晶體管電路的比較多。通信電源（第5版）漆逢吉主編476.3.3推挽式直流變換器電感電流連續(xù)模式時(shí)，輸出直流電壓為：為了防止“共同導(dǎo)通”，必須D＜0.5、DO＜1。

通信電源（第5版）漆逢吉主編48推挽變換器實(shí)際電壓、電流波形

通信電源（第5版）漆逢吉主編49推挽變換器的優(yōu)、缺點(diǎn)及應(yīng)用

推挽變換器的優(yōu)點(diǎn)：①同單端直流變換器比較，變壓器磁芯利用率高，輸出功率較大，輸出紋波電壓較小。②兩只功率開(kāi)關(guān)管的源極是連在一起的，兩組柵極驅(qū)動(dòng)電路有公共端而無(wú)需絕緣，因此驅(qū)動(dòng)電路較簡(jiǎn)單。推挽變換器的缺點(diǎn)：①高頻變壓器每一初級(jí)繞組僅在半周期以內(nèi)工作，故變壓器繞組利用率低。②功率開(kāi)關(guān)管截止時(shí)承受2倍電源電壓，因此對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的耐壓要求高。③存在“單向偏磁”問(wèn)題，可能導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)管損壞。推挽式直流變換器用一對(duì)功率開(kāi)關(guān)管就能獲得較大的輸出功率，適宜在輸入電源電壓較低的情況下應(yīng)用。

通信電源（第5版）漆逢吉主編50解決單向偏磁問(wèn)題較為簡(jiǎn)便的措施一是采用電流型PWM集成控制器，使兩管電流峰值自動(dòng)均衡；二是在變壓器磁芯的磁路中加適當(dāng)氣隙，用以防止磁芯飽和。

通信電源（第5版）漆逢吉主編516.3.4全橋式直流變換器電感電流連續(xù)模式時(shí)，輸出直流電壓為：為了防止兩對(duì)功率開(kāi)關(guān)管“共同導(dǎo)通”，占空比的變化范圍必須限制為D＜0.5、DO＜1。通信電源（第5版）漆逢吉主編52全橋變換器實(shí)際電壓、電流波形

通信電源（第5版）漆逢吉主編53全橋變換器的優(yōu)、缺點(diǎn)及應(yīng)用

全橋變換器的優(yōu)點(diǎn)：①變壓器利用率高，輸出功率大，輸出紋波電壓較小。②對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的耐壓要求較低，比推挽式電路低一半。全橋變換器的缺點(diǎn)：①要用四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管。②需要四組彼此絕緣的柵極驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。全橋式直流變換器適宜在輸入電源電壓高、要求輸出功率大的情況下應(yīng)用。通信電源（第5版）漆逢吉主編546.3.5半橋式直流變換器電感電流連續(xù)模式時(shí)，輸出直流電壓為：為了防止“共同導(dǎo)通”，必須D＜0.5、DO＜1。通信電源（第5版）漆逢吉主編55半橋變換器實(shí)際電壓、電流波形

通信電源（第5版）漆逢吉主編56半橋變換器的優(yōu)、缺點(diǎn)及應(yīng)用

半橋變換器的優(yōu)點(diǎn)：①抗不平衡能力強(qiáng)。②同推挽式電路比，變壓器利用率高，對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的耐壓要求低（低一半）。③同全橋式電路比，少用兩只功率開(kāi)關(guān)管，相應(yīng)地驅(qū)動(dòng)電路也較為簡(jiǎn)單。半橋變換器的缺點(diǎn)：①同推挽式電路比，驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜，兩組柵極驅(qū)動(dòng)電路必須絕緣。②同全橋式及推挽式電路比，獲得相同的輸出功率，功率開(kāi)關(guān)管的電流要大一倍；若功率開(kāi)關(guān)管的電流相同，則輸出功率少一半。半橋式直流變換器適宜在輸入電源電壓高、輸出中等功率的情況下應(yīng)用。通信電源（第5版）漆逢吉主編576.4集成PWM控制器

6.4.1概述脈寬調(diào)制（PWM）控制電路是開(kāi)關(guān)電源的重要組成部分，其作用是產(chǎn)生PWM信號(hào)，向功率開(kāi)關(guān)管或它的驅(qū)動(dòng)電路提供前后沿陡峭、占空比可變、工作頻率不變的矩形脈沖列。對(duì)于單端開(kāi)關(guān)電源，只需提供一組矩形脈沖列；而對(duì)于雙端開(kāi)關(guān)電源（推挽、全橋和半橋變換器），則需提供相位相差180o、對(duì)稱并且有死區(qū)時(shí)間的兩組矩形脈沖列。通信電源（第5版）漆逢吉主編58對(duì)PWM控制電路的基本要求

①滿足開(kāi)關(guān)電源輸出電壓穩(wěn)定度及動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求；②與主回路配合，使開(kāi)關(guān)電源具有規(guī)定的輸出電壓值及其調(diào)節(jié)范圍；③能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的軟啟動(dòng)；④能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)。通信電源（第5版）漆逢吉主編59集成PWM控制器分類

傳統(tǒng)的PWM控制電路普遍采用屬于模擬控制技術(shù)的單片集成PWM控制器，其型號(hào)較多，通常分為電壓型控制器和電流型控制器兩類，電流型控制又分為峰值電流模式控制和平均電流模式控制。電壓型PWM集成控制器只有電壓反饋控制，可以滿足開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定輸出電壓等要求。電流型PWM集成控制器不僅有電壓反饋控制，還增加了電感電流反饋控制，控制電路為雙環(huán)控制，具有電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，從而使開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)及高度的穩(wěn)定性，有很高的穩(wěn)壓精度，可實(shí)現(xiàn)逐周限流，并具有良好的并聯(lián)運(yùn)行能力。通信電源（第5版）漆逢吉主編60集成PWM控制器分類（續(xù)）在數(shù)字化控制技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，數(shù)字化開(kāi)關(guān)電源有了較快發(fā)展。所謂數(shù)字化開(kāi)關(guān)電源，就是開(kāi)關(guān)電源的控制電路數(shù)字化——采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或微處理器（MCU）來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的PWM控制和保護(hù)。美國(guó)德州儀器公司（TI）以及其他廠商生產(chǎn)的DSP芯片（如TI推出的TMS320系列等），已經(jīng)在通信用開(kāi)關(guān)電源中得到應(yīng)用。數(shù)字化控制的性能優(yōu)于模擬控制，隨著DSP的價(jià)格下降，通信用開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品很快就會(huì)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制。通信電源（第5版）漆逢吉主編616.4.2電壓型控制器舉例(SG1525A系列)通信電源（第5版）漆逢吉主編62SG1525A系列PWM集成控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖通信電源（第5版）漆逢吉主編63振蕩器的外部連接及鋸齒波電壓波形圖

通信電源（第5版）漆逢吉主編64一組輸出級(jí)（圖騰柱結(jié)構(gòu)）通信電源（第5版）漆逢吉主編65SG1525A系列PWM集成控制器波形圖

通信電源（第5版）漆逢吉主編66用CW1525A控制的半橋型開(kāi)關(guān)電源

通信電源（第5版）漆逢吉主編676.4.3電流型控制器舉例

1．電流型PWM控制器基本原理電流型PWM控制的基本原理圖

電流型PWM控制器波形圖

通信電源（第5版）漆逢吉主編682．UC1842系列PWM集成控制器這是一種單端輸出采用峰值電流模式控制的電流型PWM集成控制器，輸出脈沖的最大占空比接近1，通常多用于單端反激變換器，輸出功率限于100W以下。這種PWM集成控制器的主要優(yōu)點(diǎn)是外接元件很少，接線簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低。通信電源（第5版）漆逢吉主編69用UC3842控制的25W單端反激開(kāi)關(guān)電源安全注意上圖（圖6.49）所示電路由于采用無(wú)工頻變壓器橋式整流，電路中的浮地端對(duì)地也有高電位，因此高頻變壓器初級(jí)側(cè)（包括NC繞組回路）的所有部分均應(yīng)防止人體接觸。圖中的浮地端是公共電位端，但不能接地。假如浮地端（即整流輸出負(fù)端）接地，則整流橋輸出負(fù)端通過(guò)接地線與交流零線相通，將使交流輸入有半周期被整流橋中的一個(gè)橋臂短路，該整流橋臂將會(huì)燒毀。通信電源（第5版）漆逢吉主編70浮地端不能接地的緣故通信電源（第5版）漆逢吉主編71如圖所示，如果浮地端（無(wú)工頻變壓器整流輸出負(fù)端）接地，則VD4被短路，當(dāng)輸入交流電壓下端正上端負(fù)時(shí)，VD3將電源短路，VD3被燒壞！相應(yīng)地，若用示波器測(cè)圖6.49初級(jí)回路及芯片的波形，示波器的機(jī)殼不可接地！測(cè)試時(shí)示波器機(jī)殼帶電，人體不可接觸！通信電源（第5版）漆逢吉主編726.5邊沿諧振型直流變換器6.5.1硬開(kāi)關(guān)PWM直流變換器存在的主要問(wèn)題及解決辦法一般PWM直流變換器中，功率開(kāi)關(guān)管在高電壓下開(kāi)通、大電流下關(guān)斷，故為“硬開(kāi)關(guān)”。功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)電流上升、電壓下降，關(guān)斷時(shí)電流下降、電壓上升，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中功率開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生了電流、電壓波形重疊，其瞬時(shí)電流、電壓的乘積為瞬時(shí)損耗功率p，如圖所示。開(kāi)關(guān)頻率愈高，開(kāi)關(guān)損耗功率愈大。主要問(wèn)題：通信電源（第5版）漆逢吉主編73主要問(wèn)題（續(xù)）此外，功率開(kāi)關(guān)管（例如VMOSFET）的輸出電容Coss在器件開(kāi)通前加有電壓UDS，其儲(chǔ)能為Wc=CossU2DS/2，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管由截止變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)，輸出電容對(duì)功率開(kāi)關(guān)管放電，所儲(chǔ)存的能量全部消耗在功率開(kāi)關(guān)管內(nèi)，其損耗功率為Pc=fCossU2DS/2。開(kāi)關(guān)頻率（f）愈高，這項(xiàng)損耗功率也愈大。一般PWM直流變換器在功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程中，不僅存在開(kāi)關(guān)損耗，而且電流、電壓變化率大，導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)噪聲的產(chǎn)生，形成電磁騷擾。通信電源（第5版）漆逢吉主編74解決辦法應(yīng)用諧振原理，在開(kāi)關(guān)電源主回路中接入諧振電感Lr、諧振電容Cr等元件，使功率開(kāi)關(guān)管的電壓波形或電流波形在某階段變?yōu)椴糠终也ǎ尮β书_(kāi)關(guān)管在開(kāi)通前電壓自然降為零，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，或者讓功率開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷前電流自然降為零，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，消除功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程中電流、電壓波形的重疊，并降低它們的變化率，從而大幅度減小開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲，提高效率，降低電磁騷擾。功率開(kāi)關(guān)管的輸出電容以及高頻變壓器的漏感在一般PWM變換器中是不希望存在的寄生參數(shù)，但在軟開(kāi)關(guān)變換器中這些寄生參數(shù)可作為諧振電容或諧振電感的一部分加以利用。通信用高頻開(kāi)關(guān)整流器中采用的軟開(kāi)關(guān)電路多為PWM邊沿諧振變換器。通信電源（第5版）漆逢吉主編756.5.2移相FB-ZVS-PWM變換器（1）t1~t2——傳輸功率（2）t2~t3——第一個(gè)諧振過(guò)程，領(lǐng)先橋臂零電壓開(kāi)通（3）t3~t4——續(xù)流狀態(tài)（4）t4~t5——第二個(gè)諧振過(guò)程，滯后橋臂零電壓開(kāi)通（5）t5~t6——i1反向增大，占空比丟失t1~t6是開(kāi)關(guān)電源半個(gè)周期的時(shí)間；另半個(gè)周期t6~t11，電路的工作過(guò)程與前半個(gè)周期完全對(duì)稱。通信電源（第5版）漆逢吉主編76領(lǐng)先橋臂與滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通的條件

實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，需要有足夠的能量來(lái)使關(guān)斷橋臂的并聯(lián)電容充電到電壓