开关电源原理与设计-张占松(pdf完整版)

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开关电源原理与设计张占松版本,原理清晰易懂。
74 Z34 开关电源的原理与设计 张占松蔡宣三编著 幽MM图H滑 A0982065 電子工出版社 PUBLISHING HOUSE OF ELECTRONICS INDUSTRY 内容简介 本书系统论述TC-DC高频开关电源工作原理与工程设计方法。内容包 括PWM变换器和软开关PWM变换器的电路拓扑、原理、控制及动态分析等; 功率 MOSFET、IGBT、MC等功率半导体器件的特性与应用;集成控制电路;磁 元件特性与设计计算方法;开关电源中有源功率因数校正,同步整流与并联均 流等技术。PWM开关电源的设计与有关制造问题;开关电源的数字仿真方 法,计绰机辅助优化设计和最优控制方法,并附有计算实例。本书内容丰富、 新颖、深入浅出。编著者力图反映9年代中期国内外工程界与学术界在高频 开关电源方面的进展和所取得的研究成果。 本书可作为高校有关专业师生和研究生的教材或参考书,也可作为电气 与电子工程师们继续教育,职业教育的培训教材,以及在进行开关电源的工程 设计和开发工作时的参考书。 开关电源的原理与设计 张占松蔡宣三编著 责任编辑王惠民 电子工业出版社出版(北京万寿路173信箱) 电子工业出版社发行各地新华书店经销 广州恒远彩印厂印刷 开本:787X1092毫米116印张355字数:800千字 1998年7月第一版2001年1月第六次印刷 印数:14000-17000册定价:50.00元 ISBN7-50534335-1/TN1099 第一篇PWM开关变换器的基本原理 第一章开关变换器概论 第一节什么是开关变换器和开关电源 电源有如人体的心脏,是所有电设备的动力。但电源却不像心脏那样形式单一。因为,标 志电源特性的参数有功率电压、频率、噪声及带载时参数的变化等等;在同一参数要求下,又 有体积、重量、形态效率、可靠性等指标,人可按此去“塑造”和完美电源,因此电源的形式是极 多的。本书重点介绍开关电源的原理及其设计方法。 般电力(如市电)要经过转换才能符合使用的需要。转换例子有:交流转换成直流,高电 压变成低电压,大功率中取小功率等等。这一过程有人形象地说成;粗电炼为精电。炼为精电 后才好使用 按电力电子的习惯称谓,AC-DC(理解成AC转换成DC,其中AC表示交流电,DC表小直 流电)称为整流(包括整流及离线式变换),DC-AC称为逆变,AC-AC称为交流-交流直接变 频(同时也变压),DC-DC称为直流-直流变换。为达到转换目的,手段是多样的。六十年代 前,研发了半导体器件,并用此器件为主实现这些转换。电力电子学科从此形成并有了近三十 年的迅速发。所以,广义地说,凡用半导体功率器件作为开关,将一种电源形态转变成为另 形态的主电路都叫做开关变换器电路;转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称 开关电源( Switching Power Supply)。开关电源主要组成部分是DC-DC变换器,因为它是转换 的核心,涉及频率变换,目前DC-DC变换中所用的频率提高最快。它在提高频率中碰到的开 关过程损失机制,为提高效率而采用的方法,也可为其它转换方法参考 值得指出,常见到离线式开关变换器(of- line Switching Converter)名称,是AC-DC变换, 也常称开关整流器;它不单是整流的意义,而且整流后又作了DC-DC变换。所说离线并不是 变换器与市电线路无关的意思,只是变换器中因有高频变压器隔离,故称离线。 第二节DC-DC变换器的基本手段和分类 把直流电压变换为另一种直流电压最简单办法是串一个电阻,这样不涉及变频的问题,显 得很简单,但是效率低。用一个半导体功率器件作为开关,使带有滤波器(L或/和C)的负载 线路与直流电压一会相接,一会断开,则负载上也得到另一个直流电压。这就是DC-DC的基 本手段,类似于“斩波(Chp)作用。 个周期Ts内,电子开关接通时间t所占整个周期Ts的比例,称接通占空比D,D=如; 断开时间t所占Ts比例称断开占空比D,D'=。很明显,接通占空比越大,负载上电压越 高;门=£称开关频率越高,负载上电压也越高。这种DC-DC变换器中的开关都在某一固 定频率下(如几百千赫芝)工作,这种保持开关频率恒定但改变接通时间长短(即脉冲的宽度), 使负载变化时,负载上电压变化不大的方法,称脉宽调制法( Pulse width modulation,简表为 PwWM)。由于电子开关按外加控制脉冲而通断控制与本身流过的电流、二端所加的电压无 关,因此,电子开关称为“硬开关”。很明显,由于硬开关开断和接通时,开关上同时存在电压、 电流,损耗是比较大的,但无论如何比串电阻变换方法小得多。这就是开关电源的优点之一。 凡用脉宽调制方式控制电子开关的开关变换器,称为WM开关变换器。它是以使用“硬 开关”为主要特征的。 另一类称之为软开关。凡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,此开关称为软开关。软开关的开通、关断损耗理想值为零。这是 八十年代发展的方法,由于损耗小,开关频率可提高到兆赫级,开关电源体积重量进一步显著 减小 为了满足电子开关上电压或电流为零的条件,可用谐振( Resonance)的方法。所谓谐振,按 电路理论知道,它是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;如果正弦电压加在电感和 电容并联电路上,当正弦电压频率为某一值时,电路的总导纳为零,电感、电容元件上电压为无 穷大。前者称串联诺振,后者称并联谐振。在开关电源电路中加的不是正弦电压,而是直流电 压。直流电压加在串联的LC时,电路中电流按正弦规律无阻尼振荡,其频率即电路的谐振频 率,或称振荡频率。利用谐振现象,电子开关器件两端电压按正弦规律振荡,当振荡到零时,使 电子开关导通流过电流,此法称零电压开通(Zer- Voltage- Switching简称zVS)。同理当流过 电子开关器件的电流振荡到零时,使电子开关断开,此法称为零电流关断(Eem- Current Switching简称zCS) 利用诸振现象,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,以这种技术为主导的变换器称谐振变换器。它有串联和并联谐振变换器两种。 如果在桥式变换器(用谐振式方法控制)桥的输出端为申联IC网络,再接变压器原边绕组(包 括带副边整流电路),称为串联谐振变换器。在桥式变换器串联IC网络的电容两端并联变压 器原边绕组(包括带副边整流电路)称为并联谐振变换器。 由于正向和反向LC回路值不一样,即振荡频率不同,电流幅值也不同,所以振荡不对称。 一般正向正弦半波大过负向正弦半波,所以常称为准谐振。无论是串联IC,或并联的IC都会 产生准谐振。 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称为准谐振变换器。在单端、半桥或全桥变换器 中,利用寄生电感和电容(如变压器漏感,半导体功率管或整流管的结电容)或外加谐振电感和 电容,可得到相应的准谐振变换器。 谐振回路、参数可以超过两个,例如三个或更多,称为多谐振变换器。 为保持输出电压不随输人电压变化而变化,不随负载变化而变化(或基本不变),谐振、准 谐振和多诺振变换器主要靠调整开关频率,所以是调频系统。 调频系统不如PWM开关那样易控,加上谐振准谐振、多谐振电路谐振电压(或电流)峰 值高,开关受的应力大,因此这几年热门的研究课题是零开关-PWM变换器和零转换-PWM 变换器。 零开关-PWM变换器是指在准谐振变换器中,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ZS准谐振变换器工作,另一部分时间按PWM变换器工作。 前者称ZCS-PWM变换器,后者称为zvS-PWwM变换器。这样,变换器已有电压过零(或电流 过零)控制的软开关特点,又有PWM恒频调宽的特点。这时谐振网络中的电感是与主开关串 联的。 零转换-PWM变换器,与零开关-PWM变换器并无本质上的差别,也是软开关与PWM 的结合。只不过谐振网络与主电子开关是相并联的。 从上面所述,DC→DC可分成PWM式、谐振式和它们的结合式。每一种方式中从输入与 输出之间是否有变压器隔离,可以分成有隔离、无隔离两类。每一类中又有六种拓朴:Buck、 Boost Buck-Boot、Ck、Sep和Zeao由此可见DC-DC基本电路就不胜其数了。多数电路都 具有个性,有典型应用价值,也有电路并无实用价值的。在本篇第二章中将重点介绍Buck、 Bost、Buck- Boost cuk四种基本拓朴,第三章中将介绍四种基本拓朴的隔离、组合、派生的各 种电路。 Sepic变换器、Zeia变换器与Cuk变换器是相近的,在书中不拟详述。 以上是从电路拓朴来分类,还有从其它角度,特征来分类的。例如,若按激励形式不同,可 分为自激式和他激式两种 自激式包括单管式变换器和推挽式变换器两种。他激式中包括调频、调宽、调幅、谐振等 几种。目前应用较广的是调宽型(PWM),它包括正激式反激式、半桥式和全桥式。谐振式中 有串联谐振、并联诸振串并联谐振等线路,按谐振式的开关什么时候接通来分,又可分为零电 流开关和零电压开关等。 若按控制信号的隔离方法,则可分为直接式、光电耦合式变压器式磁放大器式等。有些 线路通过电子器件完成电压一频率,或者频率一电压的转换工作之后,用变压器与控制信号隔 离 第三节DC-DC变换器主回路使用的元件及其特性 开关 无论哪一种DC-DC变换器,主回路使用的元件只是电子开关、电感和电容。电子开关只 是快速地开通快速地关断这两种状态,并且快速地进行转换。只有力求快速,使开关快速地 渡过线性放大工作区,状态转换引起的损耗才小。目前使用的电子开关多是双极型晶体管、功 率场效应管;逐渐普及的有ICT管,还有各种特性较好的新式的大功率开关元件,例如STH (静电感应晶闸管)和MCr(场控制晶体闸流管)。这些元件的基本特性在本篇的第四章进行 介绍。 值得指出,主回路也不是绝对不出现电阻元件。出现的前提是极有利于控制性能而又不 引起多大的损耗,而且限于几十瓦以下的小功率变换器中应用。一般其阻值在亳欧级,其上得 到的mV电压可用来作为当前工作周期进行电流控制或保护的信号。这在第一篇第六章C 控制器介绍中可以见到;在第二篇设计线路中也可见到。 二、电盛 电感是开关电源中常用的元件,由于它的电流、电压相位不同,因此理论损耗为零。常为 3 储能元件,也常与电谷共用在输人滤波器和输出滤波器上。用于平滑电流,也称它为扼流圈 其特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句话说,由于“磁通连续”性,电感上的电流必须 是连续的,否则将会产生很大的电压尖峰波。 电感为磁性元件,自然有磁饱和的问题。应用中有允许其饱和的,有允许其从一定电流值 起开始进入饱和的,也有不允许其出现饱和的。在具体线路中要注意区分。在多数情况下,电 感工作在“线性区”,此时电感值为一常数,不随端电压与流过电流而变化。但是,在开关电源 中电感有一个不可忽视的间题,就是电感的绕线所引起两个分布参数(或称寄生参数)的现 象。其一是绕线电阻,这是不可避免的。其二是分布式杂散电容,随线制工艺、材料而定。杂 散电容在低频时影响不大,随着频率的提高而渐显出来,到某一频率以上时,电感也许变成了 电容的特性了。如果将杂散电容“集成”为一个,则从电感的等效电路,可以明白地看出在某 角频率后的电容性。 在分析电感在线路中工作或绘波形图时,不妨考虑下面几个特点: (1)在电感L中有电流I流过时,储存有P的能量; (2)当电感L两端的电压V为不变时依Ⅴ=L斗公式可知忽略内阻R时,电感电流变化 率 d i dsVL,表明电感电流线性增加; (3)正在储能的电感器,因为能量不能瞬时突变,若切断电感在变压器原边回路时,能量绝 大部分经变压器副边出现的电流输送至负载,原、副边耦合中保持相同的安匝数,维持磁场不 变,或每匝伏·秒值不变。 安·秒值 伏·秒值 C L .-t 在安·秒值相 C等时,电压Ⅴ Lt在正负伏·秒值 为 相等时,电流i为0 图1-1电感特性与电容特性的比较 (4)就像电容有充放电流一样,电感器也有充、放电电压。电容上的电压与电流的积分 称为安·秒值)成正比,电感上的电流与电压的积分(称为伏·秒值)成正比,如图1-1所示。 只要电感器电压变化,其电流斜率也变化;正向电压,使电流从零线性上升;反向电压,电流 线性下降,根据能量守恒原理在电感器伏·秒值面积相等的某一时间点上,线性变化的电流重新 降到零。 、电容 电容是开关电源中常用的元件,它与电感一样也是储存电能和传递电能的元件,但对频率 的特性却刚好相反。应用上,主要是“吸收”纹波,具有平滑电压波形的作用。实际的电容并不 是理想元件。电容器由于有介质、接点与引出线,造成一个等效电阻。这种等效电阻在开关电 源中小信号反馈控制上,以及输出纹波抑制的设计上,起着不可忽视的作用。另外电容等效电 路上有一个串联的电感,它在分析电容器滤波效果时,非常重要。有时加大电容量并不能使电 压波形平直,就是因为这个串联寄生电感起着副作用。 阻抗 Kx16VB-220 20C () -55℃C 120 10k 100k 1M 频率(Hz) (a)开关电源用电容(16V,2200F) 阻抗 ■L■ H卌□ () KM16VB-3300 1.0 °C 0.1 100CH 20° 0.0 120 1k 10k 100k 频率(H 〔b)高温长寿命电容(1l6V,22004F 图1-2电容阻抗与频率的关系(温度为参变量) 电容的串联电阻是与接点和引出线有关,也与电解液有关。常见电解电容电解质的成份 为AI2O3,导电率c比空气约大七倍,为了继续能提高电容量,把铝箔表面做成有规律的凸凹不 平状,使氧化膜表面积加大(因为电容量与表面积成正比)。加入的电解液可在凹凸面上流 动。电解液受温度影响温度下降,电阻加大,即电容串联电阻加大。高温长寿命电容的阻抗 随温度下降而增加的情况示于图1-2中。 温度下降,等效串联电阻(ESR)加人,导致电容寿命减短,这是铝电解电容的缺点。为了 改善这一缺点,将电解液覆盖在氧化膜表面后将其干燥,形成固体式电解质电容,即“钽电容”。 目前又用有机半导体代替电解液,也是固体式电解质电容称为“OS电容”。“08电容”的串联 电阻小了许多,在图1-3中示出常用几种电容的串联电阻值,以供比较。 ESR 1000 500 铝电解电容 100 钽电容 10 5 0.5 戇 0.1 0.05 网瓷电谷 55-25 020 85105 温度("C 图1-3各种电容FR的比较 在开关电源中的电容器,工作时平均电流为零,但因充放电电流波形不同,有效值电流是 很大的。倒如,市电整流输入到开关电源的滤波电路电容其充电只在市电正弦半波瞬时值高 于电容上直流电压一个短时内才发生,而且是低频的(50Hz),由电容放电供电给开关电源,放 电频率是高频的(与开关频率相同)。有效值电流am比负载电流后大,其计算式为: icrms=l12 Io (1.1.1) 电容器的选择,除考虑有效值外尚要考虑纹波电压和耐压的要求。

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科学家麻里 其实我没有下载,但是它提示我已经下载过了,非要我来评价。
2019-09-18
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weixin_39547024 我觉还可以
2018-04-04
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