世界杯买球平台:第一节_开关电源DCM和CCM工作模式

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1、第一节 开关电源基本工作原理 浙江大学电气工程学院 应用电子学系 二零一三年七月 2013/7/7 2 本节内容 一、什么是开关电源 二、 开关电源中的电力电子电路 三、 主电路工作原理 四、电力电子器件 五、无源器件 一、什么是开关电源 电源 线性电源 开关电源 2013/7/7 4 一、什么是开关电源（ 1） 电源：提供电能的装置 把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源 水利、火力发电机： 机械能、热能 电网电能 干电池： 化学能 电能 计算机电源： 交流电 直流电 太阳能电池、风能 太阳能、风能 电能 /并网 本书所指电源是：输入输出都是电能的电能变换电源。 2013/7/7 5 一、什

2、么是开关电源（ 2） 线性电源： 调整管工作在线性放大状态，调整管损耗大，需要较大的散热装置。 工频变压器体积大，重量重。 整机效率低，只有 60%左右，高输入电压时更加低。 输出电压比输入电压至少要低 2.5伏。 工 频 交 流 电变 压 器 降 压整 流滤 波低 压脉 冲 电稳 压 直 流 电线性电源高 压交 流 输 入电 压 给 定直 流输 出晶 体 管220v 15v 18v 2013/7/7 6 一、什么是开关电源（ 3） 开关电源：泛指，电路中电力电子器件工作在 高频开关状态 的 直流电源 。 电力电子器件工作在开关状态，损耗很小，因此整机效率高 其隔离和电压变换的变压器 T是高频

世界杯买球平台3、变压器，体积大大缩小，重量大大减轻 输出直流电压可高可低 交 流 输 入直 流 输 出直 流 高 频 交 流变 压 器高 频 交 流 脉 动 直 流 稳 定 直 流2013/7/7 7 一、什么是开关电源（ 4） 2013/7/7 8 一、什么是开关电源（ 5） 开关电源的发展 20世纪 60年代：大功率晶体管 BJT、 GTR的出现 开关电源问世。 20世纪 70年代：开关器件、磁性材料的不断改进 开关频率突破20kHz 20世纪 80年代： IGBT功率 MOSFET的出现 大功率开关电源开始广泛应用 20世纪 80年代开始：软开关技术的发展 开关频率不断得到突破，100kHz， 1Mhz

4、， 10MHz 。 20世纪 90年代：功率因数校正电路 绿色电源（对电网无污染） 21世纪：电力电子电磁兼容技术发展、磁集成技术得到大力发展，不断的增加功率密度和更高的工作效率。数字控制开关电源技术日益得到广泛应用 2013/7/7 9 High f/Eff./Power Density Conversion 500W Quarter Brick Bus Converter Specs: 48Vdc to 9.6Vdc/53A, Eff.=96.8%, Power Density: 19W/cm3 (312.3W/in3). 3 Modules On The Bench Single Mod

5、ule 一、什么是开关电源（ 6） 2013/7/7 10 高效率电源的需求 微型发电机 整流器 DC/DC 公用电网 逆变器 DC/DC DC/DC 直流负载 应用管理器 应用管理器 电网 整流器 DC/DC 电机 逆变器 DC/DC DC/DC 直流负载 一、什么是开关电源（ 7） 2013/7/7 11 一、什么是开关电源（ 5） 开关 电源的新问题： 各元器件在高频工作状态时，不能忽略其寄生参数对电路工作产生的影响，引起电压尖峰、热损耗问题。 如变压器的漏感，电感寄生电容，电容寄生电感，开关管寄生电容等 。 各器件非理想工作特性电力电子器件开关频率，如变压器激磁电感不是无穷大电力电子器件开关频率，二极管有反向恢复特性，开关管

世界杯买球平台6、在关断和开通过程中电压电流重叠等，带来热损耗和 EMI 问题 。 开关电源交流输入特性差，功率因数低，谐波电流大等 开关电源控制电路的供电部分谁来提供？用外接线性电源？ 2013/7/7 12 理想器件 动态特性： Ton=0,Toff=0 静态特性 导通时 R=0，关断时 R= Vds Ids 实际器件 DiDu rrQLIoVRRMIrrtDSiLIRRMI非理想变压器 2013/7/7 13 2013/7/7 14 一、什么是开关电源（ 8） 开关电源产业当前关注的技术 2013/7/7 15 一、什么是开关电源（ 8） 开关电源设计的步骤 电路拓扑选择 电力电子技术 元器件选择 电力电

7、子器件 辅助电路如启动电路、供电电路、吸收电路设计等 控制系统反馈设计 自动控制理论 磁性元件设计 电磁场理论 ， 电力电子技术 电路的布局、布线、接地考虑 数字控制 监控设计 热管理， EMI控制 二、 开关电源中的电力电子电路 分类 应用 2013/7/7 17 降压型电路 (BUCK) 升压型电路 (BOOST) 升降压型电路 (BUCK-BOOST) CUK型电路 SPEIC型电路 ZETA型电路 单管（双管）正激型电路（ FORWARD) 反激电路 (FLYBACK) 半桥型电路 (HALF-BRIDGE) 全桥型电路 (FULL-BRIDGE) 推挽型电路 (PUSH-PULL)

8、非隔离型电路 隔离型电路 电力电子电路分类 二、 开关电源中的电力电子电路（ 1） 2013/7/7 18 二、 开关电源中的电力电子电路（ 2） buck boost Buck-boost cuk sepic zeta 正激 反激 半桥 全桥 推挽 2013/7/7 19 电路类型 传输功率 应用环境 单端反激式变换器 (FLYBACK) 20 100W 小型仪器 、 仪表 ，家用电器等电源电力电子器件开关频率， 自动化设备中的控制电源 单端正激式变换器 (FORWARD) 50 200W 小型仪器 、 仪表 ， 家用电器等电源 ， 自动化设备中的控制电源 推换式变换器 (PUSH PULL) 100 50

世界杯买球平台9、0 控制设备 ， 计算机等电源 半桥式变换器 (HALF BRIDGE) 100 5000W 焊机 ， 超声电源 ， 计算机电源等 全桥式变换器 (FULL BRIDGE) 500W30kW 焊机 、 高频感应加热 ， 交换机等 隔离型电力电子变换电路的功率等级和应用场合 这类电源的共同特点： 具有 高频变压器 、直流稳压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副边是隔离的，或是部分隔离的， 而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。 二、 开关电源中的电力电子电路（ 3） 2013/7/7 20 二、开关电源电路拓扑的实用选择方法 升压或者降压： 输入电压总是比输入电压低吗

10、？ 占空比的实际限制： 输出电压和输入电压是否相差 5倍以上？ 多少组输出： 是否多于 1组，是否很多？ 隔离要求： 如果需要隔离，就需要变压器 EMI要求： EMI要求高，不适合采用输入电流不连续的拓扑。 MOSFET还是双极性晶体管： 功率大？开关频率高？ 电流连续还是电流断续： 需要空载工作吗？ 同步整流： 输出电压很低？ 电压模式控制和电流模式控制： 如果输出电流很大，选用电压模式控制比电流模式控制好。 三、 开关电源主电路工作原理 BUCK， BOOST 反激，半桥 整流 2013/7/7 22 开关电源 CCM和 DCM工作模式 CCM: Continuous Conduction

11、 Mode,（电感电流） 连续导通模式 DCM: Discontinuous Conduction Mode,（电感电流） 断续导通模式 前面所述的各种开关电源，均可能工作于 CCM或者 DCM两种模式。两种工作模式下， 电压增益的 表达式 不一样 。 开关电源工作于哪种工作模式，在开关电源的 占空比不变 的情况下，与开关电源的 负载大小 以及 电感的大小 有关系。 三、 主电路工作原理（ 1） 2013/7/7 23 开关电源稳态分析的两个基本原理 1.电感的伏秒平衡： 稳态条件下电力电子器件开关频率，电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零 2.电容的充电平衡 ：稳态条件下电力电子器件开关频率，电容电流在一个开关周期内的平均值为

12、零 三、 主电路工作原理（ 2） ug uL Ts DTs DTs Ui Uo Uo t t t Uo/R iL 2013/7/7 24 基本的脉冲宽度调制波形 这些拓扑结构都与 开关式电路 有关 。 基本的脉冲宽度调制波形定义如下 ： TSTONTO F FD = 1 - D =TONTO F FTO F FTO F FTS=Du t y Cy c le = Du t y Ra t io = D =TONTSTONTONTO F F=占空比 =负荷比 三、 主电路工作原理（ 3） 2013/7/7 25 BUCK电路工作于 CCM和 DCM时的工作状态 CCM 三、 主电路工作原理（ 4）

13、BUCK 2013/7/7 26 BUCK电路 工作于 CCM和 DCM时的电感电流波形 DUUMio DUUMio ?ioUUM三、 主电路工作原理（ 4） BUCK 2013/7/7 27 ug uL iL Ts DTs DTs DTs Ui Uo Uo t t t Ts IL 在电感电流断续的情况下， Uo=DUi不成立。 在电感电流断续的条件下，电路其它参数不变而电路负载改变时， 输出电压发生改变； 而在电感电流连续的情况下， 输出电压不随负载改变。 RTDLKKKUUMsio22,2141 其中电感电流断续情况下的电压增益表达式 sToUsDTOUiU ，)(21 RUDI oL 根

世界杯买球平台14、据稳态时电感伏秒平衡原理： 根据稳态时电容 C的充电电流平均值为 0 电感方程： isL UDTIL 三、 主电路工作原理（ 4） BUCK 2013/7/7 28 将负载 R按照 L/TS进行归一化后 与负载 R之间的关系 ioUU可见： 电感电流连续时 ， Uo/Ui=D； 电流断续时，总是有 Uo/UiD，负载越小（负载电阻越大），则 Uo越高。 输出空载时， Uo Ui。 15 ioUULRTs5 10 D=0.4 D=0.6 D=0.8 0.8 0.6 0.4 0.9 三、 主电路工作原理（ 4） BUCK 2013/7/7 29 BOOST电路工作于 CCM和 DCM 注意： BOOST电路工作于 CCM时， D不能很接近 1，工作于DCM时不能令负载开路，否则高压令电路元器件要损坏 。 iD 三、 主电路工作原理（ 5） BOOST 2013/7/7 30 升降压电路工作于 DCM模式 三、 主电路工作原理（ 6） BUCK-BOOST