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
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
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一、什么是开关电源
• 电源 • 线性电源 • 开关电源
一、什么是开关电源（1）
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) 半桥式变换器 (HALF BRIDGE) 全桥式变换器 (FULL BRIDGE)
100～500Ｗ
100～5000W
500W～ 30kW
控制设备，计算机等电源 焊机，超声电源，计算机电源等 焊机、高频感应加热，交换机等
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
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一、什么是开关电源（6）
High f/Eff./Power Density Conversion
Single Module
3 Modules On The Bench
500W Quarter Brick Bus Converter
– 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？
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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
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实际器件
iD IL
uD
Qrr
IRRM
Vo
iDS
trr IRRM IL
交流输入 直流
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直流输出
变压器
高频交流
高频交流 脉动直流 稳定直流
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一、什么是开关电源（4）
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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
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
电源：提供电能的装置
•电机： • 机械能、热能
– 干电池： • 化学能
– 计算机电源： • 交流电
– 太阳能电池、风能 • 太阳能、风能 网
电网电能 电能 直流电
电能/并
• 本书所指电源是：输入输出都是电
2013能/7/7 的电能变换电源。
升降压型电路(BUCK-BOOST) CUK型电路
SPEIC型电路
ZETA型电路
隔离型电路
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)
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二、 开关电源中的电力电子电路（2）
buck
cuk
正激
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全桥
boost sepic 反激
Buck-boost zeta 半桥
推挽 18
二、 开关电源中的电力电子电路（3）
隔离型电力电子变换电路的功率等级和应用场合
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，自动化设备 中的控制电源
变压器降压 低压
整流 脉冲电
滤波
稳压直流电
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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
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，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，
• 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
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二、 开关电源中的电力电子电路
• 分类 • 应用
二、 开关电源中的电力电子电路（1）
电力电子电路分类
非隔离型电路
降压型电路(BUCK)
升压型电路(BOOST)
Specs: 48Vdc to 9.6Vdc/53A, Eff.=96.8%, Power Density: 19W/cm3 (312.3W/in3).
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一、什么是开关电源（7）
高效率电源的需求
应用管理器
公用电网
微型发电机
整流器 应用管理器
DC/DC
逆变器
DC/DC
DC/DC
直流负载
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非理想变压器
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一、什么是开关电源（8）
开关电源产业当前关注的技术
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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》
电网
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整流器
DC/DC
逆变器
电机
DC/DC
DC/DC
直流负载 10
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，如变压器激磁电感不是无穷大，二极 管有反向恢复特性，开关管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。
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一、什么是开关电源（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。
线
– 整机效率低，只有60%左右，高输
性 电
入电压时更加低。
源
– 输出电压比输入电压至少要低2.5伏。
220v 18v
交流输入
晶体管
电压给定
15v
直流 输出
工频交流电 高压