sps基本原理讲义--讲义教材.doc

第一章开关变换器概论第一节什么是开关电源电源有如人体心脏，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、及带载是参数的变化等等；在同一参数要求下，又有体积、重时、形态、功率、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。此次主要介绍一下开关电源的原理及其设计方法。一般电力（如市电）要经过转换才能符合使用的需要。转换例子有：交流转换为直流，高电压变为低电压，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转换为DC，其中AC表示交流电，DC表示直流电）称为整流（包括整流及离线式转换），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-直流交换。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此转换。电力电子学科从此形成并有了近三十年的迅速发展。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中一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为开关电源（SwitchingPowerSupply）。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。它要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（off-lineSwitchingConverter）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DDC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，显示很简单，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”（Chop）作用。tV1分类：按控制方式可分为三类一.PWM变换器：脉宽调制二.PFM变换器：频率调制三.脉宽与频率调制变换器：两者结合此三类中因调频系统不如PWM开关易控，且调频时谐振电压（电流）峰值高，开关管所受应力大，故一般用PWM控制。每类从输入与输出之间是否有变压器隔离，可分为有隔离，无隔离两种。每一种又有四种结构：Buck，Boost，Buck-Boost，Cuk按激励形式不同，可分为自激式与他激式两种自激式：单管式与推挽式（开关晶体管的激励信号如来自本身输出负载藕合而得，称之为自激）他激式：调频，调宽，调幅，谐振目前应用较广的为调宽型，它又包括正激，反激，半桥，全桥四种。DC-DC变换器主回路使用的元件及其特征一、开关无论哪一种DC-DC变换器，主回路使用的元件都是电子开关、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，并且快速地进和转换。只有力求快速，使开关快速地滤过线性放大工作区，状态转换引起的损耗才小。目前使用的电子开关是双极型晶体管、功率场效应管；逐渐普及的有各种特性较好的新式的大功率开关元件，例如SITH（静电感应晶闸管）和MCT（场控制晶体闸流管）。这些元件的基本特征在这就不一一介绍了。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。一般其阻值在毫欧级，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。二、电感电感是开关电源中常见到的元件，由于它的电流、电压相位不同，因此理论损耗为零。常为储能元件，通常与电容共用在输入滤波器上。用于平滑电流，也称它为扼电流圈。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。应用中允许有其饱和的，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，有一个不可忽视的问题，就是电感的绕线所引起两个分布参数（可称寄生参数）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，也可以明白地看出在某一频率后的电容性。在分析电感的线路工艺中