主回路-開關電源的分析

隨著各種技術的發(fā)展，主回路-開關電源在各個產(chǎn)品中應用。主回路-開關電源中，功率電流流經(jīng)的通路。主回路一般包含了開關電源中的開關器件、儲能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器、等所有功率器件，以及供電輸入端和負載端。開關電源1是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉點。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣闊的發(fā)展空間

開關電源主回路可以分為隔離式與非隔離式兩大類型。

1. 非隔離式電路的類型：

非隔離--輸入端與輸出端電氣相通，沒有隔離。

1.1. 串聯(lián)式結構

串聯(lián)--在主回路中開關器件(下圖中所示的開關三極管T)與輸入端、輸出端、電感器L、負載RL四者成串聯(lián)連接的關系。

開關管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T及電感器L對負載供電，并同時對電感器L充電，對負載R繼續(xù)供電，從而保證了負載端獲得連續(xù)的電流。

上圖是在圖1-1-a電路的基礎上，增加了一個整流二極管和一個LC濾波電路。其中L是儲能濾波電感，它的作用是在控制開關K接通期間Ton限制大電流通過，C是儲能濾波電容，它的作用是在控制開關K接通期間Ton把流過儲能電感L的部分電流轉化成電荷進行存儲，然后在控制開關K關斷期間Toff把電荷轉化成電流繼續(xù)向負載R提供能量輸出;D是整流二極管，主要功能是續(xù)流作用，故稱它為續(xù)流二極管，其作用是在控制開關關斷期間Toff,給儲能濾波電感L釋放能量提供電流通路。

在控制開關關斷期間Toff,儲能電感L將產(chǎn)生反電動勢，流過儲能電感L的電流iL由反電動勢eL的正極流出，通過負載R,再經(jīng)過續(xù)流二極管D的正極，然后從續(xù)流二極管D的負極流出，最后回到反電動勢eL的負極。

對于圖1-2,如果不看控制開關T和輸入電壓Ui,它是一個典型的反г 型濾波電路，它的作用是把脈動直流電壓通過平滑濾波輸出其平均值。

串聯(lián)式開關電源輸出電壓uo的平均值Ua為：

1.2. 并聯(lián)式結構

并聯(lián)--在主回路中，相對于輸入端而言，開關器件與輸出端負載成并聯(lián)連接的關系。

開關管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T對電感器L充電，同時續(xù)流二極管D關斷，負載R靠電容器存儲的電能供電;當開關管T關斷時，續(xù)流二極管D導通，輸入端電源電壓與電感器L中的自感電動勢正向疊加后，通過續(xù)流二極管D對負載R供電，并同時對電容器C充電。

由此可見，并聯(lián)式結構中，可以獲得高于輸入電壓的輸出電壓，因此為升壓式變換。并且為了獲得連續(xù)的負載電流，并聯(lián)結構比串聯(lián)結果對輸出濾波電容C的容量有更高的要求。例如boots拓撲型的開關電源就是屬于并聯(lián)型式的開關電源。

并聯(lián)開關電源輸出電壓Uo為：

boots拓撲輸出電壓Uo:Uo=Ui(1+D/1-D)=Ui(1/1-D)(D 為占空比)

1.3.極性反轉型變換器結構(inverting)

極性反轉--輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結構特征是：在主回路中，相對于輸入端而言，電感器L與負載成并聯(lián)。(也是串聯(lián)式開關電源的一種，一般又稱為反轉式串聯(lián)開關電源)

這種反轉式串聯(lián)開關電源與一般串聯(lián)式開關電源的區(qū)別是，這種反轉式串聯(lián)開關電源輸出的電壓是負電壓，正好與一般串聯(lián)式開關電源輸出的正電壓極性相反;并且由于儲能電感能產(chǎn)生電感作用的元件統(tǒng)稱為電感原件，常常直接簡稱為電感。電感器在電子制作中雖然使用得不是很多，但它們在電路中同樣重要。我們認為電感器和電容器一樣，也是一種儲能元件，它能把電能轉變?yōu)榇艌瞿埽⒃诖艌鲋袃Υ婺芰俊?/p>

L只在開關K關斷時才向負載輸出電流，因此，在相同條件下，反轉式串聯(lián)開關電源輸出的電流比串聯(lián)式開關電源輸出的電流小一倍。

開關管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，工作過程與并聯(lián)式結構相似，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T對電感器L充電，同時續(xù)流二極管D關斷，并同時對電容器C充電;由于續(xù)流二極管D的反向極性，使輸出端獲得相反極性的電壓輸出。

反轉式串聯(lián)開關電源輸出電壓Uo為：

由(1-27)式可以看出，反轉式串聯(lián)開關電源輸出電壓與輸入電壓與開關接通的時間成正比，與開關關斷的時間成反比。

2. 隔離式電路的類型：

隔離--輸入端與輸出端電氣不相通，通過脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量，輸入輸出完全電氣隔離。

2.1. 單端正激式 single Forward Converte

r(又叫單端正激式變壓器開關電源 )

單端--通過一只開關器件單向驅動脈沖變壓器;