开关电源原理总结 - 图文

VD1 L1 S L2 V0 Vi C1 C2 RL VD2

图2-17：Buck型准谐振ZCS变换器（M型）

这里，我们分析一下L型电路的工作过程。

假定这是一个理想器件组成的电源。L2远大于L1，从L2左侧看，可以认为流过L2、C2、RL的输出电流是一个恒流源，电流I0。谐振角频率：

ω0=1/√L1C1 。 特性阻抗： Z0 =√L1/C1）。 动态过程如下：

1．线性阶段（t0-t1）：

在S导通前，VD2处于续流阶段。此时VVD2=VC1=0。S导通时，L1电流由0开始上升，由于续流没有结束，此时初始VL1=Vi。

由VL1=Vi=L1di/dt，且L1初始电流为0，有：

i1=Vi(t-t0)/L1----------------------------------式1 到t1时刻，达到负载电流I0，因此： 此阶段持续时间： T1=t1-t0=L1I0/Vi

由式1，可以看出，此阶段i1是时间的线性函数。 2．谐振阶段（t1-t2）：

在电流i1上升期间，当i1小于I0时，由于i1无法供应恒流I0，续流过程将维持。当i1=I0时，将以i1-I0对C1充电，VD2开始承受正压，VD2电流下降并截止。L1、C1开始串联谐振，i1 因谐振继续上升。

iC1=C1dVC1/dt=i1-I0 VL1=L1di1/dt=Vi-VC1 因而：

i1=I0+ iC1=I0+Vi/Z0*sinω0 (t-t1)------------------式2 其中，iC1为谐振电流。

VC1=Vi-VL1= Vi -Vicosω0 (t-t1)= Vi [1-icosω0 (t-t1)]--式3

谐振到ta时刻，谐振电流归零。如为半波开关，则开关自行关断；如果是全波开关，开关关断后，将通过VD1进行阻尼振荡，将电容能量馈送回电源，到时刻tb电流第二次为0。本阶段结束，这时的时刻为t2。

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VC1在i1谐振半个周期，i1=I0时，达最大值。i1第一次过零（ta）时，S断开。如为半波开关，则谐振阶段结束。如为全波开关，C1经半个周期的阻尼振荡到电流为0（tb）时，将放电到一个较小值。

从式2、3，可以看出谐振阶段ta前，i1、VC1是时间的正弦函数；如为全波开关，还有一段时间的阻尼振荡波。

3．恢复阶段（t2-t3）：

由于VC1滞后1/4个谐振周期，因而在t2后，因L2的作用还将继续向负载放电，直至VC1=0。这阶段，如考虑电流方向性：

I0=-C1dVC1/dt

故：VC1= VC1（t2）-I0（t-t2）/C1------------------------------------式4

因此，这个阶段的VC1是时间的线性函数，电压从VC1（t2）逐步下降到零。如为半波开关，则开关分压也将线性上升到输入电源值。

4．续流阶段（t3-t4）：

当电容放电到零后，VD2因反压消失而导通，对L2及负载进行续流，以保持电流I0连续。

此时，我们可以根据电路的要求，选择在适当时间再次开通S，重新开始线性阶段。 根据以上导出的各公式，可以得到如下的波形图：

S S ON ON t iL iL I0 t VS VS t t2 VC1 VC1 t t0 t0 t3 t4 t3 t4 t1 t1 t2 图2-18：半波ZCS开关波形 全波ZCS开关波形

t t t t 从以上分析可以看出，ZCS谐振开关变换器的开关管总是在电流为0时进行切换。 实际情况与理想分析有所不同，VC1将有所超前。 M型电路分析方法类似，不再赘述。 二、零电压开关

ZCS在S导通时谐振，而ZVS则在S截止时谐振，二者形成对偶关系。分析过程大体类似，此处从略。

综合以上分析过程，我们可以看出，该拓补谐振结构只能实现PFM调节，而无法实现PWM。原因是脉冲宽度仅受谐振参数控制。要实现PWM，还需要增加辅助开关管。这在本节“四、软开关技术及常见拓补简介”中将予以介绍。 §2-3-4．软开关技术及常见软开关拓补简介

软开关技术实际上是利用电容与电感的谐振，使开关器件中的电流或电压按正弦或准正弦规律变化。当电流过零时，使器件关断，当电压过零时，使器件开通，实现开关的近似零损耗。同时，有助于提高频率，提高开关的容量，减小噪声。

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相对于软开关，普通开关电源的转换器也叫硬开关。

按控制方式，软开关可以分为：脉冲宽度脉冲频率调制式（PFM）、脉冲频率调制式（PWM）、脉冲移相式（PS）三种。

一、PWM变换器

PWM控制方式是指在开关管工作频率恒定的前期下，通过调节脉冲宽度的方法来实现稳定输出。这是应用最多的方式，适用于中小功率的开关电源。

1．零电流开关PWM变换器

VDS I0 ILR

LR LL S1

VD1 Uin CS S2 VD

CR

图2-19：Buck型ZCS-PWM变换器

R0

上图是增加辅助开关控制的Buck型零电流开关变换器。其工作过程与前面过程略有差异：

1）线性阶段（S1、S2导通）：开始时，在LR作用下，S1零电流导通。随后，因Uin作用，ILR线性上升，并到达ILR=Io。

2）正向谐振阶段（S1、S2导通-关断）：当ILR=Io时，因CR开始产生电压，VD在零电流下自然关断。之后，LR与CR开始谐振，经过半个谐振周期，ILR再次谐振到Io，UCR上升到最大值，而ICR 为零，S2关断，UCR和ILR将被保持，无法继续谐振。

3）保持阶段（S1导通、S2关断）：此状态保持时间由PWM电路要求而定，保持期间，Uin正常向负载以I0供电。

4）反向谐振阶段（S1导通-关断、S2导通）：当需要关断S1时，可以控制重新打开S2，此时在LR作用下，S2电流为0。谐振再次开始，当ILR反向谐振到0时， S1可在零电流零电压下完成关断。

5）恢复阶段（S1关断、S2导通）：此后，UCR 在Io作用下，衰减到0。

6）续流阶段（S1关断、S2导通-关断）：UCR衰减到0后，VD自然导通开始续流。由于VD的短路作用，S2可在此后至下一周期到来前以零压零电流方式完成关断。

可见，S1在前四个阶段（线性、谐振、保持）均导通，恢复及续流时关断。S2的作用主要是隔断谐振产生保持阶段。S1、S2的有效控制产生了PWM的效果，并利用谐振实现了自身的软开关。

该电路的开关管及二极管均在零电压或零电流条件下通断，主开关电压应力低，但电流应力大（谐振作用）。续流二极管电压应力大，而且谐振电感在主通路上，因而负载、输入等将影响ZCS工作状态。

2．零电压开关PWM变换器

LL LR VD2 VD3 I0 Uos S1 VD1 CR VD4 CS R0

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S2

图2-20：Boost型ZVS-PWM变换器

上面是Boost型零电压谐振变换器。在每次S1导通前，首先辅助开关管S2导通，使谐振电路起振。S1两端电压谐振为0后，开通S1。S1导通后，迅速关断S2，使谐振停止。此时，电路以常规PWM方式运行。同样，我们可以利用谐振再次关断S1，CR使得主开关管可以实现零关断。S1、S2的配合控制，实现软开关下的PWM调节。

该电路实现了主开关管的零压导通，且保持恒频率运行。在较宽的输入电压和负载电流范围内，可以满足ZVS条件二极管零电流关断。期缺点是辅助开关管不在软件开关条件下运行，但和主开关管相比，它只处理少量的谐振能量。

3．有源钳位的零电压开关PWM变换器 下图为有源钳位的ZVS开关PWM变换器，这是个隔离型降压变换器。其中，LR为变压器的漏电感，LM是变压器的激磁电感。CR为S1、S2的结电容。这个电路巧妙地利用电路的寄生LR、CR产生谐振而达到ZVS条件。同时，CR有电压钳位作用，防止S1在关断时过压。

这里的辅助开关S2同样是通过控制谐振时刻，来配合S1进行软开关。该电路具体工作过程从略。

LR CC Uos S2 S1 LM CS CR R0

图2-21：有源钳位ZVS-PWM正激变换器

（这个开关的课堂讲解略）。 二、PFM变换器

PFM是指通过调节脉冲频率（开关管的工作频率）来实现稳压输出的。它控制电路相对简单，但由于它工作频率不稳定，因此一般用于负载及输入电压相对稳定的场合。

1．Buck零电流开关变换器

VDS LR S1 L1 I0

CR VD C1 R0

Uos 图2-22：Buck型ZCS准谐振变换器 19