【正文】 DC/DC 和 AC/DC 兩種，是利用功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性進行功率的變換和調(diào)節(jié)。 開關(guān)電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小，效率可高達 70％－ 95％ ，穩(wěn)壓器體積小、重量輕，調(diào)整管功率損耗較小，散熱器也隨之減小。此外，開關(guān)頻率工作在幾十 kHz 或更高，濾波電感、 電容可用較小數(shù)值的元件，允許的環(huán)境溫度也可以大大提高。但是，由于調(diào)整元件的控制電路比較復(fù)雜，輸出的紋波電壓較高，瞬態(tài)響應(yīng)較差，所以開關(guān)電源的應(yīng)用也受到一定限制。 開關(guān)電源主要組成部分是 DC/DC 變換器，它類似于 “ 斬波 ” （ chop）作用，用一個半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，使帶有濾波器 （ L 或／和 C）的負載線路與直流電壓一會相接，一會斷開，則負載上也得到另一個直流電壓。 開關(guān)變換器可分為脈寬調(diào)制式 （ Pulse Width Modulation ）．頻率調(diào)制式（ Frequency Modulation）和調(diào)頻、調(diào) 寬相結(jié)合的混合調(diào)制式，其中脈寬調(diào)制 PWM變換器因工作原理簡單、易于控制、穩(wěn)定性高而一直處于主導(dǎo)地位。 直流變換器的分類 直流變換器按輸入與輸出間是否有電氣隔離可分為兩類：沒有電氣隔離的稱為不隔離的直流變換器，有電氣隔離的稱為有隔離的直流變換器。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 3 不隔離的直流變換器按所用有源功率器件的個數(shù)，可分為單管、雙管 和四管三類。單管直流變換器有八種，即降壓式 （ Buck）變換器、升壓式 （ Boost）變換器、升降壓式 （ BuckBoost）變換器、 Cuk變換器、Zeta 變換器、 Sepic 變換器、正激式 （ Forward）和反激式（ Flyback）等，其中降壓式和升壓式變換器是最基本的，另外幾種是從中派生的。雙管直流變換器有推挽式 （ Pushpull converter）和半橋式（ Halfbridge converter），四管直流變換器就是全橋直流變換器 （ Fullbridge converter）． 有隔離的直流變換器可以實現(xiàn)輸入與輸出間的電氣隔離，通常采用變 壓器實現(xiàn)隔離，變壓器本身具有變壓的功能，有利于擴大變換器的應(yīng)用范圍。變壓器的應(yīng)用還便于實現(xiàn)多路不同電壓或多路相同電壓的輸出。 直流變換器也可分為 自激式和他激式，借助于變換器本身的正反饋信號實現(xiàn)開關(guān)管自持周期性開關(guān)的變換器叫做自激式變換器，他激式直流變換器中開關(guān)器件控制信號由專門的控制電路產(chǎn)生。 按開關(guān)管的開關(guān)條件，直流變換器可分為硬開關(guān) （ Hard switching）和軟開關(guān) （ Soft swltching）兩種。硬開關(guān)直流變換器的開關(guān)器件是在承受電壓或流過電流的情況下接通或斷開電路的，因此在開通或關(guān)斷過程中伴隨著較大的損耗，即所謂的開關(guān)損耗 （ Swltching lose）。變換器工作狀態(tài)一定時，開關(guān)管開通或關(guān)斷一次的損耗也是一定的，因此開關(guān)頻率 越高，開關(guān)損耗越大。同時，開關(guān)過程中還會激起電路分布電感和寄生電容的振蕩，帶來附加損耗，因而硬開關(guān)直流變換器的開關(guān)頻率不能太高。軟開關(guān)直流變換器的開關(guān)管在開通或關(guān)斷過程中，或是加于其上的電壓為零，即零電壓開關(guān) （ ZVS），或是通過器件的電流為零，即零電流開關(guān) （ ZCS）。這種開關(guān)方式顯著的減少了開關(guān)損耗和開關(guān)過程中激起的振蕩，可以大幅度地提高開 關(guān)頻率，為變換器的小型化和模塊化創(chuàng)造了條件。 基本功率變換器 DC/DC 變換器廣泛應(yīng)用于開關(guān)穩(wěn)壓電源以及直流電動機的控制。圖 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 4 是 DC/DC 變換器系統(tǒng)框圖 。這類變換器的輸入常是不穩(wěn)定的直流電壓，通常是由工頻電源經(jīng)整流而獲得的，因此，它隨著工頻交流電源幅值變化而波動。采用開關(guān) DC/DC 變換器把不穩(wěn)定的直流輸入電壓變?yōu)樗蠓€(wěn)定的直流輸出電壓。 圖 DC/DC 變換器系 統(tǒng)框圖 基本 DC/DC 變換器有以下兩種類型：①降壓型 〔 buck）變換器； ②升壓型 （ boost）變換器：見圖 VSD CDLR VS TLDCR 圖 （ a） buck變換器； （ｂ） boost 變換器； 在 DC/DC 變換器中， P 即使輸入電壓寫負載 看瑟家雁菠藺蔽雁麗輸出電壓可控制為所期望的電壓。開關(guān)型 DC/DC 變換器是采用一個或多個開關(guān)把一種直流電壓變換為另一種直流電壓。如果變換器的輸入直流電壓給定，則可以控制開關(guān)的通斷時間來控制這個直流電壓流入負載的能量。開關(guān)型 DC/DC 變換器的基本電路及波形如圖 所示。如果開關(guān)導(dǎo)通時間設(shè)為 ton，關(guān)斷時間設(shè)為 tore，從波形圖中可看出，輸出的平均電壓 Vo大小取決于開關(guān)的通斷時間（ ton 和 toff）。 整理期 AC 電源 單項或三相 DC 不穩(wěn)壓 電容 濾波器 DC 不穩(wěn)壓 DC/DC 變換器 DC 穩(wěn)壓 負載 電池 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 5 R?47KVdRSt o n t o f fvdVo vo+voto （ａ）基本電路 （ｂ）工作波形。 圖 開關(guān)型 DC/DC 變換器 基本電路及工作波形 控制輸出電壓基本有三種方法： （ 1）保持開關(guān)工作頻率不變，即 Ts=ton+toff，保持恒定，控制開關(guān)導(dǎo)通時間 ton，稱為脈沖寬度調(diào)制型，即 PWM 型。 （ 2）保持開關(guān)導(dǎo)通時間不變，改變工作頻率，稱為脈沖頻率調(diào)制型。（ 3）開關(guān)頻率與導(dǎo)通時間均改變的控制方式．最常用的是 PWM調(diào)制型。因為采用頻率調(diào)制工作方式容易產(chǎn)生諧波干擾，而且濾波器設(shè)計比較困難。在 PWM 方式中，保持開關(guān)頻率恒定，常采用控制電壓信號 Vo。與重復(fù)波形比較來控制開關(guān)通斷狀態(tài)，如圖 所示?？刂齐妷盒盘?Vｃ通常是實際輸出電壓 與所期望的輸出電壓之差經(jīng)誤差放大器放大的信號，重復(fù)波形通常是峰值恒定且為設(shè)定的開關(guān)工作頻率的鋸齒波，頻率范圍為幾kHZ 到幾百 kHZ。由圖 （ b）可知，當(dāng)控制電壓信號 Vc 變大，則導(dǎo)通時間變寬，而 Vc 變小，則導(dǎo)通時間變窄。這樣，即可改變開關(guān)時間占空比 sCson VVTtD ?? 可以控制輸出電壓大小 。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 6 B I J I A OV0 （期望值）V0 （實際值）VC比較器開關(guān)控制信號重復(fù)信號放大器 (a) (b) 圖 脈寬調(diào)制方式 （ PWM） (a)方框圖；（ b）控制波形。 對直流開關(guān)電源的要求 電源是電子設(shè)備 正常工作的基本部件，有很高的要求，包括使用要求和電氣性能要求。使用要求是：高的可靠性、好的可維修性、小的體積重量、低的價格及使用費用和好的電器性能。減小損耗、提高效率和改善散熱條件，從而減小電源的溫度升高，是提高可靠性的基本方法．提高開關(guān)頻率是減小開關(guān)電源體積和重量的基本措施，因為變壓器和電感電容等儲t Vs Vc vs 導(dǎo)通 導(dǎo)通 關(guān)斷 關(guān)斷 ton toH 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 7 能濾波元件的體積和重量隨頻率的提高而減小。直流開關(guān)電源的電氣性能包括輸入特性、輸出特性、附加功能、電磁兼容性和噪聲容限。 直流開關(guān)電源的輸入電源有兩種：直流輸入和交流輸入。交流輸入時，交流電壓往往要先經(jīng)過整流濾 波變換成直流電壓后，再通過直流變換器轉(zhuǎn)變?yōu)樗摰闹绷麟妷?。直流輸入時，必須考慮電源電壓額定值及其變化范圍，輸入電流額定值及其變化范圍。 輸出參數(shù)有額定輸出電壓、電流、輸出電壓可變范圍，輸出電流變化范圍和輸出電壓的紋波。輸出電壓穩(wěn)壓精度是直流開關(guān)電源的重要技術(shù)指標，輸入電壓的變化、負載電流的變化、工作環(huán)境溫度的變化和工作時間的增長都會使輸出電壓變化。穩(wěn)壓精度包括電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率，電壓調(diào)整率是指當(dāng)輸出電流為整定值、電網(wǎng)電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化時，輸出電壓的變化量與輸出電壓整定值的比值；負載調(diào)整率是指當(dāng)輸入電 壓為整定值、負載在 0100％額定電流范圍內(nèi)變化時，輸出電壓的變化量與輸出電壓整定值的比值。 附加功能應(yīng)有輸出過壓、欠壓、過流、開路、短路等保護功能，以免損壞電源本身及用電設(shè)備。 直流開關(guān)電源的發(fā)展 高頻化、小型化、模塊化和智能化是直流開關(guān)電源的發(fā)展方向。高頻化是小型化和模塊化的基礎(chǔ)，目前開關(guān)頻率為數(shù)百 kHZ至數(shù) MHz的開關(guān)電源己有使用。功率重量比或功率體積比是表征電源小型化的重要指標，50Ｗ／ 3in 的開關(guān)電源早己上市，目前已向 120W／ 3in ＇發(fā)展。模塊化與小型化分不開，同時模塊化可顯著提高電源的可靠性和使用靈活性，簡化生產(chǎn)和使用。模塊電源的并聯(lián)、串聯(lián)和級聯(lián)既便于用戶使用，也便于生產(chǎn)。智能化是便于使用和維修的基礎(chǔ)，無人值守的電源機房、航空和航天器電源系統(tǒng)等都要求智能化，以實現(xiàn)正常、故障應(yīng)急和危急情況下對電源的自動管理 。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 8 2 單端反激式開關(guān)電源原理 直流開關(guān)電源是具有直流變換器且輸出電壓恒定或按要求變化的直流電源，其輸入為直流電，也可以是交流電。直流開關(guān)電源部分或全部具有以下特征：①電源電壓和負載在規(guī)定的范圍內(nèi)變化時 ，輸出電壓應(yīng)保持在允許的范圍內(nèi)或按要求變化；②輸出與輸入間有好的電氣隔離；③可以輸出單路或多路電壓，各路之間有電氣隔離。 單端反激式 （ Flyback）變換器的原理如圖 所示。單端是指高頻變壓器的鐵心工作在 BH 曲線的一側(cè)。反激是指當(dāng)開關(guān)管 BG 被 PWM 脈沖激勵而導(dǎo)通時，輸入電壓 U1 加在高頻變壓器Ｔ的原邊上，由于變壓器副邊整流二極管 D2 反偏，副邊上沒有電流流過，所以能量儲存在變壓器原邊的電感 L1 上，而輸出電壓靠電容 Co 的放電維持。當(dāng) BG關(guān)斷時， T副邊上的電壓極性顛倒，使 BG 導(dǎo)通期間儲存在 T 中的能量通過 D2 向負載和輸出電容 Co 釋放。 圖 單端反激式開關(guān)電源的原理電路 在 BG 導(dǎo)通期間儲存的磁能究竟在截止期間釋放多少？是 tu 正好釋放完，還是早已釋放完，還是沒有釋放完，這取決于 BG 截止時間 toff，的大小，由此可導(dǎo)出單端反激式變換器的三種工作狀態(tài)： 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 9 磁化電流臨界狀態(tài) 圖 toff=pIVoL 22時的電壓，電流。磁通波形 當(dāng) BG 的截止時間 t0 和繞組 N2 中電流 i2 衰減到零所需的時間相等時 ，即POoff IVLt 22?， PI2 。為 BG 截