1、电源系统的分类_电源技术概要 前言：电源是所有电器中都必须具备的重要部分，而且电源也是电器系统中承载功率最大的环节，因此对电源技术的研究始终都是电子电路研究的核心课题。我们试图在本站，通过一系列图文并茂的文章，通俗地讲述电源技术中最为重要的内容，提供给电器设计人员和维修人员参考。 一、 电源系统的类型： 1、按输出特性分类： 一般来说，电器系统中的电源，其任务就是为电器系统中的各种电路提供电能。由于电路的类型各易、功能有别，因此对电源供给也有不同的要求。这就给电源输出提出了各种各样的要求： 恒压电源：又叫稳压电源，要求输出电压值固定，不随负载、输入电压等外部工作条件而变化。同时对电源的最大输出
2、电流、最大输出功率、工作效率、输出电压稳定度（漂移）、纹波系数、电磁兼容EMC特性、温度效应、噪声、阻抗特性等都有特定的要求。 此类电源的应用最广，绝大多数的电子电路都需要电压稳定的电能供给，以至于很多人认为电源就是指稳压电源。 恒流电源：要求能够在一定的负载变化范围内，提供稳定的电流输出。同时对最高输出电压、最大输出功率、工作效率、输出电压稳定度（漂移）、纹波系数、电磁兼容EMC特性、温度效应、噪声、阻抗特性等都有特定的要求。 此类电源一般只应用在一些特殊的场合，比如：电池充电电路。恒流电源还有一个比较特殊的用处，由于恒流电源具有极高的交流阻抗（理论值为）特性，因此在信号放大系统中也常常用它
3、来作为交流负载，即可以获得足够大的交流增益，还可以靠它为放大电路提供电能。 综合电源：一些特殊的应用，要求电源在不同的时候呈现恒压或恒流的特性。比如一些比较高级的电池充电器电源，在刚开始的时候采用恒流方式给电池充电，当充电接近完成时，自动转换成为恒压方式充电。 2、按输入输出电量类型分类： PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 我们最容易获得的，而且是最廉价的电能是220V工频的交流电，因此多数的电器都被设计成为能够使用这种交流电；一些便携式电器设备，如移动电话，笔记本电脑等，为了移动方便，使用了电池供电，电池的输出是低压直流电。但是，电器中几乎全部的电子电路，都只
4、能在特定电压的直流供电状态下工作。因此，这就带来了交流电（AC）与直流电（DC）之间的转化问题，以及交流电压、直流电压的高低变换问题，于是我们按照电源的输入输出电量类型关系，可以把电源分为以下类型： 普通电源（AC/DC）：输入非稳定的220V工频交流电，输出为较低电压的稳定直流电。 直流变换器（DC/DC）：输入非稳定的直流电，输出为稳定的更高电压，或者更低电压的直流电。 交流逆变器（DC/AC）：输入非稳定的直流电，输出稳定的220V工频交流电。此类电源常用在交通工具上，用来使蓄电池对常规电器设备（电视、录象机等）供电。 交流稳压器（AC/AC）：输入非稳定的220V工频交流电，输出稳定2
5、20V工频交流电。 组合电源：以上类型电源的组合。比如应急电源UPS就是AC/DC电源与DC/AC电源的组合。 3、按电源主回路的联接方式分类： 无论是什么类型的电源，都是通过某种方式对输出端的电压或者电流进行特定的操作。比如DC/DC是对输出电压的幅度进行调整，其实稳压的过程实质也是调整输出电压值，通过电压反馈的方式调整输出电压，使其稳定在某一个数值上。而“调整”最终都需要由调整器件来完成。 电源主回路的联接关系，实际上就是：输入端、调整器件、负载（输出端）三者的联接关系。 串联式电源：主要特征是调整器件与负载为串联联接，如下图所示。其中，三极管VT为调整器件，RL为负载。 PDF 文件使用
6、 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 并联式电源：主要特征是调整器件与负载为并联联接，如下图所示。其中，三极管VT为调整器件，RL为负载，R为限流电阻。 4、按调整器件的工作方式分类： 调整器件是通过改变电荷的通过数量，来达到调整或者稳定负载（输出）端电压或者电流的目的，而调整的方法有两种，一种是限制电流大小的方式，另一种是限制导通时间的方式： 模拟方式：通过改变调整器件的阻抗，限制电流大小，从而达到调整目的，由于调整器件处于连续导电状态，工作于线性模式，因此称为“模拟方式”，也叫模拟电源。 高速开关方式：通过改变调整器件的导通时间，限制平均电流的大小，从而达到调整目的，由于调整器
7、件处于高速通断的开关导电状态，工作于开关模式，因此称为“开关方式”，也叫开关电源。 下图是串联型和并联型开关电源主回路的原理示意，并联型结构，能够得到UoUi的升压型DC/DC变换；串联型结构，能够得到UoUi的降压型DC/DC变换。以后我们将更详细地分析电路的工作原理。 开关电源最大的优点是效率极高，由于调整器件无论处于通电状态（端电压等于零），还是处于关断状态（电流等于零），都不消耗能量，因此，理论上可以做到100%PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 的工作效率，实际也可以达到80%以上。而模拟电源是绝对达不到如此高的工作效率。因此开关电源成为现代电子电源的主
8、流发展方向。 5、按调整器件的类型分类： 电源中的调整器件是组成电源系统的关键。半导体双极型功率三极管（普通功率三极管）、功率场效应管、可控硅器件、电子真空管、半导体稳压二极管、饱和电感器辉光放电管等都可以作为电源系统的调整器件，因此可以有以下一些电源的种类： 双极型半导体电源； 场效应管电源； 真空管电源； 其他类型电源。 在现代电源系统中，前面两类为主流类型。 此外还有许多的分类方法，如：反馈型与参数型、稳定输出型与非稳定输出型、标准输出波形（指AC输出）与非标准波形电源、隔离与非隔离型电源，等等，将在后面的文章中分别介绍。 电源系统中的单元电路_电源技术概要 在电源技术概要中，我们介绍了
9、电器系统中使用的各式各样的电源。使我们感到要深入研究，或者全面掌握电源技术似乎比较困难。其实我们可以换一个思路，尽管电源的类别很多，但是各数类型的电源，都可以看成是由一些功能模块（或者称为单元电路，下同）组合而成，而这些组成电源的功能模块其实数量并不多，只要清楚了这些单元电路的工作原理和结构特征，就很容易全面掌握电源技术要领。本节将首先简要说明这些单元电路的基本作用、基本原理。更详细的细节知识，设计要求，以及如何通过这些单元电路组成我们需要的电源系统，等等问题将在后面的文章中专门探讨。 二、电源系统基本单元电路介绍 1、 整流与滤波电路（AC/DC） 整流电路的作用就是将极性双向变化的交流电或
10、者双向脉冲电，转变成为单向脉冲电，单向脉冲电再经过滤波电路的积分作用就成为直流电。因此整流和滤波电路的共同作用，才能完成了交流电到直流电的转化。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 普通二极管的单向导电性，是构成基本整流电路的基础。以下是三种二极管整流电路原理图，它们分别是：半波整流、全波整流、桥式整流。 二极管的参数（型号）依工作电压和最大输出功率确定，如果所整流的对象是非50HZ交流电或者是非正弦波脉冲，还需要考虑二极管的频率特性（开关特性）。 下图是一种可以同时输出两种电压的特殊整流电路，此电路常常使用在需要适应两种不同标准（美国标准110V，中国标准220
11、V）工频电压的电器中。 还可以通过多级倍压的方法获得更高的整流输出直流电压，如下图所示： 此外，也可以使用可控硅器件，构成输出电压连续可调的整流电路。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 图中，通过改变每一个正弦周期中可控硅的触发时间，控制导通角，达到调整输出电压的目的。 还可以使用工作于开关状态的功率场效应管构成开关同步整流电路。由于在大电流工作状态下，场效应比二极管的导通电压更低，开关特性更好，因此同步整流电路比较适合用在大电流低电压的高频脉冲整流中。下图是使用了两只场效应管（SR1、SR2）构成的自驱动同步整流电路。 下图是由MAX1638构成的直流变换器电
12、路，其中输出端采用了同步整流为外驱动方式。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 2、 线性稳压电路 下图是最基本的串联型反馈式线性稳压电路的原理图。其中，VZ是是普通的稳压二极管，用来产生基准电压，T1是调整管，R1、R2构成对输出电压的取样电路。 串联型反馈式线性稳压电路的稳压过程是：输出电压取样，与基准电压比较，获得输出电压的误差量，对调整器件实施反馈控制，改变其电流导通量，达到修正输出电压的目的，属于电压型负反馈类型。 3、 开关稳压电路 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 开关稳压电源的控制方式，也是采用了与线性稳压电源相同的
13、电压型负反馈类型，也分为串联和并联两种类型。最大的区别是：调整器件工作于高频率的通断状态，通过改变通断的时间比例（脉冲占空比），来改变平均电流值，达到修正输出电压的目的。基本原理参见以下方框图。 4、 恒流输出的方法及电路 所谓恒流输出是指，当输入电压或者负载阻抗在一定范围内变化时，电源能够保持对负载的输出电流恒定不变。实现恒流输出的基本方法是采取电流反馈。下图所示是线性恒流电源的组成方框图，同样可以采用与开关稳压电源类似的调整方式，实现电源恒流输出。 5、 直流电压变换（DC/DC）方法 电压变换是指电压高低的变换，即升压或者降压。交流电压的升降变换，一般通过普通的变压器就可以完成。而直流电
14、压不能够简单地直接变换，需要通过功率脉冲振荡器，先将直流电转变成为脉冲交流电，再通过脉冲变压器升压或者降压，最后经过整流滤波电路还原成为直流电，它实际上属于开关电源的一种类型。 在高压大功率应用场合。为了减小高压大功率变换器开关器件的电压应力，提出了三电PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 平直流变换器的方案，该方法可使开关管的电压应力是输入直流电压的一半。其变换过程如下图所示： 选用高的振荡频率，有助于大幅度减少脉冲变压器的体积，但却带来了对功率开关调整器件频率特性的更高要求，也加大了EMC设计的难度。所以一般选择几十千赫兹到兆赫兹范围的振荡频率。 6、 逆变（D
15、C/AC）方法 逆变就是把直流电转变成为工频交流电。最简单直接的逆变方法，就是使用工频正弦波信号去驱动低频功率放大器，从放大器输出端获得工频交流电，再经过普通铁磁变压器获得所需要的电压值。这种方法的主要缺点是，成本高、转化效率低、输出功率有限。 具体的应用示例请参阅本站较早的文章：产生交流110V（60Hz）测试用电源的简单方法 现代逆变器多数采用了PWM（脉冲宽度调制）技术，获得大功率、高效率的交流逆变输出，基本工作原理如下图左所示，下图右是脉冲变压器付边的电流、电压波形。 7、变压器及电源隔离技术 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 变压器是电源系统中不可缺少
16、的主要部件，铁磁变压器笨重，用于变换工频交流电的电压；铁氧体材料的脉冲变压器轻巧、低成本，适合用来变换高频率的脉冲电压。变压器原边与付边之间是通过磁场传递能量，原边与付边之间没有电接触，因此在电源系统中，变压器还有一个重要的作用，就是实现原边与付边的电隔离。下图是使用TOP202Y构成的小功率低输出电压开关电源原理图，其中通过脉冲变压器以及光电偶合器，实现了输入输出的完全隔离。 同步整流电路分析_电源技术概要 一、传统二极管整流电路面临的问题 近年来，电子技术的发展，使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。低电压工作有利于降低电路的整体功率消耗，但也给电源设计提出了新的难题。 开关电源的损耗
17、主要由3部分组成：功率开关管的损耗，高频变压器的损耗，输出端整流管的损耗。在低电压、大电流输出的情况下，整流二极管的导通压降较高，输出端整流管的损耗尤为突出。快恢复二极管（FRD）或超快恢复二极管（SRD）可达1.01.2V，即使采用低压降的肖特基二极管（SBD），也会产生大约0.6V的压降，这就导致整流损耗增大，电源效率降低。 举例说明，目前笔记本电脑普遍采用3.3V甚至1.8V或1.5V的供电电压，所消耗的电流可达20A。此时超快恢复二极管的整流损耗已接近甚至超过电源输出功率的50。即使采用肖特基二极管，整流管上的损耗也会达到（1840）PO，占电源总损耗的PDF 文件使用 “pdfFac
18、tory Pro“ 试用版本创建 60以上。因此，传统的二极管整流电路已无法满足实现低电压、大电流开关电源高效率及小体积的需要，成为制约DCDC变换器提高效率的瓶颈。 二、同步整流的基本电路结构 同步整流是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高DCDC变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。功率MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。 1、基本的变压器抽头方式双端自激、隔离式降压同步整流电路
19、 2、单端自激、隔离式降压同步整流电路 图1 单端降压式同步整流器的基本原理图 基本原理如图1所示，V1及V2为功率MOSFET，在次级电压的正半周，V1导通，V2关断，V1起整流作用；在次级电压的负半周，V1关断，V2导通，V2起到续流作用。同步整PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 流电路的功率损耗主要包括V1及V2的导通损耗及栅极驱动损耗。当开关频率低于1MHz时，导通损耗占主导地位；开关频率高于1MHz时，以栅极驱动损耗为主。 3、半桥他激、倍流式同步整流电路 图2 单端降压式同步整流器的基本原理图 该电路的基本特点是： 1）变压器副边只需一个绕组，与中间抽
20、头结构相比较，它的副边绕组数只有中间抽头结构的一半，所以损耗在副边的功率相对较小； 2）输出有两个滤波电感，两个滤波电感上的电流相加后得到输出负载电流，而这两个电感上的电流纹波有相互抵消的作用，所以，最终得到了很小的输出电流纹波； 3）流过每个滤波电感的平均电流只有输出电流的一半，与中间抽头结构相比较，在输出滤波电感上的损耗明显减小了； 4）较少的大电流连接线（high current inter-connection），在倍流整流拓扑中，它的副边大电流连接线只有2路，而在中间抽头的拓扑中有3路； 5）动态响应很好。 它唯一的缺点就是需要两个输出滤波电感，在体积上相对要大些。但是，有一种叫集成
21、磁（integrated magnetic）的方法，可以将它的两个输出滤波电感和变压器都集成到同一个磁芯内，这样可以大大地减小变换器的体积。 三、电路实例分析 16.5W同步整流式DCDC电源变换器的设计 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 下面介绍一种正激、隔离式16.5WDCDC电源变换器，它采用DPASwitch系列单片开关式稳压器DPA424R，直流输入电压范围是3675V，输出电压为3.3V，输出电流为5A，输出功率为16.5W。采用400kHz同步整流技术，大大降低了整流器的损耗。当直流输入电压为48V时，电源效率=87。变换器具有完善的保护功能，包括
22、过电压欠电压保护，输出过载保护，开环故障检测，过热保护，自动重启动功能、能限制峰值电流和峰值电压以避免输出过冲。 由DPA424R构成的16.5W同步整流式DCDC电源变换器的电路如图6所示。与分立元器件构成的电源变换器相比，可大大简化电路设计。由C1、L1和C2构成输入端的电磁干扰（EMI）滤波器，可滤除由电网引入的电磁干扰。R1用来设定欠电压值（UUV）及过电压值（UOV），取R1=619k时，UUV=619k50A2.35V=33.3V，UOV=619k135A2.5V=86.0V。当输入电压过高时R1还能线性地减小最大占空比，防止磁饱和。R3为极限电流设定电阻，取R3=11.1k时，所
23、设定的漏极极限电流ILIMIT=0.6ILIMIT=0.62.50A=1.5A。电路中的稳压管VDZ1（SMBJ150）对漏极电压起箝位作用，能确保高频变压器磁复位。 图6 16.5W同步整流式DCDC电源变换器的电路 该电源采用漏源通态电阻极低的SI4800型功率MOSFET做整流管，其最大漏源电压UDS(max)=30V，最大栅源电压UGS(max)=20V，最大漏极电流为9A（25）或7A（70），峰值漏极电流可达40A，最大功耗为2.5W（25）或1.6W（70）。SI4800的导通时间PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 tON=13ns（包含导通延迟时间
24、td(ON)=6ns，上升时间tR=7ns），关断时间tOFF=34ns（包含关断延迟时间td(OFF)=23ns，下降时间tF=11ns），跨导gFS=19S。工作温度范围是55150。SI4800内部有一只续流二极管VD，反极性地并联在漏源极之间（负极接D，正极接S），能对MOSFET功率管起到保护作用。VD的反向恢复时间trr=25ns。 功率MOSFET与双极型晶体管不同，它的栅极电容CGS较大，在导通之前首先要对CGS进行充电，仅当CGS上的电压超过栅源开启电压UGS(th)时，MOSFET才开始导通。对SI4800而言，UGS(th)0.8V。为了保证MOSFET导通，用来对CGS
25、充电的UGS要比额定值高一些，而且等效栅极电容也比CGS高出许多倍。 SI4800的栅源电压（UGS）与总栅极电荷（QG）的关系曲线如图7所示。由图7可知 QG=QGSQGDQOD（1） 式中：QGS为栅源极电荷； QGD为栅漏极电荷，亦称米勒（Miller）电容上的电荷； QOD为米勒电容充满后的过充电荷。 图7 SI4800的UGS与QG的关系曲线 当UGS=5V时，QGS=2.7nC，QGD=5nC，QOD=4.1nC，代入式（1）中不难算出，总栅极电荷QG=11.8nC。 等效栅极电容CEI等于总栅极电荷除以栅源电压，即 CEI=QGUGS（2） PDF 文件使用 “pdfFactor
26、y Pro“ 试用版本创建 将QG=11.8nC及UGS=5V代入式（2）中，可计算出等效栅极电容CEI=2.36nF。需要指出，等效栅极电容远大于实际的栅极电容（即CEICGS），因此，应按CEI来计算在规定时间内导通所需要的栅极峰值驱动电流IG（PK）。IG（PK）等于总栅极电荷除以导通时间，即 IG=QGtON（3） 将QG=11.8nC，tON=13ns代入式（3）中，可计算出导通时所需的IG(PK)=0.91A。 同步整流管V2由次级电压来驱动，R2为V2的栅极负载。同步续流管V1直接由高频变压器的复位电压来驱动，并且仅在V2截止时V1才工作。当肖特基二极管VD2截止时，有一部分能量
27、存储在共模扼流圈L2上。当高频变压器完成复位时，VD2续流导通，L2中的电能就通过VD2继续给负载供电，维持输出电压不变。辅助绕组的输出经过VD1和C4整流滤波后，给光耦合器中的接收管提供偏置电压。C5为控制端的旁路电容。上电启动和自动重启动的时间由C6决定。 输出电压经过R10和R11分压后，与可调式精密并联稳压器LM431中的2.50V基准电压进行比较，产生误差电压，再通过光耦合器PC357去控制DPA424R的占空比，对输出电压进行调节。R7、VD3和C3构成软启动电路，可避免在刚接通电源时输出电压发生过冲现象。刚上电时，由于C3两端的电压不能突变，使得LM431不工作。随着整流滤波器输
28、出电压的升高并通过R7给C3充电，C3上的电压不断升高，LM431才转入正常工作状态。在软启动过程中，输出电压是缓慢升高的，最终达到3.3V的稳定值。 四、用于同步整流的功率MOSFET最新进展 为满足高频、大容量同步整流电路的需要，近年来一些专用功率MOSFET不断问世，典型产品有FAIRCHILD公司生产的NDS8410型N沟道功率MOSFET，其通态电阻为0.015。Philips公司生产的SI4800型功率MOSFET是采用TrenchMOSTM技术制成的，其通、断状态可用逻辑电平来控制，漏源极通态电阻仅为0.0155。IR公司生产的IRL3102（20V61A）、IRL2203S（3
29、0V116A）、IRL3803S（30V100A）型功率MOSFET，它们的通态电阻分别为0.013、0.007和0.006，在通过20A电流时的导通压降还不到0.3V。这些专用功率MOSFET的输入阻抗高，开关时间短，现已成为设计低电压、大电流功率变换器的首选整流器件。 最近，国外IC厂家还开发出同步整流集成电路（SRIC）。例如，IR公司最近推出的IR1176就是一种专门用于驱动N沟道功率MOSFET的高速CMOS控制器。IR1176可不依赖于初级侧拓扑而单独运行，并且不需要增加有源箝位（active clamp）、栅极驱动PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建
30、补偿等复杂电路。IR1176适用于输出电压在5V以下的大电流DCDC变换器中的同步整流器，能大大简化并改善宽带网服务器中隔离式DCDC变换器的设计。IR1176配上IRF7822型功率MOSFET，可提高变换器的效率。当输入电压为48V，输出为1.8V、40A时，DCDC变换器的效率可达86，输出为1.5V时的效率仍可达到85。 4 结语 在设计低电压、大电流输出的DCDC变换器时，采用同步整流技术能显著提高电源效率。在驱动较大功率的同步整流器时，要求栅极峰值驱动电流IG(PK)1A时，还可采用CMOS高速功率MOSFET驱动器，例如Microchip公司开发的TC4426ATC4428A。
31、本文参考文献： 同步整流技术及其在DCDC变换器中的应用河北科技大学 沙占友，王彦朋，于鹏 倍流同步整流在DC/DC变换器中工作原理分析浙江大学电气工程学院 蔡拥军，叶欣 有源箝位ZVS-PWM控制串联谐振变换器中提高同步整流效率的研究21icbbs讨论区 开关电源主回路拓扑结构概述_电源技术概要 主回路开关电源中，功率电流流经的通路。主回路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器件，以及供电输入端和负载端。 开关电源（直流变换器）的类型很多，在研究开发或者维修电源系统时，全面了解开关电源主回路的各种基本类型，以及工作原理，具有极其重要的意义。 开
32、关电源主回路可以分为隔离史与非隔离式两大类型。 一、 非隔离式电路的类型： 非隔离输入端与输出端电气相通，没有隔离。 1、串联式结构 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 串联在主回路中开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。 开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电，当开关管T关断时，电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。 串联式结
33、构，只能获得低于输入电压的输出电压，因此为降压式变换。 2、并联式结构 并联在主回路中，相对于输入端而言，开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输出端负载成并联连接的关系。 开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载R靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，输入端电源电压与电感器L中的自感电动势正向叠加后，通过续流二极管D对负载R供电，并同时对电容器C充电。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 由此可见，并联式结构中，可以获得高于输入电压的输出电压，因此为升压式变换。并且
34、为了获得连续的负载电流，并联结构比串联结果对输出滤波电容C的容量有更高的要求。 3、极性反转型变换器结构 极性反转输出电压与输入电压的极性相反。电路的基本结构特征是：在主回路中，相对于输入端而言，电感器L与负载成并联。 开关管T交替工作于通/断两种状态，工作过程与并联式结构相似，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载RL靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，电感器L中的自感电动势通过续流二极管D对负载RL供电，并同时对电容器C充电；由于续流二极管D的反向极性，使输出端获得相反极性的电压输出。 二、隔离式电路的类型： 隔离输入端与
35、输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量，输入输出完全电气隔离。 1、 单端正激式 单端通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器； 正激脉冲变压器的原/付边相位关系，确保在开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边同时对负载供电。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 该电路的最大问题是：开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管关断时，脉冲变压器处于“空载”状态，其中储存的磁能将被积累到下一个周期，直至电感器饱和，使开关器件烧毁。图中的D3与N3构成的磁通复位电路，提供了泄放多余磁能的渠道。 2、 单端反激式 反激式电路与正激式电路相反，脉冲变压器的原/付
36、边相位关系，确保当开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边不对负载供电，即原/付边交错通断。脉冲变压器磁能被积累的问题容易解决，但是，由于变压器存在漏感，将在原边形成电压尖峰，可能击穿开关器件，需要设置电压钳位电路予以保护D3、N3构成的回路。从电路原理图上看，反激式与正激式很相象，表面上只是变压器同名端的区别，但电路的工作方式不同，D3、N3的作用也不同。 3、 推挽（变压器中心抽头）式 这种电路结构的特点是：对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断，工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“
37、试用版本创建 主要优点：高频变压器磁芯利用率高（与单端电路相比）、电源电压利用率高（与后面要叙述的半桥电路相比）、输出功率大、两管基极均为低电平，驱动电路简单。 主要缺点：变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高（至少是电源电压的两倍）。 4、 全桥式 这种电路结构的特点是：由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边。 图中T1、T4为一对，由同一组信号驱动，同时导通/关端；T2、T3为另一对，由另一组信号驱动，同时导通/关端。两对开关管轮流通/断，在变压器原边线圈中形成正/负交变的脉冲电流。 主要优点：与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半。 主要缺点：使用的开关管
38、数量多，且要求参数一致性好，驱动电路复杂，实现同步比较困难。这种电路结构通常使用在1KW以上超大功率开关电源电路中。 5、 半桥式 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 电路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只开关管（T3、T4）换成了两只等值大电容C1、C2。 主要优点：具有一定的抗不平衡能力，对电路对称性要求不很严格；适应的功率范围较大，从几十瓦到千瓦都可以；开关管耐压要求较低；电路成本比全桥电路低等。这种电路常常被用于各种非稳压输出的DC变换器，如电子荧光灯驱动电路中。 开关电源保护电路_电源技术概要 摘要：为使开关电源在恶劣环境及突发故障状况下安全可靠，提出
39、了几种实用的保护电路，并对电路的工作原理进行了详尽分析。 关键词：开关电源；保护电路；可靠性 1 引言 评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、欠压、过热、过流、短路、缺相等保护电路。 2 开关电源常用的几种保护电路 2.1 防浪涌软启动电路 开关电源的输入电路大都采用电容滤波型整流电路，在进线电源合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器充电瞬间会形成很大的浪涌电流，特别是大功率开关电源，采用容量较大的滤波电容器，使浪涌电流达100A以
40、上。在电源接通瞬间如此大的浪涌电流，重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏；轻PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 者也会使空气开关合不上闸。上述现象均会造成开关电源无法正常工作，为此几乎所有的开关电源都设置了防止流涌电流的软启动电路，以保证电源正常而可靠运行。 图1是采用晶闸管V和限流电阻R1组成的防浪涌电流电路。在电源接通瞬间，输入电压经整流桥（D1D4）和限流电阻R1对电容器C充电，限制浪涌电流。当电容器C充电到约80额定电压时，逆变器正常工作。经主变压器辅助绕组产生晶闸管的触发信号，使晶闸管导通并短路限流电阻R1，开关电源处于正常运
41、行状态。 图1 采用晶闸管和限流电阻组成的软启动电路 图2是采用继电器K1和限流电阻R1构成的防浪涌电流电路。电源接通瞬间，输入电压经整流（D1D4）和限流电阻R1对滤波电容器C1充电，防止接通瞬间的浪涌电流，同时辅助电源Vcc经电阻R2对并接于继电器K1线包的电容器C2充电，当C2上的电压达到继电器K1的动作电压时，K1动作，其触点K1.1闭合而旁路限流电阻R1，电源进入正常运行状态。限流的延迟时间取决于时间常数（R2C2），通常选取为0.30.5s。为了提高延迟时间的准确性及防止继电器动作抖动振荡，延迟电路可采用图3所示电路替代RC延迟电路。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pr
42、o“ 试用版本创建 图2 采用继电器K1和限流电阻构成的软启动电路 图3 替代RC的延迟电路 2.2 过压、欠压及过热保护电路 进线电源过压及欠压对开关电源造成的危害，主要表现在器件因承受的电压及电流应力超出正常使用的范围而损坏，同时因电气性能指标被破坏而不能满足要求。因此对输入电源的上限和下限要有所限制，为此采用过压、欠压保护以提高电源的可靠性和安全性。 温度是影响电源设备可靠性的最重要因素。根据有关资料分析表明，电子元器件温度每升高2，可靠性下降10，温升50时的工作寿命只有温升25时的1/6，为了避免功率器件过热造成损坏，在开关电源中亦需要设置过热保护电路。 图4是仅用一个4比较器LM3
43、39及几个分立元器件构成的过压、欠压、过热保护电路。取样电压可以直接从辅助控制电源整流滤波后取得，它反映输入电源电压的变化，比较器共用一个基准电压，N1.1为欠压比较器，N1.2为过压比较器，调整R1可以调节过、欠压的动作阈值。N1.3为过热比较器，RT为负温度系数的热敏电阻，它与R7构成PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 分压器，紧贴于功率开关器件IGBT的表面，温度升高时，RT阻值下降，适当选取R7的阻值，使N1.3在设定的温度阈值动作。N1.4用于外部故障应急关机，当其正向端输入低电平时，比较器输出低电平封锁PWM驱动信号。由于4个比较器的输出端是并联的，无
44、论是过压、欠压、过热任何一种故障发生，比较器输出低电平，封锁驱动信号使电源停止工作，实现保护。如将电路稍加变动，亦可使比较器输出高电平封锁驱动信号。 图4 过压、欠压、过热保护电路 2.3 缺相保护电路 由于电网自身原因或电源输入接线不可靠，开关电源有时会出现缺相运行的情况，且掉相运行不易被及时发现。当电源处于缺相运行时，整流桥某一臂无电流，而其它臂会严重过流造成损坏，同时使逆变器工作出现异常，因此必须对缺相进行保护。检测电网缺相通常采用电流互感器或电子缺相检测电路。由于电流互感器检测成本高、体积大，故开关电源中一般采用电子缺相保护电路。图5是一个简单的电子缺相保护电路。三相平衡时，R1R3结
45、点H电位很低，光耦合输出近似为零电平。当缺相时，H点电位抬高，光耦输出高电平，经比较器进行比较，输出低电平，封锁驱动信号。比较器的基准可调，以便调节缺相动作阈值。该缺相保护适用于三相四线制，而不适用于三相三线制。电路稍加变动，亦可用高电平封锁PWM信号。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 图5 三相四线制的缺相保护电路 图6是一种用于三相三线制电源缺相保护电路，A、B、C缺任何一相，光耦器输出电平低于比较器的反相输入端的基准电压，比较器输出低电平，封锁PWM驱动信号，关闭电源。比较器输入极性稍加变动，亦可用高电平封锁PWM信号。这种缺相保护电路采用光耦隔离强电，
46、安全可靠，RP1、RP2用于调节缺相保护动作阈值。 图6 三相三线制的缺相保护电路 2.4 短路保护 开关电源同其它电子装置一样，短路是最严重的故障，短路保护是否可靠，是影响开关电源可靠性的重要因素。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）兼有场效应晶体管输入阻抗高、驱动功率小和双极型晶体管电压、电流容量大及管压降低的特点，是目前中、大功率开关电源最普遍使用的电力电子开关器件。IGBT能够承受的短路时间取决于它的饱和压降和短路电流的大小，一般仅为几s至几十s。短路电流过大不仅使短路承受时间缩短，而且使关断时电流下降率di/dt过大，由于漏感及引线电感的存在，导致IGBT集电极过电压，该过电压可在器件内部
47、产生擎住效应使IGBT锁定失效，同时高的过电压会使IGBT击穿。因此，当出现短路过流时，必须采取有效的保护措施。 为了实现IGBT的短路保护，则必须进行过流检测。适用IGBT过流检测的方法，通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的电流Ic，然后与设定的阈值比较，用比较器的输出去控制驱动信号的关断；或者采用间接电压法，检测过流时IGBT的电压降Vce，因为管压降含有短路电流信息，过流时Vce增大，且基本上为线性关系，检测过流时的Vce并与设定的阈值进行比较，比较器的输出控制驱动电路的关断。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 在短路电流出现时，为了避免关断电流的di/dt过大形成过电压，导致IGBT锁定无效和损坏，以及为了降低电磁干扰，通常采用软降栅压和软关断综合保护技术。在检测到过流信号后首先是进入降栅保护程序，以降低故障电流的幅值，延长IGBT的短路承受时间。在降栅动作后，设定一个固定延迟时间用以判断故障电流的真实性，如在延迟时间内故障消失则栅压自动恢复，如故障仍然存在则进行软关断程序，使栅压降至0V以下，关断IGBT的驱动信号。由于在降栅压程序阶段集电极电流已减小，故软关断时不会出现过大的短路电流下降率和过高的过电压。采用软
