單端變換器基本原理與設(shè)計制作

目錄
前言

第1章　開關(guān)電源的發(fā)展歷程 ………………………………………………… 1
1.1　開關(guān)電源已有百年以上的歷史 ………………………………………………… 1
1.2　最早的“開關(guān)電源”是汽車發(fā)動機(jī)火花塞的高壓電路 ……………………… 1
1.3　汽車收音機(jī)需要機(jī)械式逆變器獲得高壓直流電 ……………………………… 1
1.4　顯像管式電視機(jī)通過行逆程變換器獲得第二陽極的高壓直流電 …………… 2
1.5　超小型計算機(jī)需要無工頻變壓器的開關(guān)電源 ………………………………… 2
1.6　為什么要提高效率 ……………………………………………………………… 3
1.7　非穩(wěn)壓應(yīng)用時的 DC-DC變換器不需要穩(wěn)壓功能 ……………………………… 3
1.8　電磁干擾問題 …………………………………………………………………… 4
1.9　減小待機(jī)損耗 …………………………………………………………………… 4
1.10　如何進(jìn)一步降低開關(guān)電源的損耗 ……………………………………………… 5
1.11　開關(guān)電源的延伸 ………………………………………………………………… 5

第 2章　基本 DC-DC變換器概述 ……………………………………………… 7
2.1　DC-DC變換器是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的基石 …………………………………… 7
2.2　在直流功率變換中，DC-DC變換器可以起到交流電變換的變壓器作用 …… 7
2.3　基本 DC-DC變換器的電路運(yùn)行原理與電磁能量轉(zhuǎn)換原理 …………………… 8

第 3章　降壓型變換器 ………………………………………………………… 10
3.1　降壓型變換器概述 ……………………………………………………………… 10
3.2　電路的推導(dǎo) ……………………………………………………………………… 10
3.2.1　直流電壓的切割 ………………………………………………………… 10
3.2.2　直流脈沖串的平滑—低通濾波器 …………………………………… 11
3.2.3　線性低通濾波器在非線性電路中的問題 ……………………………… 11
3.2.4　非線性電路中實際的低通濾波器 ……………………………………… 12
3.3　電路運(yùn)行原理與電磁能量轉(zhuǎn)換原理 …………………………………………… 13
3.3.1　開關(guān)管導(dǎo)通期間 ………………………………………………………… 13
3.3.2　開關(guān)管關(guān)斷、二極管續(xù)流期間 ………………………………………… 13
3.4　由波形導(dǎo)出的定量關(guān)系 ………………………………………………………… 14
3.4.1　開關(guān)管、續(xù)流二極管承受的電流、電壓 ……………………………… 14
3.4.2　由能量守恒原理推導(dǎo)電流連續(xù)狀態(tài)下的輸入輸出關(guān)系 ……………… 14
3.5　電流斷續(xù)下的輸入輸出電壓關(guān)系的推導(dǎo) ……………………………………… 15
3.6　降壓型變換器輸入旁路電容狀態(tài)的分析 ……………………………………… 16
3.6.1　輸出旁路電容電流的分析 ……………………………………………… 16
3.6.2　輸入旁路電容電流的分析 ……………………………………………… 17
3.7　本章小結(jié) ………………………………………………………………………… 18

第 4章　升壓型變換器 ………………………………………………………………………… 19
4.1　電路的推導(dǎo) ……………………………………………………………………… 19
4.1.1　反向電流的阻止 ………………………………………………………… 19
4.1.2　輸入向輸出提供電能的實現(xiàn) …………………………………………… 19
4.1.3　電感儲能的補(bǔ)充與控制 ………………………………………………… 20
4.2　電路運(yùn)行原理與電磁能量轉(zhuǎn)換原理 …………………………………………… 20
4.2.1　開關(guān)管導(dǎo)通期間 ………………………………………………………… 20
4.2.2　開關(guān)管關(guān)斷期間 ………………………………………………………… 21
4.2.3　開關(guān)管、二極管均為關(guān)斷期間 ………………………………………… 21
4.3　主要波形及定量分析 …………………………………………………………… 22
4.3.1　電感電流連續(xù)狀態(tài)的波形分析 ………………………………………… 22
4.3.2　主要參數(shù)的定量分析 …………………………………………………… 22
4.4　電感電流連續(xù)狀態(tài)下的輸入輸出電壓關(guān)系分析 ……………………………… 23
4.5　輸入 /輸出電容狀態(tài)的分析 …………………………………………………… 24
4.5.1　輸入電源旁路電容狀態(tài)的分析 ………………………………………… 24
4.5.2　輸出支撐電容狀態(tài)的分析 ……………………………………………… 25
4.6　電感電流斷續(xù)狀態(tài)下的輸入輸出電壓關(guān)系 …………………………………… 25
4.6.1　電感電流斷續(xù)狀態(tài)的波形分析 ………………………………………… 25
4.6.2　電流斷續(xù)狀態(tài)下輸入電容、輸出電容狀態(tài) …………………………… 26

第 5章　反激式變換器 ………………………………………………………… 28
5.1　電路的獲得 ……………………………………………………………………… 28
5.1.1　輸出反向電流的阻塞 …………………………………………………… 28
5.1.2　輸入電流與輸出電流共同通路的建立 ………………………………… 28
5.1.3　儲能元件的確定及完整電路 …………………………………………… 29
5.2　電路運(yùn)行原理與電磁能量轉(zhuǎn)換原理 …………………………………………… 29
5.2.1　開關(guān)管導(dǎo)通期間 ………………………………………………………… 30
5.2.2　開關(guān)管關(guān)斷期間 ………………………………………………………… 30
5.2.3　電感儲能完全釋放期間的電路狀態(tài) …………………………………… 30
5.2.4　電路特點 ………………………………………………………………… 31
5.3　電流連續(xù)狀態(tài)下主要波形與定量的關(guān)系 ……………………………………… 31
5.3.1　主要元器件參數(shù)的定量關(guān)系 …………………………………………… 31
5.3.2　輸入、輸出電壓關(guān)系的推導(dǎo) …………………………………………… 32
5.4　電感電流斷續(xù)狀態(tài)下主要波形與定量的關(guān)系 ………………………………… 33
5.4.1　電感電流斷續(xù)狀態(tài)下的主要波形 ……………………………………… 33
5.4.2　輸入輸出定量關(guān)系的分析 ……………………………………………… 33
5.4.3　電流斷續(xù)狀態(tài)下的開關(guān)管、阻塞二極管電壓、電流定量關(guān)系 ……… 34
5.5　輸入電容、輸出電容電流與輸入輸出電流的定量關(guān)系 ……………………… 35
5.5.1　電流連續(xù)狀態(tài)下的輸入電容電流 ……………………………………… 35
5.5.2　電流連續(xù)狀態(tài)下的輸出電容電流 ……………………………………… 35
5.5.3　電流斷續(xù)狀態(tài)下的輸入電容電流 ……………………………………… 35
5.5.4　電流斷續(xù)狀態(tài)下的輸出電容電流 ……………………………………… 36
5.6　本章小結(jié) ………………………………………………………………………… 36

第 6章　雙向變換器 …………………………………………………………… 37
6.1　雙向變換器的提出 ……………………………………………………………… 37
6.2　降壓型變換器與升壓型變換器組合形成雙向變換器 ………………………… 37
6.3　單向變換器如何變成雙向變換器 ……………………………………………… 38
6.3.1　單向變換器 ……………………………………………………………… 38
6.3.2　雙向變換器 ……………………………………………………………… 39
6.3.3　升壓型變換器的電能雙向傳輸 ………………………………………… 40
6.4　反激式雙向變換器 ……………………………………………………………… 40
6.5　雙向變換器的延伸—同步整流器 …………………………………………… 42
6.5.1　低壓整流電路需要低正向電壓整流器件 ……………………………… 42
6.5.2　利用開關(guān)器件實現(xiàn)低正向電壓整流器件 ……………………………… 42
6.5.3　同步整流器概念 ………………………………………………………… 44

第 7章　演化為隔離型 DC-DC變換器 ………………………………………… 45
7.1　基本變換器的等效變換 ………………………………………………………… 45
7.2　實現(xiàn)電氣隔離的幾種方法和可實現(xiàn)性 ………………………………………… 46
7.3　降壓型變換器輸入、輸出電氣隔離的實現(xiàn) …………………………………… 47
7.3.1　隔離邊界 ………………………………………………………………… 47
7.3.2　變壓器繞組帶有直流分量電壓產(chǎn)生的問題及變壓器插入位置的分析…………………………………………………… 48
7.4　變壓器的反向電壓 ……………………………………………………………… 49
7.4.1　變壓器的等效電路 ……………………………………………………… 49
7.4.2　變壓器勵磁電流的釋放與反向電壓的產(chǎn)生 …………………………… 50
7.5　RCD鉗位復(fù)位電路 ……………………………………………………………… 50
7.6　瞬變電壓抑制二極管復(fù)位電路的復(fù)位 ………………………………………… 51
7.7　復(fù)位繞組的復(fù)位 ………………………………………………………………… 52
7.8　雙管鉗位式復(fù)位方式 …………………………………………………………… 52
7.9　諧振式復(fù)位方式 ………………………………………………………………… 53
7.10　有源鉗位的復(fù)位方式 …………………………………………………………… 53
7.11　磁通復(fù)位問題 …………………………………………………………………… 55
7.12　輸出側(cè)直流分量的恢復(fù) ………………………………………………………… 56
7.13　降壓型變換器電氣隔離的延伸：隔離型橋式變換器 ………………………… 57
7.14　升壓型變換器輸入、輸出電氣隔離的實現(xiàn) …………………………………… 58
7.15　反激式變換器輸入、輸出電氣隔離的實現(xiàn) …………………………………… 59
7.15.1　flyback變換器的隔離型演化…………………………………………… 59
7.15.2　隔離型反激式變換器的延伸 …………………………………………… 59

第 8章　由基本 DC-DC變換器演化出級聯(lián)變換器 …………………………… 60
8.1　基本 DC-DC變換器級聯(lián)的基本思路 …………………………………………… 60
8.2　應(yīng)用升壓型、降壓型變換器級聯(lián)為 cuk變換器 ……………………………… 61
8.3　應(yīng)用升壓型、反激式變換器級聯(lián)為 SEPIC變換器 …………………………… 63
8.4　應(yīng)用反激式與降壓型變換器級聯(lián)為 zeta變換器 ……………………………… 66
8.5　反激式變換器與降壓型變換器的級聯(lián) ………………………………………… 68
8.5.1　級聯(lián)變換器的必要 ……………………………………………………… 68
8.5.2　反激式變換器與降壓型變換器的級聯(lián)演化過程 ……………………… 68
8.5.3　反激式變換器與降壓型變換器級聯(lián)相對反激式變換器的優(yōu)點 ……… 70
8.6　反激式變換器級聯(lián) ……………………………………………………………… 70
8.6.1　反激式變換器的級聯(lián)過程分析 ………………………………………… 70
8.6.2　反激式變換器級聯(lián)相對降壓型變換器的優(yōu)點 ………………………… 72
8.7　升壓型變換器級聯(lián) ……………………………………………………………… 72
8.7.1　用一只開關(guān)管實現(xiàn)的升壓型變換器級聯(lián) ……………………………… 72
8.7.2　用兩只開關(guān)管和同一個控制信號實現(xiàn)的升壓型變換器級聯(lián) ………… 74
8.7.3　升壓型變換器級聯(lián)小結(jié) ………………………………………………… 74
8.8　變換器單開關(guān)多輸出的演化 …………………………………………………… 74
8.8.1　cuk變換器與 SEPIC變換器組合構(gòu)成對稱輸出變換器 ……………… 74
8.8.2　flyback變換器與 zeta變換器組合演化為對稱輸出變換器 …………… 76
8.8.3　SEPIC變換器與 boost變換器組合演化為同極性多輸出變換器 ……… 76
8.9　基本變換器的變形演化 ………………………………………………………… 77
8.9.1　變換器的變形演化的目的 ……………………………………………… 77
8.9.2　cuk變換器變形演化 ……………………………………………………… 77
8.9.3　flyback變換器變形演化 ………………………………………………… 79
8.9.4　buck、flyback與 boots變換器變形演化為 LED驅(qū)動器 ……………… 80
8.10　演化出高效率的升降壓 4開關(guān)變換器 ………………………………………… 81
8.10.1　基本思路 ………………………………………………………………… 81
8.10.2　同極性反激式工作模式 ………………………………………………… 82
8.10.3　降壓模式 ………………………………………………………………… 83
8.10.4　升壓模式 ………………………………………………………………… 84
8.10.5　輸入輸出電壓接近降壓、升壓控制模式 ……………………………… 85
8.10.6　高邊驅(qū)動采用自舉電路時的工作模式 ………………………………… 86

第 9章　交流電源直接市電整流電路狀態(tài)分析及整流器、濾波電容的選擇 … 88
9.1　橋式整流電路與濾波電路 ……………………………………………………… 88
9.2　整流電路的濾波方式與作用 …………………………………………………… 89
9.3　帶有電容濾波的單相橋式整流電路的工作狀態(tài)分析 ………………………… 89
9.3.1　低漏感、低繞組電阻變壓器對應(yīng)的整流濾波電路工作狀態(tài) ………… 90
9.3.2　高漏感、高繞組電阻變壓器對應(yīng)的整流濾波電路工作狀態(tài) ………… 91

第 10章　電流型控制芯片的原理分析 ………………………………………… 93
10.1　UC3842及原理分析 …………………………………………………………… 93
10.2　UC3842系列的主要參數(shù) ……………………………………………………… 94
10.2.1　極限參數(shù) ………………………………………………………………… 94
10.2.2　電源參數(shù) ………………………………………………………………… 95
10.2.3　時鐘參數(shù) ………………………………………………………………… 96
10.2.4　輸出參數(shù) ………………………………………………………………… 97
10.2.5　誤差放大器參數(shù) ………………………………………………………… 98
10.2.6　電流檢測環(huán)節(jié)參數(shù) ……………………………………………………… 98
10.2.7　UC3842系列中其他型號的特殊參數(shù) ………………………………… 99
10.3　UC3842系列的一般特性 …………………………………………………… 100
10.3.1　峰值電流型控制方式 ………………………………………………… 100
10.3.2　UC3842的其他特點 ………………………………………………… 101
10.4　UC3842的工作狀態(tài)分析 …………………………………………………… 101
10.5　UC3842的工作狀態(tài)分析 …………………………………………………… 102
10.6　逐周電流控制原理 …………………………………………………………… 103
10.7　定時電容的電容量對輸出脈沖占空比的影響 ……………………………… 104
10.8　UC3842的其他性能 …………………………………………