主回路-开关电源的分析 脉冲变压器, 开关电源, 电子技术, 滤波器, 整流器

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随着各种技术的发展，主回路-开关电源在各个产品中应用。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1是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间
开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。
1. 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。
1.1. 串联式结构
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，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。


上图是在图1-1-a电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。其中L是储能滤波电感，它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过，C是储能滤波电容，它的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储，然后在控制开关K关断期间Toff把电荷转化成电流继续向负载R提供能量输出;D是整流二极管，主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间Toff,给储能滤波电感L释放能量提供电流通路。
在控制开关关断期间Toff,储能电感L将产生反电动势，流过储能电感L的电流iL由反电动势eL的正极流出，通过负载R,再经过续流二极管D的正极，然后从续流二极管D的负极流出，最后回到反电动势eL的负极。


对于图1-2,如果不看控制开关T和输入电压Ui,它是一个典型的反г 型滤波电路，它的作用是把脉动直流电压通过平滑滤波输出其平均值。
串联式开关电源输出电压uo的平均值Ua为：
1.2. 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。


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。例如boots拓扑型的开关电源就是属于并联型式的开关电源。
并联开关电源输出电压Uo为：
boots拓扑输出电压Uo:Uo=Ui(1+D/1-D)=Ui(1/1-D)(D 为占空比)
1.3.极性反转型变换器结构(inverting)
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。(也是串联式开关电源的一种，一般又称为反转式串联开关电源)


这种反转式串联开关电源与一般串联式开关电源的区别是，这种反转式串联开关电源输出的电压是负电压，正好与一般串联式开关电源输出的正电压极性相反;并且由于储能电感能产生电感作用的元件统称为电感原件，常常直接简称为电感。电感器在电子制作中虽然使用得不是很多，但它们在电路中同样重要。我们认为电感器和电容器一样，也是一种储能元件，它能把电能转变为磁场能，并在磁场中储存能量。
L只在开关K关断时才向负载输出电流，因此，在相同条件下，反转式串联开关电源输出的电流比串联式开关电源输出的电流小一倍。
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，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。
反转式串联开关电源输出电压Uo为：


由(1-27)式可以看出，反转式串联开关电源输出电压与输入电压与开关接通的时间成正比，与开关关断的时间成反比。
2. 隔离式电路的类型：
隔离--输入端与输出端电气不相通，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。
2.1. 单端正激式 single Forward Converte
r(又叫单端正激式变压器开关电源 )
单端--通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器;