开关电源技术与典型应用

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软开关技术在开关电源中的应用

作者：陶永强 丁旭 王明强

来源：《中国科技博览》2014年第21期

[摘 要]软开关PWM技术集谐振变换器与PWM控制的优点于一体，既能实现功率管的零电压开关，又能实现功率管的恒定频率控制，是电力电子技术的发展方向之一。与传统PWM硬开关变换器相比，元器件的电压、电流应力小，仅仅增加了一个谐振电感，成本和电路的复杂程度没有增加。移相控制零电压开关PWM变换器就是软开关PWM技术中的一种拓扑，它适用于中、大功率直流一直流变换场合。

[关键词]软开关技术 谐振原理 电源

中图分类号：TP271 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0384-01

引言

近年来，电力电子技术发展迅猛，直流开关电源广泛应用于计算机、航空航天等领域。如今，笨重型、低效电源装置已被小型、高效电源所取代。为了实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性，减小体积和重量，必须实现开关电源的高频化。开关电源的高频化不仅减小了功率变换器的体积，增大了变换器的功率密度和性能价格比，而且极大地提高了瞬时响应速度，抑制了电源所产生的开关噪声，从而已成为新的发展趋势。

1.软开关发展应时而生

以前的开关电源大多数采用脉宽调制技术（PWM），称为“硬开关”（HARDSWITCH）电源。硬开关和软开关是针对开关管（MOSFET）来讲的，硬开关是不管开关管（DS极或CE极）上的电压或电流，强行开或关开关管，当开关管上（DS极或CE极）电压及电流较大时开关管动作，由于开关管状态间的切换（由开到关，或由关到开）需要一定的时间，这会造成在开关管状态间切换的某一段时间内电压和电流会有一个交越区域，这个交越造成的开关管损耗称为开关管的切换损耗。软开关是指通过检测开关管电流或其他技术，做到当开关管两端电压或流过开关管电流为零时才导通或关断开关管，这样开关管就不会存在切换损耗。一般来说软开关的效率较高（因为没有切换损）；工作频率较高，PFC或变压器体积可以减少，所以体积可以做的更小。但成本也相对较高，设计较复杂。

开关电源EMI滤波器典型电路

开关电源EMI滤波器典型电路

开关电源为减小体积、降低成本,单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器,典型电路图1所示。图（a）与图（b）中的电容器C能滤除串模干扰,区别仅是图（a）将C接在输入端,图（b）则接到输出端。图（c）、（d）所示电路较复杂,抑制干扰的效果更佳。图（c）中的L、C1和C2用来滤除共模干扰,C3和C4滤除串模干扰。R为泄放电阻,可将C3上积累的电荷泄放掉,避免因电荷积累而影响滤波特性;断电后还能使电源的进线端L、N不带电,保证使用的安全性。图（d）则是把共模干扰滤波电容C3和C4接在输出端。

EMI滤波器能有效抑制单片开关电源的电磁干扰。图2中曲线a为加EMI滤波器时开关电源上0.15MHz～30MHz传导噪声的波形（即电磁干扰峰值包络线）。曲线b是插入如图1（d）所示EMI滤波器后的波形,能将电磁干扰衰减50dBμV～70dBμV。显然,这种EMI滤波器的效果更佳。

电磁干扰滤波器电路

电磁干扰滤波器的基本电路如图1所示。该五端器件有两个输入端、两个输出端和一个接地端,使用时外壳应接通大地

。电路中包括共模扼流圈（亦称共模电感）L、滤波电容C1～C4。L对串模干扰不起作用,但当出现共模干扰时,由于两

个线圈的磁通方向相同,经过耦合后总电感量迅速增大,因此对共模信号呈现很大的感抗,使之不易通过,故称作共模扼流

圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上,当有电流通过时,两个线圈上的磁场就会互相加强。L的

电感量与EMI滤波器的额定电流I有关,参见表1。需要指出,当额定电流较大时,共模扼流圈的线径也要相应增大,以便能

承受较大的电流。此外,适当增加电感量,可改善低频衰减特性。C1和C2采用薄膜电容器,容量范围大致是0.01μF～0.47μ

F,主要用来滤除串模干扰。C3和C4跨接在输出端,并将电容器的中点接地,能有效地抑制共模干扰。C3和C4亦可并联在

新技术应用　＜　

；　霍霍　

１开关电源产生干扰的原因　

开关电源首先将工频交流整流为直：　

流，再逆变为高频，最后经过整流滤波电　路输出，得到稳定的直流电压，因此自身：　

含有大量的谐波干扰。同时，由于变压器ｌ　ｌ　的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成　的尖峰，都形成了潜在的电磁干扰。开关ｌ　ｌ　电源中的干扰源主要集中在电压、电流变　ｌ　化大的元器件上，突出表现在开关管、二　｛　极管、高频变压器等上。　①开关电路产生的电磁干扰　

开关电路是开关电源的主要干扰源　

之一。开关电路是开关电源的核心，主要　

由开关管和高频变压器组成。它产生的　｛　ｄｕ／ｄｔ具有较大幅度的脉冲，频带较宽且　

谐波丰富。这种脉冲干扰产生的主要原因　｛　是：开关管负载为高频变压器初级线圈，　ｉ　是感性负载。开关管导通瞬间，初级线圈ｌ　ｌ　产生很大的涌流，并在初级线圈的两端出　现较高的浪涌尖峰电压在开关管断开瞬　

间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分　

能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储　藏在电感中的这部分能量将和集电极电路　

中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振　

荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖　ｌ　峰。电源电压中断会产生与初级线圈接通　ｉ　时一样的磁化冲击电流瞬变，这种瞬变是　

一种传导型电磁干扰，既影响变压器初｛　

级，还会使传导干扰返回配电系统，造成　｝　电网谐波电磁干扰，从而影响其他设备的　

安全和经济运行。　

②整流电路产生的电磁干扰　整流电路中，在输出整流二极管截　

栏目责任编辑／于晓蕾／ｓｈｅｎｘｕａｎｌ２３１＠１２６．ｃｏｍ　止时有一个反向电流，它恢复到零点的　

时间与结电容等因素有关。其中，能将反　

向电流迅速归零的二极管称为硬恢复特　

性二极管，这种二极管在变压器漏感和　其他分布参数的影响下将产生较强的高　

频干扰，其频率可达几十ＭＨｚ。高频整　

流回路中的整流二极管正向导通时有较　

大的正向电流流过，在其受反偏电压而　转向截止时，由于ＰＮ结中有较多的载流　

论新型开关电源的应用与原理

摘要：电源是各种电子设备的基础。随着电子技术的不断发展，应用领域的不断扩大，对开关电源提出了更高的要求。本文简单介绍了开关电源的分类和应用在新型开关电源中的新技术等，对开关电源的原理及发展动向进行了分析。

关键词：开关电源；应用；原理

开关电源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下移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。

1.开关电源的分类

人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，也有AC/AC和DC/AC， 如逆变器。

开关电源工作方式主要有两种，一种是自激式，这种方式是不需要外加激励信号电路即能自行振荡，也可以把自激式看做是一个变压器反馈式振荡电路；另一种是它激式，这种方式就是完全依赖外部来维持振荡。在实际应用中自激式电源的应用较为广泛，比如在家用电器中使用的开关电源，将220V的交流电经过桥式整流，变换成300V左右的直流电，滤波后进入变压器后加到开关管的集电极进行高频振荡，反馈绕组反馈到基极维持电路振荡，负载绕组感应的电信号，经整流、滤波、稳压得到的直流电压给负载提供电能。

2.开关电源的新技术

这里所说的新技术，指在最近几年发展起来的开关电源技术。

2.1软开关技术

软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管