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幾種基本類(lèi)型的開(kāi)關(guān)電源
顧名思義，開(kāi)關(guān)電源就是利用電子開(kāi)關(guān)器件（如晶體管、場(chǎng)效應管、可控硅閘流管等），通過(guò)控制電路，使電子開(kāi)關(guān)器件不停地“接通”和“關(guān)斷”，讓電子開(kāi)關(guān)器件對輸入電壓進(jìn)行脈沖調制，從而實(shí)現DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調和自動(dòng)穩壓。
開(kāi)關(guān)電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作模式多用于開(kāi)關(guān)穩壓電源。另外，開(kāi)關(guān)電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作方式多用于開(kāi)關(guān)穩壓電源。
根據開(kāi)關(guān)器件在電路中連接的方式，目前比較廣泛使用的開(kāi)關(guān)電源，大體上可分為：串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源、并聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源、變壓器式開(kāi)關(guān)電源等三大類(lèi)。其中，變壓器式開(kāi)關(guān)電源（后面簡(jiǎn)稱(chēng)變壓器開(kāi)關(guān)電源）還可以進(jìn)一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據變壓器的激勵和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種；如果從用途上來(lái)分，還可以分成更多種類(lèi)。
下面我們先對串聯(lián)式、并聯(lián)式、變壓器式等三種最基本的開(kāi)關(guān)電源工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，其它種類(lèi)的開(kāi)關(guān)電源也將逐步進(jìn)行詳細分析。
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的工作原理
圖1-1-a是串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的最簡(jiǎn)單工作原理圖，圖1-1-a中Ui是開(kāi)關(guān)電源的工作電壓，即：直流輸入電壓；K是控制開(kāi)關(guān)，R是負載。當控制開(kāi)關(guān)K接通的時(shí)候，開(kāi)關(guān)電源就向負載R輸出一個(gè)脈沖寬度為T(mén)on，幅度為Ui的脈沖電壓Up；當控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷的時(shí)候，又相當于開(kāi)關(guān)電源向負載R輸出一個(gè)脈沖寬度為T(mén)off，幅度為0的脈沖電壓。這樣，控制開(kāi)關(guān)K不停地“接通”和“關(guān)斷”，在負載兩端就可以得到一個(gè)脈沖調制的輸出電壓uo 。
圖1-1-b是串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的波形，由圖中看出，控制開(kāi)關(guān)K輸出電壓uo是一個(gè)脈沖調制方波，脈沖幅度Up等于輸入電壓Ui，脈沖寬度等于控制開(kāi)關(guān)K的接通時(shí)間Ton，由此可求得串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓uo的平均值Ua為：
式中Ton為控制開(kāi)關(guān)K接通的時(shí)間，T為控制開(kāi)關(guān)K的工作周期。改變控制開(kāi)關(guān)K接通時(shí)間Ton與關(guān)斷時(shí)間Toff的比例，就可以改變輸出電壓uo的平均值Ua 。一般人們都把 稱(chēng)為占空比（Duty），用D來(lái)表示，即：
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓uo的幅值Up等于輸入電壓Ui，其輸出電壓uo的平均值Ua總是小于輸入電壓Ui，因此，串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源一般都是以平均值Ua為變量輸出電壓。所以，串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源屬于降壓型開(kāi)關(guān)電源。
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源也有人稱(chēng)它為斬波器，由于它工作原理簡(jiǎn)單，工作效率很高，因此其在輸出功率控制方面應用很廣。例如，電動(dòng)摩托車(chē)速度控制器以及燈光亮度控制器等，都是屬于串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的應用。如果串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源只單純用于功率輸出控制，電壓輸出可以不用接整流濾波電路，而直接給負載提供功率輸出；但如果用于穩壓輸出，則必須要經(jīng)過(guò)整流濾波。
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)是輸入與輸出共用一個(gè)地，因此，容易產(chǎn)生EMI干擾和底板帶電，當輸入電壓為市電整流輸出電壓的時(shí)候，容易引起觸電，對人身不安全。
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓濾波電路
大多數開(kāi)關(guān)電源輸出都是直流電壓，因此，一般開(kāi)關(guān)電源的輸出電路都帶有整流濾波電路。圖1-2是帶有整流濾波功能的串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源工作原理圖。
圖1-2是在圖1-1-a電路的基礎上，增加了一個(gè)整流二極管和一個(gè)LC濾波電路。其中L是儲能濾波電感，它的作用是在控制開(kāi)關(guān)K接通期間Ton限制大電流通過(guò)，防止輸入電壓Ui直接加到負載R上，對負載R進(jìn)行電壓沖擊，同時(shí)對流過(guò)電感的電流iL轉化成磁能進(jìn)行能量存儲，然后在控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷期間Toff把磁能轉化成電流iL繼續向負載R提供能量輸出；C是儲能濾波電容，它的作用是在控制開(kāi)關(guān)K接通期間Ton把流過(guò)儲能電感L的部分電流轉化成電荷進(jìn)行存儲，然后在控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷期間Toff把電荷轉化成電流繼續向負載R提供能量輸出；D是整流二極管，主要功能是續流作用，故稱(chēng)它為續流二極管，其作用是在控制開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間Toff，給儲能濾波電感L釋放能量提供電流通路。
在控制開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間Toff，儲能電感L將產(chǎn)生反電動(dòng)勢，流過(guò)儲能電感L的電流iL由反電動(dòng)勢eL的正極流出，通過(guò)負載R，再經(jīng)過(guò)續流二極管D的正極，然后從續流二極管D的負極流出，最后回到反電動(dòng)勢eL的負極。
對于圖1-2，如果不看控制開(kāi)關(guān)K和輸入電壓Ui，它是一個(gè)典型的反 型濾波電路，它的作用是把脈動(dòng)直流電壓通過(guò)平滑濾波輸出其平均值。
圖1-3、圖1-4、圖1-5分別是控制開(kāi)關(guān)K的占空比D等于0.5、< 0.5、> 0.5時(shí)，圖1-2電路中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓和電流波形。圖1-3-a）、圖1-4-a）、圖1-5-a）分別為控制開(kāi)關(guān)K輸出電壓uo的波形；圖1-3-b）、圖1-4-b）、圖1-5-b）分別為儲能濾波電容兩端電壓uc的波形；圖1-3-c）、圖1-4-c）、圖1-5-c）分別為流過(guò)儲能電感L電流iL的波形。
在Ton期間，控制開(kāi)關(guān)K接通，輸入電壓Ui通過(guò)控制開(kāi)關(guān)K輸出電壓uo，然后加到儲能濾波電感L和儲能濾波電容C組成的濾波電路上，在此期間儲能濾波電感L兩端的電壓eL為：
式中：Ui輸入電壓，Uo為直流輸出電壓，即：電容兩端的電壓uc的平均值。
在此順便說(shuō)明：由于電容兩端的電壓變化量ΔU相對于輸出電壓Uo來(lái)說(shuō)非常小，為了簡(jiǎn)單，我們這里把Uo當成常量來(lái)處理。在某種情況下，如需要對電容的初次充、放電過(guò)程進(jìn)行分析時(shí)，必須需要建立微分方程，并求解。因為輸出電壓Uo的建立需要一定的時(shí)間，精確計算得出的結果中一般都含有指數函數項，當令時(shí)間變量等于無(wú)窮大時(shí)，即電路進(jìn)入穩態(tài)時(shí)，再對相關(guān)參量取平均值，其結果就基本與（1-4）相等。
對（1-4）式進(jìn)行積分得：
式中i（0）為控制開(kāi)關(guān)K轉換瞬間（t = 0時(shí)刻），即：控制開(kāi)關(guān)K剛接通瞬間流過(guò)電感L的電流，或稱(chēng)流過(guò)電感L的初始電流。
當控制開(kāi)關(guān)K由接通期間Ton突然轉換到關(guān)斷期間Toff的瞬間，流過(guò)電感L的電流iL達到最大值：
在Toff期間，控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷，儲能電感L把磁能轉化成電流iL，通過(guò)整流二極管D繼續向負載R提供能量，在此期間儲能濾波電感L兩端的電壓eL為：
式中–Uo前的負號，表示K關(guān)斷期間電感產(chǎn)生電動(dòng)勢的方向與K接通期間電感產(chǎn)生電動(dòng)勢的方向正好相反。對（1-7）式進(jìn)行積分得：
式中i（Ton+）為控制開(kāi)關(guān)K從Ton轉換到Toff的瞬間之前流過(guò)電感的電流，i（Ton+）也可以寫(xiě)為i（Toff-），即：控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷或接通瞬間，之前和之后流過(guò)電感L的電流相等。實(shí)際上（1-8）式中的i（Ton+）就是（1-6）式中的iLm，即：
因此，（1-9）式可以改寫(xiě)為：
當t = Toff時(shí)iL達到最小值。其最小值為：
上面計算都是假設輸出電壓Uo基本不變的情況得到的結果，在實(shí)際應用電路中也正好是這樣，輸出電壓Uo的電壓紋波非常小，只有輸出電壓的百分之幾，工程計算中完全可以忽略不計。
從（1-4）式到（1-11）和圖1-3、圖1-4、圖1-5中可以看出：
當開(kāi)關(guān)電源工作于臨界連續電流或連續電流狀態(tài)時(shí)，在K接通和關(guān)斷的整個(gè)周期內，儲能電感L都有電流流出，但在K接通期間與K關(guān)斷期間，流過(guò)儲能電感L的電流的上升率（絕對值）一般是不一樣的。在K接通期間，流過(guò)儲能電感L的電流上升率為： ；在K關(guān)斷期間，流過(guò)儲能電感L的電流上升率為： 。因此：
（1）當Ui = 2Uo時(shí)，即濾波輸出電壓Uo等于電源輸入電壓Ui的一半時(shí)，或控制開(kāi)關(guān)K的占空比D為二分之一時(shí)，流過(guò)儲能電感L的電流上升率，在K接通期間與K關(guān)斷期間絕對值完全相等，即電感存儲能量的速度與釋放能量的速度完全相等。此時(shí)，（1-5）式中i（0）和（1-11）式中iLX均等于0。在這種情況下，流過(guò)儲能電感L的電流iL為臨界連續電流，且濾波輸出電壓Uo等于濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-3。
（2）當Ui > 2Uo時(shí)，即：濾波輸出電壓Uo小于電源輸入電壓Ui的一半時(shí)，或控制開(kāi)關(guān)K的占空比小于二分之一時(shí)：雖然在K接通期間，流過(guò)儲能電感L的電流上升率（絕對值），大于，在K關(guān)斷期間，流過(guò)儲能電感L的電流上升率（絕對值）；但由于（1-5）式中i（0）等于0，以及Ton小于Toff，此時(shí)，（1-11）式中的iLX會(huì )出現負值，即輸出電壓反過(guò)來(lái)要對電感充電，但由于整流二極管D的存在，這是不可能的，這表示流過(guò)儲能電感L的電流提前過(guò)0，即有斷流。在這種情況下，流過(guò)儲能電感L的電流iL不是連續電流，開(kāi)關(guān)電源工作于電流不連續狀態(tài)，因此，輸出電壓Uo的紋波比較大，且濾波輸出電壓Uo小于濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-4。
（3）當Ui < 2Uo時(shí)，即：濾波輸出電壓Uo大于電源輸入電壓Ui的一半時(shí)，或控制開(kāi)關(guān)K的占空比大于二分之一時(shí)：在K接通期間，雖然流過(guò)儲能電感L的電流上升率（絕對值），小于，在K關(guān)斷期間，流過(guò)儲能電感L的電流上升率（絕對值）。但由于Ton大于Toff，（1-5）式中i（0）和（1-11）式中iLX均大于0，即：電感存儲能量每次均釋放不完。在這種情況下，流過(guò)儲能電感L的電流iL是連續電流，開(kāi)關(guān)電源工作于連續電流狀態(tài)，輸出電壓Uo的紋波比較小，且濾波輸出電壓Uo大于濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-5。
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源儲能濾波電感的計算
從上面分析可知，串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓Uo與控制開(kāi)關(guān)的占空比D有關(guān)，還與儲能電感L的大小有關(guān)，因為儲能電感L決定電流的上升率（di/dt），即輸出電流的大小。因此，正確選擇儲能電感的參數相當重要。
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源最好工作于臨界連續電流狀態(tài)，或連續電流狀態(tài)。串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源工作于臨界連續電流狀態(tài)時(shí)，濾波輸出電壓Uo正好是濾波輸入電壓uo的平均值Ua，此時(shí)，開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的調整率為最好，且輸出電壓Uo的紋波也不大。因此，我們可以從臨界連續電流狀態(tài)著(zhù)手進(jìn)行分析。我們先看（1-6）式：
當串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源工作于臨界連續電流狀態(tài)時(shí)，即D = 0.5時(shí)，i(0) = 0，iLm = 2 Io，因此，（1-6）式可以改寫(xiě)為：
式中Io為流過(guò)負載的電流（平均電流），當D = 0.5時(shí)，其大小正好等于流過(guò)儲能電感L最大電流iLm的二分之一；T為開(kāi)關(guān)電源的工作周期，T正好等于2倍Ton。
由此求得：
（1-13）和（1-14）式，就是計算串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源儲能濾波電感L的公式（D = 0.5時(shí)）。（1-13）和（1-14）式的計算結果，只給出了計算串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源儲能濾波電感L的中間值，或平均值，對于極端情況可以在平均值的計算結果上再乘以一個(gè)大于1的系數。
如果增大儲能濾波電感L的電感量，濾波輸出電壓Uo將小于濾波輸入電壓uo的平均值Ua，因此，在保證濾波輸出電壓Uo為一定值的情況下，勢必要增大控制開(kāi)關(guān)K的占空比D，以保持輸出電壓Uo的穩定；而控制開(kāi)關(guān)K的占空比D增大，又將會(huì )使流過(guò)儲能濾波電感L的電流iL不連續的時(shí)間縮短，或由電流不連續變成電流連續，從而使輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P進(jìn)一步會(huì )減小，輸出電壓更穩定。
如果儲能濾波電感L的值小于（1-13）式的值，串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源濾波輸出的電壓Uo將大于濾波輸入電壓uo的平均值Ua，在保證濾波輸出電壓Uo為一定值的情況下，勢必要減小控制開(kāi)關(guān)K的占空比D，以保持輸出電壓Uo的值不變；控制開(kāi)關(guān)K的占空比D減小，將會(huì )使流過(guò)濾波電感L的電流iL出現不連續，從而使輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P增大，造成輸出電壓不穩定。
由此可知，調整串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源濾波輸出電壓Uo的大小，實(shí)際上就是同時(shí)調整流過(guò)濾波電感L和控制開(kāi)關(guān)K占空比D的大小。
由圖1-4可以看出：當控制開(kāi)關(guān)K的占空比D小于0.5時(shí)，流過(guò)濾波電感L的電流iL出現不連續，輸出電流Io小于流過(guò)濾波電感L最大電流iLm的二分之一，濾波輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P將顯著(zhù)增大。因此，串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源最好不要工作于圖1-4的電流不連續狀態(tài)，而最好工作于圖1-3和圖1-5表示的臨界連續電流和連續電流狀態(tài)。
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源工作于臨界連續電流狀態(tài)，輸出電壓Uo等于輸入電壓Ui的二分之一，等于濾波輸入電壓uo的平均值Ua；且輸出電流Io也等于流過(guò)濾波電感L最大電流iLm的二分之一。
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源工作于連續電流狀態(tài)，輸出電壓Uo大于輸入電壓Ui的二分之一，大于濾波輸入電壓uo的平均值Ua；且輸出電流Io也大于流過(guò)濾波電感L最大電流iLm的二分之一。
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源儲能濾波電容的計算
我們同樣從流過(guò)儲能電感的電流為臨界連續電流狀態(tài)著(zhù)手，對儲能濾波電容C的充、放電過(guò)程進(jìn)行分析，然后再對儲能濾波電容C的數值進(jìn)行計算。
圖1-6是串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源工作于臨界連續電流狀態(tài)時(shí)，串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源電路中各點(diǎn)電壓和電流的波形。圖1-6中，Ui為電源的輸入電壓，uo為控制開(kāi)關(guān)K的輸出電壓，Uo為電源濾波輸出電壓，iL為流過(guò)儲能濾波電感電流，Io為流過(guò)負載的電流。圖1-6-a）是控制開(kāi)關(guān)K輸出電壓的波形；圖1-6-b）是儲能濾波電容C的充、放電曲線(xiàn)圖；圖1-6-c）是流過(guò)儲能濾波電感電流iL的波形。當串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源工作于臨界連續電流狀態(tài)時(shí)，控制開(kāi)關(guān)K的占空比D等于0.5，流過(guò)負載的電流Io等于流過(guò)儲能濾波電感最大電流iLm的二分之一。
在Ton期間，控制開(kāi)關(guān)K接通，輸入電壓Ui通過(guò)控制開(kāi)關(guān)K輸出電壓uo ，在輸出電壓uo作用下，流過(guò)儲能濾波電感L的電流開(kāi)始增大。當作用時(shí)間t大于二分之一Ton的時(shí)候，流過(guò)儲能濾波電感L的電流iL開(kāi)始大于流過(guò)負載的電流Io ，所以流過(guò)儲能濾波電感L的電流iL有一部分開(kāi)始對儲能濾波電容C進(jìn)行充電，儲能濾波電容C兩端電壓開(kāi)始上升。
當作用時(shí)間t等于Ton的時(shí)候，流過(guò)儲能濾波電感L的電流iL為最大，但儲能濾波電容C的兩端電壓并沒(méi)有達到最大值，此時(shí)，儲能濾波電容C的兩端電壓還在繼續上升，因為，流過(guò)儲能濾波電感L的電流iL還大于流過(guò)負載的電流Io ；當作用時(shí)間t等于二分之一Toff的時(shí)候，流過(guò)儲能濾波電感L的電流iL正好等于負載電流Io，儲能濾波電容C的兩端電壓達到最大值，電容停止充電，并開(kāi)始從充電轉為放電。
可以證明，儲能濾波電容進(jìn)行充電時(shí)，電容兩端電壓是按正弦曲線(xiàn)的速率變化，而儲能濾波電容進(jìn)行放電時(shí)，電容兩端電壓是按指數曲線(xiàn)的速率變化，這一點(diǎn)后面還要詳細說(shuō)明，請參考后面圖1-23、圖1-24、圖1-25的詳細分析。
圖1-6中，電容兩端的充放電曲線(xiàn)是有意把它的曲率放大了的，實(shí)際上它們的變化曲率并沒(méi)有那么大。因為儲能濾波電感L和儲能濾波電容構成的時(shí)間常數相對于控制開(kāi)關(guān)的接通或關(guān)斷時(shí)間來(lái)說(shuō)非常大（正弦曲線(xiàn)的周期：T = ），即：由儲能濾波電感L和儲能濾波電容組成諧振回路的諧振頻率，相對于開(kāi)關(guān)電源的工作頻率來(lái)說(shuō)，非常低，而電容兩端的充放電曲線(xiàn)變化范圍只相當于正弦曲線(xiàn)零點(diǎn)幾度的變化范圍，因此，電容兩端的充、放電曲線(xiàn)基本上可以看成是直線(xiàn)，這相當于用曲率的平均值取代曲線(xiàn)曲率。同理，圖1-3、圖1-4、圖1-5中儲能濾波電容C的兩端電壓都可以看成是按直線(xiàn)變化的電壓，或稱(chēng)為電壓或電流鋸齒波。
實(shí)際應用中，一般都是利用平均值的概念來(lái)計算儲能濾波電容C的數值。值得注意的是：濾波電容C進(jìn)行充、放電的電流ic的平均值Ia正好等于流過(guò)負載的電流Io，因為，在D等于0.5的情況下，電容充、放電的時(shí)間相等，只要電容兩端電壓的平均值不變，其充、放電的電流必然相等，并等于流過(guò)負載的電流Io。
濾波電容C的計算方法如下：
由圖1-6可以看出，在控制開(kāi)關(guān)的占空比D等于0.5的情況下，電容器充、放電的電荷和充、放電的時(shí)間，以及正、負電壓紋波值均應該相等，并且電容器充電流的平均值也正好等于流過(guò)負載的電流。因此，電容器充時(shí)，電容器存儲的電荷ΔQ為：
（1-17）和（1-18）式，就是計算串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源儲能濾波電容的公式（D = 0.5時(shí)）。式中：Io是流過(guò)負載的電流，T為控制開(kāi)關(guān)K的工作周期，ΔUP-P為輸出電壓的波紋。電壓波紋ΔUP-P一般都取峰-峰值，所以電壓波紋正好等于電容器充電或放電時(shí)的電壓增量，即：ΔUP-P = 2ΔUc 。
順便說(shuō)明，由于人們習慣上都是以輸出電壓的平均值為水平線(xiàn)，把電壓紋波分成正負兩部分，所以這里遵照習慣也把電容器充電或放電時(shí)的電壓增量分成兩部分，即：2ΔUc。
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