开关电源的原理与设计 修订版PDF电子书下载

第1篇 PWM开关变换器的基本原理 1

第1章开关变换器概论 1

1.1什么是开关变换器和开关电源 1

1.2 DC-DC变换器的基本手段和分类 1

1.3 DC-DC变换器主回路使用的元件及其特性 3

1.3.1开关 3

1.3.2电感 3

1.3.3电容 4

1.4 DC-DC变换器发展历程、现状和趋势 6

1.4.1开关电源技术发展的历程 6

1.4.2 20世纪推动开关电源发展的主要技术 6

1.4.3开关电源技术发展方向 11

1.4.4大电容技术 15

第2章 基本的PWM变换器主电路拓扑 16

2.1 Buck变换器 16

2.1.1线路组成 16

2.1.2工作原理 16

2.1.3电路各点的波形 17

2.1.4主要概念与关系式 17

2.1.5稳态特性的分析 24

2.2 Boost变换器 27

2.2.1线路组成 28

2.2.2工作原理 28

2.2.3电路各点的波形 28

2.2.4主要概念与关系式 29

2.2.5稳态特性的分析 36

2.2.6纹波电压的分析及减少方法 38

2.3 Buck-Boost变换器 40

2.3.1线路组成 40

2.3.2工作原理 40

2.3.3电路各点的波形 41

2.3.4主要概念与关系式 41

2.3.5优缺点 44

2.4 Cuk变换器 46

2.4.1线路组成 47

2.4.2工作原理 48

2.4.3电路各点的波形 48

2.4.4主要概念与关系式 50

2.5四种基本型变换器的比较 52

2.6四种基本型三电平变换器 55

2.6.1 Buck三电平变换器电路与工作原理 55

2.6.2 Buck三电平变换器输出电压与输出电流的关系 56

2.6.3滤波器设计 58

2.6.4 Bcost、Buck-Boost Cuk三电平变换器 59

第3章带变压隔离器的DC-DC变换器拓扑 61

3.1变压隔离器的理想结构 61

3.2单端变压隔离器的磁复位技术 63

3.3 自激推挽式变换器的工作原理 67

3.4能量双向流动的DC-DC变压隔离器 71

3.5隔离式三电平变换器 72

3.5.1正激变换器3L线路 72

3.5.2半桥、全桥变换器3L线路 72

第4章变换器中的功率开关元件及其驱动电路 74

4.1双极型晶体管 74

4.1.1晶体管的开关过程 74

4.1.2开关时间的物理意义及减小的方法 75

4.1.3抗饱和技术 76

4.2双极型晶体管的基极驱动电路 76

4.2.1一般基极驱动电路 76

4.2.2高压双极型晶体管基极驱动电路 77

4.2.3比例基极驱动电路 80

4.3功率场效应管 81

4.3.1功率场效应管的主要参数 82

4.3.2功率场效应管的静态特性 84

4.3.3MOSFET的体内二极管 85

4.4功率场效应管的驱动问题 86

4.4.1一般要求 86

4.4.2 MOSFET的驱动电路 87

4.5绝缘栅双极晶体管 90

4.5.1 IGBT结构与工作原理 90

4.5.2 IGBT的静态工作特性 90

4.5.3 IGBT的动态特性 91

4.5.4 IGBT的栅极驱动及其方法 91

4.6开关元件的安全工作区及其保护 95

4.6.1双极型晶体管二次击穿原因及对SOA的影响 95

4.6.2安全工作区（SOA） 96

4.6.3保护环节——RC缓冲器 98

第5章磁性元件的特性与计算 102

5.1概述 102

5.1.1在开关电源中磁性元件的作用 102

5.1.2掌握磁性元件对设计的重要意义 102

5.1.3磁性材料基本特性的描述 102

5.1.4磁心型号对照表 106

5.2磁性材料及铁氧体磁性材料 106

5.2.1磁心磁性能 106

5.2.2磁心结构 108

5.3高频变压器设计方法 109

5.3.1变压器设计方法之一——面积乘积（AP）法 109

5.3.2变压器设计方法之二——几何参数（KG）法 116

5.4电感器设计方法 121

5.4.1电感器设计方法之一——面积乘积（AP）法 121

5.4.2电感器设计方法之二——几何参数（KG）法 125

5.4.3无直流偏压的电感器设计 129

5.5抑制尖波线圈与差模、共模扼流线圈 131

5.5.1抑制尖波的电磁线圈 131

5.5.2差模与共模扼流线圈 133

5.5.3使用对绞线时干扰的抑制 135

5.5.4使用电缆线时干扰的抑制 135

5.6非晶、超微晶（纳米晶）合金软磁材料特性及应用 136

5.6.1非晶合金软磁材料的特性 136

5.6.2超微晶合金软磁材料的特性 137

5.6.3非晶、超微晶合金软磁材料的应用 137

第6章开关电源占空比控制芯片及集成开关变换器的原理与应用 138

6.1开关电源系统的隔离技术 138

6.2开关电源PWM控制芯片及智能功率开关 140

6.2.1 1524/2524/3524芯片简介 141

6.2.2芯片的工作过程 144

6.3适用于功率场效应管控制的IC芯片 144

6.3.1 1525A与1524的差别 144

6.3.2 1525A/1527A的应用 146

6.4电流控制型脉宽调制器 146

6.4.1 UC1846/UC1847工作原理及方框图 146

6.4.2 1842/2842/3842 8脚脉宽调制器 148

6.5智能功率开关及其应用 151

6.5.1概述 151

6.5.2工作原理 151

6.6便携式设备中电源使用的集成块 159

6.6.1简介 159

6.6.2 MAX863芯片的应用 164

6.6.3 MAX624芯片的应用及设计方法 164

第7章功率整流管 173

7.1功率整流二极管 173

7.1.1功率整流二极管模型 173

7.1.2功率二极管的主要参数 173

7.1.3几种快速开关二极管 175

7.2同步整流技术 177

7.2.1概述 177

7.2.2同步整流技术的基本原理 178

7.2.3同步整流驱动方式 180

7.2.4同步整流电路 181

7.2.5 SR-Buck变换器 182

7.2.6SR－正激变换器 183

7.2.7 SR－反激变换器 185

第8章有源功率因数校正器 186

8.1 AC-DC电路的输入电流谐波分量 186

8.1.1谐波电流对电网的危害 186

8.1.2 AC-DC变流电路输入端功率因数 186

8.1.3对AC-DC电路输入端谐波电流限制 188

8.1.4提高AC-DC电路输入端功率因数和减小输入电流谐波的主要方法 188

8.2功率因数和THD 189

8.2.1功率因数的定义 189

8.2.2 AC-DC电路输入功率因数与谐波的关系 189

8.3 Boost功率因数校正器（PFC）的工作原理 190

8.3.1功率因数校正的基本原理 190

8.3.2 Boost有源功率因数校正器（APFC）的主要优缺点 191

8.4 APFC的控制方法 191

8.4.1常用的三种控制方法 191

8.4.2电流峰值控制法 192

8.4.3电流滞环控制法 193

8.4.4平均电流控制法 194

8.4.5 PFC集成控制电路UC3854A/B简介 195

8.5反激式功率因数校正器 198

8.5.1 DCM反激功率因数校正电路的原理 198

8.5.2等效输入电阻Re 198

8.5.3平均输出电流和输出功率 199

8.5.4 DCM反激变换器等效电路平均模型 200

第9章开关电源并联系统的均流技术 201

9.1概述 201

9.2开关电源并联系统常用的均流方法 202

9.2.1输出阻抗法 202

9.2.2主从设置法 204

9.2.3按平均电流值自动均流法 205

9.2.4最大电流法自动均流 206

9.2.5热应力自动均流法 207

9.2.6外加均流控制器均流法 208

第10章开关电源的小信号分析及闭环稳定和校正 210

10.1概述 210

10.2电感电流连续时的状态空间平均法 210

10.3电流连续时的平均等效电路标准化模型 212

10.4电流不连续时标准化模型 217

10.5复杂变换器的模型 218

10.6用小信号法分析有输入滤波器时开关电源的稳定问题 220

10.7开关电源控制原理及稳定问题 222

10.7.1闭环及开环控制 222

10.7.2开关电源结构框图 222

10.8稳定判别式波德图绘制 224

10.8.1常见环节的幅频特性和相频特性 224

10.8.2快速绘制开环对数特性曲线的方法 224

10.8.3用开环特性分析系统的动态性能 225

10.9实测波德图的方法及相关设备 225

10.9.1开环系统直接注入法 225

10.9.2闭环回路直接注入法 226

10.10测定波德图，确定误差放大器的参数 227

10.10.1 TL431相关测定技术 227

10.10.2提高稳定性的设计方法 228

10.10.3参数变化影响趋势的分析 233

第2篇PWM开关变换器的设计与制作 237

第11章反激变换器的设计 237

11.1概述 237

11.1.1电磁能量储存与转换 237

11.1.2工作方式的进一步说明 239

11.1.3变压器的储能能力 239

11.1.4反激变换器的同步整流 240

11.2反激式变换器的设计方法举例 242

11.2.1电源主回路 242

11.2.2变压器设计 242

11.2.3设计112W反激变压器 245

11.2.4设计中的几个问题 249

11.2.5计算变压器的另一种方法 250

11.3反激变换器的缓冲器设计 254

11.3.1反激变换器的开关应力 254

11.3.2跟踪集电极电压钳位环节 255

11.3.3缓冲器环节工作波形 256

11.3.4缓冲器参数的确定 256

11.3.5低损耗缓冲器 259

11.4双晶体管的反激变换器 259

11.4.1概述 259

11.4.2工作原理 259

11.4.3工作特点 261

11.4.4缓冲器 261

11.4.5工作频率 261

11.4.6驱动电路 262

11.4.7变压器设计注意漏电感和匝数 262

第12章单端正激变换器的设计 263

12.1概述 263

12.2工作原理 263

12.2.1电感的最小值与最大值 264

12.2.2多路输出 265

12.2.3能量再生线圈P2的工作原理 265

12.2.4单端正激变换器同步整流 265

12.2.5正激变换器的优缺点 266

12.3变压器设计方法 267

12.3.1方法一 267

12.3.2方法二 270

第13章双晶体管正激变换器的设计 274

13.1概述 274

13.1.1线路组成 274

13.1.2工作原理 274

13.1.3电容C的作用 275

13.2双晶体管正激变换器变压器设计 275

13.3正激变换器的闭环控制及参数计算 278

13.3.1 UPC 1099的极限使用值和主要电性能 279

13.3.2 UPC 1099的应用 280

第14章半桥变换器的设计 286

14.1半桥变换器的工作原理 286

14.2偏磁现象及其防止方法 287

14.2.1偏磁的可能性 287

14.2.2串联耦合电容改善偏磁性能 287

14.2.3串联耦合电容的选择 288

14.2.4阶梯式趋向饱和的可能性及其防止 289

14.2.5直通的可能性及其防止 291

14.3软启动及双倍磁通效应 291

14.3.1双倍磁通效应 291

14.3.2软启动线路 291

14.4变压器设计 292

14.5控制电路 295

第15章桥式变换器的设计 297

15.1概述 297

15.2工作原理 297

15.2.1概述 297

15.2.2工作过程 298

15.2.3缓冲器的组成及作用 299

15.2.4瞬变时的双倍磁通效应 299

15.3变压器设计方法 299

15.3.1设计步骤及举例 299

15.3.2几个问题 303

第16章双驱动变压器推挽变换器的设计 304

16.1概述 304

16.1.1线路结构 304

16.1.2工作原理 304

16.1.3各点波形 305

16.2开关功率管的缓冲环节 306

16.3推挽变换器中变压器的设计 306

第17章H7C1为材质PQ磁心高频变压器的设计 311

17.1损耗及设计原则简介 311

17.1.1设计原则 311

17.1.2满足设计原则的条件 311

17.2表格曲线化的设计方法 314

17.2.1表17.1的形成与说明 316

17.2.2扩大表17.1的使用范围 317

第18章电子镇流器的设计 320

18.1概述 320

18.1.1荧光灯 320

18.1.2荧光灯的结构及伏安特性 321

18.1.3高频电子镇流器的基本结构 322

18.2半桥串联谐振式电子镇流器 322

18.3带有源、无源功率因数电路的电子镇流器 323

18.3.1有源功率因数校正电子镇流器 323

18.3.2无源功率因数校正电子镇流器 325

第19章开关电源设计与制作的常见问题 327

19.1干扰与绝缘 327

19.1.1干扰问题及标准 327

19.1.2隔离与绝缘 329

19.2效率与功率因数 332

19.2.1高效率与高功率密度 332

19.2.2高功率因数 332

19.3智能化与高可靠性 333

19.4高频电流效应与扁平变压器设计 334

19.4.1趋肤效应和邻近效应的产生 334

19.4.2扁平变压器的设计 336

第3篇软开关－PWM变换器 340

第20章软开关功率变换技术 340

20.1硬开关技术与开关损耗 340

20.2高频化与软开关技术 341

20.3零电流开关和零电压开关 343

20.4谐振变换器 344

20.5准谐振变换器 345

20.6多谐振变换器概述 346

第21章ZCS-PWM和ZVS-PWM变换技术 348

21.1 ZCS-PWM变换器 348

21.1.1工作原理 348

21.1.2运行模式分析 349

21.1.3分析 350

21.1.4 ZCS-PWM变换器的优缺点 350

21.2 ZVS-PWM变换器 351

21.2.1工作原理 351

21.2.2运行模式分析 352

21.2.3分析 353

21.2.4 ZVS-PWM变换器的优缺点 353

第22章 零转换－PWM软开关变换技术 354

22.1零转换－PWM变换器 354

22.2 ZCT-PWM变换器 354

22.2.1工作原理 354

22.2.2运行模式分析 355

22.2.3 ZCT-PWM变换器的优缺点 356

22.2.4数例分析 356

22.3 三端ZCT-PWM开关电路 357

22.4ZVT-PWM变换器 358

22.4.1工作原理 358

22.4.2运行模式分析 360

22.4.3ZVT-PWM变换器的优缺点 360

22.4.4应用举例 360

22.4.5三端零电压开关电路 361

22.4.6双管正激ZVT-PWM变换器 361

第23章移相控制全桥ZVS-PWM变换器 363

23.1 DC-DC FB ZVS-PWM DC-DC变换器的工作原理 363

23.2 PSC FB ZVS-PQM变换器运行模式分析 365

23.3 PSC FB ZVS-PWM变换器几个问题的分析 366

23.3.1占空比分析 366

23.3.2 PSCFB ZVS-PWM变换器两桥臂开关管的ZVS条件分析 367

23.4 PSC FB ZCZVS-PWM变换器 367

第24章有源钳位软开关PWM变换技术 370

24.1概述 370

24.2有源钳位电路 370

24.3有源钳位ZVS-PWM正激变换器稳态运行分析 372

24.4有源钳位并联交错输出的反激变换器 374

24.5有源钳位反激－正激变换器 376

第4篇开关电源的计算机辅助分析与设计 378

第25章开关电源的计算机仿真 378

25.1电力电子电路的计算机仿真技术 378

25.1.1计算机仿真技术 378

25.1.2电路仿真分析（建模）方法 378

25.1.3 SPICE和PSPICE仿真程序 379

25.2用SPICE和PSPICE通用电路模拟程序仿真开关电源 380

25.2.1概述 380

25.2.2功率半导体开关管的SPICE仿真模型 381

25.2.3控制电路的SPICE仿真模型 384

25.2.4正激PWM开关电源的SPICE仿真 387

25.2.5推挽式PWM开关电源的PSPICE仿真及补偿网络参数优化选择 391

25.3离散时域法仿真 396

25.3.1概述 396

25.3.2数值法求解分段线性网络的状态方程 397

25.3.3求解网络拓扑的转换时刻（边界条件） 398

25.3.4非线性差分方程（大信号模型） 399

25.3.5小信号模型 400

25.3.6程序框图 401

25.3.7仿真计算举例 403

第26章开关电源的最优设计 406

26.1概述 406

26.1.1可行设计 406

26.1.2最优设计 406

26.1.3开关电源的主要性能指标 406

26.2工程最优化的基本概念 407

26.2.1优化设计模型 407

26.2.2设计变量 408

26.2.3目标函数 408

26.2.4约束 409

26.2.5优化数学模型的一般形式 410

26.2.6工程优化设计的特点 410

26.3应用最优化方法的几个问题 411

26.3.1最优解的性质 411

26.3.2初始点的选择 411

26.3.3收敛数据 411

26.3.4变量尺度的统一 412

26.3.5约束值尺度的统一 412

26.3.6多目标优化问题 413

26.4 DC-DC桥式开关变换器的最优设计 413

26.4.1 DC-DC半桥式PWM开关变换器主要电路的优化设计 413

26.4.2开关、整流滤波电路的优化设计数学模型 414

26.4.3变压器的优化设计数学模型 415

26.4.4半桥PWM开关变换器优化设计的实现 417

26.4.5 5V/500W输出DC-DC半桥PWM开关变换器优化设计举例 418

26.4.6 DC-DC全桥ZVS-PWM变换器主电路的优化设计 420

26.5单端反激PWM开关变换器的优化设计 421

26.5.1数学模型概述 421

26.5.2多路输出等效为一路输出的方法 422

26.5.3优化设计举例 423

26.6 PWM开关电源控制电路补偿网络的优化设计 424

26.6.1概述 424

26.6.2开关电源瞬态响应特性简介 425

26.6.3开关变换器的频域特性 426

26.6.4 PWM开关变换器小信号模型 428

26.6.5瞬态优化设计数学模型 430

26.6.6计算举例 433

26.7 DC-DC全桥移相式ZVS-PWM开关电源补偿网络的最优设计 434

26.7.1主电路及电压、电流波形 434

26.7.2 FB ZVS-PWM变换器小信号模型 435

26.7.3 FB ZVS-PWM变换器主电路传递函数及频率特性 437

26.7.4 FB ZVS-PWM开关电源补偿网络最优设计模型 438

26.7.5典型设计举例 441

参考文献 443