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