將一種直流電能轉(zhuǎn)換成所需要的直流電能或交流電能的電路通常被稱為功率變換器，該電路拓撲結(jié)構(gòu)多種多樣。單端變換器以其控制方式和電路*簡單、可靠性*高，得到廣泛應(yīng)用。
本書對如何理解和更好地設(shè)計單端變換器做了詳盡的論述，包括基本DC-DC變換器的基本知識、基本變換器演化出的各種電路、主要元器件的基本原理與特性、基本電路單元的設(shè)計與選擇和緩沖電路等問題。為了方便初學(xué)者學(xué)習(xí)，書中還給出了各種單端隔離型變換器的設(shè)計實例。
本書適合電氣、電子工程師，大中專院校電類及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生和教師閱讀。
前言
將一種直流電能轉(zhuǎn)換成所需要的直流電能或交流電能的電路通常被稱為功率變換器，該電路拓撲結(jié)構(gòu)多種多樣。能否將豐富多彩的功率變換器納入簡單的變換器理論 —基本變換器，即本書要講述的內(nèi)容之一。其中，基本 DC-DC變換器是最原始、最基礎(chǔ)的基本功率變換器。
盡管基本 DC-DC變換器已有諸多文獻論述，本書還是基于基本電工理論，以實現(xiàn)基本DC-DC變換器預(yù)期目標(biāo)為依據(jù)，按照解決主要目標(biāo)要求加入元器件，實現(xiàn)需要的主要目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上找出實現(xiàn)最終目標(biāo)過程中出現(xiàn)的新問題，通過再接入新元器件方式解決所產(chǎn)生的問題，周而復(fù)始，最終獲得基本DC-DC變換器電路。
在基本DC-DC變換器電路基礎(chǔ)上，分析基本DC-DC變換器的工作模式與電磁轉(zhuǎn)換過程，推導(dǎo)出基本DC-DC變換器主電路中各元器件的電壓、電流應(yīng)力，以便在后面內(nèi)容中應(yīng)用這些應(yīng)力的定量關(guān)系并合理地選擇各元器件的參數(shù)。再由基本DC-DC變換器演化出：電能可以反向傳輸?shù)碾p向變換器；在基本DC-DC變換器的合適位置上加入具有電氣隔離且可以傳輸電能的變壓器，將基本DC-DC變換器演化為隔離型變換器，在這個過程中需要將施加到變壓器的脈沖直流電變化成無直流電壓分量的交流電。由于輸出電壓是直流電，需要將變壓器輸出無直流分量的交流電壓恢復(fù)原有的直流分量。根據(jù)這個要求，附加開關(guān)方式實現(xiàn)所需要的功能，RCD鉗位、繞組鉗位、雙管鉗位、有源鉗位以及附加開關(guān)演化出橋式隔離變換器系列。這就使得各類功率變換器原理變得簡單、歸一。盡管有的文獻說基本DC-DC變換器有6種（buck、boost、flyback、cuk、SEPIC、zeta）。但實際上基本變換器只有3種，即降壓型變換器（Buck Converter）、升壓型變換器（Boost Converter）和反極性變換器（也稱為反激式變換器，F(xiàn)lyback Converter），其他的電
路均可以通過基本變換器的演化與組合得到。通過分析與推演，前面提到的cuk變換器實際上是升壓型變換器與降壓型變換器的組合，SEPIC是升壓型變換器與反激式變換器的組合，而zeta變換器則是反激式變換器與降壓型變換器的組合，這使電路分析變得簡化。
如果有了正確的理論，只是將它空談一陣，束之高閣，并不應(yīng)用，那么這種理論再好也是沒有用的。有了基本變換器的理論，接下來就是應(yīng)用理論指導(dǎo)實踐，設(shè)計出單端變換器。如何設(shè)計一個性能優(yōu)異的單端變換器，首先需要清楚各種單端變換器的原理和特性，根據(jù)預(yù)期電路的性能指標(biāo)正確選擇變換器的電路拓撲，可以避免因電路性能所限而使樣機達不到預(yù)期的指標(biāo)。除了正確選擇變換器的電路拓撲，還應(yīng)正確選擇相關(guān)的元器件。元器件是影響整機性能的另一個關(guān)鍵，不僅要正確選擇有源元器件，更要正確選擇無源元器件，特別是電容和電感。
不同的控制方式將會得到不同的性能和經(jīng)濟指標(biāo)，因此應(yīng)對需求選擇恰當(dāng)?shù)目刂品绞健Ｗ鳛槿腴T，可以選擇UC3842作為控制芯片的單端變換器設(shè)計，原因很簡單，因其功能清晰、原理清楚、調(diào)試方便，便于初學(xué)者入門。本書給出了初學(xué)者的電路評估電路板，并介紹了調(diào)試入門的各個步驟和要點。為了更接近實際，給出幾個商品電源的設(shè)計實例、電路圖、PCB圖和元器件明細。變壓器是開關(guān)電源的關(guān)鍵部件，也是特制部件，無法像MOSFET、二極管、電容、控制IC、電阻那樣具有標(biāo)準件，因此需要工程師具有變壓器的設(shè)計能力。應(yīng)知道變壓器結(jié)構(gòu)對變壓器性能的影響、變壓器的繞制及工藝、電流斷續(xù)和電流連續(xù)狀態(tài)下的反激式變換器的變壓器的設(shè)計、正激式變換器變壓器的設(shè)計，以及如何正確、快捷地選擇變壓器磁心。
作者希望本書能夠?qū)ψx者設(shè)計各類單端變換器有實質(zhì)性的幫助，對初學(xué)者在基本DC-DC變換器理論及單端變換器原理與設(shè)計的入門起到很好的引導(dǎo)作用。本書在編寫過程中得到了電源行業(yè)前輩們的關(guān)懷和支持，作者在此表示深深的感謝！
作者 于遼寧工業(yè)大學(xué)
2021年
1月
目錄
前言
第1章 開關(guān)電源的發(fā)展歷程 ………………………………………………… 1
1.1 開關(guān)電源已有百年以上的歷史 ………………………………………………… 1
1.2 最早的“開關(guān)電源”是汽車發(fā)動機火花塞的高壓電路 ……………………… 1
1.3 汽車收音機需要機械式逆變器獲得高壓直流電 ……………………………… 1
1.4 顯像管式電視機通過行逆程變換器獲得第二陽極的高壓直流電 …………… 2
1.5 超小型計算機需要無工頻變壓器的開關(guān)電源 ………………………………… 2
1.6 為什么要提高效率 ……………………………………………………………… 3
1.7 非穩(wěn)壓應(yīng)用時的 DC-DC變換器不需要穩(wěn)壓功能 ……………………………… 3
1.8 電磁干擾問題 …………………………………………………………………… 4
1.9 減小待機損耗 …………………………………………………………………… 4
1.10 如何進一步降低開關(guān)電源的損耗 ……………………………………………… 5
1.11 開關(guān)電源的延伸 ………………………………………………………………… 5
第 2章 基本 DC-DC變換器概述 ……………………………………………… 7
2.1 DC-DC變換器是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的基石 …………………………………… 7
2.2 在直流功率變換中，DC-DC變換器可以起到交流電變換的變壓器作用 …… 7
2.3 基本 DC-DC變換器的電路運行原理與電磁能量轉(zhuǎn)換原理 …………………… 8
第 3章 降壓型變換器 ………………………………………………………… 10
3.1 降壓型變換器概述 ……………………………………………………………… 10
3.2 電路的推導(dǎo) ……………………………………………………………………… 10
3.2.1 直流電壓的切割 ………………………………………………………… 10
3.2.2 直流脈沖串的平滑—低通濾波器 …………………………………… 11
3.2.3 線性低通濾波器在非線性電路中的問題 ……………………………… 11
3.2.4 非線性電路中實際的低通濾波器 ……………………………………… 12
3.3 電路運行原理與電磁能量轉(zhuǎn)換原理 …………………………………………… 13
3.3.1 開關(guān)管導(dǎo)通期間 ………………………………………………………… 13
3.3.2 開關(guān)管關(guān)斷、二極管續(xù)流期間 ………………………………………… 13
3.4 由波形導(dǎo)出的定量關(guān)系 ………………………………………………………… 14
3.4.1 開關(guān)管、續(xù)流二極管承受的電流、電壓 ……………………………… 14
3.4.2 由能量守恒原理推導(dǎo)電流連續(xù)狀態(tài)下的輸入輸出關(guān)系 ……………… 14
3.5 電流斷續(xù)下的輸入輸出電壓關(guān)系的推導(dǎo) ……………………………………… 15
3.6 降壓型變換器輸入旁路電容狀態(tài)的分析 ……………………………………… 16
3.6.1 輸出旁路電容電流的分析 ……………………………………………… 16
3.6.2 輸入旁路電容電流的分析 ……………………………………………… 17
3.7 本章小結(jié) ………………………………………………………………………… 18
第 4章 升壓型變換器 ………………………………………………………………………… 19
4.1 電路的推導(dǎo) ……………………………………………………………………… 19
4.1.1 反向電流的阻止 ………………………………………………………… 19
4.1.2 輸入向輸出提供電能的實現(xiàn) …………………………………………… 19
4.1.3 電感儲能的補充與控制 ………………………………………………… 20
4.2 電路運行原理與電磁能量轉(zhuǎn)換原理 …………………………………………… 20
4.2.1 開關(guān)管導(dǎo)通期間 ………………………………………………………… 20
4.2.2 開關(guān)管關(guān)斷期間 ………………………………………………………… 21
4.2.3 開關(guān)管、二極管均為關(guān)斷期間 ………………………………………… 21
4.3 主要波形及定量分析 …………………………………………………………… 22
4.3.1 電感電流連續(xù)狀態(tài)的波形分析 ………………………………………… 22
4.3.2 主要參數(shù)的定量分析 …………………………………………………… 22
4.4 電感電流連續(xù)狀態(tài)下的輸入輸出電壓關(guān)系分析 ……………………………… 23
4.5 輸入 /輸出電容狀態(tài)的分析 …………………………………………………… 24
4.5.1 輸入電源旁路電容狀態(tài)的分析 ………………………………………… 24
4.5.2 輸出支撐電容狀態(tài)的分析 ……………………………………………… 25
4.6 電感電流斷續(xù)狀態(tài)下的輸入輸出電壓關(guān)系 …………………………………… 25
4.6.1 電感電流斷續(xù)狀態(tài)的波形分析 ………………………………………… 25
4.6.2 電流斷續(xù)狀態(tài)下輸入電容、輸出電容狀態(tài) …………………………… 26
第 5章 反激式變換器 ………………………………………………………… 28
5.1 電路的獲得 ……………………………………………………………………… 28
5.1.1 輸出反向電流的阻塞 …………………………………………………… 28
5.1.2 輸入電流與輸出電流共同通路的建立 ………………………………… 28
5.1.3 儲能元件的確定及完整電路 …………………………………………… 29
5.2 電路運行原理與電磁能量轉(zhuǎn)換原理 …………………………………………… 29
5.2.1 開關(guān)管導(dǎo)通期間 ………………………………………………………… 30
5.2.2 開關(guān)管關(guān)斷期間 ………………………………………………………… 30
5.2.3 電感儲能完全釋放期間的電路狀態(tài) …………………………………… 30
5.2.4 電路特點 ………………………………………………………………… 31
5.3 電流連續(xù)狀態(tài)下主要波形與定量的關(guān)系 ……………………………………… 31
5.3.1 主要元器件參數(shù)的定量關(guān)系 …………………………………………… 31
5.3.2 輸入、輸出電壓關(guān)系的推導(dǎo) …………………………………………… 32
5.4 電感電流斷續(xù)狀態(tài)下主要波形與定量的關(guān)系 ………………………………… 33
5.4.1 電感電流斷續(xù)狀態(tài)下的主要波形 ……………………………………… 33
5.4.2 輸入輸出定量關(guān)系的分析 ……………………………………………… 33
5.4.3 電流斷續(xù)狀態(tài)下的開關(guān)管、阻塞二極管電壓、電流定量關(guān)系 ……… 34
5.5 輸入電容、輸出電容電流與輸入輸出電流的定量關(guān)系 ……………………… 35
5.5.1 電流連續(xù)狀態(tài)下的輸入電容電流 ……………………………………… 35
5.5.2 電流連續(xù)狀態(tài)下的輸出電容電流 ……………………………………… 35
5.5.3 電流斷續(xù)狀態(tài)下的輸入電容電流 ……………………………………… 35
5.5.4 電流斷續(xù)狀態(tài)下的輸出電容電流 ……………………………………… 36
5.6 本章小結(jié) ………………………………………………………………………… 36
第 6章 雙向變換器 …………………………………………………………… 37
6.1 雙向變換器的提出 ……………………………………………………………… 37
6.2 降壓型變換器與升壓型變換器組合形成雙向變換器 ………………………… 37
6.3 單向變換器如何變成雙向變換器 ……………………………………………… 38
6.3.1 單向變換器 ……………………………………………………………… 38
6.3.2 雙向變換器 ……………………………………………………………… 39
6.3.3 升壓型變換器的電能雙向傳輸 ………………………………………… 40
6.4 反激式雙向變換器 ……………………………………………………………… 40
6.5 雙向變換器的延伸—同步整流器 …………………………………………… 42
6.5.1 低壓整流電路需要低正向電壓整流器件 ……………………………… 42
6.5.2 利用開關(guān)器件實現(xiàn)低正向電壓整流器件 ……………………………… 42
6.5.3 同步整流器概念 ………………………………………………………… 44
第 7章 演化為隔離型 DC-DC變換器 ………………………………………… 45
7.1 基本變換器的等效變換 ………………………………………………………… 45
7.2 實現(xiàn)電氣隔離的幾種方法和可實現(xiàn)性 ………………………………………… 46
7.3 降壓型變換器輸入、輸出電氣隔離的實現(xiàn) …………………………………… 47
7.3.1 隔離邊界 ………………………………………………………………… 47
7.3.2 變壓器繞組帶有直流分量電壓產(chǎn)生的問題及變壓器插入位置的分析…………………………………………………… 48
7.4 變壓器的反向電壓 ……………………………………………………………… 49
7.4.1 變壓器的等效電路 ……………………………………………………… 49
7.4.2 變壓器勵磁電流的釋放與反向電壓的產(chǎn)生 …………………………… 50
7.5 RCD鉗位復(fù)位電路 ……………………………………………………………… 50
7.6 瞬變電壓抑制二極管復(fù)位電路的復(fù)位 ………………………………………… 51
7.7 復(fù)位繞組的復(fù)位 ………………………………………………………………… 52
7.8 雙管鉗位式復(fù)位方式 …………………………………………………………… 52
7.9 諧振式復(fù)位方式 ………………………………………………………………… 53
7.10 有源鉗位的復(fù)位方式 …………………………………………………………… 53
7.11 磁通復(fù)位問題 …………………………………………………………………… 55
7.12 輸出側(cè)直流分量的恢復(fù) ………………………………………………………… 56
7.13 降壓型變換器電氣隔離的延伸：隔離型橋式變換器 ………………………… 57
7.14 升壓型變換器輸入、輸出電氣隔離的實現(xiàn) …………………………………… 58
7.15 反激式變換器輸入、輸出電氣隔離的實現(xiàn) …………………………………… 59
7.15.1 flyback變換器的隔離型演化…………………………………………… 59
7.15.2 隔離型反激式變換器的延伸 …………………………………………… 59
第 8章 由基本 DC-DC變換器演化出級聯(lián)變換器 …………………………… 60
8.1 基本 DC-DC變換器級聯(lián)的基本思路 …………………………………………… 60
8.2 應(yīng)用升壓型、降壓型變換器級聯(lián)為 cuk變換器 ……………………………… 61
8.3 應(yīng)用升壓型、反激式變換器級聯(lián)為 SEPIC變換器 …………………………… 63
8.4 應(yīng)用反激式與降壓型變換器級聯(lián)為 zeta變換器 ……………………………… 66
8.5 反激式變換器與降壓型變換器的級聯(lián) ………………………………………… 68
8.5.1 級聯(lián)變換器的必要 ……………………………………………………… 68
8.5.2 反激式變換器與降壓型變換器的級聯(lián)演化過程 ……………………… 68
8.5.3 反激式變換器與降壓型變換器級聯(lián)相對反激式變換器的優(yōu)點 ……… 70
8.6 反激式變換器級聯(lián) ……………………………………………………………… 70
8.6.1 反激式變換器的級聯(lián)過程分析 ………………………………………… 70
8.6.2 反激式變換器級聯(lián)相對降壓型變換器的優(yōu)點 ………………………… 72
8.7 升壓型變換器級聯(lián) ……………………………………………………………… 72
8.7.1 用一只開關(guān)管實現(xiàn)的升壓型變換器級聯(lián) ……………………………… 72
8.7.2 用兩只開關(guān)管和同一個控制信號實現(xiàn)的升壓型變換器級聯(lián) ………… 74
8.7.3 升壓型變換器級聯(lián)小結(jié) ………………………………………………… 74
8.8 變換器單開關(guān)多輸出的演化 …………………………………………………… 74
8.8.1 cuk變換器與 SEPIC變換器組合構(gòu)成對稱輸出變換器 ……………… 74
8.8.2 flyback變換器與 zeta變換器組合演化為對稱輸出變換器 …………… 76
8.8.3 SEPIC變換器與 boost變換器組合演化為同極性多輸出變換器 ……… 76
8.9 基本變換器的變形演化 ………………………………………………………… 77
8.9.1 變換器的變形演化的目的 ……………………………………………… 77
8.9.2 cuk變換器變形演化 ……………………………………………………… 77
8.9.3 flyback變換器變形演化 ………………………………………………… 79
8.9.4 buck、flyback與 boots變換器變形演化為 LED驅(qū)動器 ……………… 80
8.10 演化出高效率的升降壓 4開關(guān)變換器 ………………………………………… 81
8.10.1 基本思路 ………………………………………………………………… 81
8.10.2 同極性反激式工作模式 ………………………………………………… 82
8.10.3 降壓模式 ………………………………………………………………… 83
8.10.4 升壓模式 ………………………………………………………………… 84
8.10.5 輸入輸出電壓接近降壓、升壓控制模式 ……………………………… 85
8.10.6 高邊驅(qū)動采用自舉電路時的工作模式 ………………………………… 86
第 9章 交流電源直接市電整流電路狀態(tài)分析及整流器、濾波電容的選擇 … 88
9.1 橋式整流電路與濾波電路 ……………………………………………………… 88
9.2 整流電路的濾波方式與作用 …………………………………………………… 89
9.3 帶有電容濾波的單相橋式整流電路的工作狀態(tài)分析 ………………………… 89
9.3.1 低漏感、低繞組電阻變壓器對應(yīng)的整流濾波電路工作狀態(tài) ………… 90
9.3.2 高漏感、高繞組電阻變壓器對應(yīng)的整流濾波電路工作狀態(tài) ………… 91
第 10章 電流型控制芯片的原理分析 ………………………………………… 93
10.1 UC3842及原理分析 …………………………………………………………… 93
10.2 UC3842系列的主要參數(shù) ……………………………………………………… 94
10.2.1 極限參數(shù) ………………………………………………………………… 94
10.2.2 電源參數(shù) ………………………………………………………………… 95
10.2.3 時鐘參數(shù) ………………………………………………………………… 96
10.2.4 輸出參數(shù) ………………………………………………………………… 97
10.2.5 誤差放大器參數(shù) ………………………………………………………… 98
10.2.6 電流檢測環(huán)節(jié)參數(shù) ……………………………………………………… 98
10.2.7 UC3842系列中其他型號的特殊參數(shù) ………………………………… 99
10.3 UC3842系列的一般特性 …………………………………………………… 100
10.3.1 峰值電流型控制方式 ………………………………………………… 100
10.3.2 UC3842的其他特點 ………………………………………………… 101
10.4 UC3842的工作狀態(tài)分析 …………………………………………………… 101
10.5 UC3842的工作狀態(tài)分析 …………………………………………………… 102
10.6 逐周電流控制原理 …………………………………………………………… 103
10.7 定時電容的電容量對輸出脈沖占空比的影響 ……………………………… 104
10.8 UC3842的其他性能 …………………………………………
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