开关电源技术

《开关电源技术》主要介绍直流开关电源的基本概念、工作原理、元件及控制器设计方法,*后通过综合的应用实 例将书中内容串联起来。内容包括开关电源定义、范畴、发展历程及发展趋势,开关电源常用的器件,开关 电源的基本变换器,三电平变换器,软开关电路,开关电源的控制方式、开关电源中磁性元件的设计、开关 电源的闭环稳定与校正、典型的开关电源应用实例。 本书可作为高等学校电气信息类、自动化专业本科生的教学用书,也可以作为工程技术人员的技术参 考书。

目录

 

第1章开关电源技术概述

 

1.1开关电源范畴

 

1.1.1“开关”的含义

 

1.1.2开关电源的定义

 

1.2开关电源的发展历程

 

1.3线性稳压电源与开关电源

 

1.3.1线性稳压电源

 

1.3.2开关电源

 

1.3.3开关电源的优点

 

1.4开关电源的技术指标

 

1.4.1电气输入技术指标

 

1.4.2电气输出技术指标

 

1.5开关电源的发展及趋势

 

习题

 

第2章开关电源常用器件及开关管驱动电路

 

2.1特殊电阻

 

2.1.1压敏电阻

 

2.1.2热敏电阻

 

2.2电容

 

2.2.1陶瓷电容

 

2.2.2薄膜电容

 

2.2.3电解电容

 

2.3共模电感与磁珠

 

2.3.1共模电感

 

2.3.2磁珠

 

2.4功率二极管

 

2.4.1快恢复功率二极管

 

2.4.2肖特基二极管

 

2.4.3碳化硅二极管

 

2.5功率MOSFET

 

2.5.1功率MOSFET的主要参数

 

2.5.2输出特性

 

2.5.3开关特性

 

2.5.4碳化硅MOSFET

 

2.6IGBT

 

 

 

 

 

2.6.1转移特性

 

2.6.2输出特性

 

2.6.3开关特性

 

2.7驱动电路

 

2.7.1光耦TLP250

 

2.7.2IR2110与IRS21864

 

2.7.3M57962L

 

习题

 

第3章开关电源中的基本电路拓扑

 

3.1非隔离型基本电路

 

3.1.1降压型(Buck)电路

 

3.1.2升压型(Boost)电路

 

3.1.3升降压型(BuckBoost)电路

 

3.1.4丘克(Cuk)电路

 

3.2隔离型基本电路

 

3.2.1反激型(Flyback)电路

 

3.2.2正激型(Forward)电路

 

3.2.3半桥型(Halfbridge)电路

 

3.2.4全桥型(Fullbridge)变换器

 

3.2.5推挽型(PushPull)电路

 

习题

 

第4章三电平变换器

 

4.1Buck三电平变换器

 

4.1.1BuckTL变换器的工作模式

 

4.1.2变换器在两电平工作模式(D<0.5)时的数量关系

 

4.1.3变换器在三电平工作模式(D>0.5)时的数量关系

 

4.1.4MATLAB/Simulink仿真验证

 

4.2Boost、BuckBoost、Cuk三电平变换器

 

4.3隔离式三电平变换器

 

4.3.1隔离式正激变换器的三电平电路

 

4.3.2半桥、全桥式三电平变换器电路

 

习题

 

第5章软开关技术

 

5.1什么是软开关技术

 

5.2软开关技术的分类

 

5.3无源吸收电路

 

5.3.1RCD关断吸收电路

 

5.3.2RLD开通吸收电路

 

5.4零电压准谐振变换器

 

5.4.1零电压准谐振变换器的工作原理

 

5.4.2零电压准谐振变换器的仿真验证

 

5.5LC串联谐振变换器

 

5.5.1fs<0.5fr时的工作原理

 

5.5.20.5fr

 

5.5.3fs>fr时的工作原理

 

5.5.4LC串联谐振变换器的仿真验证

 

5.6LC并联谐振变换器

 

5.6.1fs<0.5fr时的工作原理

 

5.6.20.5frfr时的工作原理

 

5.6.3LC并联谐振变换器的仿真验证

 

5.7LLC谐振变换器

 

5.7.1LLC谐振变换器的工作原理

 

5.7.2LLC谐振变换器的输出特性

 

5.7.3LLC谐振变换器的仿真验证

 

5.8移相全桥零电压开关PWM变换器

 

5.8.1移相全桥零电压开关PWM变换器的工作原理

 

5.8.2移相全桥零电压开关PWM变换器的仿真验证

 

5.8.3移相全桥零电压开关PWM变换器的优点和缺点

 

习题

 

第6章开关电源的控制方式

 

6.1电压控制方式

 

6.1.1电压控制方式的基本原理

 

6.1.2电压控制型开关电源的仿真

 

6.1.3电压控制型开关电源的优点和缺点

 

6.2峰值电流控制方式

 

6.2.1峰值电流控制方式的基本原理

 

6.2.2峰值电流控制型开关电源的仿真

 

6.2.3峰值电流控制型开关电源的优点和缺点

 

6.3平均值电流控制方式

 

6.3.1平均值电流控制方式的基本原理

 

6.3.2平均值电流控制型开关电源的仿真

 

6.3.3平均值电流控制型开关电源的优点和缺点

 

6.4滞环电流控制方式

 

6.4.1滞环电流控制方式的基本原理

 

6.4.2滞环电流控制型开关电源的MATLAB/Simulink仿真

 

6.4.3滞环电流控制型开关电源的优点和缺点

 

习题

 

第7章变换器中变压器和电感器的设计

 

7.1磁路及其基本定律

 

7.1.1磁路的基本物理量

 

7.1.2磁路的基本定律

 

7.2磁滞回线

 

7.3铁心的工作状态

 

7.3.1第Ⅰ类工作状态

 

7.3.2第Ⅱ类工作状态

 

7.3.3第Ⅲ类工作状态

 

7.4常用的高频铁心软磁材料及其性能

 

7.4.1硅钢片

 

7.4.2铁镍软磁合金

 

7.4.3非晶态合金和微晶合金

 

7.4.4软磁铁氧体

 

7.4.5磁粉心

 

7.4.6软磁材料的选取原则

 

7.5电感器的设计

 

7.5.1电感器基本关系

 

7.5.2加气隙电感器的设计

 

7.5.3采用磁粉心电感器的设计

 

7.5.4反激型变换器储能电感的设计

 

7.6变压器的设计

 

7.6.1变压器基本关系

 

7.6.2变压器的设计

 

习题

 

附录7.1新康达EE型铁心尺寸

 

附录7.2高强度漆包线规格

 

第8章开关电源的闭环稳定和校正

 

8.1系统稳定的概念

 

8.1.1系统的稳定性

 

8.1.2电路稳定的增益准则

 

8.2常用反馈调节器电路及其数学关系

 

8.2.1常用反馈调节器电路

 

8.2.2伯德图中的数学关系

 

8.3开关电源输出特性

 

8.3.1LC滤波型开关电源电路输出特性

 

8.3.2C滤波型开关电源电路输出特性

 

8.4补偿调节器的设计

 

8.4.1LC滤波型开关电源电路反馈调节器的设计

 

8.4.2C滤波型开关电源电路反馈调节器的设计

 

习题

 

第9章开关电源的应用

 

9.1大功率铅酸蓄电池充电器的技术要求

 

9.2主电路的设计

 

9.2.1整流滤波电容C1、C2的选取

 

9.2.2变压器的设计

 

9.2.3滤波电感与滤波电容的设计

 

9.2.4开关管、二极管的选择

 

9.3控制电路的设计

 

9.3.1控制环路的设计

 

9.3.2启动延时电路

 

9.3.3驱动电路

 

9.3.4保护电路

 

9.3.5辅助电源以及共地的相关说明

 

习题

 

附录A“开关电源及技术”课程设计

 

参考文献 

 

前言

 

开关电源在各行各业都得到了广泛的应用，如发展迅猛的新能源发电、航空航天、工业生产、民用家电行业等领域。近年来，碳化硅、氮化镓等新型器件在开关电源中的应用进一步提升了开关电源的性能，其应用范围得到了进一步的拓展。

开关电源技术是电力电子技术的一个组成部分。电气信息类、自动化类专业均会开设“电力电子技术”课程，在“电力电子技术”课程的学习过程中，学生已经掌握了开关电源的初步知识，但目前“电力电子技术”课程侧重于概念和原理的介绍，缺乏对开关电源分析设计流程的具体指导与实践。近年来，教育部重点支持应用型本科高校的发展，其中一项重要任务就是培养本科生的动手能力。独立设计开关电源，需要系统掌握开关电源的工作原理、功率器件选择、磁性元件设计、控制电路设计等知识。已有的开关电源技术的书籍绝大部分面向工程技术人员编写，需要相当的工程技术实践经验，这些书籍对本科生而言有相当难度。作者编著本书就是面向电气信息类、自动化类专业本科生学习开关电源的需求，通过本书的学习，本科生能够掌握开关电源设计的基本理论，设计出满足相关技术指标的开关电源。

本书力图采用清晰简洁的语言介绍开关电源的基本原理，采用MATLAB/Simulink或Saber软件进行开关电源建模，通过仿真帮助学生深入理解开关电源的工作原理，后通过案例设计进一步深化对开关电源各环节的理解，使之成为一个整体系统。

本书共分9章，第1章介绍开关电源的基本概念、范畴以及发展趋势；第2章介绍开关电源中常用器件； 第3章介绍开关电源中的基本变换器电路，并采用仿真结果辅助理解变换器的工作原理； 第4章介绍三电平变换器； 第5章介绍常用的软开关技术； 第6章介绍开关电源常见的控制方法； 第7章介绍开关电源中的磁性元件的设计； 第8章介绍开关电源的闭环与稳定性校正； 第9章通过大功率电池充电器的设计来完整理解前述各章节，使各知识点得到进一步深入的理解。

本书第2章、第5章由叶远茂教授编写，第4章由吴冬春副教授编写，其余各章节由阚加荣编写。在编写过程中，感谢广东技术师范大学张先勇老师提供的相关资料。

南京航空航天大学谢少军教授在百忙之中仔细审阅了全部书稿，对本书质量的提高提出了许多有益的建议，在此表示衷心的感谢。

本书的出版得到盐城工学院和清华大学出版社的大力支持，南京农业大学的研究生朱伟同学为本书的插图花费了大量精力，清华大学出版社的文怡老师为本书的出版做了大量工作，在此一并致谢。

由于作者水平有限，书中难免存在不足与错误之处，敬请广大读者批评指正，在此表示衷心感谢！

 

 

 

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作者

2019年12月