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开关电源的原理与设计-张占松箸-557页-18.5M.pdf

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文档简介

本书系统论述DC-DC高频开关电源的工作原理与工程设计方法。主要包括:PWM变换器和软开关PWM变换器的电路拓扑、原理、控制、动态分析及稳定校正;功率开关元件MOSFET、IGBT的特性及应用;智能功率开关变换器的原理与应用;磁性元件的特性与设计计算方法;开关电源中有源功率因数校正;同步整流与并联均流等技术;PWM开关电源的可靠稳定性与制作问题;开关电源的数字仿真方法、计算机辅助优化设计和最优控制方法等。

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目 录 第 1 篇 PWM 开关变换器的基本原理 第 1 章 开关变换器概论 1.1 什么是开关变换器和开关电源 1.2 DC-DC变换器的基本手段和分类 1.3 DC-DC 变换器主回路使用的元件及其特性 1.3.1 开关 1.3.2 电感 1.3.3 电容 第 2 章 基本的 PWM 变换器主回路拓扑 2.1 概述 2.2 Buck 变换器 2.1.1 别名 2.1.2 线路组成 2.1.3 工作原理 2.1.4 电路各点的波形 2.1.5 主要概念与关系式 2.1.6 稳态特性的分析 2.3 Boost 变换器 2.3.1 别名 2.3.2 线路组成 2.3.3 工作原理 2.3.4 电路各点的波形 2.3.5 主要概念与关系式 2.3.6 稳态特性的分析 2.4 Buck-Boost 变换器 2.4.1 别名 2.4.2 线路组成 2.4.3 工作原理 2.4.4 电路各点的波形 2.4.5 主要概念与关系式 2.4.6 优缺点 2.5 Buck 变换器 2.5.1 别名 2.5.2 线路组成 2.5.3 工作原理 2.5.4 电路各点的波形 (1) (1) (1) (3) (3) (3) (3) (7) (7) (7) (7) (7) (7) (8) (9) (16) (19) (19) (19) (20) (20) (21) (28) (30) (30) (30) (31) (31) (32) (34) (36) (36) (36) (37) (38) 2.5.5 主要概念与关系式 2.6 四种基本型变换器的比较 第 3 章 带变压隔离器的 DC-DC 变换器拓扑 3.1 概述 3.2 变压隔离器的理想结构 3.3 单端变压隔离器的磁复位技术 3.4 自激推挽式变换器的工作原理 3.5 能量双向流动的 DC-DC 变压隔离器 3.6 有并联 DC-DC 变压隔离器 3.7 有全桥或半桥 DC-DC 变压隔离器的 Buck 变换器 3.8 正激变换器(Forward Converter) 3.9 第九节 有并联 DC-DC 变压隔离器的 Boost 变换器 3.10 有全桥或半桥 DC-DC 变压隔离器的 Boost 变换器 3.11 有单端 DC-DC 变压隔离器的 Boost 变换器 3.12 变换器组合电路 3.13 有变压隔离器的Č uk 变换器 3.3.1 工作原理 3.3.2 输入电压与输出电压的关系 3.3.3 有变压隔离器的Č uk 变换器的优缺点 3.14 Buck 有变压隔离和零纹波的变换器电路 3.4.1 零纹波概念 3.4.2 零纹波条件 3.4.3 带隔离输入输出均为零纹波 3.4.4 零纹波Č uk 变换器用于功率放大器 3.15 有变压隔离器的其它形式结线方式 3.5.1 不同种类变换器结线 3.5.2 相同种类变换器结线 第 4 章 变换器中的功率开关元件及其驱动电路 4.1 双极型晶体管 4.1.1 晶体管的开关过程 4.1.2 开关时间的物理意义及减小的方法 4.1.3 抗饱和技术 4.2 双极型晶体管的基本驱动电路 4.2.1 一般基极驱动电路 4.2.2 比例基极驱动电路 4.2.3 高压双极型晶体管基极驱动电路 4.3 功率场效应管 4.3.1 功率场效应管的主要参数 4.3.2 功率场效应管的静态特性 4.3.3 MOSFET 的体内二极管 (40) (43) (46) (46) (46) (49) (53) (58) (60) (70) (72) (75) (81) (83) (85) (92) (93) (94) (95) (96) (96) (96) (98) (100) (101) (101) (102) (105) (105) (105) (107) (107) (108) (108) (110) (112) (114) (115) (117) (118) 4.4 功率场效应管的驱动问题 4.4.1 一般要求 4.4.2 MOSFET 的驱动电路 4.5 IGBT 管 4.5.1 IGBT 结构与工作原理 4.5.2 IGBT 的静态工作特性 4.5.3 IGBT 的动态特性 4.5.4 IGBT 的栅极驱动及其方法 4.6 MCT 管 4.6.1 MCT 的基本构造 4.6.2 工作原理 4.6.3 MCT 的主要特性 4.6.4 主要特性的说明 4.6.5 栅极驱动电路 4.7 开关元件的安全工作区及其保护 4.7.1 双极型晶体管二次击穿原因及对 SOA 的影响 4.7.2 安全工作区(SOA) 4.7.3 保护环节——R.C 缓冲器 第 5 章 磁性元件的特性与计算 5.1 概述 5.1.1 在开关电源中磁性元件的作用及应用 5.1.2 掌握磁性元件对设计的重要意义 5.1.3 磁性材料基本特性的描述 5.1.4 磁心型号对照表 5.2 磁性材料及铁氧体磁性材料 5.2.1 磁心磁性能 5.2.2 磁心结构 5.3 高频变压器设计方法 5.3.1 变压器设计方法之一——面积乘积(AP)法 5.3.2 AR 法举例 5.3.3 变压器设计方法之二——几何参数(K  G)法 5.3.4 (K  G)法举例 5.4 电感器设计方法 5.4.1 电感器设计方法之一——面积乘积(AP)法 5.4.2 AR 法举例 5.4.3 电感器设计方法之二——几何参数(K  G)法 5.4.4 (K  G)法举例 5.4.5 无直流偏压的电感器设计 5.5 抑制尖波线圈与差模、 共模扼流线圈 5.5.1 抑制尖波的电磁线圈 (119) (119) (120) (123) (124) (124) (125) (126) (130) (130) (131) (131) (133) (142) (144) (144) (145) (148) (152) (152) (152) (152) (152) (157) (158) (158) (161) (162) (162) (166) (172) (174) (179) (179) (182) (186) (187) (192) (196) (196) 5.5.2 差模与共模扼流线圈 5.6 电流互感器的设计方法 5.6.1 电流互感器的工作原理 5.6.2 电流互感器的设计举例 5.7 非晶、 超微晶(纳米晶)合金软磁材料特性及应用 5.7.1 非晶合金软磁材料的特性 5.7.2 超微晶合金软磁材料的特性 5.7.3 非晶、 超微晶合金软磁材料的应用 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 6.1 开关电源系统的隔离技术 6.2 PWM 开关电源的集成电路(IC)片 6.2.1 1524/2524/3524 简介 6.2.2 IC 的工作 6.3 适用于功率场效应管控制的 IC 芯片 6.3.1 1525A 与 1524 的差别 6.3.2 1525A/1527A 的应用 6.4 电流控制型脉宽调制器 6.4.1 UC1846/UC1847 工作原理及方框图 6.4.2 1842/2842/3842 8 脚脉宽调制器 6.5 μPC1099 脉宽调制器 6.5.1 μPC1099 的极限使用值和主要电性电能 6.5.2 μPC1099 的应用 6.6 集成的开关电源芯片工作原理昅其应用 6.6.1 概述 6.6.2 PWR-210 管脚功能及参数 6.6.3 PWR 芯片的应用及设计方法 6.6.4 便携式器件中电源使用的集成块 6.6.5 MAX626 芯片的应用 6.6.6 MAX627 芯片的应用及设计方法 第 7 章 功率整流管 7.1 功率整流二极管 7.1.1 功率整流二极管模型 7.1.2 功率二极管的主要参数 7.1.3 几种快速开关二极管 7.2 同步整流管(SR) 7.2.1 概述 7.2.2 同步整流要作原理 7.2.3 同步整流在 DC-DC 变换器中的举例 第 8 章 有源功率因数校正器 8.1 AC-DC电路的输入电流谐波分量 (198) (200) (201) (201) (204) (204) (205) (206) (207) (207) (209) (209) (213) (213) (214) (215) (216) (216) (218) (222) (222) (223) (229) (229) (230) (234) (247) (252) (254) (263) (263) (263) (263) (266) (268) (268) (269) (271) (273) (273) 8.1.1 谐波电流对电网的危害 8.1.2 AC-DC 变流电路输入端功率因数 8.1.3 对 AC-DC 电路输入端谐波电流限制 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 8.2 功率因数和 THD 8.2.1 功率因数和 THD 8.2.2 AC-DC电路输入功率因数与谐波的系数 8.3 Boost 功率因数校正器(PFC)的工作原理 8.3.1 功率因数校正的基本原理 8.3.2 Boost 有源功率因数校正器(APFC)的主要优缺点 8.4 APFC 的控制方法 8.4.1 常用的三种控制方法 8.4.2 电流峰值控制法 8.4.3 电流滞环控制法 8.4.4 平均电流控制法 8.4.5 PFC 集成控制电路 UC3854A/B 简介 8.5 反激式功率因数校正器 8.5.1 DCM 反激功率因数校正电路的原理 8.5.2 等效输入电阻 R  e 8.5.3 平均输出电流和输出功率 8.5.4 DCM 反激变换器等效电路平均模型 第 9 章 开关电源并联系统的均流技术 9.1 概述 9.2 开关电源并联系统常用的均流方法 9.2.1 输出阻抗法 9.2.2 主从设置法 9.2.3 按平均电流值自动均流法 9.2.4 最大电流法自动均流 9.2.5 热应力自动均流法 9.2.6 外加均流控制器均流法 第 10 章 开关电源的小信号分析 10.1 概述 10.2 电感电流连续时的状态空间平均法 10.3 电流连续时的平均等效电路标准化模型 10.4 电流不连续时标准化模型 10.5 复杂变换器的模型 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 第 2 篇 PWM 开关变换器的设计与制作 第 1 章 反激变换器的设计 (273) (274) (276) (276) (277) (277) (278) (278) (278) (280) (280) (280) (280) (282) (284) (285) (288) (288) (289) (290) (290) (293) (293) (295) (295) (297) (298) (298) (300) (301) (303) (303) (303) (306) (312) (314) (317) (319) 1.1 概述 1.1.1 电磁能量储存与转换 1.1.2 工作方式的进一步说明 1.1.3 变压器的储能能力 1.1.4 设计前的调查 1.2 反激式变换器的设计方法举例 1.2.1 电源主回路 1.2.2 变压器设计 1.2.3 设计 112W 反激变压器 1.2.4 设计中的几个内容 1.2.5 计算变压器的另缓冲器设计 1.3 反激变换器的缓冲器设计 1.3.1 反激变换器的开关应力 1.3.2 跟踪集电极电压钳位环节 1.3.3 缓冲器环节工作波形 1.3.4 缓冲器参数的确定 1.3.5 低损耗缓冲器 1.4 双晶体管的反激变换器 1.4.1 概述 1.4.2 工作原理 1.4.3 工作特点 1.4.4 缓冲器 1.4.5 工作频率 1.4.6 驱动电路 1.4.7 变压器设计 1.5 隔离式自振荡反激变换器 1.5.1 概述 1.5.2 工作原理 1.5.3 隔离式自振荡反激变换器 1.5.4 加入电流型控制时的有关问题 1.5.5 变压器设计 第 2 章 单端正激变换器的设计 2.1 概述 2.2 工作原理 2.2.1 电感的最小值与最大值 2.2.2 多路输出 2.2.3 能量再生线圈 P  2 的工作原理 2.2.5 正激变换器的优缺点 2.3 变压器设计方法 2.3.1 方法一 (319) (319) (321) (322) (323) (323) (324) (324) (326) (332) (333) (339) (339) (339) (340) (342) (343) (344) (344) (344) (346) (346) (347) (347) (347) (347) (347) (348) (350) (352) (354) (356) (356) (356) (357) (358) (358) (359) (359) (360) 2.3.2 方法二 第 3 章 双晶体管正激变换器的设计 3.1 概述 3.1.1 线路组成 3.1.2 工作原理 3.1.3 电容 C 的作用 3.2 双晶体管正激变换器变压器设计 3.2.1 概述 3.2.2 变压器的设计方法 第 4 章 半桥变换器的设计 4.1 半桥变换器的工作原理 4.2 偏磁现象及其防止方法 4.2.1 偏磁的可能性 4.2.2 串联耦合电容改善偏磁性能 4.2.3 串联耦合电容的选择 4.2.4 阶梯式趋向饱和的可能性及其防止 4.2.5 直通的可能性及其防止 4.3 软启动及双倍磁通效应 4.3.1 双倍磁通效应 4.3.2 软启动线路 4.4 变压器设计 4.5 控制电路 第 5 章 桥式变换器的设计 5.1 概述 5.2 工作原理 5.2.1 概述 5.2.2 工作过程 5.2.3 缓冲器的组成及作用 5.2.4 瞬变时的双倍磁通效应 5.3 变压器设计方法 5.3.1 设计步骤及举例 5.3.2 几个问题 第 6 章 双驱动变压器推挽变换器的设计 6.1 概述 6.2 工作原理 6.2.1 线路结构 6.2.2 工作原理 6.2.3 各点波形 6.3 开关功率管的缓冲环节 6.4 推挽变换器中变压器的设计 (364) (368) (368) (368) (368) (369) (370) (370) (370) (374) (374) (375) (375) (375) (376) (378) (379) (380) (380) (380) (381) (384) (387) (387) (387) (387) (388) (389) (389) (389) (389) (394) (395) (395) (395) (395) (396) (396) (398) (398) 第 7 章 H7C1 为材质 PQ 磁心高频变压器的设计 7.1 损耗及设计原则简介 7.1.1 设计原则 7.1.2 满足设计原则的条件 7.2 表格曲线化的设计方法 7.2.1 表 7.1 的形成与说明 7.2.2 扩大表 7.1 的使用范围 第 8 章 开关电源设计与制作的常见问题 8.1 干扰与绝缘 8.1.1 干扰问题及标准 8.1.2 隔离与绝缘 8.2 效率与功率因数 8.2.1 高效率与高功率密度 8.2.2 高功率因数 8.3 智能化与高可靠性 8.4 高频电流效应与导体选择与布置 8.4.1 趋肤效应和邻近效应的产生 8.4.2 ќ 系数和有效导体厚度 8.4.3 绕组结构 第 3 篇 软开关-PWM 变换器 第 1 章 软开关功率变换技术 1.1 硬开关技术与开关损耗 1.2 高频化与软开关技术 1.3 零电流开关和零电压开关 1.4 准谐振变换器 第 2 章 ZCS-PWM 和 ZVS-PWM 变换技术 2.1 ZCS-PWM 变换器 2.1.1 工作原理 2.1.2 运行模式分析 2.1.3 实验结果报导 2.1.4 ZCS-PWM 变换器的优缺点 2.2 ZVS-PWM 变换器 2.2.1 工作原理 2.2.2 运行模式分析 2.2.3 分析 2.2.4 ZVS-PWM 变换器的优缺点 第 3 章 零转换-PWM软开关变换技术 3.1 零转换-PWM 变换器 3.2 ZCT-PWM 变换器 (405) (405) (405) (405) (409) (412) (414) (417) (417) (417) (419) (422) (422) (422) (423) (424) (424) (427) (429) (430) (430) (431) (432) (433) (436) (436) (436) (436) (438) (438) (439) (439) (439) (441) (441) (443) (443) (443) 3.2.1 工作原理 3.2.2 运行模式分析 3.2.3 ZCT-PWM 变换器的优缺点 3.2.4 实验结果报导 3.3 ZCT-PWM 开关 3.4 ZVT-PWM 变换器 3.4.1 工作原理 3.4.2 运行模式分析 3.4.3 ZVT-PWM 变换器的优缺点 3.4.4 实验结果报导 第 4 章 移相控制全桥 ZVS-PWM变换器 4.1 FB ZVS-PWM DC-DC 变换器的工作原理 4.2 FB ZVS-PWM 变换器运行模式分析 4.3 FB ZVS-PWM变换器分析 4.3.1 占空比分析 4.3.2 FB ZVS-PWM 变换器两桥臂开关管的 ZVS 的条件 4.3.3 FB ZVS-PWM 变换器的优缺点 4.4 FB ZCZVS-PWM变换器开发及应用 4.5 移相控制全桥 FB ZV-ZVC-PWM 变换器 第 5 章 有源钳位软开关 PWM 变换技术 5.1 有源钳位 ZVS-PWM 正激变换器 5.2 有源钳位 ZVS-PWM 正、反激组合式变换器 第 4 篇 开关电源的计算机辅助分析与设计 第 1 章 开关电源的计算机仿真 1.1 电力电子电路的计算机仿真技术 1.1.1 计算机仿真技术 1.1.2 电路仿真分析(建模)方法 1.1.3 SPICE 和 PSPICE 仿真程序 1.2 用 SPICE 和 PSPICE 通用电路模拟程序仿真开关电源 1.2.1 概述 1.2.2 功率半导体开关管的 SPICE 仿真模型 1.2.3 控制电路的 SPICE 仿真模型 1.2.4 例 1:正激 PWM 开关电源的 SPICE 仿真 1.2.5 例 2:推挽式 PWM 开关电源的 PSPICE 仿真及补偿网络参数优化选择 1.3 离散时域法仿真 1.3.1 概述 1.3.2 数值法求解分段线性网络的状态方程 1.3.3 求解网络拓扑的转换时刻(边界条件) 1.3.4 非线性差分方程(大信号模型) (443) (445) (446) (446) (446) (447) (447) (447) (450) (450) (451) (451) (453) (455) (455) (455) (456) (456) (457) (459) (459) (462) (467) (467) (467) (467) (468) (469) (469) (470) (474) (477) (483) (489) (489) (490) (493) (494) 1.3.5 小信号模型 1.3.6 程序框图 1.3.7 仿真计算举例 第 2 章 开关电源的最优设计 2.1 概述 2.1.1 可行设计 2.1.2 最优设计 2.1.3 开关电源的主要性能指标 2.1.4 本章主要内容 2.2 工程最优化的基本概念 2.2.1 优化设计模型的三个内容 2.2.2 设计变量 2.2.3 目标函数 2.2.4 约束 2.2.5 优化数学模型的一般形式 2.2.6 工程优化设计的特点 2.3 应用最优化方法的几个问题 2.3.1 最优解的性质 2.3.2 初始点的选择 2.3.3 收敛数据 2.3.4 变量尺度的统一 2.3.5 约束值尺度的统一 2.3.6 多目标优化问题 2.4 DC-DC桥式开关变换器的最优设计 2.4.1 DC-DC半桥式 PWM 开关变换器主要电路的优化设计 2.4.2 开关、 整流滤波电路的优化设计数学模型 2.4.3 变压器的优化设计数学模型 2.4.4 半桥 PWM 开关变换器优化设计的实现 2.4.5 5V/500W 输出 DC-DC 半桥 PWM 开关变换器优化设计举例 2.4.6 DC-DC 全桥 ZVS-PWM变换器主电路的优化设计 2.5 单端反激 PWM 开关变换器的优化设计 2.5.1 数学模型概述 2.5.2 多路输出等效为一路输出的方法 2.5.3 优化设计举例 2.6 PWM 开关电源控制电路补偿网络的优化设计 2.6.1 概述 2.6.2 开关电源瞬态响应特性简介 2.6.3 开关变换器的频域特性 2.6.4 PWM 开关变换器小信号模型 2.6.5 瞬态优化设计数学模型 (495) (496) (499) (503) (503) (503) (503) (503) (504) (504) (504) (505) (505) (506) (507) (507) (508) (508) (508) (509) (509) (510) (510) (511) (511) (511) (513) (516) (517) (520) (522) (522) (523) (524) (525) (525) (526) (527) (530) (533) 2.6.6 计算举例 2.7 DC-DC 全桥移相式 ZVS-PWM 开关电源补偿网络的最优设计 2.7.1 主电路及电压、 电流波形 2.7.2 FB ZVS-PWM 变换器小信号模型 2.7.3 FB ZVS-PWM变换器主电路传递函数及频率特性 2.7.4 FB ZVS-PWM 开关电源补偿网络最优设计模型 2.7.5 典型设计举例 参考文献 (536) (539) (540) (540) (542) (544) (547) (549)

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