通信电源（第2版）漆逢吉主编第6章高频开关电源电路原理高频开关电源电路概述高频开关电源（简称开关电源）是指功率晶体管工
作在高频开关状态的直流稳压电源，其开关频率在20kHz以上。它的主要组成部分是DC/DC变换器。按控制方式分类，可分为脉宽调制（
PWM）、脉频调制（PFM）和混合调制（即脉宽和脉频同时改变），通信用开关电源一般采用脉宽调制。按功率开关电路的结构形式分类，可
分为非隔离型（主电路中无高频变压器）、隔离型（主电路中有高频变压器）以及具有软开关特性的谐振型等类型。开关电源的优点：效率高、体
积小、质量轻、稳压性能好、无可闻噪音等。因此得到越来越广泛的应用。6.1开关电源中的功率电子器件6.1.1概述开关电
源中的功率电子器件，主要是可以快速开关的功率二极管和功率开关晶体管。开关电源中在高频（20kHz以上）条件下工作的功率二极管，不
能采用普通硅整流二极管，而必须采用快恢复二极管（FRD）、超快恢复二极管（UFRD）或肖特基二极管（SBD）等开关速度快的功率开关
二极管。开关电源中使用的功率开关管有三大类：双极型功率晶体管（BJT）、VMOS场效应晶体管（VMOSFET）和绝缘栅双极晶体管
（IGBT或称IGT）。通信用高频开关电源中功率开关管主要采用VMOSFET和IGBT。功率开关晶体管以及功率二极管等功率器件，
都应配置适当的散热器，并采用合理的冷却方式和安装方法，以获得良好的散热效果，限制器件的温升。6.1.2VMOSFET1
．VMOSFET概述场效应晶体管（FET）又称单极型晶体管，因为它导通时只有一种极性的载流子参与导电。它用栅极（G）电场控制漏极
（D）和源极（S）之间的沟道电导，从而控制漏极电流（ID），在直流状态下栅极几乎没有电流，因此是电压控制型器件。导电沟道中载流子
是电子时，称为N沟道；导电沟道中载流子是空穴时，称为P沟道。MOS场效应晶体管（MOSFET），即金属（Metal）—氧化物(O
xide)—半导体(Semiconductor)场效应晶体管，它的栅极由金属构成，绝缘层由二氧化硅（SiO2）构成，导电沟道由半导
体（硅）构成。VMOSFET概述（续1）MOS场效应管不仅分为N沟道和P沟道，而且在每种当中，因沟道产生的条件不同又分为增强型
和耗尽型。增强型MOS场效应管在零栅压（UGS=0）时不导电，耗尽型MOS场效应管在零栅压时导电。VMOS场效应晶体管（VMOS
FET）是垂直导电型MOS场效应晶体管（VerticalMOSFET）的简称。它是功率场效应晶体管，与一般MOS管不同之处是源极
与漏极分别处在上下两个端面上，电流不再沿表面水平方向流动，而是漏极和源极间电流的流向垂直于芯片表面。VMOSFET概述（续2）
VMOSFET概述（续3）开关电源中使用的VMOS场效应晶体管，不论N沟道或P沟道，一般为增强型。VMOS场效应管大多数是N沟道
，这是因为相同的沟道尺寸N沟道管比P沟道管导通电阻小。2．VMOSFET的静态参数（1）开启电压VGS(th)它是指漏区和源
区之间形成导电沟道所需的最低栅—源电压。N沟道增强型VMOS场效应管的VGS(th)一般在2~4V之间。在开关应用中，为使VMO
S场效应管导通时漏—源间电压降较小（通态电阻Ron小），以减小通态损耗，通常驱动电压UGS约为10~15V。VMOSFET的
静态参数（续1）（2）导通电阻（通态电阻）Ron是指VMOS场效应管导通时在确定的栅—源电压UGS下，漏—源极间的直流电阻。
Ron随UGS增大而减小，随ID增大而有所增加。Ron具有正温度系数，使VMOS场效应管很容易并联。VMOS场效应管除低压大
电流器件外，导通电阻Ron较大，因此作功率开关管用其导通压降比双极型晶体管的饱和压降大，相应地导通损耗较大，这是VMOS场效应管的
主要缺点。VMOSFET的静态参数（续2）（3）漏—源击穿电压BVDS（V（BR）DSS）它是为了避免器件击穿而设的极
限参数。应UDS流电流额定值ID和漏极脉冲电流额定值IDM它们是VMOS场效应管电流定额的参数。其测试条件通常是UGS=10V、UDS为某个适当
数值。一般IDM约为ID的2~4倍。VMOS场效应管用作功率开关时，应漏极电流最大值IDmaxD。VMOSFET的静态参数（续3）（6）漏极最大允许耗散功率PDM漏极最大允许耗散功率PDM按热欧姆定律可表示为
式中，Tjm为VMOS场效应管的额定结温（150℃）；Tc为管壳温度，单位为℃；R(th)jc为器件的结—壳热
阻，单位为℃/W。器件手册上给出的PDM值，通常是在壳温TC=25℃时的漏极最大允许耗散功率。当TC>25℃时，必须降额使用
。3．VMOSFET的动态参数（1）极间电容极间电容是影响VMOS场效应管开关速度的主要因素。漏—源极间短路时的输入电
容Ciss、栅—源极间短路时的输出电容Coss和反馈电容(又称反向传输电容)Crss，可用下列公式计算：Ciss=C
GS+CGDCoss=CDS+CGDCrss=CGDVMOSFET的动态参数（续）（2）开关时间
4．VMOSFET的使用注意事项（1）防止静电放电失效（2）防止过电压（3）防止过电流（4）防止寄生振荡损坏器件5．V
MOSFET的栅极驱动电路（1）直接驱动电路（2）隔离驱动电路①磁耦驱动电路隔离驱动电路（续）②光耦驱动电路6.1
.3IGBT门极绝缘双极晶体管又称绝缘门极晶体管，简称IGBT或IGT，人们往往习惯性地称为绝缘栅双极晶体管，或绝缘栅晶体管
，它是一种VMOS场效应晶体管和双极型晶体管的复合器件。IGBT的特点①IGBT从输入端看，类似于VMOS场效应管，是电压
控制型器件，具有输入阻抗高、驱动电流小、驱动电路简单等优点。IGBT的导通和关断由栅极电压来控制，当栅—射电压（即栅极—发射极电
压）UGE大于开启电压VGE(th)时IGBT导通，当栅—射电压小于开启电压时IGBT截止，IGBT的开启电压一般为3~6V。在
开关应用中，使IGBT导通的栅—射电压通常取15V，以保证集—射间导通压降小；关断IGBT时，为使器件可靠截止，最好在栅—射间加负
偏压，通常取-5~-12V。IGBT的特点（续1）②IGBT从输出端看，类似于双极型晶体管，导通压降小，饱和压降一般在2~4
V之间，故导通损耗小。此外，IGBT能够做得比VMOS场效应管耐压更高，电流容量更大。IGBT的特点（续2）③IGBT的开关
速度在VMOS场效应管与双极型晶体管之间。IGBT关断时间较长，由于简化等效电路中PNP晶体管存储电荷的影响，关断时电流下降存在
拖尾现象。电流拖尾现象使IGBT的关断损耗比VMOS场效应管大。IGBT一般适用于工作频率50kHz以下的开关电源。IGBT
的特点（续3）④IGBT存在擎住效应。6.2非隔离型开关电源电路非隔离型开关电源又称非隔离型直流变换器，还可称为斩波
型开关电源，主要有降压（Buck）式、升压（Boost）式和反相（Buck-Boost即降压—升压）式三种基本电路结构。降压式
、升压式和反相式等非隔离型开关电源的基本特征是：用功率开关晶体管把输入直流电压变成脉冲电压（直流斩波），再通过储能电感、续流二极管
和输出滤波电容等元件的作用，在输出端得到所需平滑直流电压，输入与输出之间没有隔离变压器。6.2.1电感和电容的特性1．电
感的特性电感中的电流不能突变。eL=-Ldi/dt，反抗电流变化。当流过电感的电流i上升时，eL与i方向相反（电势的方向是由
负指向正，而电压的方向是由正指向负，故uL与i方向相同），电感中储能，所储存的能量为WL=i2L/2。在电流i下降时，eL与
i方向相同（uL与i方向相反），电感中的储能释放。2．电容的特性电容两端的电压不能突变。电容电流i=dq/dt
=Cdu/dt电容充电时，u上升，du/dt为正值，电流方向与图中i的正方向一致；电容储能，所储存的能量为WC=Cu2/2。
电容放电时，u下降，du/dt为负值，电流方向与图中i的正方向相反，此时电容释放储能。6.2.2降压式直流变换器
降压变换器L值对电压电流波形的影响功率开关管漏极电压电流开关工作波形6.2.3升压式直流变换器6.2.4反相式直
流变换器6.3隔离型开关电源电路隔离型开关电源又称隔离型直流变换器，按其电路结构的不同，可分为单端反激式、单端正激式、推
挽式、全桥式和半桥式。隔离型开关电源的基本工作过程是：输入直流电压，先通过功率开关管的通断把直流电压逆变为占空比可调的高频交变方
波电压加在变压器初级绕组上，然后经过变压器变压、高频整流和滤波，输出所需直流电压。在这类开关电源中均有高频变压器，可以实现输出侧与
输入侧之间的电气隔离。高频变压器的磁芯，通常采用铁氧体或铁基纳米晶合金（超微晶合金）。6.3.1单端反激式直流变换器1．工
作原理单端反激变换器波形图2．变压器的磁通在稳态情况下，一周期内磁通的正增量必须与负增量的绝对值相等，称为磁通的复位。磁
通复位是单端变换器必须遵循的一个原则。在单端变换器中，磁通Φ只工作在磁滞回线的一侧（第一象限），假如每个开关周期结束时Φ没有回到周
期开始时的值，则Φ将随周期的重复而渐次增加，导致磁芯饱和，于是VT导通时磁化电流很大(即漏极电流iD很大)，会造成功率开关管损坏。
因此，每个开关周期结束时的磁通必须回复到原来的起始值，这就是磁通复位的原则。3．输出直流电压UO（1）磁化电流连续模式
（2）磁化电流不连续模式4．性能特点①利用高频变压器初、次级绕组间电气绝缘的特点，当输入直流电压UI是由交流电网电压直接
整流滤波获得时，可以方便地实现输出端和电网之间的电气隔离。②能方便地实现多路输出。只需在变压器上多绕几组次级绕组，相应地多用几
只整流二极管和滤波电容，就能获得不同极性、不同电压值的多路直流输出电压。③保持占空比D在最佳范围内的情况下，可适当选择变压器的
变比n，使开关电源满足对输入电压变化范围的要求。例6.1——见教材P137~138。以上①～③是各种隔离型开关电源电路共有的
优点，以后不再重述。性能特点（续1）④单端反激变换器抗扰性强。由于VT导通时VD截止，VT截止时VD导通，能量传递经过磁的转
换，因此通过电网窜入的电磁骚扰不能直接进入负载。⑤单端反激变换器功率开关管在截止期间承受的电压较高。在设计无工频变压器开关电源
中的单端反激变换器时，考虑功率开关管的耐压，通常选取占空比D＜0.5。性能特点（续2）⑥单端反激变换器在隔离型直流变换器中结
构最简单，但只能由变压器激磁电感中的储能来供给负载，故主要适用于输出功率较小的场合，常在开关整流器中用做辅助电源。⑦单端变换器
的变压器，磁通Φ只工作在磁滞回线的一侧，即第一象限。为防止磁芯饱和，使激磁电感在整个周期中基本不变，应在磁路中加气隙。反激变换器的
气隙较大，杂散磁场较强，需要加强屏蔽措施，以减小电磁骚扰。6.3.2单端正激式直流变换器单端正激变换器单晶体管电路单端正
激变换器的优、缺点及应用单端正激变换器具有类似降压变换器的输出电压脉动小、带负载能力强等优点。但高频变压器磁芯仅工作在磁滞回线的
第一象限，其利用率较低。适用于输入电源电压较高、要求输出功率不大的场合。在实际应用中，单端正激变换器采用双晶体管电路的比较多。
6.3.3推挽式直流变换器推挽变换器实际电压、电流波形推挽变换器的优、缺点及应用推挽变换器的优点：①同单
端直流变换器比较，变压器磁芯利用率高，输出功率较大，输出纹波电压较小。②两只功率开关管的源极是连在一起的，两组栅极驱动
电路有公共端而无需绝缘，因此驱动电路较简单。推挽变换器的缺点：①高频变压器每一初级绕组仅在半周期以内工作，故变压器绕
组利用率低。②功率开关管截止时承受2倍电源电压，因此对功率开关管的耐压要求高。③存在“单向偏磁”问题，可能
导致功率开关管损坏。推挽式直流变换器用一对功率开关管就能获得较大的输出功率，适宜在输入电源电压较低的情况下应用。6.3.4
全桥式直流变换器全桥变换器实际电压、电流波形全桥变换器的优、缺点及应用全桥变换器的优点：①变压器利用率高，
输出功率大，输出纹波电压较小。②对功率开关管的耐压要求较低，比推挽式电路低一半。全桥变换器的缺点：①要用
四个功率开关管。②需要四组彼此绝缘的栅极驱动电路，驱动电路复杂。全桥式直流变换器适宜在输入电源电压高、要求输出功率大
的情况下应用。6.3.5半桥式直流变换器半桥变换器实际电压、电流波形半桥变换器的优、缺点及应用半桥变换器的优点：
①抗不平衡能力强。②同推挽式电路比，变压器利用率高，对功率开关管的耐压要求低（低一半）。③同全桥
式电路比，少用两只功率开关管，相应地驱动电路也较为简单。半桥变换器的缺点：①同推挽式电路比，驱动电路较复杂，两组栅极
驱动电路必须绝缘。②同全桥式及推挽式电路比，获得相同的输出功率，功率开关管的电流要大一倍；若功率开关管的电流相同，则输
出功率少一半。半桥式直流变换器适宜在输入电源电压高、输出中等功率的情况下应用。6.4集成PWM控制器6.4.1概述
脉宽调制（PWM）控制电路是开关电源的重要组成部分，其作用是产生PWM信号，向功率开关管或它的驱动电路提供前后沿陡峭、占空比可变、
工作频率不变的矩形脉冲列。对于单端开关电源，只需提供一组矩形脉冲列；而对于双端开关电源（推挽、全桥和半桥变换器），则需提供相位相
差180o、对称并且有死区时间的两组矩形脉冲列。对PWM控制电路的基本要求①满足开关电源输出电压稳定度及动态品质的要求；
②与主回路配合，使开关电源具有规定的输出电压值及其调节范围；③能实现开关电源的软启动；④能实现开关电源的过流、过压保护。
单片集成PWM控制器分类现在PWM控制电路普遍采用单片集成PWM控制器，其型号较多，通常分为电压型控制器和电流型控制器两类，
电流型控制又分为峰值电流模式控制和平均电流模式控制。电压型PWM集成控制器只有电压反馈控制，可以满足开关电源稳定输出电压等要求。
电流型PWM集成控制器不仅有电压反馈控制，还增加了电感电流反馈控制，控制电路为双环控制，具有电压外环和电流内环，从而使开关电源系
统具有快速的瞬态响应及高度的稳定性，有很高的稳压精度，可实现逐周限流，并具有良好的并联运行能力。6.4.2电压型控制器举例(
SG1525A系列)SG1525A系列PWM集成控制器内部结构框图振荡器的外部连接及锯齿波电压波形图一组输出级（图腾柱结构
）SG1525A系列PWM集成控制器波形图用CW1525A控制的半桥型开关电源6.4.3电流型控制器举例1．电流型
PWM控制器基本原理2．UC1842系列PWM集成控制器用UC3842控制的25W单端反激开关电源3．UC1846系列PWM
集成控制器UC1846系列PWM集成控制器内部结构框图UC1846系列PWM集成控制器波形图电流检测、限定原理图6.
5边沿谐振型直流变换器6.5.1硬开关PWM直流变换器存在的主要问题及解决办法主要问题（续）此外，功率开关管（
例如VMOSFET）的输出电容Coss在器件开通前加有电压UDS，其储能为Wc=CossU2DS/2，当功率开关管由截止变为导通时
，输出电容对功率开关管放电，所储存的能量全部消耗在功率开关管内，其损耗功率为Pc=fCossU2DS/2。开关频率（f）愈高，这项
损耗功率也愈大。一般PWM直流变换器在功率开关管开关过程中，不仅存在开关损耗，而且电流、电压变化率大，导致了开关噪声的产生，形成
电磁骚扰。解决办法应用谐振原理，在开关电源主回路中接入谐振电感Lr、谐振电容Cr等元件，使功率开关管的电压波形或电流波形在某阶
段变为部分正弦波，让功率开关管在开通前电压自然降为零，实现零电压开通，或者让功率开关管在关断前电流自然降为零，实现零电流关断，消除
功率开关管开关过程中电流、电压波形的重叠，并降低它们的变化率，从而大幅度减小开关损耗和开关噪声，提高效率，降低电磁骚扰。功率开
关管的输出电容以及高频变压器的漏感在一般PWM变换器中是不希望存在的寄生参数，但在软开关变换器中这些寄生参数可作为谐振电容或谐振电
感的一部分加以利用。通信用高频开关整流器中采用的软开关电路多为PWM边沿谐振变换器。6.5.2移相FB-ZVS-PWM变
换器领先桥臂与滞后桥臂实现零电压开通的条件实现功率开关管的零电压开通，需要有足够的能量来使关断桥臂的并联电容充电到电压等于输
入电源电压UI、待开通桥臂的并联电容放电到电压为零。领先桥臂（例如VT2）实现零电压开通的能量是Lr和Lo中的储能，由于Lo大
，储能多，因此容易实现零电压开通。而滞后桥臂（例如VT3）实现零电压开通的能量仅是Lr中的储能，其能量比前者小得多，所以滞后桥臂实
现零电压开通比领先桥臂困难。领先桥臂实现零电压开通的条件：IO≥滞后桥臂实现零电压开通的条件：IO≥移相FB-ZVS-P
WM电路的优、缺点优点：①能实现功率开关管零电压开关：零电压开通、接近于零电压关断，从而减小了开关损耗，提高了电路
效率。②元器件的电压、电流应力小。③开关频率恒定，有利于高频变压器和输出滤波器的优化设计。缺点：
①滞后桥臂实现零电压开通比领先桥臂困难。②存在占空比丢失现象，限制了开关频率的提高。③电路中存在较大的
环流，使导通损耗增大。尽管移相控制全桥零电压开关PWM变换器存在一些缺点，但它的优点突出，因此获得了较广泛的应用。6.5.3
移相FB-ZVZCS-PWM变换器移相FB-ZVZCS-PWM变换器（续）6.5.4移相全桥软开关PWM变换器的集成控制
器举例UC1875系列PWM集成控制器内部结构框图UC1875系列芯片的工作波形UC3875构成的电压型控制电路电流
型控制电路采用电流型控制（峰值电流模式控制）时，19脚（RAMP）的斜坡电压（uR）不是由芯片的斜坡发生器产生的锯齿波电压
，而是从主电路引来的逐脉冲电流取样斜坡信号电压（uRs），即uR=uRs=isRs，其中is等于主电路变压器初级电流ip，或与ip
成正比（用电流互感器取样时），Rs为低阻值的取样电阻。这时18脚（SLOPE）通过电阻RSL接地，斜坡发生器不工作。带斜率补偿的
电流型控制电路这是一种双端输出采用峰值电流模式控制的的电流型PWM集成控制器，适用于推挽式、全桥式和半桥式变换器等双端电路的控
制。一般PWM直流变换器中，功率开关管在高电压下开通、大电流下关断，故为“硬开关”。功率开关管开通时电流上升、电压下降，关断时
电流下降、电压上升，在开关过程中功率开关管产生了电流、电压波形重叠，其瞬时电流、电压的乘积为瞬时损耗功率p，如图所示。开关频率愈高
，开关损耗功率愈大。主要问题：特点是：领先桥臂仍零电压开通，而滞后桥臂为零电流关断，能在较宽的负载范围内实现领先桥臂零电压开关
（ZVS）和滞后桥臂零电流开关（ZCS），电路的效率更高。t2时刻等效电路t2时刻后当01875系列PWM集成控制器?这种变换器当功率开关管VT导通时，整流二极管VD截止，电源不直接向负载传送能量，而由变压器储能，当
VT变为截止时，VD导通，储存在变压器磁场中的能量释放出来供给负载Rfz和输出滤波电容Co，因此称为反激式变换器。?CI用于输入
滤波；C1、R1、VD1为关断缓冲电路，用于对功率开关管进行保护，并吸收高频变压器漏感释放储能所引起的尖峰电压。（a）激磁电感
小于临界电感（b）激磁电感大于临界电感应注意反激变换器不要让负载开路。在输出滤波电容Co两端并联一只大约流过1
％额定输出电流的泄放电阻（死负载），使单端反激式直流变换器实际上不会空载，可以防止产生过电压。D为占空比，D=ton/T；
n为变压器的变比，n=Np/Ns。双晶体管电路电感电流连续模式时，输出直流电压为：（6.32）为了保证磁通复位，必须D
≤0.5?图中NF是变压器中的去磁绕组，通常这个绕组和初级绕组的匝数相等，即NF＝NP，并且保持紧耦合，它和储能反馈二极管VD
3用以实现磁通复位（VD3在VT由导通变截止后导通），NF和VD3绝不可少。?这种电路UO仍用式（6.32）计算，同样必须D≤0
.5；但当功率开关管VT截止时，在VD3导通期间，漏—源极间电压UDS=2UI；VD3截止后，UDS=UI。正激变换器的变压器次
级回路，类似于降压变换器。由于这种变换器在功率开关管导通的同时向负载传送能量，因此称为正激式变换器。电感电流连续模式时，输出
直流电压为：为了防止“共同导通”，必须D＜0.5、DO＜1。电感电流连续模式时，输出直流电压为：为了防止两对功率开关管“共
同导通”，占空比的变化范围必须限制为D＜0.5、DO＜1。电感电流连续模式时，输出直流电压为：为了防止“共同导通”，必须D＜0
.5、DO＜1。电流型PWM控制的基本原理图电流型PWM控制器时序波形图这是一种单端输出采用峰值电流模式控制的电流型PW
M集成控制器，输出脉冲的最大占空比接近1，通常多用于单端反激变换器，输出功率限于100W以下。这种PWM集成控制器的主要优点是
外接元件很少，接线简单，可靠性高，成本低。N沟道增强型VVMOSFET结构示意图N沟道增强型VDMOSFET结构
示意图图形符号及电压极性与电流方向寄生二极管N沟道增强型VMOSFET·开通时间ton是指从输入电压波形上升至幅值(
Uim)的10%到漏极电流波形上升至幅值(Im)的90%所需时间，它分为延迟时间td和上升时间tr两部分。·关断时间toff是
指从输入电压波形下降至幅值(Uim)的90%到漏极电流波形下降至幅值(Im)的10%所需时间，它分为存储时间ts和下降时间tf两部
分。开关时间的长短主要取决于等效输入电容充放电所需时间。见教材P113~114。PWM集成控制器直接驱动加设驱动功放的直接驱动光耦驱动器驱动电路光耦合器及基本电路增强型N沟道IGBT的图形符号及电压极性与电流方向增强型N沟道IGBT的简化等效电路G为门极，习惯上常称栅极C为集电极E为发射极当集电极电流大到一定程度时，在Rbr上产生的正向偏压足以使NPN晶体管导通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和导通状态，于是寄生晶闸管开通，栅极失去控制作用，这就是擎住效应。擎住效应将导致IGBT损坏，使用者必须避免擎住效应的产生。因此IGBT的集电极电流必须小于器件制造厂家规定的最大值ICM，同时IGBT的电压上升率也必须小于规定的dVCE/dt值。IGBT的完整等效电路电感电流连续模式时，输出直流电压为：占空比：(a)L
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