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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THD189

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Re198

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