《开关电源技术》习题解答.docVIP

PAGE 17 《开关电源及技术》 习 题 解 答 阚加荣 电气工程学院 第1章 开关电源技术概述 1．什么是开关电源？直流开关电源应满足哪些条件？ 答：广义来讲，凡是利用电力电子器件作为开关管，通过对开关管的高频开通与关断控制，将一种形式的电源转变成另一种形式的电源都称为开关变换器。以开关变换器为主要组成部分，利用高频脉冲宽度调制(Pulse width modulation， PWM)技术或者高频脉冲频率调制(Pulse frequency modulation， PFM)技术，在转换时通过对开关变换器的闭环控制来稳定输出电压或者输出电流，并具有保护与显示环节的，称之为开关电源。 直流开关电源应满足以下条件： 1、电源变换器的输出为直流电； 直流开关电源中的“直流”指的是开关电源的输出电压为直流电。 2、电源变换器中的电力电子器件处于“开通”或者“关断”状态； 顾名思义，直流开关电源中的“开关”二字指的是电源变换器中的电力电子器件的工作状态，将电力电子器件当作类似于机械的开关来使用，即器件“开”时，器件两端电压近似为零，而器件在“关”时，流过器件的电流近似为零。 3、电源变换器中的器件高频工作； 直流开关电源的一个显著特点就是体积小、重量轻，这完全得益于电源变换器中的电力电子器件工作于高频工作状态。 4、电源变换器要能够处理一定的功率。 电力电子技术区别于信息电子技术的一个特征就是电力电子电路须能够处理一定的功率。 2．开关电源的发展过程包含哪几个方面？ 答：主要包含4个方面： 高频化与PWM技术 20世纪60年代以前，线性稳压电源被广泛使用，由于自身缺点，该电源难以应用于较大电流的场合，自20世纪60年代中后期逐渐被开关调节式稳压电源所取代。1964年，日本NEC杂志发表了两篇具有里程碑意义的文章，分别是“采用高频技术小型化AC-DC电源”以及“脉冲调制用于电源的小型化”，这两篇文章指出了未来一段时间内开关调节式稳压电源的两个发展方向，即高频化与脉宽调制技术。1973年，美国摩托罗拉公司发表了一篇为“触发起20kz的革命”的文章，从此在世界范围内就掀起了高频开关电源的开发热潮，并将DC-DC变换器作为开关调节器用于开关电源，使电源的功率密度由1~4W/in3增加到40~50W/in3。 电流控制技术 20世纪70年代后期开始出现了电流控制方式，电流闭环控制的引入给开关电源的控制性能带来了一次革命性的飞跃，使开关电源输出的动态特性得到极大提升。电流控制方式主要有峰值电流控制方式、平均值电流控制方式、滞环电流控制方式以及电荷控制方式。 拓扑的发展 开关电源主电路拓扑最先被采用的是降压型(Buck)变换器，随后升压型(Boost)变换器和升降压型(Buck/Boost)变换器也应用到开关电源中。20世纪70年代中期，美国加州理工大学研制出一种新型开关变换器，称为丘克(Cuk)变换器，20世纪80年代中期以后逐渐被应用到开关电源中。1976年，美国研究人员研制出一种有变压器的“原边电感式变换器”( Primary Inductance Converter，PIC)，获得专利，并且也应用到开关电源中。1977年，Bell实验室在PIC的基础上，研制出有变压器的“单端原边电感式变换器”( Single- Ended Primary Inductance Converter)，简称(有变压器的) Sepic电路，这是一种新的DC/DC单端PWM开关变换器，其对偶电路称为 Dual Sepic，或Zeta变换器。到1989年，人们将Sepic和Zeta也应用到了开关电源中，使开关电源所采用的DC-DC变换器，增加到6种。到目前为止，通过DC/DC变换器的演化与级联，开关电源所采用的DC-DC变换器器已经增加到了14种。用这14种DC-DC变换器作为开关电源的主要组成部分，就可以设计出使用于不同场所、满足于不同性能要求和用途的、高性能、高功率密度的各种功率的开关电源。 开关器件的发展 1958年，世界上第一个晶闸管(Thyristor)问世开辟了电力电子技术的新时代，但其半控特性与较低的工作频率特性限制了其在开关电源中的应用。20世纪六七十年代最常采用GTR作为开关器件，但由于自身工作频率问题，开关电源的体积与重量相对较大。70年代中后期，高速开关器件，如MOSFET、IGBT等被广泛用作开关器件，使得开关电源的工作频率达到几百kHz，大大降低了开关电源的体积和重量。近年来，宽禁带材料，如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN) 为基础的开关器件得到了快速的发展，这些开关器件不仅耐压程度更高、导通阻抗更小，而且所制作的二极管反向恢复时间几乎为零，采用宽禁带材料开关器件的开关电源具有更小的功率损耗，功率密度也更高。 3．相对于线性稳压电源，直流