0 参考资料开关电源如何升压超形象动画Boost电路一看就懂三分钟看懂开关电源原理 Buck降压电路动画讲解一个电路同时实现升压和降压3分钟动画Boost-Buck电路一看就懂198-什么是pfc电路功率较大的开关电源有整流滤波电路原理三相整流桥电路原理解释自用DC/DC 移相全桥变换器原理[转载]移相全桥DC-DC变换器-工作原理、设计与matlab仿真-part 1【2025电赛】2025年全国大学生电子设计竞赛6小时获奖速成 10.PID单相PFC (功率因数矫正)无桥pfc工作原理为什么pfc要用升压电路一、理解开关目标看到 IGBT/MOS 管不再发懵学习内容二极管是什么——单向导电像个单向阀三极管是什么——受控开关的概念MOS管/IGBT——Gate电压控制通断功率更大的开关验收问题给 Gate 脚加 15V会发生什么能回答就过关。资源B站搜 “MOSFET工作原理动画”1. 二极管单向阀本质一个PN结电流只能从阳极P流向阴极N反向则截止。比喻就像液压系统中的单向阀流体只能朝一个方向走反向就堵死。关键特性正向导通需跨越“门槛电压”硅管约0.7V肖特基约0.2~0.4V。反向截止并非绝对不漏有微小漏电流反向电压过高会击穿稳压管正是利用这一点。常见用途整流交流变直流、续流、钳位保护、防反接。在“开关”视角看它是被动、不可控的开关——方向对了就通方向反了就断没法用信号控制它。2. 三极管受控开关本质电流控制型器件用基极的小电流控制集电极到发射极的大电流。比喻像一个水龙头轻轻旋动把手基极电流就能控制大水流集电极电流的通断和大小。开关状态截止基极电流为零或极小集电极-发射极间几乎不通相当于开关断开。饱和导通基极电流足够大集电极-发射极压降很小Vce约0.1~0.3V相当于开关闭合。与二极管的区别三极管是主动可控的开关可以人为用信号决定通断而且能工作在线性放大区。局限因为需要持续的基极驱动电流在大功率应用时驱动损耗大开关速度也受限于载流子存储效应所以后来在开关领域逐渐被MOS管替代。3. MOS管 / IGBT电压控制大功率开关这两者都把控制方式从“电流”改成了“电压”大大减轻了驱动负担。MOS管电压控制、高速开关控制端栅极Gate通过栅-源电压Vgs来控制漏-源的通断。本质绝缘栅场效应管栅极与沟道间是一层二氧化硅绝缘层输入阻抗极高几乎不从驱动电路抽取电流只有瞬时的栅极电容充放电。开关比喻如同静电控制的闸门——施加一个电压电场就把导电沟道打开撤掉电压沟道消失开关断开。优势开关速度极快适合高频应用如开关电源、DC-DC低压大电流场景表现优异。局限在高压600V下导通电阻上升明显大功率应用时损耗和散热成为问题。IGBT专为高压大功率而生的“复合开关”组成输入端是MOS结构电压控制输出端是双极型晶体管BJT结构相当于MOS管驱动三极管的复合器件。控制方式和MOS管一样由栅极电压控制通断。特点像MOS一样容易驱动电压控制、高输入阻抗。导通时像三极管饱和导通拥有很低的饱和压降尤其在高电压下比MOS管导通损耗小得多。但关断时会有“拖尾电流”开关速度比MOS慢更适合高压、大电流、中低频的领域。典型应用变频器、电机驱动、电焊机、电动汽车逆变器、高铁牵引系统堪称现代大功率电力电子的核心。栅极电压信号“0” (0V 或负压)关断小电压 (比如 2~3V)不导通低于门槛大电压 (比如 15V)可靠导通完全饱和过大的电压 (超过20V)栅极击穿永久损坏二、理解 PWM目标知道软件输出的方波信号在干什么学习内容什么是占空比Duty CyclePWM 如何控制平均电压开关频率是什么意思你笔记里有 60kHz、100kHz死区时间是什么笔记里提到 250ns 死区验收问题“占空比 50%、频率 100kHz 的 PWM周期多长高电平持续多久”资源B站搜“PWM原理入门”你列出的这四个问题正好是软件如何指挥硬件开关的核心秘密。理解了它们你就能把之前学的硬件开关和软件代码连接起来。我们用之前你熟悉的“电磁阀”和“IGBT”来一步步拆解。1. 什么是占空比占空比就是在一个开关周期里开关导通的时间占整个周期的比例。公式占空比 (导通时间 / 总周期时间) × 100%打个比方假设 IGBT 这个开关在 1 秒钟内导通 0.2 秒关断 0.8 秒。那么占空比就是 20%。也就是通断的时间比例。2. PWM 如何控制平均电压这是 PWM 最核心的思想用开关的通断来模拟一个中间电压。想象一盏灯如果在 1 秒内你快速地让它“亮0.5秒、灭0.5秒”人眼看到的就不是闪烁而是亮度变暗了大约是常亮时的一半。对电机/负载也一样给 IGBT 的栅极加15V开关全开负载得到满电压比如 48V。给 IGBT 的栅极加0V开关关断负载得到 0V。关键如果我让开关在 48V 和 0V 之间来回高速切换负载上得到的等效平均电压就等于占空比 × 满电压。举例电源是 48V占空比设为 50%那电机感受到的平均电压就是 24V。如果占空比是 25%平均电压就是 12V。用之前学过的知识并不是在控制IGBT变成一个“半开”的电阻状态那会严重发热而是让它只在“全开”和“全关”之间切换。全开时压降极低几乎不发热。这正是 PWM 高效的原因。3. 开关频率是什么意思你的 60kHz、100kHz开关频率指的是这个开关每秒开关了多少次。单位是 Hz。你笔记里的100kHz就是说 IGBT 在1秒钟内导通关断了 10万次。频率越高好处电机里的电流纹波更小运行更平滑噪音也更小人耳听不到。坏处IGBT 每秒开关的次数太多开关损耗会变大发热增加。频率越低好处开关损耗小。坏处人耳可能会听到电机发出“滋滋”的高频噪音电流控制不够精细。100kHz 在电机控制里属于非常高的频率了通常用 MOS 管会多一些。如果是 IGBT比较典型的高频应用一般在 20kHz 左右这是一个工程上的平衡点。4. 死区时间是什么你的 250ns 死区这是大功率电路中至关重要的一项保护机制。在许多电路例如电机驱动中通常会使用一对开关管一个连接电源正极上管另一个连接电源负极下管。如果这两个开关管同时导通电源正负极将直接短路瞬间造成烧毁这种现象称为“直通”。现实中的 IGBT 关断需要一定时间。如果软件指令让上管关断的同时立即让下管导通在上管尚未完全关断的瞬间下管已经打开就会导致灾难性的短路。死区时间正是为了避免这种情况而设计的在关闭当前开关管与打开对侧开关管之间人为插入一段极短的、强制两个管子都处于关断状态的空白时间。你笔记中提到的250ns纳秒就是这段空白时间。在这 250ns 内上管和下管均保持关断确保一个管子彻底关断后另一个才会开启。这是保障硬件安全的最后一道防线。验收问题详解“占空比 50%、频率 100kHz 的 PWM周期多长高电平持续多久”1. 周期频率和周期互为倒数。100kHz 就是每秒 100,000 个周期。周期 1 / 频率 1 / 100,000 Hz 0.000,01 秒换算一下就是10 微秒 (10µs)。这意味着IGBT 的开关动作以 10 微秒为一个循环反复进行。2. 高电平持续时间高电平时间就是导通时间。50% 的占空比意味着导通时间占整个周期的一半。高电平时间 周期 × 占空比 10µs × 50% 5µs。也就是说在每个 10µs 的周期里IGBT 的栅极加着15V导通的时间是 5µs另外 5µs 加着 0V关断。你现在已经清楚地知道软件发出的这个 100kHz、50% 占空比的信号具体是在干什么了它是在指挥 IGBT 以 5 微秒开、5 微秒关的节律工作最终在负载上产生一个 24V 的平均电压假设母线电压 48V。这部分理解透彻后下一阶段就可以看看控制器是如何感知电机转子的位置从而决定何时给哪一相通电的了。三、Boost、Buck、Boost-Buck电路1 boost升压电路1.1 boost电路拓扑结构1.2 boost电路拓扑推导5v的电池怎么点亮10v的灯泡5v的输入怎么变成10v的输出添加一个电感假设灯泡1欧姆需要10A。电感可以使得电流缓慢变化。当关闭开关后电流由低缓慢变成10A当电流到达10A时断开开关这样电流就流向灯泡灯泡被点亮怎么维持灯泡一直点亮怎么维持升压输出当断开开关后电流逐渐变小这时候再次关闭开关后电流由低缓慢变成10A当电流到达10A时断开开关…但是这样操作当关闭开关的时候灯泡上没电流是灭的。灯泡是一闪一闪的。这时候添加一个电容因为电容是一个可以充电放电的电池。当断开开关的时候不仅会给灯泡供电还会给电容充电。当闭合开关的时候电容会给灯泡供电所以这个时候要加一个二极管阻止电流流向左侧由于电容供电电压会缓慢减小。所以开关反复闭合打开可以维持在10V左右开关不断关闭打开怎么实现现实中不太可能用人手实现这里用mos管实现变化反应在图表中2 Buck降压电路2.1 buck电路拓扑结构2.2 buck电路推导20v输入怎么变成5v的输出一种是用加电阻分压的方法但是这样会有很多电能转为电阻的热能浪费很多电。所以这里用到了电感电感没有电阻不消耗能量能减小电流变化。按下开关后电流逐渐上升由于二极管单项导电此时电流无法通过。断开开关后电流会流向二极管形成回路电流缓慢减小到0A当减小到5A的时候再次按开关增大电流如此反复实现电流控制在5A。反复开关的动作用mos管实现反映在图表中得到的电流不稳定怎么办不过此时电流有高有低不稳定添加电容滤波。电容可以把较大的突变过滤成很小的变化突然增大就是给电容充电减小的话电容就放电。3 Boost-Buck电路为了让按下开关的时候可以有电流通过电阻添加电容按下开关时有电容给电阻供电同理也可以进行升压这种高频开关是用mos管实现四、整流滤波电路1. 四个二极管实现的整流电路桥式整流把交流电整流成直流电在电流的正半轴电流的方向就是上正下负电流不走左上的那个二极管的原因是当电流走右上的二极管后电压降低0.6V,过了负载后电压更小所以不能走只能走左下的然后回到电源在电流的负半轴电流的方向就是下正上负流过负载仍然是从上到下但是现在虽然是直流了但是大小变化很大这时候可以加一个电容来滤波减小变化的幅度这个平滑电压的效果跟电容的大小有关系把容值调低发现滤波效果并不好把容值调高滤波效果会变得非常好和负载的大小有关负载越小需要的电容就越大2. 整流电路常见的整流电路分为半波整流、全波整流和桥式整流。半波整流只有一个二极管负电流不导通全波整流全波整流每个时期都有电流流过桥式整流波形和全波整流一样3. 三相整流桥电路三相整流桥电路6个阶段为一个周期所以分六个阶段分析电路第一阶段A相波形在最上边所以D3D4D5截止c相大于B相D2也截止因此第一阶段电流从A相流到B相第二阶段A相波形在最上边所以D3D4D5截止B相大于C相D6也截止因此电流从A相经过D1、负载、D2流到B相第三阶段B相波形在最上边所以D1D5D6截止A相大于C相D4也截止因此电流从B相经过D3、负载、D2流到C相第四阶段第五阶段第六阶段从1到6阶段这样循环下去左边是三相电的电压波形右边是整流后负载上的电压波形电压波形来自每两相电压波形的差负载侧并联电容加了电容器后得到了平整的直流电逆变器S1S4,S2S3两怼开关来回切换的频率就是交流电的频率但是通过这种方式产生的交流电是方波但我们要正弦波为了实现正弦波将使用特殊元件五、全桥 DC/DC目标看懂笔记里 Q5/Q6/Q7/Q8 那四个管子在干什么学习内容为什么需要四个开关H桥结构对角导通的概念——Q5Q8 同时开Q6Q7 同时开为什么上下管绝对不能同时导通直通短路死区时间的作用隔离变压器的作用——原边/副边能量传输电气隔离驱动变压器 T3/T4 的作用——为什么不直接连线驱动验收问题看笔记图2能说出J2-4和J2-5的波形为什么是这个形状1. 移相全桥DC-DC变换器参考自用DC/DC 移相全桥变换器原理[转载]移相全桥DC-DC变换器-工作原理、设计与matlab仿真-part 1六、PFC电路用于整流滤波电路PFC是功率因数校正功率因数有功功率/视在功率1.交流到直流中遇到的问题1. 输入的电压波形和输入的电流波形的相位不一致给电容充电时候电压还没建立起来但是电容有在放电所以电容电流波形超前电压波形滞后对于感性负载它阻碍电流所以他的电流波形滞后电压波形超前图是感性负载和容性负载电压和电流波形的对比2. 波形存在严重的失真电流的波形发生的严重的失真电压波形是完整的但是电流波形只有一点点如何解决这两个问题早期的PFC方案通过电感和电流的配合让交流电的电压波形和电流波形相位一致但是波形还是存在失真相位不一致还有波形失真都会影响功率因数PFC电路如何得到最大的功率因数呢就是修正电流波形2.单相PFC参考单相PFC (功率因数矫正)基础铺垫无源PFC有电流突变输入交流电流波形为断续的尖峰脉冲并非正弦波是电容滤波整流电路最显著的特征。核心特点仅在二极管导通的短暂时间内存在输入电流关断期间电流为 0导通角远小于 180°。正半周对应正脉冲负半周对应负脉冲正负脉冲对称。电流脉冲窄、幅值高包含大量高次谐波因此电路的输入功率因数较低。负载越重导通角越大电流脉冲越宽空载时除初始上电外输入电流恒为 0。详细解释与影响这种尖峰脉冲电流的产生源于整流桥后的大容量滤波电容。在交流电压的每个半周期内只有当输入电压瞬时值高于电容电压时整流二极管才会正向偏置导通此时电网向电容和负载供电形成电流脉冲。一旦电容电压被充电至接近输入电压峰值二极管便反偏截止输入电流降为零直到下一个半周期电压再次超过电容电压。这个过程导致电流导通时间极短仅在电压峰值附近。这种电流波形会带来几个严重问题低功率因数 (PF)由于电流波形严重畸变与电压波形不同步且非正弦导致有功功率与视在功率比值很低通常只有0.5-0.7造成电网容量浪费。高谐波含量 (THD)尖峰电流含有丰富的高次谐波3次、5次、7次等这些谐波会注入电网污染电网质量可能干扰其他设备并可能导致中性线过载、变压器过热等问题。国际标准如IEC 61000-3-2对设备输入电流谐波有严格限制。增大输入电流有效值为了在短暂的导通时间内提供负载所需的平均功率脉冲电流的峰值必须很高这增大了线路损耗和元件应力。解决方案为了解决上述问题现代开关电源普遍采用有源功率因数校正 (Active PFC)技术。其核心思想是使用一个Boost升压电路或其他拓扑作为前置级并配合控制电路使输入电流波形自动跟踪输入电压波形并使其接近正弦波。这样电流与电压同相位且波形失真小可以将功率因数提升至0.99以上同时大幅降低电流谐波含量满足相关法规要求。2. 什么是波纹它指叠加在理想平直直流电压之上的周期性小幅波动分量是整流滤波电路最核心的输出特性之一传统有桥boost PFC3. 引入boost变换器稳定直流侧的输出电压。导通时经历的器件很多3. 无桥PFC参考无桥pfc工作原理为什么pfc要用升压电路1. 无桥PFC拓扑基础构成核心组件该拓扑主要由MOS管和二极管组成 。组件功能分工二极管主要作用是续流 。MOS管主要作用是给电感充电 。2. 电路工作原理详解无桥PFC电路通过控制不同开关周期内MOS管的导通与关断配合电感和二极管实现能量传递与升压。具体工作过程分为AC输入电压的正半周和负半周两种情况2.1 AC输入电压大于0时正半周充电阶段在一个开关周期内MOS管 M1 按照相应的占空比导通用于给电感充电 。升压/续流阶段当 M1 关断时由于电感电流不能突变根据楞次定律电感两端会感应出一个高压 。此时二极管 D1 导通从而起到升压作用 。2.2 AC输入电压小于0时负半周充电阶段同理在一个开关周期内MOS管 M2 按照相应的占空比导通用于给电感充电 。升压/续流阶段当 M2 关断时由于电感电流不能突变由楞次定律可知电感两端会感应出一个高压 。此时二极管 D2 导通从而起到升压作用 。3. PFC实现与升压电路的必要性分析3.1 PFC的核心目标定义PFCPower Factor Correction即功率因数校正 。技术要求其核心目的是使AC输入电压和AC输入电流保持同相位 。波形特征如果AC输入电压是正弦波那么输入电流也必须调整为正弦波 。3.2 为何必须使用升压电路会议通过拓扑分析解释了实现PFC必须采用升压电路的原因电压关系约束假设输入电压为50V由于PFC电路的输出电压通常高于输入峰值电压此时输出电压大于50V 。二极管状态分析在这种情况下二极管两端的电压为负值导致续流二极管电流为零 。结论为了确保在输入电压较低时仍能维持电流流动并校正功率因数电路必须具备将电压提升至高于输入峰值的能力因此实现PFC必须要用到升压电路 。