将一种直流电能转换成所需要的直流电能或交流电能的电路通常被称为功率变换器，该电路拓扑结构多种多样。单端变换器以其控制方式和电路*简单、可靠性*高，得到广泛应用。
本书对如何理解和更好地设计单端变换器做了详尽的论述，包括基本DC-DC变换器的基本知识、基本变换器演化出的各种电路、主要元器件的基本原理与特性、基本电路单元的设计与选择和缓冲电路等问题。为了方便初学者学习，书中还给出了各种单端隔离型变换器的设计实例。
本书适合电气、电子工程师，大中专院校电类及相关专业的学生和教师阅读。
前言
将一种直流电能转换成所需要的直流电能或交流电能的电路通常被称为功率变换器，该电路拓扑结构多种多样。能否将丰富多彩的功率变换器纳入简单的变换器理论 —基本变换器，即本书要讲述的内容之一。其中，基本 DC-DC变换器是最原始、最基础的基本功率变换器。
尽管基本 DC-DC变换器已有诸多文献论述，本书还是基于基本电工理论，以实现基本DC-DC变换器预期目标为依据，按照解决主要目标要求加入元器件，实现需要的主要目标。在此基础上找出实现最终目标过程中出现的新问题，通过再接入新元器件方式解决所产生的问题，周而复始，最终获得基本DC-DC变换器电路。
在基本DC-DC变换器电路基础上，分析基本DC-DC变换器的工作模式与电磁转换过程，推导出基本DC-DC变换器主电路中各元器件的电压、电流应力，以便在后面内容中应用这些应力的定量关系并合理地选择各元器件的参数。再由基本DC-DC变换器演化出：电能可以反向传输的双向变换器；在基本DC-DC变换器的合适位置上加入具有电气隔离且可以传输电能的变压器，将基本DC-DC变换器演化为隔离型变换器，在这个过程中需要将施加到变压器的脉冲直流电变化成无直流电压分量的交流电。由于输出电压是直流电，需要将变压器输出无直流分量的交流电压恢复原有的直流分量。根据这个要求，附加开关方式实现所需要的功能，RCD钳位、绕组钳位、双管钳位、有源钳位以及附加开关演化出桥式隔离变换器系列。这就使得各类功率变换器原理变得简单、归一。尽管有的文献说基本DC-DC变换器有6种（buck、boost、flyback、cuk、SEPIC、zeta）。但实际上基本变换器只有3种，即降压型变换器（Buck Converter）、升压型变换器（Boost Converter）和反极性变换器（也称为反激式变换器，Flyback Converter），其他的电
路均可以通过基本变换器的演化与组合得到。通过分析与推演，前面提到的cuk变换器实际上是升压型变换器与降压型变换器的组合，SEPIC是升压型变换器与反激式变换器的组合，而zeta变换器则是反激式变换器与降压型变换器的组合，这使电路分析变得简化。
如果有了正确的理论，只是将它空谈一阵，束之高阁，并不应用，那么这种理论再好也是没有用的。有了基本变换器的理论，接下来就是应用理论指导实践，设计出单端变换器。如何设计一个性能优异的单端变换器，首先需要清楚各种单端变换器的原理和特性，根据预期电路的性能指标正确选择变换器的电路拓扑，可以避免因电路性能所限而使样机达不到预期的指标。除了正确选择变换器的电路拓扑，还应正确选择相关的元器件。元器件是影响整机性能的另一个关键，不仅要正确选择有源元器件，更要正确选择无源元器件，特别是电容和电感。
不同的控制方式将会得到不同的性能和经济指标，因此应对需求选择恰当的控制方式。作为入门，可以选择UC3842作为控制芯片的单端变换器设计，原因很简单，因其功能清晰、原理清楚、调试方便，便于初学者入门。本书给出了初学者的电路评估电路板，并介绍了调试入门的各个步骤和要点。为了更接近实际，给出几个商品电源的设计实例、电路图、PCB图和元器件明细。变压器是开关电源的关键部件，也是特制部件，无法像MOSFET、二极管、电容、控制IC、电阻那样具有标准件，因此需要工程师具有变压器的设计能力。应知道变压器结构对变压器性能的影响、变压器的绕制及工艺、电流断续和电流连续状态下的反激式变换器的变压器的设计、正激式变换器变压器的设计，以及如何正确、快捷地选择变压器磁心。
作者希望本书能够对读者设计各类单端变换器有实质性的帮助，对初学者在基本DC-DC变换器理论及单端变换器原理与设计的入门起到很好的引导作用。本书在编写过程中得到了电源行业前辈们的关怀和支持，作者在此表示深深的感谢！
作者 于辽宁工业大学
2021年
1月
目录
前言
第1章 开关电源的发展历程 ………………………………………………… 1
1.1 开关电源已有百年以上的历史 ………………………………………………… 1
1.2 最早的“开关电源”是汽车发动机火花塞的高压电路 ……………………… 1
1.3 汽车收音机需要机械式逆变器获得高压直流电 ……………………………… 1
1.4 显像管式电视机通过行逆程变换器获得第二阳极的高压直流电 …………… 2
1.5 超小型计算机需要无工频变压器的开关电源 ………………………………… 2
1.6 为什么要提高效率 ……………………………………………………………… 3
1.7 非稳压应用时的 DC-DC变换器不需要稳压功能 ……………………………… 3
1.8 电磁干扰问题 …………………………………………………………………… 4
1.9 减小待机损耗 …………………………………………………………………… 4
1.10 如何进一步降低开关电源的损耗 ……………………………………………… 5
1.11 开关电源的延伸 ………………………………………………………………… 5
第 2章 基本 DC-DC变换器概述 ……………………………………………… 7
2.1 DC-DC变换器是现代电力电子技术的基石 …………………………………… 7
2.2 在直流功率变换中，DC-DC变换器可以起到交流电变换的变压器作用 …… 7
2.3 基本 DC-DC变换器的电路运行原理与电磁能量转换原理 …………………… 8
第 3章 降压型变换器 ………………………………………………………… 10
3.1 降压型变换器概述 ……………………………………………………………… 10
3.2 电路的推导 ……………………………………………………………………… 10
3.2.1 直流电压的切割 ………………………………………………………… 10
3.2.2 直流脉冲串的平滑—低通滤波器 …………………………………… 11
3.2.3 线性低通滤波器在非线性电路中的问题 ……………………………… 11
3.2.4 非线性电路中实际的低通滤波器 ……………………………………… 12
3.3 电路运行原理与电磁能量转换原理 …………………………………………… 13
3.3.1 开关管导通期间 ………………………………………………………… 13
3.3.2 开关管关断、二极管续流期间 ………………………………………… 13
3.4 由波形导出的定量关系 ………………………………………………………… 14
3.4.1 开关管、续流二极管承受的电流、电压 ……………………………… 14
3.4.2 由能量守恒原理推导电流连续状态下的输入输出关系 ……………… 14
3.5 电流断续下的输入输出电压关系的推导 ……………………………………… 15
3.6 降压型变换器输入旁路电容状态的分析 ……………………………………… 16
3.6.1 输出旁路电容电流的分析 ……………………………………………… 16
3.6.2 输入旁路电容电流的分析 ……………………………………………… 17
3.7 本章小结 ………………………………………………………………………… 18
第 4章 升压型变换器 ………………………………………………………………………… 19
4.1 电路的推导 ……………………………………………………………………… 19
4.1.1 反向电流的阻止 ………………………………………………………… 19
4.1.2 输入向输出提供电能的实现 …………………………………………… 19
4.1.3 电感储能的补充与控制 ………………………………………………… 20
4.2 电路运行原理与电磁能量转换原理 …………………………………………… 20
4.2.1 开关管导通期间 ………………………………………………………… 20
4.2.2 开关管关断期间 ………………………………………………………… 21
4.2.3 开关管、二极管均为关断期间 ………………………………………… 21
4.3 主要波形及定量分析 …………………………………………………………… 22
4.3.1 电感电流连续状态的波形分析 ………………………………………… 22
4.3.2 主要参数的定量分析 …………………………………………………… 22
4.4 电感电流连续状态下的输入输出电压关系分析 ……………………………… 23
4.5 输入 /输出电容状态的分析 …………………………………………………… 24
4.5.1 输入电源旁路电容状态的分析 ………………………………………… 24
4.5.2 输出支撑电容状态的分析 ……………………………………………… 25
4.6 电感电流断续状态下的输入输出电压关系 …………………………………… 25
4.6.1 电感电流断续状态的波形分析 ………………………………………… 25
4.6.2 电流断续状态下输入电容、输出电容状态 …………………………… 26
第 5章 反激式变换器 ………………………………………………………… 28
5.1 电路的获得 ……………………………………………………………………… 28
5.1.1 输出反向电流的阻塞 …………………………………………………… 28
5.1.2 输入电流与输出电流共同通路的建立 ………………………………… 28
5.1.3 储能元件的确定及完整电路 …………………………………………… 29
5.2 电路运行原理与电磁能量转换原理 …………………………………………… 29
5.2.1 开关管导通期间 ………………………………………………………… 30
5.2.2 开关管关断期间 ………………………………………………………… 30
5.2.3 电感储能完全释放期间的电路状态 …………………………………… 30
5.2.4 电路特点 ………………………………………………………………… 31
5.3 电流连续状态下主要波形与定量的关系 ……………………………………… 31
5.3.1 主要元器件参数的定量关系 …………………………………………… 31
5.3.2 输入、输出电压关系的推导 …………………………………………… 32
5.4 电感电流断续状态下主要波形与定量的关系 ………………………………… 33
5.4.1 电感电流断续状态下的主要波形 ……………………………………… 33
5.4.2 输入输出定量关系的分析 ……………………………………………… 33
5.4.3 电流断续状态下的开关管、阻塞二极管电压、电流定量关系 ……… 34
5.5 输入电容、输出电容电流与输入输出电流的定量关系 ……………………… 35
5.5.1 电流连续状态下的输入电容电流 ……………………………………… 35
5.5.2 电流连续状态下的输出电容电流 ……………………………………… 35
5.5.3 电流断续状态下的输入电容电流 ……………………………………… 35
5.5.4 电流断续状态下的输出电容电流 ……………………………………… 36
5.6 本章小结 ………………………………………………………………………… 36
第 6章 双向变换器 …………………………………………………………… 37
6.1 双向变换器的提出 ……………………………………………………………… 37
6.2 降压型变换器与升压型变换器组合形成双向变换器 ………………………… 37
6.3 单向变换器如何变成双向变换器 ……………………………………………… 38
6.3.1 单向变换器 ……………………………………………………………… 38
6.3.2 双向变换器 ……………………………………………………………… 39
6.3.3 升压型变换器的电能双向传输 ………………………………………… 40
6.4 反激式双向变换器 ……………………………………………………………… 40
6.5 双向变换器的延伸—同步整流器 …………………………………………… 42
6.5.1 低压整流电路需要低正向电压整流器件 ……………………………… 42
6.5.2 利用开关器件实现低正向电压整流器件 ……………………………… 42
6.5.3 同步整流器概念 ………………………………………………………… 44
第 7章 演化为隔离型 DC-DC变换器 ………………………………………… 45
7.1 基本变换器的等效变换 ………………………………………………………… 45
7.2 实现电气隔离的几种方法和可实现性 ………………………………………… 46
7.3 降压型变换器输入、输出电气隔离的实现 …………………………………… 47
7.3.1 隔离边界 ………………………………………………………………… 47
7.3.2 变压器绕组带有直流分量电压产生的问题及变压器插入位置的分析…………………………………………………… 48
7.4 变压器的反向电压 ……………………………………………………………… 49
7.4.1 变压器的等效电路 ……………………………………………………… 49
7.4.2 变压器励磁电流的释放与反向电压的产生 …………………………… 50
7.5 RCD钳位复位电路 ……………………………………………………………… 50
7.6 瞬变电压抑制二极管复位电路的复位 ………………………………………… 51
7.7 复位绕组的复位 ………………………………………………………………… 52
7.8 双管钳位式复位方式 …………………………………………………………… 52
7.9 谐振式复位方式 ………………………………………………………………… 53
7.10 有源钳位的复位方式 …………………………………………………………… 53
7.11 磁通复位问题 …………………………………………………………………… 55
7.12 输出侧直流分量的恢复 ………………………………………………………… 56
7.13 降压型变换器电气隔离的延伸：隔离型桥式变换器 ………………………… 57
7.14 升压型变换器输入、输出电气隔离的实现 …………………………………… 58
7.15 反激式变换器输入、输出电气隔离的实现 …………………………………… 59
7.15.1 flyback变换器的隔离型演化…………………………………………… 59
7.15.2 隔离型反激式变换器的延伸 …………………………………………… 59
第 8章 由基本 DC-DC变换器演化出级联变换器 …………………………… 60
8.1 基本 DC-DC变换器级联的基本思路 …………………………………………… 60
8.2 应用升压型、降压型变换器级联为 cuk变换器 ……………………………… 61
8.3 应用升压型、反激式变换器级联为 SEPIC变换器 …………………………… 63
8.4 应用反激式与降压型变换器级联为 zeta变换器 ……………………………… 66
8.5 反激式变换器与降压型变换器的级联 ………………………………………… 68
8.5.1 级联变换器的必要 ……………………………………………………… 68
8.5.2 反激式变换器与降压型变换器的级联演化过程 ……………………… 68
8.5.3 反激式变换器与降压型变换器级联相对反激式变换器的优点 ……… 70
8.6 反激式变换器级联 ……………………………………………………………… 70
8.6.1 反激式变换器的级联过程分析 ………………………………………… 70
8.6.2 反激式变换器级联相对降压型变换器的优点 ………………………… 72
8.7 升压型变换器级联 ……………………………………………………………… 72
8.7.1 用一只开关管实现的升压型变换器级联 ……………………………… 72
8.7.2 用两只开关管和同一个控制信号实现的升压型变换器级联 ………… 74
8.7.3 升压型变换器级联小结 ………………………………………………… 74
8.8 变换器单开关多输出的演化 …………………………………………………… 74
8.8.1 cuk变换器与 SEPIC变换器组合构成对称输出变换器 ……………… 74
8.8.2 flyback变换器与 zeta变换器组合演化为对称输出变换器 …………… 76
8.8.3 SEPIC变换器与 boost变换器组合演化为同极性多输出变换器 ……… 76
8.9 基本变换器的变形演化 ………………………………………………………… 77
8.9.1 变换器的变形演化的目的 ……………………………………………… 77
8.9.2 cuk变换器变形演化 ……………………………………………………… 77
8.9.3 flyback变换器变形演化 ………………………………………………… 79
8.9.4 buck、flyback与 boots变换器变形演化为 LED驱动器 ……………… 80
8.10 演化出高效率的升降压 4开关变换器 ………………………………………… 81
8.10.1 基本思路 ………………………………………………………………… 81
8.10.2 同极性反激式工作模式 ………………………………………………… 82
8.10.3 降压模式 ………………………………………………………………… 83
8.10.4 升压模式 ………………………………………………………………… 84
8.10.5 输入输出电压接近降压、升压控制模式 ……………………………… 85
8.10.6 高边驱动采用自举电路时的工作模式 ………………………………… 86
第 9章 交流电源直接市电整流电路状态分析及整流器、滤波电容的选择 … 88
9.1 桥式整流电路与滤波电路 ……………………………………………………… 88
9.2 整流电路的滤波方式与作用 …………………………………………………… 89
9.3 带有电容滤波的单相桥式整流电路的工作状态分析 ………………………… 89
9.3.1 低漏感、低绕组电阻变压器对应的整流滤波电路工作状态 ………… 90
9.3.2 高漏感、高绕组电阻变压器对应的整流滤波电路工作状态 ………… 91
第 10章 电流型控制芯片的原理分析 ………………………………………… 93
10.1 UC3842及原理分析 …………………………………………………………… 93
10.2 UC3842系列的主要参数 ……………………………………………………… 94
10.2.1 极限参数 ………………………………………………………………… 94
10.2.2 电源参数 ………………………………………………………………… 95
10.2.3 时钟参数 ………………………………………………………………… 96
10.2.4 输出参数 ………………………………………………………………… 97
10.2.5 误差放大器参数 ………………………………………………………… 98
10.2.6 电流检测环节参数 ……………………………………………………… 98
10.2.7 UC3842系列中其他型号的特殊参数 ………………………………… 99
10.3 UC3842系列的一般特性 …………………………………………………… 100
10.3.1 峰值电流型控制方式 ………………………………………………… 100
10.3.2 UC3842的其他特点 ………………………………………………… 101
10.4 UC3842的工作状态分析 …………………………………………………… 101
10.5 UC3842的工作状态分析 …………………………………………………… 102
10.6 逐周电流控制原理 …………………………………………………………… 103
10.7 定时电容的电容量对输出脉冲占空比的影响 ……………………………… 104
10.8 UC3842的其他性能 …………………………………………
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