开关电源核心原理：从PWM到升压降压全解析
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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 Cycle）
- PWM 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D3，D4，D5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D3，D4，D5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D1，D5，D6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——Q5+Q8 同时开，Q6+Q7 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 PFC
3. 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：PFC（Power 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 。