【正文】 開(kāi)關(guān)電源畢業(yè)論文1． 緒論 1 開(kāi)關(guān)電源的概念和分類 1 1 3 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題與未來(lái)發(fā)展 4 4 52． 開(kāi)關(guān)電源元器件的選用 6 開(kāi)關(guān)晶體管 6 6 絕緣柵雙極型晶體管 7 軟磁鐵氧體磁芯 8 9 9 光電耦合器 10 二極管 12 13 13 14 自動(dòng)恢復(fù)開(kāi)關(guān) 14 熱敏電阻 153． 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 17 開(kāi)關(guān)電源的控制方式 17 17 18 各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源分析 19 諧振式電源與軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 24 24 25 26 30 其它軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展概況 364． 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 38 開(kāi)關(guān)電源集成控制芯片 38 38 39 40 開(kāi)關(guān)電源電路分析 47 47 49結(jié) 論 55致 謝 56參 考 文 獻(xiàn) 57 58 1． 緒論開(kāi)關(guān)電源是近年來(lái)應(yīng)用非常廣泛的一種新式電源，它具有體積小、重量輕、耗能低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在郵電通信、航空航天、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械、家用電器等領(lǐng)域應(yīng)用效果顯著。 開(kāi)關(guān)電源的概念和分類電源是將各種能源轉(zhuǎn)換成為用電設(shè)備所需電能的裝置，是所有靠電能工作的裝置的動(dòng)力源泉。電是工業(yè)的動(dòng)力，是人類生活的源泉。電源是產(chǎn)生電的裝置，表示電源特性的參數(shù)有功率、電壓、電流、頻率等；在同一參數(shù)要求下，又有重量、體積、效率和可靠性等指標(biāo)。我們用的電，一般都需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換才能適合使用的需求，例如交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓，大功率變換為小功率等。按照電子理論，所謂AC/DC就是交流轉(zhuǎn)換為直流；AC/AC稱為交流轉(zhuǎn)換為交流，即為改變頻率；DC/AC稱為逆變；DC/DC為直流變交流后再變直流。為了達(dá)到轉(zhuǎn)換的目的，電源變換的方法是多樣的。自20世紀(jì)60年代，人們研發(fā)出了二極管、三極管半導(dǎo)體器件后，就用半導(dǎo)體器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所以，凡是用半導(dǎo)體功率器件作開(kāi)關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的電路，叫做開(kāi)關(guān)變換電路。在轉(zhuǎn)換時(shí)，以自動(dòng)控制穩(wěn)定輸出并有各種保護(hù)環(huán)節(jié)的電路，稱為開(kāi)關(guān)電源（Switching Power Supply）[1]。開(kāi)關(guān)電源在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，用高頻變壓器隔離稱之為離線式開(kāi)關(guān)變換器（Offline Switching Cpnwerter），常用的AC/DC變換器就是離線式變換器。開(kāi)關(guān)電源通常由六大部分組成，如圖11所示。 圖11 開(kāi)關(guān)電源工作原理框圖第一部分是輸入電路，它包含有低通濾波和一次整流環(huán)節(jié)。220V交流電直接經(jīng)低通濾波和橋式整流后得到未穩(wěn)壓的直流電壓Vi，此電壓送到第二部分進(jìn)行功率因數(shù)校正，其目的是提高功率因數(shù)，它的形式是保持輸入電流與輸入電壓同相。功率因數(shù)校正的方法有無(wú)源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。所謂有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction，APFC），是指電源在校正過(guò)程中常采用三極管和集成電路。開(kāi)關(guān)電源電路常采用有源功率因數(shù)校正。第三部分是功率轉(zhuǎn)換，它是由電子開(kāi)關(guān)和高頻方波脈沖電壓。第四部分是輸出電路，用于將高頻方波脈沖電壓經(jīng)整流濾波后變成直流電壓輸出。第五部分是控制電路，輸出電壓經(jīng)過(guò)分壓、采樣后于電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較、放大。第六部分是頻率振蕩發(fā)生器，它產(chǎn)生一種高頻波段信號(hào)，該信號(hào)與控制信號(hào)疊加進(jìn)行脈寬調(diào)制，達(dá)到脈沖寬度可調(diào)。有了高頻振蕩才有電源變換，所以說(shuō)開(kāi)關(guān)電源的實(shí)質(zhì)是電源變換。高頻電子開(kāi)關(guān)是電能轉(zhuǎn)換的主要手段和方法。在一個(gè)電子開(kāi)關(guān)周期（T）內(nèi)，電子開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間與一個(gè)電子周期所占時(shí)間之比，叫接通占空比（D），D=。斷開(kāi)時(shí)間所占T的比例稱為斷開(kāi)占空比（D39。）。開(kāi)關(guān)周期是開(kāi)關(guān)頻率的倒數(shù)。例如：一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的工作頻率是50kHz，它的周期（微秒）。很明顯，接通占空比（D）越大，負(fù)載上的電壓越高，表明電子開(kāi)關(guān)接通時(shí)間越長(zhǎng)，此時(shí)負(fù)載感應(yīng)電壓較高，工作頻率也較高。這對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器實(shí)現(xiàn)小型化有幫助，同時(shí)，能量傳遞的速度也快。但是，開(kāi)關(guān)電源中斷開(kāi)關(guān)功率管、高頻變壓器、控制集成電路以及輸入整流二極管的發(fā)熱量高、損耗大。對(duì)于不同的變換器形式，所選用的占空比大小是不一樣的。開(kāi)關(guān)電源與鐵芯變壓器電源以及其他形式的電源比較起來(lái)具有較多的優(yōu)點(diǎn)：(1) 節(jié)能。綠色電源是開(kāi)關(guān)電源中用途最為廣泛的電源，它的效率一般可以達(dá)到85%，質(zhì)量好的可以達(dá)到95%甚至更高，而鐵芯變壓器的效率只有70%或者更低。最近歐盟和美國(guó)消費(fèi)者協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)一般家用電器和工業(yè)電氣設(shè)備的單機(jī)能源消耗指數(shù)大于92%。美國(guó)的“能源之星”對(duì)電子鎮(zhèn)流器、開(kāi)關(guān)電源以及家用電器的效率都制定有很仔細(xì)的、非常嚴(yán)格的規(guī)章條款。(2) 體積小，重量輕。據(jù)統(tǒng)計(jì)，100W的鐵芯變壓器的重量為1200g左右，體積達(dá)350cm3，而100W的開(kāi)關(guān)電源的重量只有250g，而且敞開(kāi)式的電源更輕，體積不到鐵芯變壓器的1/4。(3) 開(kāi)關(guān)電源具有各種保護(hù)功能，不易損壞。而其他的電源由于本身原因或使用不當(dāng)，發(fā)生短路或斷路的事故較多。(4) 改變輸出電流、電壓比較容易，且穩(wěn)定、可控。(5) 根據(jù)人們的要求，可設(shè)計(jì)出各種具有特殊功能的電源，以滿足人們的需要。目前開(kāi)關(guān)電源的種類很多，從工作性質(zhì)來(lái)分，大體上可分為“硬開(kāi)關(guān)”和“軟開(kāi)關(guān)”兩種。所謂硬開(kāi)關(guān)，是指電子脈沖、外加控制信號(hào)強(qiáng)行對(duì)電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行“開(kāi)”和“關(guān)”，而與電子開(kāi)關(guān)自身流過(guò)的電流以及兩端施加的電壓無(wú)關(guān)。顯然，開(kāi)關(guān)是接通和關(guān)斷期間是有電流、電壓存在的，因此，這種工作方式是有損耗的。但是它比其他變換電源的形式簡(jiǎn)單的多，所以，硬開(kāi)關(guān)在很多地方仍然在應(yīng)用，如脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）器就屬于硬開(kāi)關(guān)。目前，很多開(kāi)關(guān)電源都用PWM來(lái)控制。另一類叫做軟開(kāi)關(guān)，電子開(kāi)關(guān)在零電壓下導(dǎo)通，在零電流下關(guān)斷。可見(jiàn)，電子開(kāi)關(guān)是在“零狀態(tài)”下工作的，所以，理論上它的損耗為零，對(duì)浪涌電壓、脈沖尖峰電壓的抑制能力很大，其工作頻率可以提高到5MHz以上，開(kāi)關(guān)電源的重量和體積則可進(jìn)行更大的改變。為了實(shí)現(xiàn)零電壓“開(kāi)”和零電流“關(guān)”，我們常采用諧振的方法。從電子理論可知道，諧振就是容抗等于感抗，總的電抗為零，電路中的電流無(wú)窮大。如果正弦波電壓加到并聯(lián)的電感回路上，這時(shí)電感上的電壓就無(wú)窮大。利用諧振電路可實(shí)現(xiàn)正弦波振蕩，當(dāng)振蕩倒零時(shí)，電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，稱之為零電壓導(dǎo)通（Zero Voltage Switching）。同樣，流過(guò)電子開(kāi)關(guān)的電流振蕩到零時(shí)，電子開(kāi)關(guān)關(guān)斷，稱之為零電流關(guān)斷（Zero Current Switching）。總之，電子開(kāi)關(guān)具有零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷的外部條件，這種變換器稱為準(zhǔn)諧振變換器。它是在脈寬調(diào)制器上附加諧振網(wǎng)絡(luò)而形成的，固定電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，通過(guò)調(diào)整振蕩頻率，最終使電路產(chǎn)生諧振，從而獲得準(zhǔn)諧振變換器的模式。準(zhǔn)諧振變換器開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓不隨輸入電壓的變化而變化，它的輸出電流也不隨用電負(fù)載的變化而變化，這種開(kāi)關(guān)電源的主變換器依靠開(kāi)關(guān)頻率來(lái)穩(wěn)定輸出參數(shù)，我們稱之為調(diào)頻開(kāi)關(guān)電源。調(diào)頻開(kāi)關(guān)電源沒(méi)有脈沖調(diào)制開(kāi)關(guān)電源那么容易控制，再加上準(zhǔn)諧振電路電壓峰值高，開(kāi)關(guān)所受到的應(yīng)力大，目前還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。DC/DC變換類型是開(kāi)關(guān)電源變換的基本類型，它通過(guò)控制開(kāi)關(guān)通、斷時(shí)間的比例，用電抗器與電容器上蓄積的能量對(duì)開(kāi)關(guān)波形進(jìn)行微分平滑處理，從而更有效地調(diào)整脈沖的寬度及頻率。從輸入、輸出有無(wú)變壓器隔離來(lái)說(shuō)，DC/DC變換分為有變壓器隔離和沒(méi)有變壓器隔離兩類。每一類有6種拓?fù)?，即降壓式（Buck）、升壓式（Boost）、升壓—降壓式（BuckBoost）、串聯(lián)式（Cuk）、并聯(lián)式（Sepic）以及賽達(dá)式（Zata）。按激勵(lì)方式分，有自激式和他激式兩種。自激式包括單管式和推挽式，他激式包括調(diào)頻式（PWF）、調(diào)寬式（PWM）、調(diào)幅式（PAM）和諧振式（RSM）4種，我們用得最多的是調(diào)寬式變換器。調(diào)寬式變換器有以下幾種：正激式（Forward Converter）、反激式（Feedback Converter Mode）、半橋式（Half Bridge Converter）、全橋式（Overall Bridge Mode）、推挽式（Push Draw Mode）和阻塞式（Ringing Choke Converter，RCC）等6種。按諧振方式分，有串聯(lián)諧振式、并聯(lián)諧振式和串并聯(lián)諧振式；按能量傳遞方式分，有連續(xù)模式和不連續(xù)模式兩種。凡是以脈沖寬度來(lái)調(diào)制的電子開(kāi)關(guān)變換器都叫PWM變換器。 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題與未來(lái)發(fā)展客觀上講，開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展是非?？斓?，這時(shí)因?yàn)樗哂衅渌娫此鶡o(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。材料之新、用途之廣，是它快速發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。但是，它離人們的要求、應(yīng)用的價(jià)值還差得很遠(yuǎn)，體積、重量、效率、抗干擾能力、電磁兼容性以及使用的安全性都不能說(shuō)是十分完美。目前要解決的問(wèn)題有：(1) 器件問(wèn)題。電源控制集成度不高，這就影響了電源的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)對(duì)電源的體積和效率來(lái)說(shuō)也是一個(gè)大問(wèn)題。(2) 材料問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源使用的磁芯、電解電容及整流二極管燈都很笨重，也是耗能的主要根源。(3) 能源變換問(wèn)題。按照習(xí)慣，變換有這樣幾種形式：AC/DC變換、DC/AC變換以及DC/DC變換等。實(shí)現(xiàn)這些變換都是以頻率為基礎(chǔ)，以改變電壓為目的，工藝復(fù)雜，控制難度大，始終難以形成大規(guī)模生產(chǎn)。(4) 軟件問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源的軟件開(kāi)發(fā)目前只是剛剛起步，例如軟開(kāi)關(guān)，雖然它的損耗低，但難以實(shí)現(xiàn)高頻化和小型化。要做到“軟開(kāi)關(guān)”并實(shí)行程序化，更是有一定的困難。要真正做到功率轉(zhuǎn)換、功率因數(shù)改善、全程自動(dòng)檢測(cè)控制實(shí)現(xiàn)軟件操作，目前還存在很大的差距。(5) 生產(chǎn)工藝問(wèn)題。往往在試驗(yàn)室中能達(dá)到相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但在生產(chǎn)上會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。這些問(wèn)題大多是焊接問(wèn)題和元器件技術(shù)性能問(wèn)題，還有生產(chǎn)工藝上的檢測(cè)、老化、粘結(jié)、環(huán)境等方面的因素。未來(lái)的開(kāi)關(guān)電源像一只茶杯的蓋子：它的工作頻高達(dá)2~10MHz，效率達(dá)到95%，功率密度為3~6W/cm2，長(zhǎng)期使用完好，壽命在80000h以上。這就是開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)。所謂高標(biāo)準(zhǔn)就是對(duì)未來(lái)開(kāi)關(guān)電源的挑戰(zhàn)：第一，能不能全面通容電磁兼容性的各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；第二，在企業(yè)里能不能大規(guī)模地、穩(wěn)定地生產(chǎn)，或快捷地進(jìn)行單項(xiàng)生產(chǎn)；第三，按照人們的需要，能不能組裝或拼裝大容量、高效率的電源；第四，能否使新的開(kāi)關(guān)電源具有比運(yùn)行中的電氣額定值更高的功率因數(shù)、更低的輸出電壓（1~3V）、更大的輸出電流（數(shù)百安）；第五，能不能實(shí)現(xiàn)更小的電源模塊[2]。2． 開(kāi)關(guān)電源元器件的選用 開(kāi)關(guān)晶體管無(wú)論那一種變換器，用的是那一種結(jié)構(gòu)形式的開(kāi)關(guān)電源，所使用的元器件都是開(kāi)關(guān)晶體管、電阻、電容、電感及磁性材料等。選用好元器件，是決定開(kāi)關(guān)電源質(zhì)量的關(guān)鍵。往往設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源在試驗(yàn)室中式成功的，一到生產(chǎn)線上進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。當(dāng)然，有設(shè)計(jì)方面的，有工藝方面的，還有焊接方面的，但多數(shù)是元器件選用問(wèn)題。元器件本身質(zhì)量的差異是影響開(kāi)關(guān)電源質(zhì)量的一個(gè)重要原因。MOSFET分P溝道耗盡型、P溝道增強(qiáng)型、N溝道耗盡型和N溝道增強(qiáng)型4種類型。增強(qiáng)型MOSFET具有應(yīng)用方便的“常閉”特性（即驅(qū)動(dòng)信號(hào)為零時(shí)，輸出電流等于零）。在開(kāi)關(guān)電源中，用作開(kāi)關(guān)功率管的MOSFET幾乎全部都是N溝道增強(qiáng)型器件。這時(shí)因?yàn)镸OSFET是一種依靠多數(shù)載流子工作的單極型器件，不存在二次擊穿和少數(shù)載流子的儲(chǔ)存時(shí)間問(wèn)題，所以具有較大的安全工作區(qū)、良好的散熱穩(wěn)定性和非?？斓拈_(kāi)關(guān)速度。MOSFET在大功率開(kāi)關(guān)電源中用作開(kāi)關(guān)，比雙極型功率晶體管具有明顯的優(yōu)勢(shì)。所有類型的有源功率因數(shù)校正器都是為驅(qū)動(dòng)功率MOSFET而設(shè)計(jì)的，所以說(shuō)，用作開(kāi)關(guān)的MOSFET是任何雙極型功率晶體管所不能替代的[4]。 (1) MOSFET的主要特點(diǎn)MOSFET是一種依靠多數(shù)載流子工作的典型場(chǎng)控制器件。由于它沒(méi)有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，所以它適用于100~200MHz的高頻場(chǎng)合，從而可以采用小型化和超小型化的磁性元件和電容器。MOSFET具有負(fù)的電流溫度系數(shù)，可以避免熱不穩(wěn)定性和二次擊穿，適合在大功率和大電流條件下應(yīng)用。MOSFET從驅(qū)動(dòng)模式上來(lái)分，屬于電壓控制器件，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率甚微，在啟動(dòng)或穩(wěn)定工作條件下的峰值電流要比采用雙極型功率晶體管小得多。MOSFET中大多數(shù)集成有阻尼二極管，而雙極型功率晶體管中大多沒(méi)有內(nèi)裝阻尼二極管。MOSFET對(duì)系數(shù)的可靠性與安全性的影響并不像雙極型晶體管那樣重要。MOSFET的主要缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）較大，而且具有正溫度系數(shù)，用在大電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)通損耗較大，開(kāi)啟門(mén)限電壓VGS(th)較高（一般為2~4V），要求驅(qū)動(dòng)變壓器繞組的匝數(shù)比采用雙極型晶體管多1倍以上。 (2) MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路如圖21和圖22所示。圖21 加速TR關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路在圖21中，NS為脈沖變壓器次級(jí)驅(qū)動(dòng)繞組，R是MOSFET的柵極限流電阻。齊納二極管DW1，DW2反向串接在一起，用于對(duì)VT的柵—漏極進(jìn)行鉗位，放置驅(qū)動(dòng)電壓VGS過(guò)高而使VT幾串。R的阻值一般為60~200Ω。盡管MOSFET的輸入阻抗很高，但仍會(huì)產(chǎn)生充電電流。R值小，則開(kāi)關(guān)速度高，只要柵極的驅(qū)動(dòng)電壓一撤銷，就會(huì)立刻截止。圖22 功率驅(qū)動(dòng)電路圖22所示是加速漏極電流跌落時(shí)間、有利于零功率控制的電路。當(dāng)MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓突然降到門(mén)限電壓時(shí)，MOSFET由導(dǎo)通突變?yōu)榻刂?，三極管BC557加速了ID的跌落，為MOSFET起到加速作用。 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種大電流密度、高電壓激勵(lì)的場(chǎng)控制器件，是高壓、高速新型大功率器件。它的耐壓能力為600～1800V，電流容量為100～400A，在開(kāi)關(guān)電源中作功率開(kāi)關(guān)用，具有MOSFET與之不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。IGBT的主要特點(diǎn)是：① 電流密度大，是MOSFET的10倍以上。② 輸入阻抗高，柵極驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。③ 低導(dǎo)通電阻。IGBT的導(dǎo)通電阻只有MOSFET的10%。④ 擊穿電壓高，安全工作區(qū)大，在受到較大瞬態(tài)功率沖擊時(shí)不