【正文】 新式電源，它具有體積小、重量輕、耗能低、使用方便等優(yōu)點，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。我們用的電，一般都需要經(jīng)過轉(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。所以，凡是用半導(dǎo)體功率器件作開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的電路，叫做開關(guān)變換電路。 開關(guān)電源畢業(yè)論文 2 低 通濾 波有 源調(diào) 整一 次整 流電 子開 關(guān)高 頻 變壓 器采 樣輸 出平 滑濾 波二 次整 流脈 寬調(diào) 制基 準(zhǔn)電 壓誤 差放 大比 較 器脈 沖驅(qū) 動輸 入 電 路 功 率 因 數(shù) 校 正功 率轉(zhuǎn) 換輸 出 電 路直 流 輸 出V0控 制 電 路頻 率 振 蕩 發(fā) 生 器交 流 輸入 電 壓2 2 0 V 圖 11 開關(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)。開關(guān)電源電路常采用有源功率因數(shù)校正。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，該信號與控制信號疊加進(jìn)行脈寬調(diào)制，達(dá)到脈沖寬度可調(diào)。 斷開時間 oft 所占 T 的比例稱為斷開占空比（ D39。例如：一個開關(guān)電源的工作頻率是 50kHz，它的周期 sT ?202150 1 3 ???（微秒）。對于不同的變換器形式，所選用的占空比大小是不一樣的。美國的“能源之星”對電子鎮(zhèn)流器、開關(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。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。 所謂硬開關(guān)，是指電子脈沖、外加控制信號強行對電子開關(guān)進(jìn)行“開”和“關(guān)”，而與電子開關(guān)自身流過的電流以及兩端施加的電壓無關(guān)。另一類叫做軟開關(guān)，電子開關(guān)在零電壓下導(dǎo)通，在零電流下關(guān)斷。如果正弦波電壓加到并聯(lián)的電感回路上，這時電感上的電壓就無窮大。它是在脈寬調(diào)制器上附加諧振網(wǎng)絡(luò)而形成的，固定電子開關(guān)導(dǎo)通時間，通過調(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。從輸入、輸出有無變壓器隔離來說， DC/DC 變換分為有變壓器隔離和沒有變壓器隔離兩類。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。材料之新、用途之廣，是它快速發(fā)展的主要動力。 (2) 材料問題。實現(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)。要真正做到功率轉(zhuǎn)換、功率因數(shù)改善、全程自動檢測控制實現(xiàn)軟件操作，目前還存在很大的差距。 開關(guān)電源的發(fā)展趨勢 未來的開關(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，功率因數(shù)高達(dá) ，長期使用完好，壽命在 80000h 以上。選用好元器件，是決定開關(guān)電源質(zhì)量的關(guān)鍵。 功率開關(guān) MOSFET MOSFET 分 P 溝道耗盡型、 P 溝道增強型、 N 溝道耗盡型和 N 溝道增強型 4 種類型。 MOSFET 在大功率開關(guān)電源中用作開關(guān)，比雙極型功率晶 體管具有明顯的優(yōu)勢。 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 的主要缺點是導(dǎo)通電阻（ RDS(ON)）較大，而且具有正溫度系數(shù)，用在大電流開關(guān)狀態(tài)時，導(dǎo)通損耗較大，開啟門限電壓 VGS(th)較高（一般為 2~4V），要求驅(qū)動變壓器繞組的匝數(shù)比采用雙極型晶體管多 1 倍以上。 R 的阻值一般為 60~200Ω。當(dāng) MOSFET的柵極驅(qū)動電壓突然降到門限電壓時， 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。 ② 輸入阻抗高，柵極驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單。 ⑤ 開關(guān)速度快，關(guān)斷時間短。 G門 極D 漏 極S 源 極 圖 23 MOSFET 的圖形符號 C 集 電 極G柵 極E 發(fā) 射 極G柵 極C ( D )集 電 極 ( 漏 極 ）E ( S )發(fā) 射 極 ( 源 極 ) 圖 24 IGBT 的圖形符號 軟磁鐵氧體磁芯 軟磁鐵氧體材料常用在高頻變壓器、電感整流器、脈沖變壓器以及 PFC 中的升壓電感等電路中，在開關(guān)電源中時一種非常重要的元件。設(shè)計開發(fā)人員對高頻變壓器的設(shè)計制作，時開關(guān)電源設(shè)計制作的頭等重要任務(wù)。磁場強度時表示磁場強弱與方向的一個物理量，用安 /米（ A/m）表示。磁芯的磁狀態(tài)由鐵磁性轉(zhuǎn)變成順磁性時，在 μ— T 曲線上，80%μmax與 20%μmax的連線跟導(dǎo)磁率等于 1的直線的交點相對應(yīng)的溫度稱為居里溫度。 (4) 剩余磁感應(yīng)強度 Br。 選用磁性材料時，要選用可飽和的磁性材料。 磁芯的結(jié)構(gòu)與選用 磁芯的使用一定要在一定的居里溫度以內(nèi)，這時選擇磁芯材料首先要考慮的問題。一下是一些主要磁芯結(jié)構(gòu)的說明。 (3) RM、 X 形磁芯的磁耦合能力和散熱效果都很好，適合用在 100W 以上的大中功率電源上。 (5) EE 磁芯是一種常用磁芯， 對于中小功率的變壓器來說很適合。它時一種以紅外光進(jìn)行信號傳遞的器件，由兩部分組成：一是發(fā)光體，實際上時一只發(fā)光二極管，受輸入電流的控制，發(fā)出不同強度的紅外光；另一部分時受光器，受光器接受光照以后，產(chǎn)生光電流并從輸出端輸出。因為它時一種發(fā)光體，而且用低電平的電源供電，所以它的使用壽命長，傳輸效率高，而且體積小，可廣泛用于級間耦合、信號傳輸、電氣隔離、電路開關(guān)以及電平轉(zhuǎn)換等 [5]。 通常的光電耦合器由于它的非線性，因此在模擬電路中的應(yīng)用只限于對較高頻率開關(guān)電源畢業(yè)論文 11 的小信號的隔離傳送。它廣泛用于 電平轉(zhuǎn)換、信號隔離、級間隔離、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器 (SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口中。 線性方式工作的光電耦合器是在光電耦合器的輸入端加控制電壓，在輸出端會成比例地產(chǎn)生一個用于進(jìn)一步控制下一級的電 路的電壓。 在開關(guān)電源中我們是采用電壓環(huán)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出的，光電耦合器作為輸入采樣、反饋信號、輸出驅(qū)動的隔離器件。此外，在傳輸數(shù)字信號時還需考慮上升時間、下降時間、延遲時間等參數(shù)。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。因此，它適合傳輸模擬電壓或電流信號，能使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。 開關(guān)電源則應(yīng)該選擇線性光電耦合器，上表給出了常見的線性光電耦合器及主要數(shù)據(jù)。這是因為當(dāng) CTR＜ 50%時，光耦中的 LED 就需要較大的工作電流 (IF＞ )，才能正?？刂茊纹_關(guān)電源 IC的占空比，這會增大光耦的功耗。面接觸型二極管的工作電流比較大，發(fā)熱比較厲害，它的最高工作溫度不允許超過 100℃ 。高速開關(guān)硅二極管是高頻開關(guān)電源中的一個主要器件，這種二極管具有良好的高頻開關(guān)特性。 (2) 最大管壓降 VFM：小于 。當(dāng)反向電壓達(dá)到并超過穩(wěn)定電壓時，反向電流突然增大，而二極管兩端的電壓恒定，這就叫做穩(wěn)壓?，F(xiàn)在市面上從 到 200V，各種型號規(guī)格齊全。選用穩(wěn)壓二極管的原則是：第一，注意穩(wěn)定電壓的標(biāo)稱值；第二，注意電壓的溫度系數(shù)。 開關(guān)電源畢業(yè)論文 14 ② 穩(wěn)定電流 IE。這兩種二極管具有開關(guān)特性好、耐壓高、正向電流大 、體積小等優(yōu)點，在電子鎮(zhèn)流器、不間斷電源、變頻電源、高頻微波爐等設(shè)備中常用在整流、續(xù)流、限流等電路中。 ③恢復(fù)和快速恢復(fù)二極管有 3 種結(jié)構(gòu)，即單管、共陰對管和共陽對管。 ② 選用原則：超快速恢復(fù)二極管在開關(guān)電源中可作為阻塞二極管和次級輸出電壓的整流管。它具有開關(guān)特性好、使用安全、不需維護、自動恢復(fù)、可反復(fù)使用等特點。這種可持續(xù)性的轉(zhuǎn)換器件能反復(fù)使用而不損壞。日光燈短路或漏氣時，鎮(zhèn)流器的工作電流是正常工作電流的 3 倍以上，這時只要在鎮(zhèn)流器的輸出端與燈之間的電路上串接一只自動恢復(fù)開關(guān)，就能非常有效地進(jìn)行過流保護，提高電子鎮(zhèn)流器的可靠性。當(dāng)穩(wěn)壓電源的輸出電流接近或超過自動恢復(fù)開關(guān)的電流容量時，電流表上的電流讀數(shù)突然減小，此時自動恢復(fù)開關(guān)已進(jìn)入高阻狀態(tài)。熱敏電阻的主要參數(shù)有： (1) RT0：零功率電阻值，表示室溫 為 25℃ 時的電阻值。過溫保護時將熱敏電阻并接在輸入電路中。所謂軟啟動是指電源剛通電時，因濾波電容 C 的電壓不能突變，容抗趨于零，瞬時對電容充電的電流很大，容易損壞電解電容。電路剛通電時，熱敏電阻的溫度低，阻值很大，瞬時能對充電電流加以限制。脈沖頻率調(diào)制（ Pulse Frequency Modulation， PFM）是將脈沖寬度固定，通過調(diào)節(jié)工作頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓?；旌险{(diào)制方式是指脈沖寬度與頻率都不固定，都可以改變。 to nto ntto f fTto f fTVi nVi nV0V000t (a) PWM 控制方式 to nto f fT1T2tVi nVi nV0V000 t (b) PFM 控制方式 圖 31 PWM、 PFM 控制方式和波形圖 脈寬調(diào)制的基本原理 開關(guān)電源采用脈寬調(diào)制方式的占很大比例，所以有必要對脈寬調(diào)制的基本原理加以了解。開關(guān)電源的輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較、放大，然后將其差值送到脈寬調(diào)制器。再經(jīng)過瞬間定時器、控制邏輯和輸出級，輸出一方波信號，驅(qū)動 MOS 開關(guān)管，最后經(jīng)高頻變壓器 TR 和整流濾波獲得穩(wěn)定的輸出電壓 V0。假設(shè)電源效率為 η，脈沖寬度為 m，脈沖頻率為 f，則有 V0= 1Vfm ???? 。 開關(guān)電源畢業(yè)論文 19 壓 控 振 蕩 器零 電 壓 比 較 器 控 制 邏 輯誤 差 放 大 器V C 0瞬時定時器++abcd0 . 5 V5VVrFV TT R+ BV DV0CR 圖 33 脈沖頻率調(diào)制的基本原理 各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源分析 (1) 非隔離 型開關(guān)變換器 ① 降壓變換器 Buck 電路：降壓斬波器，入出極性相同。 Uo ID S ID VD ID L ID C ID 開關(guān)電源畢業(yè)論文 20 利用同樣的方法，根據(jù)穩(wěn)態(tài)時電感 L 的充放電伏秒積相等的原理，可以推導(dǎo)出電壓關(guān)系 ： oi/ 1 /(1 )UU? ?? (33) 圖 35 Boost 電路 拓?fù)?結(jié)構(gòu) 這個電路的開關(guān)管和負(fù)載構(gòu)成并聯(lián)。 電壓關(guān) 系： oi/ /(1 )UU ? ?? ? ? (34) 圖 36 BuckBoost 電路 拓?fù)?結(jié)構(gòu) S 通時，輸入電源僅對電感充電，當(dāng) S 斷時，再通過電感對負(fù)載放電來實現(xiàn)電源傳輸。當(dāng) S 斷開時， Ui+EL1 通過 VD 對 C1 進(jìn)行充電。 圖 38 推挽型變換電路 S1 和 S2 輪流導(dǎo)通，將在二次側(cè)產(chǎn)生交變的脈動電流，經(jīng)過全波整流轉(zhuǎn)換為直流信號，再經(jīng) L、 C 濾波，送給負(fù)載。 同樣地，這個電路也相當(dāng)于降壓式 拓?fù)?結(jié)構(gòu)。當(dāng) S 斷開時， N1能量轉(zhuǎn)移到 N3，經(jīng) N3電源 VD3 向輸入端釋放能量，避免變壓器過飽和。附邊感應(yīng)出脈動直流信號，通過 VD 對 C12反向充電。 圖 313 能量回饋型電流變換器電路 該電路與推挽電 路類似。在開關(guān)導(dǎo)通期間， L積蓄能量。這種開關(guān)電源稱為諧振式開關(guān)電源。開關(guān)管在零電流時關(guān)斷。 (1) 串聯(lián)電路的諧振 一個 R、 L、 C 串聯(lián)電路，在正弦電壓作用下，其復(fù)阻抗： ( 1 / )Z R j L C??? ? ? (36) 一定條件下，使得 XL=XC，即 1/LC??? ， ZR? ，此時的電路狀態(tài)稱為串聯(lián)諧振。從外部看， L、 C部分類似于短路。 開關(guān)電源畢業(yè)論文 25 ⑤ 諧振發(fā)生時， C、 L 中的能量不斷互相轉(zhuǎn)換，二者之間反復(fù)進(jìn)行充放電過程，形 成正弦波振蕩。 ③ 諧振頻率： 0 1/ LC? ? 。 諧振式電源的基本原理 諧振式電源是新型開關(guān)電源的發(fā)展方向。 PWM 一般只能達(dá)到幾百 K，但諧振開關(guān)電源可以達(dá)到 1M 以上。開關(guān)管在零電流時關(guān)斷。下面是這兩種開關(guān)的簡單原理圖。這個諧振電路的電壓是正弦波，而 Is 接近矩形波。 諧振開關(guān)的動態(tài)過程分析 實際上，諧振開關(guān)中的所謂 “ 諧振 ” 并不是真正理論上的諧振，而是 L、 C 電路在送電瞬間產(chǎn)生