【正文】 00/ 1 / / /Q L R CR L C R??? ? ? (37) 由于串聯(lián)諧振時(shí)， L、 C 電壓彼此抵消，因此也稱為電壓諧振。又分為： ① ZCS—— 零電流開關(guān)。 下面是升壓型變換器的電路圖： 圖 314 升壓型電流變換器電路 S2 S1 C R N1 N1 N2 N2 Ui Uo T L VD1 VD2 S2 S1 C R N1 N1 N2 N2 Ui Uo T N4 N3 VD1 VD2 VD3 N2 C12 T C2 L2 R Uo S N1 VD Ui L1 C11 開關(guān)電源畢業(yè)論文 24 該電路也與推挽電路類似，并在主通路上串聯(lián)了一個(gè)電感。當(dāng) S 斷開時(shí)， Ui+EL1對(duì) C11 及變壓器原邊放電，同時(shí)給 C11 充電，電流方向從上向下。 當(dāng) S1 和 S2 輪流導(dǎo)通時(shí)，一次側(cè)將通過電源 S1TC2電源及電源 C1TS2電源產(chǎn)生交變電流，從而在二次側(cè)產(chǎn)生交變的脈動(dòng)電流，經(jīng)過全波整流轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，再經(jīng) L、 C 濾波，送給負(fù)載。 電壓關(guān)系： oi/ /(1 )UU ? ?? ? ? (35) Ui ID Uo ID S ID VD ID L ID C ID Ui ID Uo ID S ID VD ID C ID L 開關(guān)電源畢業(yè)論文 21 圖 37 Cuk 變換器電路 拓?fù)?結(jié)構(gòu) 當(dāng)開關(guān) S 閉合時(shí)， Ui 對(duì) L1 充電。 ② 升壓變換器 Boost 電路：升壓斬波器，入出極性相同。這就是 PFM 的工作原理。脈寬調(diào)制器由基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、 PWM 比較器和鋸齒波發(fā)生器組成，如圖 32 所開關(guān)電源畢業(yè)論文 18 示。調(diào)頻式開關(guān)電源的輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍很寬，調(diào)節(jié)方便，輸出可以不接假負(fù)載，詳見圖 31 所示的波形圖。如果將電阻換為熱敏電阻，就可解決這一問題。 熱敏電阻在開關(guān)電源中起過溫度保護(hù)和軟啟動(dòng)的作用。穩(wěn)壓電源 的輸出電壓從零開始逐漸升高，這時(shí)注意電流表的電流讀數(shù)也在不斷增加。當(dāng)故障排除以后，它又能很快恢復(fù)到低電阻狀態(tài)。一般正向電阻為 6? ，反向電阻為無窮大，可從讀出的負(fù)載電壓計(jì)算出正向?qū)▔航怠? 快速恢復(fù)及超快速恢復(fù)二極管 快速恢復(fù)二極管（ Fast Recovery Diod）和超快速恢復(fù)二極管（ Superfast Recovery Diod， SRD）時(shí)很多電子設(shè)備中常用的器件，在開關(guān)電源中也經(jīng)常用到。穩(wěn)壓二極管從材料上分為 N 型和 P 型兩種。 穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管又叫齊納二極管（ Zener Diod），具有單向?qū)щ娦?，它工作在電壓反向擊穿狀態(tài)。 開關(guān)二極管 開關(guān)管用在高速運(yùn)行的電子電路中，起信號(hào)傳輸作用，在模擬電路中起作鉗位抑制作用。光耦合器的電流傳輸比 (CTR)的允許范圍是 50%～ 200%。線性光耦合器 的 FCTR I? 特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號(hào)時(shí)，其交流電流傳輸比 ( /CTR IC IF? ? ? ?)很接近于直流電流傳輸比 CTR 值。 (2) 光耦合器的技術(shù)參數(shù) 主要有發(fā)光二極管正向壓降 FV 、正向電流 FI 、電流傳輸比 CTR、輸入級(jí)與輸出級(jí)之間的絕緣電阻、集電極 發(fā)射極反向擊穿電壓 (BR)CEOV 、集電極 發(fā)射極飽和壓降CE(sat)V 。光電耦合器的隔離電阻很大、隔離電容很小（約幾個(gè) pF），所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。 圖 26 光電耦合器及其典型用法 實(shí)際上，光電耦合器有晶體管、達(dá)林頓、可控硅、磁效應(yīng)管等多種輸出形式。 光電耦合器 光電耦合器（ Optical Coupler， OC）也叫光電隔離器（ Optical Isolationg， OI），簡稱光耦。 (2) PM 時(shí) R 形磁芯，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，但電能耦合不是很好，散熱性能也不是很好。如果磁芯的S 矩形曲線在 B 方向上被壓扁，將會(huì)嚴(yán)重影響變壓器的振蕩波形，導(dǎo)致開關(guān)晶體管溫升加劇。磁性材料的磁化曲線始端磁導(dǎo)率的極限值稱為初始導(dǎo)磁率。 磁性材料的基本特性 (1) 磁場強(qiáng)度（ H）與磁感應(yīng)強(qiáng)度（ B）。有關(guān)MOSFET 和 IGBT 的圖形符號(hào)見圖 23 和圖 24。 IGBT 的主要特點(diǎn)是： ① 電流密度大，是 MOSFET 的 10 倍以上。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 過高而使 VT 幾串。由于它沒有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，所以它適用于 100~200MHz 的高頻場合，從而可以采用小型化和超小型化的磁性元件和電容器。元器件本身質(zhì)量的差異是影 響開關(guān)電源質(zhì)量的一個(gè)重要原因。這些問題大多是焊接問題和元器件技術(shù)性能問題， 還有生產(chǎn)工藝上的檢測、老化、粘結(jié)、環(huán)境等方面的因素。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。 開關(guān)電源設(shè)計(jì)中存在的問題與未來發(fā)展 開關(guān)電源中存在的問題 客觀上講，開關(guān)電 源的發(fā)展是非?？斓模@時(shí)因?yàn)樗哂衅渌娫此鶡o法比擬的優(yōu)勢。 DC/DC 變換類型是開關(guān)電源變換的基本類型，它通過控制開關(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，電路中的電流無窮大。 開關(guān)電源的分類 目前開關(guān)電源的種類很多，從工作性質(zhì)來分，大體上可分為“硬開關(guān)”和“軟開關(guān)”兩種。最近歐盟和美國消費(fèi)者協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，美國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%。開關(guān)周期是開關(guān)頻率的倒數(shù)，fT1? 。第五部分是控制電路，輸出電壓經(jīng)過分壓、采樣后于電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較、放大。 開關(guān)電源通常由六大部分組成，如圖 11 所示。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。 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(dòng)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)。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)。例如：一個(gè)開關(guān)電源的工作頻率是 50kHz，它的周期 sT ?202150 1 3 ???（微秒）。美國的“能源之星”對(duì)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。 所謂硬開關(guān)，是指電子脈沖、外加控制信號(hào)強(qiáng)行對(duì)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)。如果正弦波電壓加到并聯(lián)的電感回路上，這時(shí)電感上的電壓就無窮大。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。材料之新、用途之廣，是它快速發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。?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)。 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。 功率開關(guān) MOSFET 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。 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。 R 的阻值一般為 60~200Ω。 ② 輸入阻抗高，柵極驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡單。 G門 極D 漏 極S 源 極 圖 23 MOSFET 的圖形符號(hào) 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(hào) 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(shí)一種非常重要的元件。磁場強(qiáng)度時(shí)表示磁場強(qiáng)弱與方向的一個(gè)物理量，用安 /米（ A/m）表示。 (4) 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br。 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(shí)選擇磁芯材料首先要考慮的問題。 (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。它時(shí)一種以紅外光進(jìn)行信號(hào)傳遞的器件，由兩部分組成：一是發(fā)光體，實(shí)際上時(shí)一只發(fā)光二極管，受輸入電流的控制，發(fā)出不同強(qiáng)度的紅外光；另一部分時(shí)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。 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(duì)較高頻率開關(guān)電源畢業(yè)論文 11 的小信號(hào)的隔離傳送。 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(huì)成比例地產(chǎn)生一個(gè)用于進(jìn)一步控制下一級(jí)的電 路的電壓。此外，在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)間、延遲時(shí)間等參數(shù)。因此，它適合傳輸模擬電壓或電流信號(hào)，能使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。這是因?yàn)楫?dāng) CTR＜ 50%時(shí)，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(huì)增大光耦的功耗。高速開關(guān)硅二極管是高頻開關(guān)電源中的一個(gè)主要器件，這種二極管具有良好的高頻開關(guān)特性。當(dāng)反向電壓達(dá)到并超過穩(wěn)定電壓時(shí)，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。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)。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(diǎn)，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。 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(jí)輸出電壓的整流管。這種可持續(xù)性的轉(zhuǎn)換器件能反復(fù)使用而不損壞。當(dāng)穩(wěn)壓電源的輸出電流接近或超過自動(dòng)恢復(fù)開關(guān)的電流容量時(shí)，電流表上的電流讀數(shù)突然減小，此時(shí)自動(dòng)恢復(fù)開關(guān)已進(jìn)入高阻狀態(tài)。過溫保護(hù)時(shí)將熱敏電阻并接在輸入電路中。電路剛通電時(shí)，熱敏電阻的溫度低，阻值很大，瞬時(shí)能對(duì)充電電流加以限制?；旌险{(diào)制方式是指脈沖寬度與頻率都不固定，都可以改變。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。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 ???? 。 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(shí)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(gè)電路的開關(guān)管和負(fù)載構(gòu)成并聯(lián)。當(dāng) S 斷開時(shí)， Ui+EL1 通過 VD 對(duì) C1 進(jìn)行充電。 同樣地，這個(gè)電路也相當(dāng)于降壓式 拓?fù)?結(jié)構(gòu)。附邊感應(yīng)出脈動(dòng)直流信號(hào)，通過 VD 對(duì) C12反向充電。在開關(guān)導(dǎo)通期間， L積蓄能量。開關(guān)管在零電流時(shí)關(guān)斷。從外部看， L、 C部分類似于短路。 ③ 諧振頻率： 0 1/ LC? ? 。 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。下面是這兩種開關(guān)的簡單原理圖。 諧振開關(guān)的動(dòng)態(tài)過程分析 實(shí)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)生的一個(gè)阻尼振蕩過程。諧振角頻率： 0 r r1/ LC? ? (39) S L1 C1 S L1 C1 VD1 S L1 C1 VD1 Vi VD2 VD1 L1 L2 C2 RL S C1 V0 i1 Vi VD2 VD1 L1 L2