【正文】 00/ 1 / / /Q L R CR L C R??? ? ? (37) 由于串聯(lián)諧振時， 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。 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)了一個電感。當 S 斷開時， Ui+EL1對 C11 及變壓器原邊放電，同時給 C11 充電，電流方向從上向下。 當 S1 和 S2 輪流導通時，一次側將通過電源 S1TC2電源及電源 C1TS2電源產生交變電流，從而在二次側產生交變的脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經 L、 C 濾波，送給負載。 電壓關系： 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 開關電源畢業(yè)論文 21 圖 37 Cuk 變換器電路 拓撲 結構 當開關 S 閉合時， Ui 對 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。脈寬調制器由基準電壓源、誤差放大器、 PWM 比較器和鋸齒波發(fā)生器組成，如圖 32 所開關電源畢業(yè)論文 18 示。調頻式開關電源的輸出電壓的調節(jié)范圍很寬，調節(jié)方便，輸出可以不接假負載，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。 熱敏電阻在開關電源中起過溫度保護和軟啟動的作用。穩(wěn)壓電源 的輸出電壓從零開始逐漸升高，這時注意電流表的電流讀數(shù)也在不斷增加。當故障排除以后，它又能很快恢復到低電阻狀態(tài)。一般正向電阻為 6? ，反向電阻為無窮大，可從讀出的負載電壓計算出正向導通壓降。 快速恢復及超快速恢復二極管 快速恢復二極管（ Fast Recovery Diod）和超快速恢復二極管（ Superfast Recovery Diod， SRD）時很多電子設備中常用的器件，在開關電源中也經常用到。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），具有單向導電性，它工作在電壓反向擊穿狀態(tài)。 開關二極管 開關管用在高速運行的電子電路中，起信號傳輸作用，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時，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、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、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?。s幾個 pF），所以能阻止電路性耦合產生的電磁干擾。 圖 26 光電耦合器及其典型用法 實際上，光電耦合器有晶體管、達林頓、可控硅、磁效應管等多種輸出形式。 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 R 形磁芯，結構緊湊，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，將會嚴重影響變壓器的振蕩波形，導致開關晶體管溫升加劇。磁性材料的磁化曲線始端磁導率的極限值稱為初始導磁率。 磁性材料的基本特性 (1) 磁場強度（ H）與磁感應強度（ B）。有關MOSFET 和 IGBT 的圖形符號見圖 23 和圖 24。 IGBT 的主要特點是： 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 VT 的柵 — 漏極進行鉗位，放置驅動電壓 VGS 過高而使 VT 幾串。由于它沒有少數(shù)載流子的存儲效應，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。元器件本身質量的差異是影 響開關電源質量的一個重要原因。這些問題大多是焊接問題和元器件技術性能問題， 還有生產工藝上的檢測、老化、粘結、環(huán)境等方面的因素。按照習慣，變換有這樣幾種形式： AC/DC 變換、 DC/AC 變換以及 DC/DC 變換等。 開關電源設計中存在的問題與未來發(fā)展 開關電源中存在的問題 客觀上講，開關電 源的發(fā)展是非?？斓?，這時因為它具有其他電源所無法比擬的優(yōu)勢。 DC/DC 變換類型是開關電源變換的基本類型，它通過控制開關通、斷時間的比例，用電抗器與電容器上蓄積的能量對開關波形進行微分平滑處理，從而更有效地調整脈沖的寬度及頻 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。 開關電源的分類 目前開關電源的種類很多，從工作性質來分，大體上可分為“硬開關”和“軟開關”兩種。最近歐盟和美國消費者協(xié)會統(tǒng)計，美國一般家用電器和工業(yè)電氣設備的單機能源消耗指數(shù)大于 92%。開關周期是開關頻率的倒數(shù)，fT1? 。第五部分是控制電路，輸出電壓經過分壓、采樣后于電路的基準電壓進行比較、放大。 開關電源通常由六大部分組成，如圖 11 所示。電源是產生電的裝置，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。我們用的電，一般都需要經過轉換才能適合使用的需求，例如交流轉換成直流，高電壓變成低電壓，大功率變換為小功率等。 開關電源畢業(yè)論文 2 低 通濾 波有 源調 整一 次整 流電 子開 關高 頻 變壓 器采 樣輸 出平 滑濾 波二 次整 流脈 寬調 制基 準電 壓誤 差放 大比 較 器脈 沖驅 動輸 入 電 路 功 率 因 數(shù) 校 正功 率轉 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，它產生一種高頻波段信號，該信號與控制信號疊加進行脈寬調制，達到脈沖寬度可調。例如：一個開關電源的工作頻率是 50kHz，它的周期 sT ?202150 1 3 ???（微秒）。美國的“能源之星”對電子鎮(zhèn)流器、開關電源以及家用電器的效率都制定有很仔細的、非常嚴格的規(guī)章條款。 所謂硬開關，是指電子脈沖、外加控制信號強行對電子開關進行“開”和“關”，而與電子開關自身流過的電流以及兩端施加的電壓無關。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。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)展的主要動力。實現(xiàn)這些變換都是以頻率為基礎，以改變電壓為目的，工藝復雜，控制難度大，始終難以形成大規(guī)模生產。 開關電源的發(fā)展趨勢 未來的開關電源像一只茶杯的蓋子：它的工作頻高達 2~10MHz，效率達到 95%，功率密度為 3~6W/cm2，功率因數(shù)高達 ，長期使用完好，壽命在 80000h 以上。 功率開關 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 具有負的電流溫度系數(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用。 R 的阻值一般為 60~200Ω。 ② 輸入阻抗高，柵極驅動功率小，驅動電路簡單。 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，在開關電源中時一種非常重要的元件。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。 (4) 剩余磁感應強度 Br。 磁芯的結構與選用 磁芯的使用一定要在一定的居里溫度以內，這時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。它時一種以紅外光進行信號傳遞的器件，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用只限于對較高頻率開關電源畢業(yè)論文 11 的小信號的隔離傳送。 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，在輸出端會成比例地產生一個用于進一步控制下一級的電 路的電壓。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)。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系。這是因為當 CTR＜ 50%時，光耦中的 LED 就需要較大的工作電流 (IF＞ )，才能正常控制單片開關電源 IC的占空比，這會增大光耦的功耗。高速開關硅二極管是高頻開關電源中的一個主要器件，這種二極管具有良好的高頻開關特性。當反向電壓達到并超過穩(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。選用穩(wěn)壓二極管的原則是：第一，注意穩(wěn)定電壓的標稱值；第二，注意電壓的溫度系數(shù)。這兩種二極管具有開關特性好、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：超快速恢復二極管在開關電源中可作為阻塞二極管和次級輸出電壓的整流管。這種可持續(xù)性的轉換器件能反復使用而不損壞。當穩(wěn)壓電源的輸出電流接近或超過自動恢復開關的電流容量時，電流表上的電流讀數(shù)突然減小，此時自動恢復開關已進入高阻狀態(tài)。過溫保護時將熱敏電阻并接在輸入電路中。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。混合調制方式是指脈沖寬度與頻率都不固定，都可以改變。開關電源的輸出電壓和基準電壓進行比較、放大，然后將其差值送到脈寬調制器。假設電源效率為 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 開關電源畢業(yè)論文 20 利用同樣的方法，根據穩(wěn)態(tài)時電感 L 的充放電伏秒積相等的原理，可以推導出電壓關系 ： oi/ 1 /(1 )UU? ?? (33) 圖 35 Boost 電路 拓撲 結構 這個電路的開關管和負載構成并聯(lián)。當 S 斷開時， Ui+EL1 通過 VD 對 C1 進行充電。 同樣地，這個電路也相當于降壓式 拓撲 結構。附邊感應出脈動直流信號，通過 VD 對 C12反向充電。在開關導通期間， L積蓄能量。開關管在零電流時關斷。從外部看， L、 C部分類似于短路。 ③ 諧振頻率： 0 1/ LC? ? 。 PWM 一般只能達到幾百 K，但諧振開關電源可以達到 1M 以上。下面是這兩種開關的簡單原理圖。 諧振開關的動態(tài)過程分析 實際上，諧振開關中的所謂 “ 諧振 ” 并不是真正理論上的諧振，而是 L、 C 電路在送電瞬間產生的一個阻尼振蕩過程。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