【正文】 ┊ ┊ ┊ ┊ 線(xiàn) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 1 前 言 電的電子產(chǎn)品，為了適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和電路的工作狀態(tài)變化，更需要具備適應(yīng)電網(wǎng)電壓變化和負(fù)載變化的直流穩(wěn)壓電源。省掉了工頻變壓器，又使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量大為減小。許多年來(lái)，雖然 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 28 頁(yè) 第 5 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線(xiàn) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 我國(guó)在無(wú)工頻降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果。 (a) (b) 圖 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖及其等效原理框圖 實(shí)際上，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的核心部分是一個(gè)直流變壓器。這使得開(kāi)關(guān)晶體管 V的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可以達(dá)到 80%。 （ 4） 濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減小 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在 50KHZ，是線(xiàn)性穩(wěn)壓電源的頻率的 1000 倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了 1000 倍。所以，在我國(guó)的電子儀器以及機(jī)電一體化儀器中，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源還不能得到十分廣泛的普及使用。 為了分析方便和統(tǒng)一，對(duì)一些常用的物理量符號(hào)定義如下： Ui直流變換器的輸入電壓； iC開(kāi)關(guān)晶體管的導(dǎo)通電流； iD續(xù)流二極管的正向電流； uce開(kāi)關(guān)晶體管的集電極對(duì)發(fā)射極的電壓降； uL儲(chǔ)能電感兩端的電壓降； iL儲(chǔ)能電感中流過(guò)的電流； RL供電系統(tǒng)的等效電阻； Io開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電流； Uo開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓； Ton開(kāi)關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，即開(kāi)關(guān)管集電極輸出方波或正弦波正半周的寬度； Toff開(kāi)關(guān)晶體管的截止時(shí)間，即開(kāi)關(guān)管集電極輸出方波或正弦波低電平的寬度； T開(kāi)關(guān)管由開(kāi)到關(guān)一個(gè)周期所用的時(shí)間，即 T=ton+toff； f開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率，它與周期時(shí)間 T之間的關(guān)系為 f=1/T； ? 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的占空比，也稱(chēng)為占空系數(shù)， ? =ton/T； ? 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的轉(zhuǎn)換效率，它等于輸出功率 Po與輸入功率 Pi的比值，即 ? =Po/Pi； t? 上升時(shí)間，開(kāi)關(guān)管由完全截止到完全 導(dǎo)通所需的時(shí)間； t? 下降時(shí)間，開(kāi)關(guān)管由完全導(dǎo)通到完全截止所需的時(shí)間； 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 28 頁(yè) 第 9 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線(xiàn) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ t? 存儲(chǔ)時(shí)間，是開(kāi)關(guān)管由飽和導(dǎo)通向截止轉(zhuǎn)換時(shí)所出現(xiàn)的一段存儲(chǔ)時(shí)間。這時(shí)， L 中的電流 IL1為 IL1= ])][([00 Loi IttL UU ??? (31) 式中， IL0 為 t0 時(shí)刻的儲(chǔ)能電感中的電流，即為起始電流。由于占空比總是小于 1 的，所以 Uo 也總是小于 Ui的，故常被稱(chēng)為下降型（降壓型）串聯(lián) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 28 頁(yè) 第 11 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線(xiàn) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。 串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 開(kāi)關(guān)晶體管 V的選擇 選擇作為開(kāi)關(guān)器件使用的晶體管，除了要具有放大特性以外，更重要的是應(yīng)具有快速的開(kāi)關(guān)作用和輸出功率大的特點(diǎn)，因而必須滿(mǎn)足下列要求： 晶體管 V 的導(dǎo)通飽和壓降 Uces要??； 晶體管 V 截止時(shí)的反向漏電流 Ico要盡可能地?。? 晶體管 V 的頻率特性要好； 晶體管 V 的開(kāi)關(guān)時(shí)間要短，即轉(zhuǎn)換速度要快； 晶體管 V 的基極驅(qū)動(dòng)電流要??； 由于晶體管 V 的輸出端一般都是感性負(fù)載，所以要求晶體管的反向擊穿電壓要高。此時(shí)的電感量就稱(chēng)為臨界電感量 L0。因?yàn)楫?dāng)開(kāi)關(guān)管 V 截止期間，儲(chǔ)能電感 L 上的電流具有最小值，結(jié)合儲(chǔ)能電感 L 的有關(guān)電流不能突變的特性，可以有 △ ILmax2Iomin 取 △ ILmax= 代入式（ 316）得到如下的儲(chǔ)能電感 L 的計(jì)算公式： )1()1(m a xm in ?? ???? fRfIUL Loo (317) 式中， RLmax為負(fù)載電阻的最大值 RLmax=Uo/Iomin。那么就有： △ Uo=△ Uo1+△ Uo2 = ]84[1]483[1 22 LtULtUcL ttUL ttUc of foof foof fonoof fono ??? 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 28 頁(yè) 第 15 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線(xiàn) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ =CLTtU offo8 (318) = )1(82ioo UUCLTU ? (319) 由串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理分析可見(jiàn)，濾波電容 C 的選擇直接關(guān)系著電源輸出電壓中波紋電壓分量 △ Uo 的大小。它是由開(kāi)關(guān)晶體管 V 和二極管 VD及儲(chǔ)能電感 L、濾波電容 C 組成的。 并聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理 設(shè)開(kāi)關(guān)晶體管 V的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換周期 T，導(dǎo)通期的時(shí)間為 ton，截止期的時(shí)間為 toff，占空比為 ?（ ? =ton/T）。由此可得到如下的結(jié)論： 控制開(kāi)關(guān)晶體管 V基極激勵(lì)脈沖的占空比 ? ，就可以克服由于電網(wǎng)電壓或輸入電壓的變化或其它參數(shù)的變化而對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出電壓的影響，能夠起到降低輸出電壓波紋，穩(wěn)定輸出電壓的作用。這樣既保護(hù)了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源本身免遭損壞，又保護(hù)了供電負(fù)載系統(tǒng)免受損壞。開(kāi)關(guān)晶體管 V 在導(dǎo)通期間的直流平均損耗功率 Pon為 TU tUUIP i oncesooon ? (48) 在截止期間，由于集電極電流很小，可以認(rèn)為這個(gè)時(shí)期的集電極損耗功率是零。這里我們選 △ I=（ 419），由此就可以計(jì)算出儲(chǔ)能電感 L 的值為 iof fooni I tUtUL ?? （ 420） 為了求的與電源效率 ? 、輸出電流 Io、占空比 ? 和工作頻率 f 相關(guān)的計(jì)算 L 的實(shí)際公式怍如下推導(dǎo)。 圖 51 控制電路的原理框圖 驅(qū)動(dòng)電路 前已指出，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中的開(kāi)關(guān)管 V要求在關(guān)斷時(shí)就能迅速關(guān)斷，并能維持關(guān)斷期間的漏電流近似等于零；在導(dǎo)通時(shí)要能迅速導(dǎo)通，并能維持導(dǎo)通期間的管壓降也近似等于零。 （ a） (b) 圖 52 理想的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形圖 （ a） 集電極電壓和電流波形圖 (b)基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形圖 驅(qū)動(dòng)電路的種類(lèi) 單極性脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 28 頁(yè) 第 24 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線(xiàn) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 單極性脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一個(gè)單端正激式逆變器電路，其原理圖如圖 43所示。當(dāng) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 28 頁(yè) 第 25 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線(xiàn) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 正向驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)結(jié)束后，反偏 Eb 通過(guò)電阻較小的 R 立即加到開(kāi)關(guān)管 V的基極，使開(kāi)關(guān)管 V能夠以很快的速度 ，在很短的時(shí)間內(nèi)迅速地退出導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，最后實(shí)現(xiàn)了縮短狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的上升時(shí)間和下降時(shí)間，達(dá)到了降低開(kāi)關(guān)管 V 集電極功耗的目的。這種電路特別適應(yīng)于容性負(fù)載的場(chǎng)合，能使電源中的開(kāi)關(guān)管的上升邊和下降邊的特性變好，能降低開(kāi)關(guān)管的功耗。限流式保護(hù)電路在過(guò)流現(xiàn)象消除后，可自動(dòng)地讓電源恢復(fù)工作，截止式則不能，必須等過(guò)流現(xiàn)象消除后再重新啟動(dòng)。這一點(diǎn)將在保護(hù)電路的實(shí)際應(yīng)用舉例中講述。對(duì)輸出功率要求較大的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源來(lái)說(shuō)，則要選擇輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有一定推動(dòng)能力的驅(qū)動(dòng)電路； （ 3）固定反偏壓驅(qū)動(dòng)電路雖然能提高開(kāi)關(guān)管的關(guān)閉速度，但卻存在著反偏二次穿的潛在危險(xiǎn)，尤其是集電極負(fù)載呈感性的情況下更容易發(fā)生以上情況。缺點(diǎn)是增加了一組負(fù)電源，使電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。所以，這種電路僅適宜在小功率條件下使用。要縮短這兩個(gè)時(shí)間，除選擇高反壓、高速度、大功率開(kāi)關(guān)管以外，主要還取決于加在開(kāi)關(guān)管基極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。解決這個(gè)實(shí)際問(wèn)題的方法，可以參閱下串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。此外，在選擇二極管時(shí)，都應(yīng)留有一定的裕量，一般留20%的裕量，所以二極管 VD的反向耐壓應(yīng)為 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 28 頁(yè) 第 20 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線(xiàn) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ UD=ooo UUU ?? (410) 正向?qū)娏?ID的計(jì)算 在開(kāi)關(guān)晶體管 V截止期間，二極管 VD導(dǎo)通，流過(guò)二極管 VD的電流 ID正好就是輸入電流 Ii，也就是在這期間流過(guò)儲(chǔ)能電感 L的電流 IL，因而 iooi UUII ? (411) 考慮到二極管 VD 為發(fā)熱器件，同時(shí)二極管的發(fā)熱溫度與流過(guò)電流的大小關(guān)系很大，所以，在選擇二極管的工作電流時(shí)應(yīng)留有較大的裕量，通常選裕量為 50%，因而有 ?????? oiooiD IUUIII (412) 解式 （ 412） 可得出二極管 VD的正向?qū)娏?ID為