【正文】 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 波電路等措施加以解決。 （ 2）軟開(kāi)關(guān)變換器 功率開(kāi)關(guān)器件是在不承受電壓或電流應(yīng)力的情況下接通或關(guān)斷的；或是加于開(kāi)關(guān)管上的電壓為零，稱零電壓開(kāi)關(guān)；或是流過(guò)開(kāi)關(guān)管 的電流為零，稱零電流開(kāi)關(guān)。 二、按驅(qū)動(dòng)方式分類 （ 1）自激式開(kāi)關(guān)電源 其借助于變換器自身的正反饋控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)自持周期性開(kāi)關(guān)。至于先進(jìn)的控制方法，目前已經(jīng)有模糊控制、嵌入式 MCU 等只能控制方式移植到開(kāi)關(guān)電源的控制，相信隨著數(shù)字控制的普及，今后還會(huì)有一些新的控制理論運(yùn)用到開(kāi)關(guān)電源中來(lái)。功率開(kāi)關(guān)器件工作頻 率的提高，只是為開(kāi)關(guān)電源的高頻化提供基礎(chǔ)。所謂線性穩(wěn)壓電源，就是其調(diào)整工作在線性放大區(qū)。在 21 世紀(jì)，分布式電源系統(tǒng)的組成將強(qiáng)調(diào) ―系統(tǒng)集成 ’，、 ―電力電子封裝技術(shù) ‖等。 Singleended flyback。進(jìn)入 90 年代，開(kāi)關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域，如程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等。12V的單片開(kāi)關(guān)電源 ,對(duì)系統(tǒng)輸入整流濾波電路、高頻變壓器、箝位保護(hù)電路、 輸出整流濾波電路及反饋電路五個(gè)部分進(jìn)行了詳細(xì)的分析 ,并按照指標(biāo)要求 ,進(jìn)行了實(shí)際參數(shù)值計(jì)算、器件的選取與電路設(shè)計(jì)，該開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源效率高、紋波小、輸出電壓穩(wěn)定 ,性能優(yōu)良 ,適合于儀器儀表的控制用電。這些問(wèn)題和要求可歸納為以下五個(gè)方面 : (l)能否全面貫徹電磁兼容各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)； (2)能否大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)或快捷單件特殊生產(chǎn)； (3)能否組建大容量電源； (4)電氣額定值能否更高 (如功率因數(shù) )或更低 (如輸出電壓 )； (5)能否使外形更加小型化、外形適應(yīng)使用場(chǎng)所要求。二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，美國(guó)、德國(guó)等西方國(guó)家新建電 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 廠和變電站已全部采用高頻開(kāi)關(guān)電源，近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，理論、研究、生產(chǎn)、應(yīng)用等已有相當(dāng)?shù)某晒蛞?guī)模，采用了有效的均流技術(shù)和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，如大家所熟悉的朝陽(yáng)電源就是一種較為完善的開(kāi)關(guān)電源，但是，現(xiàn)在的開(kāi)關(guān) 電源都是為郵電通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的低電壓的模塊，象電力系統(tǒng)的操作電源所用的220V/110V 的電源則研究較少，深圳華為公司的電源模塊有用于電力系統(tǒng)的智能型高頻開(kāi)關(guān)電源，質(zhì)量不錯(cuò)，但是，它的三次和五次諧波較大，我們知道諧波對(duì)電網(wǎng)有危害作用，大量的諧波分量倒流入電網(wǎng)，造成對(duì)電網(wǎng)的諧波 ―污染 ‖，一方面產(chǎn)生 ―二次效應(yīng) ‖，即電流流過(guò)線路阻抗造成諧波電壓降，反過(guò)來(lái)使電網(wǎng)電壓也發(fā)生畸變 。 目前，國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)電源自主研發(fā)及生產(chǎn)廠家有 300 多家，形成規(guī)模的有十多家。開(kāi)通或關(guān)斷時(shí)刻不出現(xiàn)電壓、電流重疊現(xiàn)象，減小了開(kāi)關(guān)器件的應(yīng)力和損耗，同時(shí)也降低了開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的 di/dt 、 dv/dt 和電磁干擾噪聲。這樣，只要設(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。 （ 3）開(kāi)關(guān)整流器（ ACDC） 它是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電能的一種電源裝置，這種變換器其變換過(guò)程 應(yīng)該理解為交流 直流 交流 直流（ ACDCACDC）。在非隔離式變換器中，本節(jié)將重點(diǎn)介紹降壓型變換器、升壓型變換器、電壓極性反轉(zhuǎn)型變換器。 由于這種電路在開(kāi)關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)變壓器向負(fù)載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出 50～ 200W 的功率。當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，二極管 VD1 截 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 止，輸入的整流電壓經(jīng) VT1 和 L向 C 充電，這一電流使電感 L 中的儲(chǔ)能增加。 1 雙極結(jié)型晶體管（ BJT） 它是多數(shù)載流子與少數(shù)載流子共同參與導(dǎo)電的電流型驅(qū)動(dòng)器件，有復(fù)合效應(yīng)引發(fā)的存儲(chǔ)時(shí)間問(wèn)題，多用于小功率 PWM 變換器及自激開(kāi)關(guān)電源中。 IGBT 更適合于頻率 50KHz 以下的中、大 功率開(kāi)關(guān)變換器，而 MOSFET 更適合于頻率 50KHz 以上的中、小功率開(kāi)關(guān)變換器。 課題簡(jiǎn)介 所選課題的意義 電源是電子設(shè)備的心臟部分，其質(zhì)量的好壞直接影響著電子設(shè)備的可靠性，而且電子設(shè)備的故障 60%來(lái)自電源，因此，電源越來(lái)越受人們的重視。線性串聯(lián)穩(wěn)壓器是調(diào)節(jié)調(diào)整管的壓降，而開(kāi)關(guān)電源是調(diào)節(jié)變換器的脈寬，從而維持輸出電壓和輸出電流的恒定。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 圖 單片開(kāi)關(guān)電源的典型應(yīng)用電路 該電源的穩(wěn)壓原理簡(jiǎn)述如下：反饋繞 組電壓經(jīng)過(guò) VD CF整流濾波后獲得反饋電壓 VFB，經(jīng)光耦和器中的光敏三極管給 TOPSwitch 的控制端提供偏壓。但連續(xù)模式要求增大初級(jí)電感量 LP，這會(huì)導(dǎo)致高頻變壓器的體積增大。2%。它是三端脫線式 PWM 開(kāi)關(guān)的英文縮寫（ Three Terminer Off Line PWM Switch） .其特點(diǎn)是將高頻開(kāi)關(guān)電源中的 PWM 控制器 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) 和 MOSFET 功率開(kāi)關(guān)管集成在同一芯片上，是一種二合一器件。 輸入交流電壓的范圍極寬，作為固定電壓輸入時(shí)可選 220V177。采用此類芯片還能降低開(kāi) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾。由于采用 CMOS 電路，使器件功耗顯著降低。此外還有 L4960系列、 L4970／ L4970A 系列單片開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器，共 80 余種型號(hào)。當(dāng) f=130KHz 時(shí)， Δf=177。由圖可見(jiàn)，在連續(xù)模式下，初級(jí)開(kāi)關(guān)電流是從一定幅度開(kāi)始的，然后上升到峰值，再迅速回零。在功率 MOSFET 關(guān)斷瞬間，高頻變壓器漏感會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，另外在初級(jí)繞組上還會(huì) 產(chǎn)生感應(yīng)電壓（即反向電動(dòng)勢(shì)） VOR，兩者疊加在直流輸入電壓 VI 上，加至內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)管 MOSFET 的漏極上，因此必須在漏極增加鉗位保護(hù)電路。輸入電壓范圍是 85265V，開(kāi)關(guān)電源的輸出為三路直流電源。工作頻率與陰極電流有關(guān)，電流小時(shí)工作頻率基本不變，中等電流時(shí)工作頻率隨電流線性下降，大電流時(shí)工作頻率隨電流增大而急劇下降而失去開(kāi)關(guān)能力。 3 絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT） IGBT 結(jié)構(gòu)與 MOSFET 相似，只是多了一個(gè) P+層引出作為發(fā)射極。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 圖 電壓極性反轉(zhuǎn)式變換器電 路 開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用 開(kāi)關(guān)電源是 20 世紀(jì) 60 年代電源歷史上的一次革命，安裝于各種家用電器、工業(yè)設(shè)備及軍用電子裝置中，同時(shí)作為賦能裝置應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。電路使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管 VT1 和 VT2，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管在外激勵(lì)方波信號(hào)的控制下交替的導(dǎo)通與截止，在變壓器 T 次級(jí)繞組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。 （ 2）脈沖頻率調(diào)制（ PFM）式 它采用脈沖頻率來(lái)改變脈沖占空比來(lái)控制輸出電壓的穩(wěn)定。 （ 2）它激式開(kāi)關(guān)電 源 其電源內(nèi)部備有專門獨(dú)立的振蕩電路，與振蕩器同步的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管。調(diào)寬式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的控制原理如圖 所示。軟開(kāi)關(guān)變換器控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源裝置高頻化、高效率最有發(fā)展和應(yīng)用前景的變換器。 開(kāi)關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它代表著當(dāng)今穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主導(dǎo)產(chǎn)品 [1]。開(kāi)關(guān)頻率以 20KHz 為下限，幾十、幾百倍的提高。近年來(lái)許多領(lǐng)域，例如電力系統(tǒng)、郵電通信、軍事裝備、交通設(shè)施、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備、家用電器等都越來(lái)越多應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源，取得了顯著效益。 TOPSwitchⅡ 系列芯片是 Power Integration 公司生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)電源專用集成電路 ,它將脈寬調(diào)制電路與高壓 MOSFET 開(kāi)關(guān)管及驅(qū)動(dòng)電路等集成在一起 ,具備完善的保護(hù)功能。使用該芯片設(shè)計(jì)的小功率開(kāi)關(guān)電源 ,可大大減少外圍電路 ,降低成本 ,提高可靠性。究其原因，是新的電子元器件、新電磁材料、新變換技術(shù)、新控制理論及新的軟件 (簡(jiǎn)稱五新 )不斷地出現(xiàn)并應(yīng)用到 開(kāi)關(guān)電源的緣故。體積設(shè)備、重量越來(lái)越顯著下降。 高頻開(kāi)關(guān)電源自問(wèn)世至今，已經(jīng)歷了近四十年的發(fā)展。它是在硬開(kāi)關(guān)PWM 變換器的基礎(chǔ)上，附加一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于單極性矩形脈沖來(lái)說(shuō)，其直流平均電壓 Uo 取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。 三、按能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的類型分類 （ 1）直流 直流（ DCDC）變換器 它是將一種直流電轉(zhuǎn)換成另一種或幾種直流電。 （ 3） PWM 與 PFM 混合式 即前二者兼而有之的方式，既控制脈沖寬度，又改變脈沖頻率，用綜合技術(shù)來(lái)改變脈沖占空比和脈沖周期來(lái)控制輸出電壓的穩(wěn)定。當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)， VD2 也導(dǎo)通，這時(shí)電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量，濾波電感 L 儲(chǔ)存能量；當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 截止時(shí)，電感 L 通過(guò)續(xù)流二極管 VD3繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。 這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開(kāi)關(guān)管容易驅(qū)動(dòng)，主要缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。如：金屬焊接與切割電源、表面處理工程、環(huán)境保護(hù)、激光、電力系統(tǒng)、通信領(lǐng)域、蓄電池充電、風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電、電動(dòng)機(jī)調(diào)速、軍事裝備中的應(yīng)用。它兼有雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)點(diǎn)。 MCT 在高壓大功率變換器中是有發(fā)展前途的開(kāi)關(guān)器件，但達(dá)到 GTO 替代產(chǎn)品的水平及商業(yè)實(shí)用化還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。第一路輸出為額定電壓+5V，額定電流 2A；第二路輸出為額定電壓 +12V，額定電流 ；第三路輸出為額定電壓 12V，額定電流 。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管 VDZ1，阻塞二極管 VD1 組成， VD1宜采用超快恢復(fù)二極管。其開(kāi)關(guān)電流波形呈梯形。4KHz；當(dāng) f=65KHz時(shí)， Δf=177。其中， TOPSwitch、TOPSwitchⅡ 、 TinySwitch、 TNY256 和 TOPSwitchFX、 TOPSwitchGX 系列 ，均為美國(guó) PI 公司產(chǎn)品； MC33370 系列是 Motorola 公司產(chǎn)品； L4960、 L4970／ L4970A 系列為意 法半導(dǎo)體有限公司（ SGSThomson）產(chǎn)品。 TOPSwitchⅡ 只有三個(gè)引出 端：控制端 C、源極 S 和漏極 D，可同三端線性穩(wěn)壓器相媲美，能以最簡(jiǎn)方式構(gòu)成無(wú)工頻變壓器的反激式開(kāi)關(guān)電源。 2．應(yīng)用領(lǐng)域 TOPSwitchⅡ 可廣泛用于儀器 儀表、筆記本電腦、移動(dòng)電話、電視機(jī)、 VCD 和DVD、攝錄像機(jī)、電池充電器及功率放大器等領(lǐng)域，并能構(gòu)成各種小型化、高密度及低成本的開(kāi)關(guān)電源模塊。以控制端為例，它具有三項(xiàng)功能： ① 該端電壓 UC為片內(nèi)并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動(dòng)極提供偏壓； ② 該端電流 IC能調(diào)節(jié)占空比； ③ 該端還作為電源支路與自動(dòng)重啟動(dòng) /補(bǔ)償電容的連接點(diǎn)，通過(guò)外接旁路電容來(lái)決定自動(dòng)重啟動(dòng)的頻率，并對(duì)控制回路進(jìn)行補(bǔ)償。 三端單片開(kāi)關(guān)電源 TOPSwitch 器件是美國(guó)功率集成公司（ POWER Integrations Inc）于 20 世紀(jì) 90年代中期推出的新型高頻開(kāi)關(guān)電源芯片。 圖 （ b）為改進(jìn)型基本反饋電路，只需增加一只穩(wěn)壓管 VDZ 和電阻 R1，即可使負(fù)載調(diào)整率達(dá)到 177。采用連續(xù)模式可減小初級(jí)峰值電流 IP和有效值電流 Irms,， 降低 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 芯片的功耗。在 MOSFET 截止瞬間，初級(jí)極性則變?yōu)樯县?fù)下正，此時(shí)尖峰電壓就被 VDZ1 吸收掉。 為了實(shí)現(xiàn)恒壓和恒流功能 ,需要對(duì)電源的輸出電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)取樣 ,與電壓和電流設(shè)置值即參考值進(jìn)行比較 ,經(jīng)過(guò)負(fù)反饋放大調(diào)節(jié)控制 (P、 PI 或 PID)?？刂乒β史秶c GTO 相當(dāng)。在高頻開(kāi)關(guān)電源中 IGBT 與 MOSFET成為功率開(kāi)關(guān)器件的主體。以下介紹幾種變換器中 使用的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件 [7]。 圖 推挽式變換器電路 5．降壓式變換器 降壓式變換器的典型電路如圖 所示。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和復(fù)位時(shí)間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于 50%。兩者除了均有變壓功能外，后者還有輸入電量和輸