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正文內(nèi)容

開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計方案畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2025-06-02 00:47 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 Buck電路中的電感L和電容C組成低通濾波器,此濾波器的設(shè)計原則是,使輸出電壓的直流分量可以通過,抑制輸出電壓的開關(guān)頻率及其諧波分量通過。但是,構(gòu)建一個能夠讓直流分量通過而且完全濾除開關(guān)頻率及其諧波分量的完美的濾波器是不可能的,所以,在輸出中至少有一小部分是由于開關(guān)產(chǎn)生的高頻諧波[16]。因此,可以表達(dá)為 (34) 輸出電壓波形所以實(shí)際的輸出電壓由所需要的直流分量加少量的交流分量所組成,交流分量由低通濾波器未能完全衰減的開關(guān)諧波所產(chǎn)生。 由于直流變換器的作用使產(chǎn)生所需的直流的輸出,因此希望輸出電壓開關(guān)紋波應(yīng)很小。所以,通??梢约僭O(shè)開關(guān)紋波的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直流分量,即 (35)因此,輸出電壓近似為直流分量,而忽略其小紋波成分,即 (36)上述近似稱為小紋波近似,或稱線性紋波近似,可大大簡化變換器波形的分析。 下面分析電感電流波形,進(jìn)而得出電感的計算公式。通過電感電壓波形的積分可以得到電感電流。開關(guān)在位置1時,電感在左側(cè)與輸入電壓相連,(a)。電感電壓為 (37)(a) (b) DC/DC原理圖如上所述,輸出電壓為其直流分量加小的交流紋波成分。采用小紋波近似,式(36)中的用其直流分量代替,得到 (38)開關(guān)在位置1時,電感電壓等于,(b)所示。電感電壓方程為 (39)在第一個子區(qū)間,由上式可以解得電感電流波形的斜率為 (310)由于開關(guān)在位置1時,電感電壓近似為常量,因此電感電流的變化率也近似為常數(shù),電感電流線性上升。 當(dāng)在第二個子區(qū)間,開關(guān)處于位置2時,電感的左端與參考地相連,(b)所示。所以,在第二個子區(qū)間,電感電壓為 (311)采用小紋波近似式(36)得到 (312)所以,當(dāng)開關(guān)處于位置2時的電感電壓為常量,(b)所示。將式(312)代入式(39)中,得到電感電流的斜率為 (313)因此,在第二個子區(qū)間,電感電流的變化率為一負(fù)的常量。 現(xiàn)在,電感電流的波形如下圖所示,電感電流從初始值開始。在第一個子區(qū)間開關(guān)處于位置1時,電感電流以斜率上升。在時刻,(313)所給出的斜率下降。在時刻,開關(guān)轉(zhuǎn)回位置1,以下過程重復(fù)。 下面計算電感電流紋波。,電感電流峰值等于其直流分量I加上峰值至平均值的紋波。此峰值電流不僅流過電感,而且流過半導(dǎo)體器件。當(dāng)確定這些器件的參數(shù)時,需要知道峰值電流。 電感電流 已知在第一個子區(qū)間中的電感電流流的斜率和第一個子區(qū)間的長度,可以計算其紋波幅值,的波形關(guān)于I對稱,因此在第一個子區(qū)間中的電流上升(是紋波峰值,因此紋波峰值為)。所以 的變化量=斜率子區(qū)間長度電感電流的紋波為 (314)的典型值是在滿載時的直流分量I的10%~20%。不希望太大,否則增大流過電感和半導(dǎo)體開關(guān)器件的電流峰值,從而將增加功率損耗和體積。 可以通過選擇合適的電感值來得到所希望的電流紋波。由式(314)得到 (315)通常式(315)被用來選擇Buck變換器的電感值。 把(316)式進(jìn)一步轉(zhuǎn)化得到 (316)其中為Buck電路最大占空比,為開關(guān)管的開關(guān)頻率,為最大輸出電流,為輸入電壓。 電感值的計算 因?yàn)殚_關(guān)頻率對DCDC電路變換的效率影響非常大。如果太高,可以使充電電感和濾波電容體積減小,但是充電電感的渦流損耗,磁滯損耗及其其他元件的分別參數(shù)的影響加大造成的其他元件損耗加大。如果太低,充電電感,濾波電容的體積太大,在保證充電電感量的前提下,線圈匝數(shù)真多,銅損耗加大。綜合考慮各種因素,這里設(shè)計開關(guān)管的開關(guān)頻率,則根據(jù)實(shí)際設(shè)計,可以求得震蕩電阻為47K,震蕩電容為1000pF。 對于最大占空比,選擇(因?yàn)樨?fù)載可變,輸出電壓也是可變的,所以這里選取的最大占空比,使負(fù)載可變范圍加大),而最大輸出電流,,從而可以得到 濾波電容的計算 而關(guān)于濾波電容的選擇,電容需要濾掉主要的開關(guān)紋波,選擇電容C足夠大,以使開關(guān)頻率時的電容值阻抗遠(yuǎn)小于負(fù)載阻抗R,因此幾乎所有的電感電流紋波流經(jīng)電容,而流經(jīng)負(fù)載電阻阻抗R的紋波非常小,電容電流波形等于電感電流波形去掉直流成分后的交流成分。輸出濾波電容的選取決定了輸出紋波電壓,紋波電壓與電容的等效的串聯(lián)電阻ESR有關(guān),電容的紋波電流要大于電路中的紋波電流。這里選取兩個470uf/16V的電容并聯(lián),這樣就可以降低了等效的串聯(lián)電阻。對于Buck電路,通過對電路的理想工作狀態(tài)(器件均為理想 器件,開關(guān)管快速導(dǎo)通截止,導(dǎo)通時壓降為0,輸出電壓紋波忽略不計)進(jìn)行分析,可得出此電路中,晶體管上的峰值電壓即為輸入電壓Vs,峰值電流 (317)其中,在臨界狀態(tài)下,為開關(guān)管V的接通時間占空比, T為開關(guān)周期。通過這個電路可以看出,開關(guān)管是變換器電路中的關(guān)鍵器件之一,在開關(guān)電源的設(shè)計中,經(jīng)常使用的開關(guān)管是MOSFET和IGBT,小功率變換器上也延 續(xù)使用雙極型晶體管,下面重點(diǎn)對MOSFET和IGBT的參數(shù)特性進(jìn)行介紹。功率比較小的單管變換器的主開關(guān)通常采用 MOSFET,其優(yōu)點(diǎn)是電壓型控制,所需要的驅(qū)動功率低,低電壓器件中MOSFET的開關(guān)速度是最佳的。MOSFET主要有以下幾個參數(shù):漏源擊穿電壓,這個電壓決定了器件的最低額定電壓;最大漏極電流,決定了管子的額定電流,主要決定于溝道寬度;閾值電壓,應(yīng)用中常將漏極上的負(fù)載短接條件下漏極電流等于1 mA時的柵極電壓定義為閾值電壓,這個值可以通過改動管子的制造工藝而調(diào)整,當(dāng)環(huán)境噪聲較低時,可以選用閾值電壓較低的管子以降低所需要的輸入驅(qū)動信號電壓,而環(huán)境噪聲較高時可選用閾值電壓較高的管子以提高抗干擾能力,閾值電壓一般在1.5 V~5 V之間并隨著結(jié)溫的升高略有下降;導(dǎo)通電阻,這是一個非常重要的參數(shù),決定了輸出電壓和自身的損耗。導(dǎo)通電阻越小的器件,制作的開關(guān)電源效率越高;最高工作頻率,在漏源電壓的作用下,電子從源區(qū)通過溝道到漏區(qū)是需要一定時間的,當(dāng)控制信號的周期與此時間相當(dāng)時,電子就來不及跟隨信號變化,這個信號的頻率就是MOSFET的最高工作頻率;開關(guān)速度,MOSFET的這個參數(shù)是低電壓器件中最佳的;極間電容,這是影響器件開關(guān)頻率的主要因素。在這些參數(shù)中,MOSFET的耐壓值和其導(dǎo)通電阻是相關(guān)聯(lián)的,隨著耐壓值的增加,導(dǎo)通電阻也隨之增加,MOSFET的耐壓水平由芯片的電阻率和厚度決定,而MOSFET是多數(shù)載流子導(dǎo)電器件,芯片電阻率直接影響器件的導(dǎo)通電阻,通常MOSFET的導(dǎo)通電阻隨耐壓的2.4—2.6次方增加,如1000 V耐壓是3O V耐壓的33.3倍,而同樣大的芯片的導(dǎo)通電阻將變?yōu)榇蠹s64倍,這也直接限制了MOSFET在高反壓器件中的應(yīng)用。如果想保持導(dǎo)通電阻基本不變就需要更大的管芯面積,就需要增加封裝尺寸。如TO220封裝的耐壓為400 V的IRF740的導(dǎo)通電阻為0.55 Q,而電阻相近的耐壓為500 V的IRF450(導(dǎo)通電阻0.4 Q)則需要TO207封裝,尺寸增加將近一倍。以TO220封裝的IRF系列為例,IRF640,IRF740,IRF840的耐壓分別為200 V,400 V,500 V,導(dǎo)通電阻為0.18 Q,0.55 12,0.812;25℃時的額定電流為28 A,l8 A,l0 A。在一般的應(yīng)用中,MOSFET的開關(guān)速度實(shí)際上是受驅(qū)動電路的驅(qū)動能力影響的,極少會出現(xiàn)驅(qū)動電路的驅(qū)動能力過剩而MOSFET 的速度或自身特性限制了開關(guān)速度。而同一系列的開關(guān)管,新品對驅(qū)動電路的驅(qū)動能力的要求一般會明顯降低。因此,在選擇主開關(guān)時,盡可能的選擇新品,驅(qū)動能力的要求較低,開關(guān)速度較快。IGBT在結(jié)構(gòu)上與MOSFET類似,柵極、集電極與MOSFET完全相似,只是多了一個P+層,控制時有MOSFET的特點(diǎn),導(dǎo)通時具有雙極型晶體管的特點(diǎn),IGBT的特性是開通時壓降小(1000 V 的管子只有2~3 V,相對于MOSFET較小),關(guān)斷時漏電流很小,與場效應(yīng)管相當(dāng),正局部取代大功率晶體管和一些MOSFET的應(yīng)用領(lǐng)域[6]。開關(guān)管耐壓的選擇,由于主開關(guān)的雙極型晶體管、MOSFET、IGBT的性能均隨耐壓的上升而下降,因此在選擇耐壓時并非越高越好,而是適可而止。合理的選擇主開關(guān)管的額定電壓直接影響著變換器的性能。通過了解主開關(guān)的電壓波形就可以比較準(zhǔn)確地預(yù)計出主開關(guān)的電壓峰值。影響主開關(guān)電壓的最主要因素是占空比,其原因是根據(jù)變壓器和電感的磁通復(fù)位原則,開關(guān)管的導(dǎo)通時間與電源電壓積應(yīng)不大于開關(guān)管的關(guān)斷時間與復(fù)位電壓的乘積。占空比越大,開關(guān)管的關(guān)斷時間越短,需要的復(fù)位電壓越高。對于不同的電路拓?fù)浜筒煌目刂品绞?,要求開關(guān)管的額定電壓將不同。其輸入不同的電壓條件下,開關(guān)管的額定電壓與電路拓?fù)浜涂刂品绞降年P(guān)系如下:(1)交流市電不帶有PFC(功率因數(shù)校正)功能。 橋式變換器:400—50o V; 推挽式變換器:800—900 V; 單端正/反激變換器:600~700 V; 單端正激變換器帶有有源箝位:600 V。 (2)交流市電帶有PFC功能。 橋式變換器:500—600 V; 推挽式變換器:900—1000 V; 單端正/反激變換器:800 V; 單
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