【文章內(nèi)容簡介】 圖 121 繼電器控制的防開機(jī)浪涌電流電路 第 1章 開關(guān)電源基本原理 1．電磁干擾 開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是效率高、體積小，但由于其始終工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，所以會(huì)產(chǎn)生極大的高頻諧波成分，而這些高頻諧波成分輻射到空間，極易干擾其他設(shè)備正常工作。干擾有兩方面的含義，一是開關(guān)電源本身產(chǎn)生的干擾信號(hào)對別的機(jī)器正常工作的影響；二是開關(guān)電源本身抗外界干擾，保證自身正常工作的能力，即所謂抗干擾性。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 1) 開關(guān)管的工作狀態(tài) 開關(guān)電源中的開關(guān)管在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的脈沖電壓和脈沖電流，而脈沖電壓、電流中包含有許多高次諧波。同時(shí)，在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，由于開關(guān)變壓器漏感和輸出整流二極管的恢復(fù)特性形成的電磁振蕩，在二極管上會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓；在開關(guān)管斷開時(shí)，變壓器漏感也會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓，這些都將成為噪聲干擾源。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 2) 二極管的恢復(fù)特性 硅二極管進(jìn)行高頻整流時(shí)，由于存在結(jié)電容，正向電流所積蓄的電荷在加反向電壓時(shí)不能馬上消失。這種載流子積蓄效應(yīng)使二極管流過反向電流，這段時(shí)間稱做反向恢復(fù)時(shí)間。在反向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)，由于反向電壓較大，會(huì)產(chǎn)生較大損耗。如果反向電流恢復(fù)時(shí)的電流上升率 di?/dt較大時(shí)，由于電感作用產(chǎn)生較大的尖峰電壓，這就形成恢復(fù)噪聲?；謴?fù)噪聲既可通過吸收回路實(shí)現(xiàn)，也可通過諧振開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。恢復(fù)電路對提高開關(guān)電源的可靠性及減小干擾有很大的作用。肖特基二極管沒有載流子積蓄效應(yīng)，所以恢復(fù)噪聲很小，在恢復(fù)電路中應(yīng)用較多。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 3) 變壓器 變壓器繞組中電流形成的磁通大部分通過高導(dǎo)磁率的磁芯，但仍會(huì)有少部分通過繞組與間隙輻射出去，成為所謂漏磁通，這些漏磁通將形成電磁感應(yīng)干擾。 4) 整流濾波電容 由于交流輸入的開關(guān)電源在輸入端接有整流濾波電路，使整流二極管的導(dǎo)通角很小，整流電流的峰值很大，這種脈沖狀的二極管整流電流也會(huì)產(chǎn)生干擾。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 2．干擾的抑制方法 1) 抑制干擾發(fā)生源的電平 干擾的來源為電流、電壓急劇變化的部分，是由功率開關(guān)管、整流二極管和周圍電路引起的。為此應(yīng)盡量降低電流和電壓波形的變化率。利用吸收電路可以降低浪涌電壓，并減少開關(guān)變壓器的漏感。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 2)? RC吸收回路 如圖 12圖 123所示的 RC、 RCD吸收回路可以起到減少脈沖電流、電壓變化率的效果，改善開關(guān)電路的工作條件，從而減少干擾，保護(hù)功率開關(guān)管。 圖 122 RC吸收回路 圖 123 RCD吸收回路 第 1章 開關(guān)電源基本原理 3) 利用 LC干擾抑制電路 LC干擾抑制電路如圖 124所示，可以起到電源供電輸入端與開關(guān)電源端干擾信號(hào)的雙向抑制作用。圖中的電抗器T的匝數(shù)比為 1，同名端如圖所示，是一種共模干擾抑制電感，它對電源輸入端或開關(guān)電源端產(chǎn)生的共模干擾信號(hào)等效阻抗很大，從而起到共模干擾信號(hào)的抑制作用。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 圖 124 LC干擾抑制電路 第 1章 開關(guān)電源基本原理 開關(guān)器件的選擇與驅(qū)動(dòng) 開關(guān)器件的特征和類型 1．電力電子器件的特征 與處理信號(hào)的電子元件相比，開關(guān)電源的開關(guān)器件具有以下特征： (1) 最主要的參數(shù)是承受電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，處理電功率的能力從毫瓦級(jí)至兆瓦級(jí)，遠(yuǎn)大于普通信號(hào)電路中的電子器件。 (2) 電源用電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。導(dǎo)通時(shí) (通態(tài) )阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定；斷開時(shí)阻抗很大，接近于開路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定。電力電子器件的動(dòng)態(tài)特性和參數(shù)，是其特性的重要方面，有時(shí)甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時(shí)，可用理想開關(guān)來代替電子器件。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 (3) 電路中電源電子器件需要由信息電子電路來控制。在主電路和控制電路之間，需要驅(qū)動(dòng)電路對控制電路的信號(hào)進(jìn)行隔離放大。 (4) 在器件開通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的開通損耗和關(guān)斷損耗總稱開關(guān)損耗，而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗會(huì)隨之增大，成為器件功率損耗的主要因素。為保證不發(fā)生因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞的問題，不僅在器件封裝上要注意散熱的設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)還要安裝散熱器。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 2．電源電子器件的系統(tǒng)組成 電源系統(tǒng)由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。 (1) 控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。附加的一些保護(hù)電路、檢測電路也屬于控制電路。 (2) 驅(qū)動(dòng)電路位于主電路和控制電路之間，將大電壓和大電流的主電路與小電壓和小電流的控制電路進(jìn)行電氣隔離，而通過其他手段如光、磁等來傳遞信號(hào)。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 (3) 開關(guān)器件一般有三個(gè)端子，其中兩個(gè)連接在主電路中，而第三端被稱為控制端或稱控制極。器件通斷是通過在其控制端和一個(gè)主電路端子之間加一定的信號(hào)來控制的，這個(gè)主電路端子是驅(qū)動(dòng)電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 3．電源電子器件的分類 按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，可將其分為以下三類： (1) 半控型器件：通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。晶閘管及其大部分派生器件均屬于此類器件，器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定。 (2) 全控型器件：通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷。例如，絕緣柵雙極型晶體管 IGBT，電力場效應(yīng)晶體管 MOSFET，門極可關(guān)斷晶閘管 GTO等。 (3) 不可控器件：不能用控制信號(hào)來控制其通斷，因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。例如電力二極管等，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，可將其分為兩類： (1) 電流驅(qū)動(dòng)型：通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制，如大功率晶體管 GTR等。 (2) 電壓驅(qū)動(dòng)型：僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制，如 IGBT等。電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場控器件，或場效應(yīng)器件。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 電力二極管 1．電力二極管的基本特性 1) 靜態(tài)特性 電力二極管的靜態(tài)特性指其伏安特性，當(dāng)電力二極管承受的正向電壓達(dá)到一定值，即門檻電壓 UTO時(shí)，正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流 IF對應(yīng)的二極管兩端的電壓 UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 2) 開通過程 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖 UFP，經(jīng)一段時(shí)間才接近穩(wěn)態(tài)壓降，如圖 125所示。其中， uF表示二極管壓降， iF表示二極管正向電流， tfr為正向恢復(fù)時(shí)間。電流上升率越大， UFP越高。 3) 關(guān)斷過程 電力二極管經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。如圖 126所示， URP為最大反向電壓， IRP為最大反向電流， trr為反向恢復(fù)時(shí)間 (trr越小越好 )。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 圖 125 開通過程 第 1章 開關(guān)電源基本原理 圖 126 反向恢復(fù)過程中電流和電壓波形 第 1章 開關(guān)電源基本原理 2．電力二極管的主要類型 (1) 整流二極管：該類二極管一般用于開關(guān)頻率不高(1?kHz以下 )的整流電路，其反向恢復(fù)時(shí)間較長，一般在 5?s以上，正向電流額定值和反向電壓額定值很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。 (2) 快恢復(fù)二極管 (FRD)：指恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短的二極管，也稱快速二極管。該類二極管的反向恢復(fù)時(shí)間短 (可低于 50?ns)，正向壓降也很低 (?V左右 )，但其反向耐壓多在 400?V以下。超快恢復(fù)二極管的快速恢復(fù)時(shí)間甚至僅為 20～ 30?ns。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 (3) 肖特基二極管：該管的反向恢復(fù)時(shí)間很短 (10～40?ns)，正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖。在反向耐壓較低的情況下，肖特基二極管的正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管。其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，故效率較高。肖特基二極管當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高，因此多用于低壓條件下。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 電力場效應(yīng)晶體管 1．電力場效應(yīng)晶體管的特點(diǎn) 電力場效應(yīng)晶體管簡稱電力 MOSFET，其特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性好。但由于該管的電流容量小，耐壓低，因此它一般用于功率不超過 10?kW的電源電子裝置。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 2．電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力 MOSFET的種類按導(dǎo)電溝道可分為 P溝道和 N溝道，圖 127(a)所示為 N溝道電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)，圖 (b)為電力MOSFET的電氣圖形符號(hào)。 電力 MOSFET的工作原理是：在截止?fàn)顟B(tài)，漏、源極間加正電源，柵、源極間電壓為零， P基區(qū)與 N漂移區(qū)之間形成的 PN結(jié)反偏，漏、源極之間無電流流過；在導(dǎo)通狀態(tài)，即當(dāng) UGS大于開啟電壓或閾值電壓 UT時(shí)，柵極下 P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使 P型半導(dǎo)體反型成 N型而成為反型層，該反型層形成 N溝道而使 PN結(jié)消失，漏極和源極 導(dǎo)電。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 電力 MOSFET的開關(guān)時(shí)間在 10～ 100?ns之間，工作頻率可達(dá) 100?kHz以上，是電力電子器件中最高的。由于電力MOSFET是場控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流，但在開關(guān)過程中需對輸入電容充、放電，故仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。 因?yàn)殡娏?MOSFET開關(guān)頻率可達(dá)到 100?kHz，采用專用驅(qū)動(dòng)芯片最為理想。 IR202 IR221 系列均可工作在100?kHz以上。同類型的高壓板橋驅(qū)動(dòng) IC有很完善的保護(hù)機(jī)制，可以很好地應(yīng)用于半橋、全橋、三相全橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 第 1章 開關(guān)電源基本原理 圖 127 電力 MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) 第 1章 開關(guān)電源基本原理 絕緣柵雙極晶體管 1． IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBT為三端器件，分別為柵極 G、集電極 C和發(fā)射極 E，如圖 128所示。 IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力 MOSFET基本相同，是場控器件，通斷由柵、射極電壓 UGE決定。導(dǎo)通狀態(tài)：UGE大于開啟電壓， MOSFET內(nèi)形成溝道，為