畢業(yè)設(shè)計(jì)-小功率電源開關(guān)的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-01-08 18:59 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 較優(yōu)良的線性區(qū)，并且 MOSFET 的輸入電容比雙極型的 輸入電容小得多，所以它的交流輸入阻抗極高；噪聲也小，最合適制作 HiFi 音響； （ 5） 功率 MOSFET 可以多個(gè)并聯(lián)使用，增加輸出電流而無(wú)需均流電阻。 方案二：絕緣柵雙極性晶體管 絕緣柵雙極性晶體管（ IGBT） 是一種大電流密度、高電壓激勵(lì)的場(chǎng)控制器件，是高壓、高速新型大功率器件。它的耐壓能力為 600～ 1800V，電流容量為 100～400A，關(guān)斷時(shí)間低至 s，在開關(guān)電源中作功率開關(guān)用，具有 MOSFET 與之不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 IGBT 的特點(diǎn)： (1)IGBT 是一種電壓控制的功率開關(guān)器件： IGBT 等效于用 MOSFET 做驅(qū)動(dòng)級(jí)的一種壓控功率開關(guān)器件。 (2)IGBT 比 MOSFET 的耐壓高，電流容量大： IGBT 導(dǎo)通時(shí)正載流子從 P＋層流人 N型區(qū)并在 N 型區(qū)積蓄，加強(qiáng)了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，這就使 IGBT 在導(dǎo)通時(shí) 呈現(xiàn)的電阻比高壓（ 300V 以上） MOSFET 低得多，因而 IGBT 容易實(shí)現(xiàn)高壓大電流。前級(jí)是個(gè)電流較小的 MOSFET，允許導(dǎo)通電阻較大， Nˉ層可以適當(dāng) 地加厚，耐壓可以提高。 (3)開通速度比 MOSFET 快：由于 IGBT 中小電流 MOSFET 的開通速度很快，在 8 開通之初后級(jí) PNP 型晶體管的基極電流上升很快，使 IGBT 的開通速 度不 但比雙極性晶體管快，而且開通延遲時(shí)間 td（ on）比同容量的 MOSFET 還短。 (4)關(guān)斷速度比 MOSFET 慢：雖然 IGBT 中前級(jí) MOSFET 的關(guān)斷速度很快，但后級(jí) PNP 型晶體管是少子功率的開關(guān)器件，少數(shù)載流子要有復(fù)合、擴(kuò)散和 消失的時(shí)間，在電流迅速下降到約 1/3 時(shí)，下降速度明顯變慢，俗稱“拖尾”。后級(jí) PNP型管的集一射極之間有基一射極 PN 結(jié)壓降和 MOSFET 的壓 降，故集一射極不進(jìn)入深飽和狀態(tài)，關(guān)斷速度較快。隨著生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，關(guān)斷速度也有明顯的提高。 控制電路的選擇 方案一： TL494 集 成控制器 TL494 是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的一種電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制控制集成電路，主要應(yīng)用在各種開關(guān)電源中。 TL494 管腳配置及其功能： TL494 的內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。圖 26 是它的管腳圖，其中 2 腳是誤差放大器 I 的同相和反相輸入端； 3 腳是相位校正和增益控制； 4 腳為間歇期調(diào)理，其上加 0～ 電壓時(shí)可使截止時(shí)間從 2%線懷變化到 100%； 6腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容； 7 腳為接地端； 9 腳和 1 10 腳分別為 TL494 內(nèi)部?jī)蓚€(gè)末級(jí)輸出三極管集電極和發(fā)射極； 12 腳為電源供電端； 13 腳為輸出控制端，該腳接地時(shí)為并聯(lián)單端輸出方式，接 14 腳時(shí)為推挽輸出方式；14腳為 5V 基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流 10mA； 1 16腳是誤差放大器 II的反相和同相輸入端。 9 圖 26TL494管腳圖 方案二： UC3842 集成控制器 UC3842 是國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的一種電源集成控制器，是由尤尼創(chuàng)（ Unitrodc） 公司開發(fā)的新型控制器件。 利用 UC3842 設(shè)計(jì)的 電流制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源，克服了電壓控制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源頻響慢、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率低的缺點(diǎn)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、體積小、易現(xiàn)實(shí)。該穩(wěn)壓電源是目前實(shí)用和理想的穩(wěn)壓源，具有很大的發(fā)展前景。 系統(tǒng)方案確定 經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下： （ 1）主電路模塊：采用正激式變壓器開關(guān)電源； （ 2）主電路功率模塊：功率開關(guān)晶體管的選擇采用功率開關(guān) MOSFET； （ 3） 控制電路 ： 脈寬調(diào)制器 選擇采用 UC3842 電源集成控制器。 10 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 開關(guān)電源是進(jìn)行交流 /直流（ AC/DC）、直流 /直流（ DC/DC）、直流 /交流（ DC/AC）功率交換的裝置。這些變換由主電路和控制回路兩部分完成。主回路將輸入的交流電傳遞給負(fù)載，它決定開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)形式、變換要求、功率大小、負(fù)載能力等；控制回路按輸入、輸出的條件檢測(cè)、控制主回路的工作狀況。如果將控制回路集成化，就稱之為開關(guān)電源集成控制器；如果將主回路和控制回路集成一起，就稱之為開關(guān)電源模塊化。 開關(guān)電源集成控制器中一般包含有振蕩器、誤差放大器、 PWM 觸發(fā)器、狀態(tài)控制器，高品質(zhì)的還有高功率開關(guān)管、電流比較器以 及各種功能保護(hù)電路等。 主要單元的電路設(shè)計(jì) 主要電路部分電路設(shè)計(jì) （ 1） EMI 濾波器及橋式整流電路餓的設(shè)計(jì) 交流電壓由 C L C2 以及 C C4 進(jìn)行低通濾波。 C C2 組成抗干擾電路，用以仰制正態(tài)噪聲； C C L1 組成抗共模干擾電路，用于仰制共態(tài)噪聲干擾。它們的組合應(yīng)用對(duì)電磁干擾有很強(qiáng)的衰減旁路作用。濾波后的交流電壓經(jīng) VD1 至 VD4 橋式整流以及電解電容 C5濾波后變成 310V 的脈動(dòng)直流電壓。 圖 31 濾波及整流電路 11 （ 2） 高頻變壓器的設(shè)計(jì) 正激式變換器的占空比不得大于 ， 工作頻率應(yīng)低于 100KHz，這對(duì)高頻變壓器的和開關(guān)功率管來(lái)說(shuō)比較有利 。 輸入： 85V~265V， AC,50Hz。 輸出： 12V/10A， DC。 ① 工作頻率的確定 工作頻率的確定，輸出電壓高，響應(yīng)速度快，調(diào)整范圍大，但是場(chǎng)效應(yīng)管、整流二極管以及變壓器等發(fā)熱多。損耗大，噪聲大。現(xiàn)選用 100kHz，電源效率取 80%。 工作周期為： ）（）（ us10s1010100 1fo1 53 ?????T ② 最大導(dǎo)通時(shí)間 Ton（ max）的確定 正激式變壓器的占空比 D（ max）應(yīng)該低于 ，現(xiàn)選用 D（ max） = ，D（ min） =，得： ）（ ????? M A XDTT ③ 變壓器次級(jí)輸出電壓（ Vs）的計(jì)算 )( a x VD VVVV LFos ??????? 這公式中 Vo 為肖特 基 二極管的正向壓降，取值 ， VL為濾波電感器的壓降，取值為 。 ④ 變壓器匝數(shù)比（ n）的計(jì)算 變壓器初級(jí)的最低直流電壓為 (min)pV ，一般設(shè) VV 100min ? 。 )(14121002m in( m in ) VVV p ????? ( m in ) ??? P SV Vn ⑤ 輸入功率的計(jì)算 12 )(150%80 1012 WPP oi ???? ? 表 1 輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系 尺寸 磁芯型號(hào) A/H （ max） B/h （ max） C （ max） D （ max） 有效截面積（ mm2） 輸出功率 Po（ W） 窗口面積 Be（ mm2） 50kHz 100kHz 150kHz 200kHz EE16 16/8 12/6 4 18 8 12 16 18 9 EE19 19/7 14/6 4 5 20 15 20 30 40 EE22 22/11 19/8 6 6 36 20 30 50 80 EE25 25/17 19/13 7 6 42 40 55 90 130 18 EE28 28/17 20/8 78 50 90 140 200 EE30 38/21 21/17 11 115 95 130 210 260 EE35 35/20 28/18 11 10 110 120 170 300 440 E
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