【文章內(nèi)容簡介】 電壓和電流會通過電路中的元器件產(chǎn)生較強的尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾就會污染市電電網(wǎng)，影響臨近的電子儀器及設備的正常工作。隨著開關穩(wěn)壓電源電路和抑制干擾措施的不斷改進，開關穩(wěn)壓電源的這一缺點得到進一步克服，可以達到不妨礙一般的電子儀器、設備和家用電器正常工作的程度。但是，在一些精密電子儀器中，由于開關穩(wěn)壓電源的這一缺點，卻使它不能得到使用。所以，克服穩(wěn)壓電源的這一缺點，進一步提高它的使用范圍，是從事開關穩(wěn)壓電源研制科技人員要解決的第三個問題。 客觀上講，開關電源的發(fā)展是非?？斓模@時因為它具有其他電源所無法比擬的優(yōu)勢。材料之新、用途之廣，是它快速發(fā)展的主要動力。但是，它離人們的要求、應用的價值還差 得很遠，體積、重量、效率、抗干擾能洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 12 力、電磁兼容性以及使用的安全性都不能說是十分完美。目前要解決的問題有： (1) 器件問題。電源控制集成度不高，這就影響了電源的穩(wěn)定性和可靠性，同時對電源的體積和效率來說也是一個大問題。 (2) 材料問題。開關電源使用的磁芯、電解電容及整流二極管燈都很笨重，也是耗能的主要根源。 (3) 能源變換問題。按照習慣，變換有這樣幾種形式： AC/DC 變換、DC/AC 變換以及 DC/DC 變換等。實現(xiàn)這些變換都是以頻率為基礎，以改變電壓為目的，工藝復雜，控制難度大，始終難以形成大規(guī)模生產(chǎn)。 (4) 軟件問題。開關電源的軟件開發(fā)目前只是剛剛起步，例如軟開關，雖然它的損耗低，但難以實現(xiàn)高頻化和小型化。要做到“軟開關”并實行程序化，更是有一定的困難。要真正做到功率轉換、功率因數(shù)改善、全程自動檢測控制實現(xiàn)軟件操作，目前還存在很大的差距。 (5) 生產(chǎn)工藝問題。往往在試驗室中能達到相關的技術標準，但在生產(chǎn)上會出現(xiàn)各種問題。這些問題大多是焊接問題和元器件技術性能問題，還有生產(chǎn)工藝上的檢測、老化、粘結、環(huán)境等方面的因素。 開關電源的發(fā)展趨勢 未來的開關電源像一只茶杯的蓋子：它的工作頻高達 2~10MHz，效率達到 95%，功率密度為 3~6W/cm2，功率因數(shù)高達 ，長期使用完好，壽命在 80000h 以上。這就是開關電源的發(fā)展趨勢。所謂高標準就是對未來開關電源的挑戰(zhàn)：第一，能不能全面通容電磁兼容性的各項技術標準；第二，在企業(yè)里能不能大規(guī)模地、穩(wěn)定地生產(chǎn)，或快捷地進行單項生產(chǎn)；第三，按照人們的需要，能不能組裝或拼裝大容量、高效率的電源；第四，能否使新的開關電源具有比運行中的電氣額定值更高的功率因數(shù)、更低的輸出電壓（ 1~3V）、更大的輸出電流（數(shù)百安）；第五，能不能實現(xiàn)更小的電源模塊。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 13 第 2 章 自激式開關電源元器件的選用 無論那一種變換器，用的是那一種結構形式的開關電源，所使用的元器件都是開關晶體管、電阻、電容、電感及磁性材料等。選用好元器件，是決定開關電源質(zhì)量的關鍵。往往設計的開關電源在試驗室中式成功的，一到生產(chǎn)線上進行規(guī)模生產(chǎn)時，就會出現(xiàn)各種問題。當然，有設計方面的，有工藝方面的，還有焊接方面的，但多數(shù)是元器件選用問題。元器件本身質(zhì)量的差異是影響開關電源質(zhì)量的一個重要原因。 開關器件的特征： 同處理信息的電子器件相比，開關電源的電子器件具有以下特征： (1) 能處理電功率的大小，即承受電壓 和電流的能力是開關器件最重要的參數(shù)，其處理電功率的能力小至毫瓦級，大至兆瓦級，大多遠大于處理信息的電子器件。 (2) 開關器件一般都工作在開關狀態(tài)，導通時 (通態(tài) )阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，電流由外電路決定；阻斷時阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，管子兩端電壓由外電路決定。 (3) 開關器件的動態(tài)特性也是很重要的方面，有些時候甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關來代替實際開關。 (4) 電路中的開關器件往往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 一定的中間電路對控制電路的信號進行放大，這就是開關器件的驅動電路。 (5) 為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導致開關器件溫度過高而損壞，不僅在開關器件封裝上講究散熱設計，在其工作時一般都要安裝散熱器。導通時，器件上有一定的通態(tài)壓降；形成通態(tài)損耗阻斷時，開關器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過；形成斷態(tài)損耗時，在開關器件開通或關斷的轉換過程中產(chǎn)生開通損耗和關斷損耗，總稱開關損耗。對某些器件來講，驅動電路向其注入的功率也是造成開關器件發(fā)熱的原因之一。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 14 開關晶體管 電力場效應管 MOSFET MOSFET 分 P 溝道耗盡型、 P 溝道增強型、 N 溝道耗盡型和 N 溝道增強型 4 種類型。增強型 MOSFET 具有應用方便的“常閉”特性（即驅動信號為零時，輸出電流等于零）。在開關電源中，用作開關功率管的 MOSFET幾乎全部都是 N 溝道增強型器件。這時因為 MOSFET 是一種依靠多數(shù)載流子工作的單極型器件，不存在二次擊穿和少數(shù)載流子的儲存時間問題，所以具有較大的安全工作區(qū)、良好的散熱穩(wěn)定性和非?？斓拈_關速度。MOSFET 在大功率開關電源中用作開關，比雙極型功率晶體管具有明顯的優(yōu)勢。所有類型的有源功率因數(shù)校正器都是為驅動功率 MOSFET 而設計的，所以說，用作開關的 MOSFET 是任何雙極型功率晶體管所不能替代的。 (a) N 溝道內(nèi)部結構斷面示意圖； (b) 電氣圖形符號 圖 21 電力 MOSFET 的結構和電氣圖形符號 1. MOSFET 的主要特點 MOSFET 是一種依靠多數(shù)載流子工作的典型場控制器件。由于它沒有少數(shù)載流子的存儲效應，所以它適用于 100~200MHz 的高頻場合，從而可以采用小型化和超小型化的磁性元件和電容器。 MOSFET 具有負的電流溫度系數(shù)，可以避免熱不穩(wěn)定性和二次擊穿，適合在大功率和大電流條件下應用。 MOSFET 從驅動模式上來分，屬于電壓控制器件，驅動電路設計比較簡單，驅動功率甚微，在啟動或穩(wěn)定工作條件下的峰值電流要比采用雙極型功率晶體管小得多。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 15 MOSFET 中大多數(shù)集成有阻尼二極管，而雙極型功率晶體管中大多沒有內(nèi)裝阻尼二極管。 MOSFET 對系數(shù)的可靠性與安全性的影響并不像雙極型晶體管那樣重要。 MOSFET 的主要缺點是導通電阻（ RDS( ON)）較大，而且具有正溫度系數(shù)，用在大電流開關狀態(tài)時，導通損耗較大，開啟門限電壓 VGS(th)較高（一般為 2~4V），要求驅動變壓器繞組的匝數(shù)比采用雙極型晶體管多 1 倍以上。 2. MOSFET 的驅動電路 MOSFET 的驅動電路如圖 22 和圖 23 所示。 TRD W1D W2V TGDS 圖 22 加速 TR 關斷驅動電路 在圖 22 中， NS 為脈沖變壓器次級驅動繞組， R 是 MOSFET 的柵極限流電阻。齊納二極管 DW1， DW2 反向串接在一起，用于對 VT 的柵 — 漏極進行鉗位，放置驅動電壓 VGS 過高而使 VT 幾串。 R 的阻值一般為60~200Ω。盡管 MOSFET 的輸入阻抗很高，但仍會產(chǎn)生充電電流。 R 值小，則開關速度高，只要柵極的驅動電壓一撤銷，就會立刻截止。 圖 23 所示是加速漏 極電流跌落時間、有利于零功率控制的電路。當MOSFET 的柵極驅動電壓突然降到門限電壓時， MOSFET 由導通突變?yōu)榻刂?，三極管 BC557 加速了 ID 的跌落，為 MOSFET 起到加速作用。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 16 TR1 1 0 0V T1GDSM T D 5 N2 5 E2 5 TNSR21 KIDV DV T2B C 5 5 7 圖 23 功率驅動電路 絕緣柵雙極晶體管 IGBT 絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT）是一種大電流密度、高電壓激勵的場控制器件，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，關斷時間低至 ，在開關電源中作功率開關 用，具有 MOSFET 與之不可比擬的優(yōu)點。 IGBT 的主要特點是： ① 電流密度大，是 MOSFET 的 10 倍以上。 ② 輸入阻抗高，柵極驅動功率小，驅動電路簡單。 ③ 低導通電阻。 IGBT 的導通電阻只有 MOSFET 的 10%。 ④ 擊穿電壓高，安全工作區(qū)大，在受到較大瞬態(tài)功率沖擊時不會損壞。 ⑤ 開關速度快，關斷時間短。耐壓為 1kV的 IGBT 的關斷時間為 ，600V 的產(chǎn)品的關斷時間僅為 。 C 集 電 極G柵 極E 發(fā) 射 極G柵 極C ( D )集 電 極 ( 漏 極 ）E ( S )發(fā) 射 極 ( 源 極 ) 圖 24 IGBT 的圖形符號 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 17 上述這些特征克服了 MOSFET 的一些缺陷，即在大功率、高電壓、大電流條件下工作時導通電阻大、器件發(fā)熱嚴重、輸出功率下降、電源效率低下的弊病。有關 IGBT 的圖形符號見圖 24。 二極管 二極管在電子電路中用得較多，功能各異。從結構上來分，有點接觸型和面接觸型二極管。面接觸型二極管的工作電流比較大，發(fā)熱比較厲害，它的最高工作溫度不允許超過 100℃ 。按照功能來分，有快速恢復及超快速恢復二極管，有整流二極管、穩(wěn)壓二極管及開關二極管等。以下介紹幾種二極管的特點及檢測方法。 開關二極管 開關管用在高速運行的電子 電路中，起信號傳輸作用，在模擬電路中起作鉗位抑制作用。高速開關硅二極管是高頻開關電源中的一個主要器件，這種二極管具有良好的高頻開關特性。它的反向恢復時間 trr 只有幾納秒，而且體積小，價格低。在開關電源的過壓保護、反饋控制系統(tǒng)中常用到硅二極管，如 1N414 1N4448。 硅二極管的主要技術指標是： (1) 最高反向工作電壓 VRM 和反向擊穿電壓 VBR：這兩個參數(shù)越大越好。 (2) 最大管壓降 VFM：小于 。 (3) 最大工作電流 Id：大于 150mA。 (4) 反向恢復時間 trr：小于 10ns。 穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管又叫齊納二極管（ Zener Diod），具有單向導電性，它工作在電壓反向擊穿狀態(tài)。當反向電壓達到并超過穩(wěn)定電壓時，反向電流突然增大，而二極管兩端的電壓恒定，這就叫做穩(wěn)壓。它在電子電路中用作過壓保護、電平轉換，也可用來提供基準電壓。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 18 1．穩(wěn)壓二極管的分類 穩(wěn)壓二極管分低壓和高壓兩種。穩(wěn)壓值低于 40V 的叫做低壓穩(wěn)壓二極管；高于 200V 的叫做高壓穩(wěn)壓二極管?，F(xiàn)在市面上從 到 200V，各種型號規(guī)格齊全。穩(wěn)壓管的直徑一般只有 2mm，長度為 4mm。它的穩(wěn)壓性能好，體積小，價格便宜。穩(wěn) 壓二極管從材料上分為 N 型和 P 型兩種。選用穩(wěn)壓二極管的原則是：第一，注意穩(wěn)定電壓的標稱值；第二，注意電壓的溫度系數(shù)。 2．穩(wěn)壓二極管的用途 穩(wěn)壓二極管具有以下幾個作用：第一，對漏極和源極經(jīng)行鉗位保護；第二，起到加速開關管導通的作用；第三，在開關電源中常用高壓穩(wěn)壓二極管代替瞬態(tài)電壓抑制器 TVS 對初級回路產(chǎn)生的尖峰電壓進行鉗位；第四，在晶體管反饋回路中，常常在晶體管的發(fā)射極串聯(lián)一只穩(wěn)壓管作電壓負反饋，提高放大電路的穩(wěn)定性。 3．穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù) 穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)如下： ① 穩(wěn)定電壓 VZ。設計人員根據(jù)需要選 用。 ② 穩(wěn)定電流 IE。 ③ 溫度系數(shù) t? 。溫度越高，穩(wěn)壓誤差越大。 快速恢復二極管及 超快速恢復二極管 快速恢復二極管（ Fast Recovery Diod）和超快速恢復二極管（ Superfast Recovery Diod， SRD）時很多電子設備中常用的器件，在開關電源中也經(jīng)常用到。這兩種二極管具有開關特性好、耐壓高、正向電流大、體積小等優(yōu)點，在電子鎮(zhèn)流器、不間斷電源、變頻電源、高頻微波爐等設備中常用在整流、續(xù)流、限流等電路 中。 1．超快速恢復二極管的性能特點 ① 反向恢復時間 trr：通過二極管的電流由零點正向轉反向后，再由反向轉換到規(guī)定值的時間。 ② 平均整流電流 Id：這時選用二極管的又一個主要指標。一般來說，選用管子的整流電流時設計輸出電流的 3 倍以上。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 19 ③恢復和快速恢復二極管有 3 種結構，即單管、共陰對管和共陽對管。所謂共陰、共陽是指兩只二極管接法不同。 2．檢測方法及選用原則 ① 檢測方法：利用萬用表的電阻檔或數(shù)字萬用表的二極管檢測檔，能夠檢查二極管的單向導電性，并測出正向導通壓降；用兆歐表能測出反向擊穿電壓。一般正向電阻 為 6? ，反向電阻為無窮大，可從讀出的負載電壓計算出正向導通壓降。 ② 選用原則：超快速恢復二極管在開關電源中可作為阻塞二極管和次級輸出電壓的整流管。超快速恢復二極管的反向恢復時間在 20～ 50ns 之間；整流電流 Id 為最大輸出電流 IOM 的 3 倍以上，即 Id3IOM；最高反向工作電壓 VRM 為最大反向峰值電壓 V(BR)S 的 2 倍以上，即 VR