【正文】 合器，上表給出了常見的線性光電耦合器及主要數(shù)據(jù)。 (3) 線性光耦合器的產(chǎn)品及選取原則 使用光電耦合器主要是為了提供輸入電路和輸出電路間的隔離，在設(shè)計電路時，必須遵循下列原則：所選用的光電耦合器件必須符合國內(nèi)和國際的有關(guān)隔離擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)；由英國埃索柯姆 (Iso)公司、美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的 4N 系列 (如 4N24N2 4N35)光耦合器，目前在國內(nèi)應(yīng)用地十分普遍。因此，它適合傳輸模擬電壓或電流信號，能使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。 普通光耦合器的 FCTR I? 特性曲線呈非線性，在 FI 較小時的非線性失真尤為嚴(yán)重，因此它不適合傳輸模擬信號。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。當(dāng)輸出開關(guān)電源畢業(yè)論文 12 電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流 CI 與直流輸入電流 IF 的百分比。此外，在傳輸數(shù)字信號時還需考慮上升時間、下降時間、延遲時間等參數(shù)。另一方面，光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動器件，可以形成電流環(huán)路的傳送形式，電流環(huán)路是低阻抗電路，對噪音的敏感度低，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，起到了電磁兼容和隔離抗干擾的作用，不會因為電路中的高頻電流的電磁干擾對控制電路產(chǎn)生干擾。 在開關(guān)電源中我們是采用電壓環(huán)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出的，光電耦合器作為輸入采樣、反饋信號、輸出驅(qū)動的隔離器件。光電耦合器是電流驅(qū)動型，需要一定的電流才能使發(fā)光二極管導(dǎo)通，如果輸入信號太小，發(fā)光二極管不會導(dǎo)通，其輸出信號將失真。 線性方式工作的光電耦合器是在光電耦合器的輸入端加控制電壓，在輸出端會成比例地產(chǎn)生一個用于進(jìn)一步控制下一級的電 路的電壓。光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響。它廣泛用于 電平轉(zhuǎn)換、信號隔離、級間隔離、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器 (SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口中。近年來問世的線性光耦合器能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或模擬電流信號，使其應(yīng)用領(lǐng)域大為拓寬。 通常的光電耦合器由于它的非線性，因此在模擬電路中的應(yīng)用只限于對較高頻率開關(guān)電源畢業(yè)論文 11 的小信號的隔離傳送。在開關(guān)電源電路中利用光電耦合器構(gòu)成反饋電路，通過光電耦合器來調(diào)整、控制輸出電壓，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的；通過光電耦合器進(jìn)行脈沖轉(zhuǎn)換。因為它時一種發(fā)光體，而且用低電平的電源供電，所以它的使用壽命長，傳輸效率高，而且體積小，可廣泛用于級間耦合、信號傳輸、電氣隔離、電路開關(guān)以及電平轉(zhuǎn)換等 [5]。這就實現(xiàn)了“電 — 光 — 電” 功能轉(zhuǎn)換，也就是隔離信號傳遞。它時一種以紅外光進(jìn)行信號傳遞的器件，由兩部分組成：一是發(fā)光體，實際上時一只發(fā)光二極管，受輸入電流的控制，發(fā)出不同強度的紅外光；另一部分時受光器，受光器接受光照以后，產(chǎn)生光電流并從輸出端輸出。一般來說，磁芯面積越大，輸出功率也越大。 (5) EE 磁芯是一種常用磁芯， 對于中小功率的變壓器來說很適合。 (4) EC 磁芯是在開關(guān)電源上常用的一種磁芯，磁芯截面積大，散熱效果好，常用在 100～ 150W 的開關(guān)電源上。 (3) RM、 X 形磁芯的磁耦合能力和散熱效果都很好，適合用在 100W 以上的大中功率電源上。它的優(yōu) 點是導(dǎo)磁感應(yīng)好，傳遞電能佳，可大量減少 EMI；它的缺點是散熱效果極差，溫升很高，只能用開關(guān)電源畢業(yè)論文 10 在小功率開關(guān)電源上。一下是一些主要磁芯結(jié)構(gòu)的說明。在設(shè)計時，工作頻率和噪聲干擾應(yīng)十分注意。 磁芯的結(jié)構(gòu)與選用 磁芯的使用一定要在一定的居里溫度以內(nèi)，這時選擇磁芯材料首先要考慮的問題。這樣的磁性材料的磁滯回線可使線圈中的電流波形前后沿陡峭，能很好地傳遞各種波形電信號。 選用磁性材料時，要選用可飽和的磁性材料。 (5) 矯頑力 HC。 (4) 剩余磁感應(yīng)強度 Br。 (3) 初始導(dǎo)磁率 μi。磁芯的磁狀態(tài)由鐵磁性轉(zhuǎn)變成順磁性時，在 μ— T 曲線上，80%μmax與 20%μmax的連線跟導(dǎo)磁率等于 1的直線的交點相對應(yīng)的溫度稱為居里溫度。溫度越高，磁感應(yīng)強度越低。磁場強度時表示磁場強弱與方向的一個物理量，用安 /米（ A/m）表示。對于一個產(chǎn)品，我們不看它的電路布置如何漂亮，而是要看各元器件布局是否合理，鐵氧體磁芯的顏色、線圈的屏 蔽是否合適，散熱處理是否得當(dāng)?shù)鹊?。設(shè)計開發(fā)人員對高頻變壓器的設(shè)計制作，時開關(guān)電源設(shè)計制作的頭等重要任務(wù)。在選擇鐵氧體 時，它不像電子元件那樣可以測量，它的具體的參數(shù)、特性曲線在顯示測量儀器上也不時一目了然。 G門 極D 漏 極S 源 極 圖 23 MOSFET 的圖形符號 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 軟磁鐵氧體磁芯 軟磁鐵氧體材料常用在高頻變壓器、電感整流器、脈沖變壓器以及 PFC 中的升壓電感等電路中，在開關(guān)電源中時一種非常重要的元件。 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(dǎo)通電阻大、器件發(fā)熱嚴(yán)重、輸出功率下降、電源效率低下 的弊病。 ⑤ 開關(guān)速度快，關(guān)斷時間短。 IGBT 的導(dǎo)通電阻只有 MOSFET 的 10%。 ② 輸入阻抗高，柵極驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單。它的耐壓能力為 600～ 1800V，電流容量為 100～ 400A，開關(guān)電源畢業(yè)論文 8 關(guān)斷時間低至 ，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。當(dāng) MOSFET的柵極驅(qū)動電壓突然降到門限電壓時， MOSFET 由導(dǎo)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。 R 值小，則開關(guān)速度高，只要柵極的驅(qū)動電壓一撤銷，就會立刻截止。 R 的阻值一般為 60~200Ω。 開關(guān)電源畢業(yè)論文 7 TRD W1D W2V TGDS 圖 21 加速 TR關(guān)斷驅(qū)動電路 在圖 21 中， NS為脈沖變壓器次級驅(qū)動繞組， R 是 MOSFET 的柵極限流電阻。MOSFET 的主要缺點是導(dǎo)通電阻（ RDS(ON)）較大，而且具有正溫度系數(shù)，用在大電流開關(guān)狀態(tài)時，導(dǎo)通損耗較大，開啟門限電壓 VGS(th)較高（一般為 2~4V），要求驅(qū)動變壓器繞組的匝數(shù)比采用雙極型晶體管多 1 倍以上。 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 具有負(fù)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(yīng)用。 (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。 MOSFET 在大功率開關(guān)電源中用作開關(guān)，比雙極型功率晶 體管具有明顯的優(yōu)勢。在開關(guān)電源中，用作開關(guān)功率管的 MOSFET 幾乎全部都是 N 溝道增強型器件。 功率開關(guān) 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。當(dāng)然，有設(shè)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。選用好元器件，是決定開關(guān)電源質(zhì)量的關(guān)鍵。所謂高標(biāo)準(zhǔn)就是對未來開關(guān)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)；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(jìn)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(guān)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 [2]。 開關(guān)電源的發(fā)展趨勢 未來的開關(guān)電源像一只茶杯的蓋子：它的工作頻高達(dá) 2~10MHz，效率達(dá)到 95%，功率密度為 3~6W/cm2，功率因數(shù)高達(dá) ，長期使用完好，壽命在 80000h 以上。往往在試驗室中能達(dá)到相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但在生產(chǎn)上會出現(xiàn)各種問題。要真正做到功率轉(zhuǎn)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。開關(guān)電源的軟件開發(fā)目前只是剛剛起步，例如軟開關(guān)，雖然它的損耗低，但難以實現(xiàn)高頻化和小型化。實現(xiàn)這些變換都是以頻率為基礎(chǔ)，以改變電壓為目的，工藝復(fù)雜，控制難度大，始終難以形成大規(guī)模生產(chǎn)。 (3) 能源變換問題。 (2) 材料問題。目前要解決的問題有： (1) 器件問題。材料之新、用途之廣，是它快速發(fā)展的主要動力。凡是以脈沖寬度來調(diào)制的電子開關(guān)變換器都叫 PWM變換器。調(diào)寬式變換器有以下幾種：正激式（ Forward Converter）、反激式（ Feedback Converter Mode）、半橋式（ Half Bridge Converter）、全橋式（ Overall Bridge Mode）、推挽式（ Push Draw Mode）和阻塞式（ Ringing Choke Converter， RCC）等 6 種。按激勵方式分，有自激式和他激式兩種。從輸入、輸出有無變壓器隔離來說， DC/DC 變換分為有變壓器隔離和沒有變壓器隔離兩類。調(diào)頻開關(guān)電源沒有脈沖調(diào)制開關(guān)電源那么容易控制，再加上準(zhǔn)諧振電路電壓峰值高，開關(guān)所受到的應(yīng)力大，目前還沒有得到廣泛應(yīng)用。它是在脈寬調(diào)制器上附加諧振網(wǎng)絡(luò)而形成的，固定電子開關(guān)導(dǎo)通時間，通過調(diào) 整振蕩頻率，最終使電路產(chǎn)生諧振，從而獲得準(zhǔn)諧振變換器的模式。同樣，流過電子開關(guān)的電流振蕩到零時，電子開關(guān)關(guān)斷，稱之為開關(guān)電源畢業(yè)論文 4 零電流關(guān)斷（ Zero Current Switching）。如果正弦波電壓加到并聯(lián)的電感回路上，這時電感上的電壓就無窮大。為了實現(xiàn)零電壓“開”和零電流“關(guān)”，我們常采用諧振的方法。另一類叫做軟開關(guān)，電子開關(guān)在零電壓下導(dǎo)通，在零電流下關(guān)斷。但是它比其他變換電源的形式簡單的多，所以，硬開關(guān)在很多地方仍然在應(yīng)用，如脈寬調(diào)制（ Pulse Width Modulation， PWM）器就屬于硬開關(guān)。 所謂硬開關(guān)，是指電子脈沖、外加控制信號強行對電子開關(guān)進(jìn)行“開”和“關(guān)”，而與電子開關(guān)自身流過的電流以及兩端施加的電壓無關(guān)。 (5) 根據(jù)人們的要求，可設(shè)計出各種具有特殊功能的電源，以滿足人們的需要。而其他的電源由于本身原因或使用不當(dāng)，發(fā)生短路或斷路的事故較多。據(jù)統(tǒng)計， 100W 的鐵芯變壓器的重量為 1200g 左右，體積達(dá) 350cm3，而 100W 的開關(guān)電源的重量只有 250g，而且敞開式的電源更輕，體積不到鐵芯變壓器的 1/4。美國的“能源之星”對電子鎮(zhèn)流器、開關(guān)電源以及家用電器的效率都制定有很仔細(xì)的、非常嚴(yán)格的規(guī)章條款。綠色電源是開關(guān)電源中用 途最為廣泛的電源，它的效率一般可以達(dá)到85%，質(zhì)量好的可以達(dá)到 95%甚至更高，而鐵芯變壓器的效率只有 70%或者更低。對于不同的變換器形式，所選用的占空比大小是不一樣的。這對于開關(guān)電源的高頻變壓器實現(xiàn)小型化有幫助，同時，能量傳遞的速度也快。例如：一個開關(guān)電源的工作頻率是 50kHz，它的周期 sT ?202150 1 3 ???（微秒）。 。 斷開時間 oft 所占 T 的比例稱為斷開占空比（ D39。 高頻電子開關(guān)是電能轉(zhuǎn)換的主要手段和方法。第六部分是頻率振蕩發(fā)生器，它產(chǎn)生一種高頻波段信號，該信號與控制信號疊加進(jìn)行脈寬調(diào)制，達(dá)到脈沖寬度可調(diào)。第四部分是輸出電路，用于將高頻方波脈沖電壓經(jīng)整流濾波后變成直流電壓輸出。開關(guān)電源電路常采用有源功率因數(shù)校正。功率因數(shù)校正的方法有無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。 開關(guān)電源畢業(yè)論文 2 低 通濾 波有 源調(diào) 整一 次整 流電 子開 關(guān)高 頻 變壓 器采 樣輸 出平 滑濾 波二 次整 流脈 寬調(diào) 制基 準(zhǔn)電 壓誤 差放 大比 較 器脈 沖驅(qū) 動輸 入 電 路 功 率 因 數(shù) 校 正功 率轉(zhuǎn) 換輸 出 電 路直 流 輸 出V0控 制 電 路頻 率 振 蕩 發(fā) 生 器交 流 輸入 電 壓2 2 0 V 圖 11 開關(guān)電源工作原理框圖 第一部分是輸入電路，它包含有低通濾波和一次整流環(huán)節(jié)。 開關(guān)電源在轉(zhuǎn)換過程中，用高頻變壓器隔離稱之為離線式開關(guān)變換器（ Offline Switching Cpnwerter），常用的 AC/DC 變換器就是離線式變換器。所以，凡是用半導(dǎo)體功率器件作開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的電路，叫做開關(guān)變換電路。為了達(dá)到轉(zhuǎn)換的目的，電源變換的方法是多樣的。我們用的電，一般都需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能適合使用的需求，例如交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓，大功率變換為小功率等。 開關(guān)電源的概念 電是工業(yè)的動力，是 人類生活的源泉。開關(guān)電源畢業(yè)論文 I 1． 緒論 ............................................................................................................................. 1 開關(guān)電源的概念和分類 ...................................................................................... 1 開關(guān)電源的概念 ..............................