【正文】 共 45 頁(yè) 第 5 頁(yè) 第一章 開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)介 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展背景 電源 [power supply。把其他形式的能轉(zhuǎn)換成電能的裝置叫做電源。通過(guò)變壓器和整流器，把交流電變成直流電的裝置叫做整流電源。晶體三極管能把前面送來(lái)的信號(hào)加以放大，又把放大了的 信號(hào)傳送到后面的電路中去。整流電源、信號(hào)源有時(shí)也叫做電源。 電力電子技術(shù)的發(fā)展 ,特別是大功率器件 IGBT 和 MOSFET 的迅速發(fā)展 ,將開(kāi)關(guān)電源的工作頻率提高到相當(dāng)高的水平 ,使其具有高穩(wěn)定性和高性?xún)r(jià)比等特性。 開(kāi)關(guān)電源的基本原理與組成特點(diǎn) 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理 開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種 , 實(shí)際應(yīng)用中 , 調(diào)寬式使用的較多 , 在目前開(kāi)發(fā)和使用的開(kāi)關(guān)電源集成電路中 , 絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。 共 45 頁(yè) 第 6 頁(yè) 圖 對(duì)于單極性矩形脈沖來(lái)說(shuō) , 其直流平均電壓 U0 取決于矩形脈沖的寬度 , 脈沖越寬 , 其直流平均電壓值就越高。 T 為矩形脈沖周期 , T1 為矩形脈沖寬度。這樣 , 只要設(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄 , 就可以達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。 開(kāi) 關(guān) 電源 一般多采用脈沖寬度調(diào)制（ PWM）控制方式。高頻化使開(kāi)關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此，研究、開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的開(kāi)關(guān)電源就變得十分必要，尤其在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。開(kāi)關(guān)電源的工作原理就是通過(guò)改變開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通時(shí)間和工作周期的比值即占空比來(lái)改變輸出電壓， 通常有三種調(diào)制方式 : 脈沖寬度調(diào)制 ( P W M ) 、脈沖頻率調(diào)制 ( P F M )和混合調(diào)制。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的主回路框圖如圖 12 所示， 由隔離變壓器產(chǎn)生一個(gè) 1 8 V 的交流， 經(jīng)過(guò)整流濾波成一個(gè)直流， 然后再進(jìn)行 D C D C 變換， 有 P W M 的驅(qū)動(dòng)電路， 去控制開(kāi)關(guān)電源管的導(dǎo)通和截止， 而產(chǎn)生出一個(gè)穩(wěn)定的電壓源，如圖 12。開(kāi)關(guān)電源的功率開(kāi)關(guān)調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以調(diào)整管的功耗小，效率高，一般在 80%～ 90%，高的可達(dá) 90%以上； (2) 重量輕。開(kāi)關(guān)電源的交流輸入電壓在 90~270 V 內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓的變化在 177。合理設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源電路，還可使穩(wěn)壓范圍更寬并保證開(kāi)關(guān)電源的高效率； （ 4）安全可靠。由于開(kāi)關(guān)電源的工作頻率高，一般在 20 kHz 以上，因此濾波元件的數(shù)值可以大大減小，從而減小功耗；特別是，由于功率開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，損耗小，不需要采用大面積散 熱器，電源溫升低，周?chē)恢乱蜷L(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境而損壞，因此采用開(kāi)關(guān)電源可以提高整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。此后，利用這一技術(shù)的各種形式的晶體管直流變換器不斷地被研制和涌現(xiàn)出來(lái)。由于晶體管直流變換器中的 共 45 頁(yè) 第 8 頁(yè) 功率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以由此而制 成的穩(wěn)壓電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當(dāng)時(shí)被廣泛地應(yīng)用于航天及軍事電子設(shè)備上。 60 年代末，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，高反壓的晶體管出現(xiàn)了。從而極大地?cái)U(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，并且在此基礎(chǔ)上誕生了無(wú)工頻降壓變壓器的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。 （ 2）目前正在克服的困難 隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子的高速發(fā)展、集成度高、功能強(qiáng)的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設(shè)備的體積在不斷的縮小 ，重量在不斷的減輕。這是從事開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源研制的科技人員目前正在克服的第一個(gè)困難。要進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的效率，就必須提高電源的 工作頻率 。例如，高頻電容、開(kāi)關(guān)管、開(kāi)關(guān)變壓器、儲(chǔ)能電感等都會(huì)出現(xiàn)新的問(wèn)題。 工作在線性狀態(tài)的穩(wěn)壓電源，具有穩(wěn)壓和濾波的雙重作用因而串聯(lián)閑心穩(wěn)壓電源不產(chǎn)生開(kāi)關(guān)干擾，且波紋電壓輸出較小。這些干擾就會(huì)污染市電電網(wǎng)，影響鄰近的電子儀器及設(shè)備 共 45 頁(yè) 第 9 頁(yè) 的正常工作。所以，克服開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的這一缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高它的使用范圍，司從事開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源研制科技人員要解決的第三個(gè)問(wèn)題。到60 年代中期進(jìn)入了實(shí)用階段， 70 年代初期開(kāi)始研制無(wú)工頻降壓變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。近 10 多年來(lái)，我國(guó)的許多研 究所、工廠及高等院校已研制出多種型號(hào)的工作頻率在 20KHz 左右、輸出在功率在 1000W 一下的無(wú)工頻降壓變氣開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，并應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、電視等方面，取得了較好的效果。目前正走在向?qū)嵱秒A段和再進(jìn)一步提高工作頻率。此外，這些年來(lái)，我國(guó)雖然把無(wú)工頻變 壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率從數(shù)十 KHz 提高到數(shù)百 KHz，把輸出功率由數(shù)十瓦提高到數(shù)千瓦，但是，由于我國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)與工藝跟不上時(shí)代的發(fā)展，導(dǎo)致我們自己研制和生產(chǎn)出的無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中的開(kāi)關(guān)管大部分采用的仍是進(jìn)口的晶體管。 開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi) 現(xiàn)在，電子技術(shù)和應(yīng)用迅速的發(fā)展，對(duì)電子儀器和設(shè)備的要求是：在性能上，更加安全可靠；在功能上，不斷地增加；在使用上，自動(dòng)化程度要越來(lái)越高；在體積上，要日趨小型 化。所以，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源在計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視機(jī)等方面都得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源分類(lèi)方法有下列幾種： 共 45 頁(yè) 第 10 頁(yè) （ 1） 按激勵(lì)方式劃分 i 他激式 電路中專(zhuān)設(shè)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的振蕩器 ii 自激式 開(kāi)關(guān)管兼作振蕩器中的振蕩管 （ 2） 按調(diào)制方式劃分 振蕩頻率保持不變，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變和調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。 占空比保持不變，通過(guò)改變振蕩器的振蕩頻率來(lái)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的幅度。 （ 3） 按開(kāi)關(guān)管電流的工作方式劃分 用開(kāi)關(guān)晶體管把直流變成高頻標(biāo)準(zhǔn)方波。這種電路的特點(diǎn)是直接輸入交流電不需要一次整流部分。 儲(chǔ)能電感并聯(lián)在輸入與輸出之間。這種電路的特點(diǎn)是價(jià)格低、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單輸出功率不能提高。這種電路的特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)變壓器必須具有中心抽頭。它的特點(diǎn)是適應(yīng)于輸入電壓較高的場(chǎng)合。將其連接成全橋式。 （ 7） 按輸入與輸出電壓的大小劃分 輸出電壓比輸入電壓高。 輸出電壓比輸入電壓低。 （ 8） 按工作方式劃分 所謂可控整流型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，是指采用可控硅整流元件作為調(diào)整開(kāi)關(guān)，可由交流市電電網(wǎng)直接供電，也可采用變壓器變壓后供電。）在工作的半波內(nèi)，截去正弦曲線的前一部分，這一部分所占角度稱(chēng)為截止角，導(dǎo)通的正弦曲線的后一部分稱(chēng)為導(dǎo)通角，依靠調(diào)節(jié)導(dǎo) 通角的大小，可達(dá)到天界輸出電壓和穩(wěn)定輸出電壓的目的。電路還從輸出電壓取樣，經(jīng)過(guò)比較、放大，控制脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，用以控制調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間的長(zhǎng)短或開(kāi)關(guān)的工作頻率，最后達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 型 這種形式的開(kāi)關(guān)電源是在輸入回路與逆變電路之間，經(jīng)過(guò)高頻變壓器（也可稱(chēng)為開(kāi)關(guān)變壓器），利用磁場(chǎng)的變化實(shí)現(xiàn)能量傳遞，沒(méi)有電流間的直接流通。電路從輸出點(diǎn)取樣，經(jīng)放大器后反饋到開(kāi)關(guān)控制器，控制驅(qū)動(dòng)電路的工作，最后達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 整個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源或電路的一部分是由集成電路組成的。有的厚膜集成電路中包括可開(kāi)關(guān)晶體管，有的則不包括開(kāi)關(guān)晶體管。 以上五花八門(mén)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的品種都是站在不同的角度， 以 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源不同的特點(diǎn)命名的。儲(chǔ)能電感的連接方式、開(kāi)關(guān)管的器件類(lèi)型以及串并聯(lián) 的結(jié)構(gòu)等各不相同，但是他們最后總可以歸結(jié)為串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源和并聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源這兩大類(lèi)。 （ 1） 高頻化 理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明 , 電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。無(wú)論是逆變式整流焊機(jī) , 還是通訊電源用的開(kāi)關(guān)式整流器 , 都是基于這一原理。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高 , 促使許多原來(lái)采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化 , 帶來(lái)顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟(jì)效益 , 更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)值。我們常見(jiàn)的器件模塊 , 含有一單元、 兩單元、六單元直至七單元 , 包括開(kāi)關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管 , 實(shí)質(zhì)上都屬于 標(biāo)準(zhǔn) 功率模塊 ( S P M ) 。實(shí)際上 , 由于頻率的不斷提高 , 致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重 , 對(duì)器件造成更大的電應(yīng)力 ( 表現(xiàn)為過(guò)電壓、過(guò)電流毛刺 ) 。由此可見(jiàn) , 模塊化的目的不僅在于使用方便 , 縮小整機(jī)體積 , 更重要的是取消傳統(tǒng)連線 , 把寄生參數(shù)降到最小 , 從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低 ,提高系統(tǒng)的可靠性。在六、七十年代 , 電力電子技術(shù)完全是建立在模擬 電路基礎(chǔ)上的。所以 , 在八、九十年代 , 對(duì)于各類(lèi)電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō) , 模擬技術(shù)還是有用的 ,特別是 : 諸如印制版的布圖、電磁兼容 (EMC) 問(wèn)題以及功率因數(shù)修正 (PFC)等問(wèn)題的解決 , 離不開(kāi)模擬技術(shù)的知識(shí) , 但是對(duì)于智能化的開(kāi)關(guān)電源 , 需要用計(jì)算機(jī)控制時(shí) , 數(shù)字化技術(shù)就離不開(kāi)了。 其次這些電源不能 ( 或少 ) 對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染 ,國(guó)際電工委員會(huì) ( I E C )對(duì)此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn) , 如 IEC55 IEC91 IECl000 等。 2 0 世紀(jì)末 , 各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生 , 有了多種修正功率因數(shù)的方法。 總而言之 , 開(kāi)關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實(shí)現(xiàn) , 將標(biāo)志著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的成熟 , 實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。開(kāi)關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢(shì)所趨 , 因此 , 同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)正在啟動(dòng) , 并將很快發(fā)展起來(lái)。 開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)與基本 設(shè)計(jì)要求 直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是特性指標(biāo)，反映直流穩(wěn)壓電源的固有特性，如輸入 電壓、輸出電壓、輸出電流、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍；另一類(lèi)是質(zhì)量指標(biāo)，反映直流穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，包括 穩(wěn)定度、等效內(nèi)阻（輸出電阻 ）、紋波電壓及溫度系數(shù)等。該指標(biāo)的上限是由最大輸入電壓和最小輸入－輸出電壓差所規(guī)定，而其下限由直流穩(wěn)壓電源內(nèi)部的 基準(zhǔn)電壓 值決定。 －輸出電壓差 該指標(biāo)表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下，所需的最小輸入－輸出之間的電壓差值。 （ 2） 質(zhì)量指標(biāo) SV 電壓調(diào)整率是表征直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓性能的優(yōu)劣的重要指標(biāo)，又稱(chēng)為穩(wěn)壓系數(shù)或穩(wěn)定系數(shù)，它表征當(dāng)輸入電壓 VI 變化時(shí)直流穩(wěn)壓電源輸出電壓 VO 穩(wěn)定 共 45 頁(yè) 第 15 頁(yè) 的程度，通常以單位輸出電壓下的輸入和輸出電壓 的相對(duì)變化的百分比表示。 ii． 電流調(diào)整率 SI 電流調(diào)整率是反映直流穩(wěn)壓電源負(fù)載能力的一項(xiàng)主要自指標(biāo)，又稱(chēng)為電流穩(wěn)定系數(shù)。 iii． 紋波抑制比 SR 紋波抑制比反映了直流 穩(wěn)壓電源對(duì)輸入端引入的市電電壓的抑制能力，當(dāng)直流穩(wěn)壓電源輸入和輸出條件保持不變時(shí)，紋波抑制比常以輸入紋波電壓峰－峰值與輸出紋波電壓峰－峰值之比表示，一般用分貝數(shù)表示，但是有時(shí)也可以用百分?jǐn)?shù)表示，或直接用兩者的比值表示。 （ 3） 極限指標(biāo) i． 最大輸入電壓 是保證直流 穩(wěn)壓電源安全工作的最大輸入電壓。 共 45 頁(yè) 第 16 頁(yè) 第二章 開(kāi)關(guān)變換電路 濾波電路 輸入濾波電路具有雙向隔離作用，它可抑制從交流電網(wǎng)輸入的干擾信號(hào)，同時(shí)也防止開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)產(chǎn)生的諧波和電磁干擾信號(hào)影響交流電網(wǎng)。 圖 21輸入濾波電路 C1 用于濾除差模干擾，選用高 頻特性較好的薄膜電容。 C C3 跨接在輸出端，能有效地抑制共模干擾。 反饋電路 電流反饋電路 電流反饋電路采用電流互感器，通過(guò)檢測(cè)開(kāi)關(guān)管上的電流作為采樣電流，原理如圖 22 所示。開(kāi)關(guān)管上的電流變化會(huì)使 UR2 變化， UR2接入 UC3842 的保護(hù)輸入端 ⑶ 腳，當(dāng) UR2＝ 1V時(shí)， UC3842 芯 片的輸出脈沖將關(guān)斷。輸出脈沖關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流平均值的保護(hù)，屬于截流式保護(hù)。采用電流互感器采樣，使控制電路與主電路隔離，同時(shí)與電阻采樣相比降低了功耗，有利于提高整個(gè)電源的效率。輸出電壓通過(guò)集成穩(wěn)壓器 TL431 和光電耦