第2章_器件_2(開關(guān)電源)

1、2.11 電容器電容器 應(yīng)用：應(yīng)用：噪聲抑制、尖峰電壓吸收、濾波噪聲抑制、尖峰電壓吸收、濾波、隔隔直及功率因數(shù)補償直及功率因數(shù)補償 類型：有機膜電容器、云母電容器、紙介電類型：有機膜電容器、云母電容器、紙介電容器、陶瓷電容器及電解電容器容器、陶瓷電容器及電解電容器 開關(guān)電源主電路中常用電容器的特性要求及開關(guān)電源主電路中常用電容器的特性要求及選擇方法選擇方法2.11.1 電容器的主要參數(shù)電容器的主要參數(shù) 1標稱容量：標注在器件上的名義電容量，實標稱容量：標注在器件上的名義電容量，實際的電容量有可能大于或小于標稱電容量，際的電容量有可能大于或小于標稱電容量，允許誤差通常為允許誤差通常為520。2額

2、定工作電壓：指電容器在電路中使用時，額定工作電壓：指電容器在電路中使用時，在正常工作條件下，能連續(xù)工作而不被擊穿在正常工作條件下，能連續(xù)工作而不被擊穿所加在電容器上的最高直流電壓或交流電壓所加在電容器上的最高直流電壓或交流電壓有效值。有效值。3.允許工作溫度：指不會引起電容器特性指標允許工作溫度：指不會引起電容器特性指標下降的最高溫度與最低溫度之間的范圍。下降的最高溫度與最低溫度之間的范圍。“實際實際”電容器模型電容器模型 電容器還存在許多寄生電容器還存在許多寄生參數(shù)參數(shù) ，對電容器的特，對電容器的特性產(chǎn)生很大影響性產(chǎn)生很大影響 主要為等效串聯(lián)電阻主要為等效串聯(lián)電阻RESR、等效串聯(lián)電感、等效

3、串聯(lián)電感LESL及絕緣電阻及絕緣電阻RL 4等效串聯(lián)電阻等效串聯(lián)電阻RESR：由電容器的引腳電阻：由電容器的引腳電阻以及電容器極化損耗、電離損耗的等效電阻相以及電容器極化損耗、電離損耗的等效電阻相串聯(lián)構(gòu)成的。串聯(lián)構(gòu)成的。 5等效串聯(lián)電感等效串聯(lián)電感LESL：由電容器的引腳電感：由電容器的引腳電感與電容器兩個極板的等效電感串聯(lián)構(gòu)成的。與電容器兩個極板的等效電感串聯(lián)構(gòu)成的。 6絕緣電阻和時間常數(shù)：直流電壓加于電容絕緣電阻和時間常數(shù)：直流電壓加于電容器上，會產(chǎn)生漏電流，兩者的比值稱為電容器器上，會產(chǎn)生漏電流，兩者的比值稱為電容器的絕緣電阻。的絕緣電阻。 一般小容量電容器一般小容量電容器(小于小于0.

4、1mF)用絕緣電阻用絕緣電阻表示，大容量表示，大容量(大于大于0.1mF)電容器用時間常數(shù)電容器用時間常數(shù)表示表示;定義為絕緣電阻和電容量的乘積。定義為絕緣電阻和電容量的乘積。 電解電容器的絕緣性能最差，經(jīng)常直接用漏電解電容器的絕緣性能最差，經(jīng)常直接用漏電流表示其絕緣性能。電流表示其絕緣性能。 7電容器的損耗：由于介質(zhì)的極化損耗、電電容器的損耗：由于介質(zhì)的極化損耗、電離損耗以及金屬極板電阻的損耗等，使電容器離損耗以及金屬極板電阻的損耗等，使電容器工作時發(fā)熱，特別是在高頻工作時，更為嚴重。工作時發(fā)熱，特別是在高頻工作時，更為嚴重。電容器的損耗為等效串聯(lián)電阻的功耗。通常以電容器的損耗為等效串聯(lián)電阻

5、的功耗。通常以損耗角的正切來表示，即損耗角的正切來表示，即tand= CRESR。 8最大紋波電流：等效串聯(lián)電阻的存在，使最大紋波電流：等效串聯(lián)電阻的存在，使電容器流過交流電流時產(chǎn)生損耗而發(fā)熱，造成電容器流過交流電流時產(chǎn)生損耗而發(fā)熱，造成電容器溫度升高，影響其壽命?？沙惺艿淖畲箅娙萜鳒囟壬?，影響其壽命。可承受的最大功耗取決于外形、散熱條件以及允許的溫升，功耗取決于外形、散熱條件以及允許的溫升，由此其允許的最大紋波電流也相應(yīng)確定下來。由此其允許的最大紋波電流也相應(yīng)確定下來。 2.11.2 電解電容器電解電容器 用途：在開關(guān)電源主電路中，用于輸入整流濾用途：在開關(guān)電源主電路中，用于輸入整流濾波及

6、輸出濾波。波及輸出濾波。 種類：鋁電解、鉭電解、鈮電解電容器。后兩種類：鋁電解、鉭電解、鈮電解電容器。后兩種價格高、耐壓低，開關(guān)電源中以鋁電解電容種價格高、耐壓低，開關(guān)電源中以鋁電解電容器為主。器為主。1電解電容器的結(jié)構(gòu)電解電容器的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)：有極性，正極為金屬極板，負極為固體結(jié)構(gòu)：有極性，正極為金屬極板，負極為固體或液體電解質(zhì)，介質(zhì)為極薄的具有單向?qū)щ娦曰蛞后w電解質(zhì)，介質(zhì)為極薄的具有單向?qū)щ娦缘难趸ぁ５难趸ぁ?外形：圓柱形，正負引腳外形：圓柱形，正負引腳 注意正負極的正確連接注意正負極的正確連接2電路設(shè)計及電容器選用的注意問題電路設(shè)計及電容器選用的注意問題 (1)頻率特性：頻率特性： 高

7、頻特性差，高頻特性差，使用范圍幾十使用范圍幾十千赫茲。千赫茲。 注意阻抗與頻注意阻抗與頻率及溫度的關(guān)率及溫度的關(guān)系特性系特性 (2) 紋波電流紋波電流 發(fā)熱的主要因素。允許的紋波電流值與允許的最發(fā)熱的主要因素。允許的紋波電流值與允許的最高溫度、工作溫度及紋波電流頻率均有關(guān)。高溫度、工作溫度及紋波電流頻率均有關(guān)。 允許的紋波電流隨著溫度的升高而降低，隨著頻允許的紋波電流隨著溫度的升高而降低，隨著頻率的上升而增加。率的上升而增加。 一般溫度每升高一般溫度每升高10，電解電容的壽命就將縮短，電解電容的壽命就將縮短一半一半 。 核算后決定方案，根據(jù)手冊選擇等效串聯(lián)電阻的核算后決定方案，根據(jù)手冊選擇等效

8、串聯(lián)電阻的電容器電容器 (3) 使用電壓使用電壓 注意電壓的極性注意電壓的極性 最大電壓不高于額定電壓最大電壓不高于額定電壓 串聯(lián)使用時，應(yīng)并聯(lián)均壓電阻串聯(lián)使用時，應(yīng)并聯(lián)均壓電阻 降壓使用，減小漏電流引起的發(fā)熱，延長壽命；降壓使用，減小漏電流引起的發(fā)熱，延長壽命；85%90% 的額定電壓的額定電壓 (4) 安裝及貯存方法安裝及貯存方法 安裝時不應(yīng)承受過大的外部應(yīng)力，焊接時安裝時不應(yīng)承受過大的外部應(yīng)力，焊接時間不能過長。間不能過長。 結(jié)構(gòu)布局要有利于散熱結(jié)構(gòu)布局要有利于散熱 安全氣閥不得朝下安全氣閥不得朝下 高壓大容量的電解電容器，貯存時將正負高壓大容量的電解電容器，貯存時將正負極短接極短接 長

9、期存放后，漏電流增大，再使用前施加長期存放后，漏電流增大，再使用前施加一定時間的額定電壓進行電老化，使漏電一定時間的額定電壓進行電老化，使漏電流逐漸減小至正常值。流逐漸減小至正常值。 2.11.3 有機薄膜電容器有機薄膜電容器 用途：諧振電容、開關(guān)器件尖峰電壓吸收、高頻用途：諧振電容、開關(guān)器件尖峰電壓吸收、高頻濾波等濾波等 種類：聚酯薄膜、聚乙烯、聚丙烯、塑料薄膜種類：聚酯薄膜、聚乙烯、聚丙烯、塑料薄膜(滌滌綸綸)電容電容 特點：電容穩(wěn)定、損耗小、絕緣電阻高及脈沖電特點：電容穩(wěn)定、損耗小、絕緣電阻高及脈沖電流容量大流容量大 結(jié)構(gòu)：有機介質(zhì)，阻燃塑料外殼，或聚酯壓敏膠結(jié)構(gòu)：有機介質(zhì)，阻燃塑料外殼

10、，或聚酯壓敏膠帶包裹環(huán)氧樹脂封裝，單向或軸向引出。帶包裹環(huán)氧樹脂封裝，單向或軸向引出。 無感電容：吸收無感電容：吸收du/dt很高的尖峰電壓很高的尖峰電壓2.11.4 瓷介電容器瓷介電容器 用途：開關(guān)器件尖峰電壓吸收、高頻濾波、共用途：開關(guān)器件尖峰電壓吸收、高頻濾波、共模干擾抑制模干擾抑制 種類：按工作電壓為低壓（種類：按工作電壓為低壓（500V以下）、高壓；以下）、高壓；按介質(zhì)損耗為按介質(zhì)損耗為I型和型和型型 I型型 ：介質(zhì)損耗因數(shù)小于：介質(zhì)損耗因數(shù)小于0.01；溫度、頻率的穩(wěn)；溫度、頻率的穩(wěn)定性高；高頻瓷介定性高；高頻瓷介 ；容量??；國產(chǎn)型號為；容量小；國產(chǎn)型號為CC； 型型 ：介質(zhì)損耗因

11、數(shù)大于：介質(zhì)損耗因數(shù)大于0.01；溫度、頻率的；溫度、頻率的穩(wěn)定性差；低頻瓷介穩(wěn)定性差；低頻瓷介 ；體積小、容量大；國產(chǎn)；體積小、容量大；國產(chǎn)型號為型號為CT； 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：陶瓷薄片夾在銀電極中間，用涂料封裝陶瓷薄片夾在銀電極中間，用涂料封裝而成而成 開關(guān)電源：高壓開關(guān)電源：高壓型瓷介電容器型瓷介電容器 2.12 電感及變壓器電感及變壓器 2.12.1 常用的軟磁材料常用的軟磁材料 分類：軟磁材料和永磁分類：軟磁材料和永磁( (硬磁硬磁) )材料材料 開關(guān)電源中電感與變壓器使用：軟磁材料開關(guān)電源中電感與變壓器使用：軟磁材料 主要參數(shù)：主要參數(shù)：飽和磁通密度飽和磁通密度、損耗損耗、相對磁導(dǎo)率、相

12、對磁導(dǎo)率及溫度特性及溫度特性 損耗：渦流損耗、磁滯損耗和剩余損耗，受電損耗：渦流損耗、磁滯損耗和剩余損耗，受電阻率、寬度、厚度、工作頻率和工作磁通密度阻率、寬度、厚度、工作頻率和工作磁通密度的影響的影響 硅鋼片、軟磁鐵氧體、非晶及超微晶合金、磁硅鋼片、軟磁鐵氧體、非晶及超微晶合金、磁粉心粉心 1硅鋼片硅鋼片 特點：穩(wěn)定性好，磁通密度高，成本低，工頻特點：穩(wěn)定性好，磁通密度高，成本低，工頻和中頻，最高可達和中頻，最高可達20kHz 參數(shù)：常用厚度為參數(shù)：常用厚度為0.35mm，高頻時損耗較高，高頻時損耗較高 ；0.15mm 的損耗小，但制造工藝復(fù)雜、價格高的損耗小，但制造工藝復(fù)雜、價格高 用途：

13、輸入、輸出直流濾波電感及工頻電源變用途：輸入、輸出直流濾波電感及工頻電源變壓器。壓器。 鐵芯結(jié)構(gòu)：疊片式和卷繞式鐵芯結(jié)構(gòu)：疊片式和卷繞式 疊片式鐵心疊片式鐵心 硅鋼帶剪切成硅鋼帶剪切成 I、CI、EI或或EE形，形，疊裝而成疊裝而成 結(jié)構(gòu)：兩柱式、結(jié)構(gòu)：兩柱式、三柱式三柱式 卷繞式鐵心卷繞式鐵心 硅鋼帶剪切成需要的硅鋼帶剪切成需要的寬度后，卷繞成環(huán)形、寬度后，卷繞成環(huán)形、單框形、雙框形；變單框形、雙框形；變壓器勵磁電流較小，壓器勵磁電流較小，線圈繞制較為復(fù)雜線圈繞制較為復(fù)雜 采用采用CD和和XD形鐵心，形鐵心，繞圈繞制較容易繞圈繞制較容易 2軟磁鐵氧體軟磁鐵氧體 非金屬磁性材料：鐵、錳、鎂、非

14、金屬磁性材料：鐵、錳、鎂、銅等金屬氧化物粉末混合壓制、銅等金屬氧化物粉末混合壓制、高溫?zé)Y(jié)高溫?zé)Y(jié) 特點：電阻率高；渦流損耗小；特點：電阻率高；渦流損耗??；溫度特性較差溫度特性較差 ；大型鐵氧體不；大型鐵氧體不易加工，易破碎易加工，易破碎 ，功率受限制；，功率受限制；飽和磁通密度低飽和磁通密度低 （0.5T） 用途：中、高頻電磁元件用途：中、高頻電磁元件 結(jié)構(gòu)：形式較多，常用的有結(jié)構(gòu)：形式較多，常用的有EE形、形、U形、形、PQ形及環(huán)形形及環(huán)形3非晶及超微晶合金非晶及超微晶合金 將鐵磁性元素將鐵磁性元素( (鐵、鉆、鎳或其組合鐵、鉆、鎳或其組合) )與其與其他物質(zhì)他物質(zhì)( (硅、硼、碳等硅、硼

15、、碳等) )混合，在熔化狀態(tài)混合，在熔化狀態(tài)下經(jīng)急速冷卻后將合金熔體凝固而形成下經(jīng)急速冷卻后將合金熔體凝固而形成 類型：鐵基非晶合金類型：鐵基非晶合金 、鐵鎳基非晶合金、鐵鎳基非晶合金 、鈷基非晶合金鈷基非晶合金 、鐵基納米晶合金、鐵基納米晶合金( (超微晶超微晶合金合金) ) （1 1）鐵基非晶合金）鐵基非晶合金 主要元素：鐵、硅、硼、碳、磷等主要元素：鐵、硅、硼、碳、磷等 特點：飽和磁通密度高特點：飽和磁通密度高(1.41.7T)、損耗低、損耗低(硅硅鋼片的鋼片的1/31/5)、價格便宜、價格便宜 最適合替代硅鋼片用于中低頻變壓器的鐵心最適合替代硅鋼片用于中低頻變壓器的鐵心(10kHz以下

16、以下)，大功率電感、電抗器，大功率電感、電抗器(2) 鐵鎳基非晶合金鐵鎳基非晶合金 主要元素：鐵、鎳、硅、硼、磷等主要元素：鐵、鎳、硅、硼、磷等 特點：飽和磁通密度較低（特點：飽和磁通密度較低（1T以下）、價格較以下）、價格較貴，但磁導(dǎo)率比較高貴，但磁導(dǎo)率比較高 可以代替硅鋼片，用作高要求的中低頻變壓器可以代替硅鋼片，用作高要求的中低頻變壓器鐵心。鐵心。 (3) 鈷基非晶合金鈷基非晶合金 主要元素：鈷和硅、硼等，主要元素：鈷和硅、硼等， 特點：磁性較弱飽和磁通密度較低特點：磁性較弱飽和磁通密度較低 (1T以下以下) 、價、價格很貴，但磁導(dǎo)率極高，工作頻率可達格很貴，但磁導(dǎo)率極高，工作頻率可達2

17、00kHz 一般用于要求嚴格的軍工電源中的變壓器、電感一般用于要求嚴格的軍工電源中的變壓器、電感等，替代鐵氧體。等，替代鐵氧體。 (4) 鐵基納米晶合金鐵基納米晶合金(超微晶合金超微晶合金) 主要元素：鐵、硅、硼和少量的銅、鉬、鈮等主要元素：鐵、硅、硼和少量的銅、鉬、鈮等 其中銅和鈮是獲得納米晶結(jié)構(gòu)必不可少的元素。其中銅和鈮是獲得納米晶結(jié)構(gòu)必不可少的元素。它們首先被制成非晶帶材，然后經(jīng)過適當(dāng)退火，它們首先被制成非晶帶材，然后經(jīng)過適當(dāng)退火，形成微晶和非晶的混合組織。形成微晶和非晶的混合組織。 特點：飽和磁通密度為特點：飽和磁通密度為1.21.4T，其他性能與，其他性能與鈷基非晶合金相似，但價格低

18、于鈷基非晶合金。鈷基非晶合金相似，但價格低于鈷基非晶合金。 在在10100kHz頻率范圍應(yīng)用內(nèi)可取代鐵氧體。頻率范圍應(yīng)用內(nèi)可取代鐵氧體。 優(yōu)點：電阻率高，相對磁導(dǎo)率高優(yōu)點：電阻率高，相對磁導(dǎo)率高(達達104105)；損耗低，是優(yōu)良的軟磁材料損耗低，是優(yōu)良的軟磁材料 缺點：使用溫度不能超過缺點：使用溫度不能超過150；較脆，需要；較脆，需要專用的保護盒，或樹脂把鐵心封裝；專用的保護盒，或樹脂把鐵心封裝；硬度高，硬度高，不易沖壓，只能卷繞不易沖壓，只能卷繞 鐵心的形狀：僅限于環(huán)形、跑道形、矩形等鐵心的形狀：僅限于環(huán)形、跑道形、矩形等4磁粉心磁粉心 復(fù)合型鐵心：鐵磁材料與非導(dǎo)磁材料粉末復(fù)合而復(fù)合型鐵

19、心：鐵磁材料與非導(dǎo)磁材料粉末復(fù)合而成；鐵鎳鉬磁粉心、鐵鎳磁粉心、鐵硅鋁磁粉心成；鐵鎳鉬磁粉心、鐵鎳磁粉心、鐵硅鋁磁粉心和鐵磁粉心和鐵磁粉心 特點：損耗略高于鐵氧體，其中鐵鎳鉬磁粉心損特點：損耗略高于鐵氧體，其中鐵鎳鉬磁粉心損耗最低，鐵磁粉心損耗最高，其他兩種居中；鐵耗最低，鐵磁粉心損耗最高，其他兩種居中；鐵鎳鉬磁粉心最貴，鐵磁粉心價格最低；飽和磁通鎳鉬磁粉心最貴，鐵磁粉心價格最低；飽和磁通密度為密度為0.61.2T；在較高磁場強度下不飽和，相；在較高磁場強度下不飽和，相對磁導(dǎo)率較低（對磁導(dǎo)率較低（20300 ） 濾波電感，結(jié)構(gòu)以環(huán)形為主濾波電感，結(jié)構(gòu)以環(huán)形為主 2.12.2 電感電感 電感的主

20、要結(jié)構(gòu)：環(huán)形、電感的主要結(jié)構(gòu)：環(huán)形、E形、形、C形形 鐵心材料：鐵心材料：硅鋼片、鐵氧體和非晶等高磁導(dǎo)率材料硅鋼片、鐵氧體和非晶等高磁導(dǎo)率材料（防止磁飽和，鐵心中插入氣隙（防止磁飽和，鐵心中插入氣隙 ）；）；磁粉心（選擇磁導(dǎo)率防止鐵心飽和磁粉心（選擇磁導(dǎo)率防止鐵心飽和 ）1電感的主要參數(shù)電感的主要參數(shù) 電感量：有氣隙的高磁導(dǎo)率材料鐵心磁通密度接電感量：有氣隙的高磁導(dǎo)率材料鐵心磁通密度接近飽和值前，視電感為常數(shù)近飽和值前，視電感為常數(shù)；磁粉心磁粉心 的鐵心的鐵心電感電感量隨著工作電流增加而顯著下降。量隨著工作電流增加而顯著下降。 額定電流：有效值繞組的發(fā)熱；最大值鐵心額定電流：有效值繞組的發(fā)熱；

21、最大值鐵心最大工作磁通密度；有氣隙的高磁導(dǎo)率材料鐵心，最大工作磁通密度；有氣隙的高磁導(dǎo)率材料鐵心，最大磁通密度最大磁通密度Bm與電流最大值與電流最大值im成正比；成正比；磁粉心磁粉心 的鐵心，由的鐵心，由特性曲線確定特性曲線確定Bm 。 最高工作溫度：最高工作溫度：與繞組的絕緣等級以及鐵心材料與繞組的絕緣等級以及鐵心材料最高工作溫度有關(guān)最高工作溫度有關(guān)；發(fā)熱的根本原因是繞組的銅發(fā)熱的根本原因是繞組的銅損及鐵心的鐵損。需要核算。損及鐵心的鐵損。需要核算。 2電感的計算方法電感的計算方法 設(shè)計前的準備工作：設(shè)計前的準備工作：(1)確定電感的電感量、電流的有效值及峰值確定電感的電感量、電流的有效值及

22、峰值(2)確定電感的最大工作磁通密度確定電感的最大工作磁通密度Bm (3)選擇鐵心的結(jié)構(gòu)形式及導(dǎo)線的電流密度選擇鐵心的結(jié)構(gòu)形式及導(dǎo)線的電流密度 72410(/)eFeFeaNALllAP法：法： AP=AeAw法，法，即用鐵心的截面積即用鐵心的截面積Ae和窗口截面和窗口截面積積Aw的乘積來確定該鐵心的容量的乘積來確定該鐵心的容量 eNBANLiimemL iAN BwcN IAkjmpewmcLi IAA AB k j設(shè)計步驟：設(shè)計步驟： 計算計算Ap值，對照產(chǎn)值，對照產(chǎn)品手冊選擇品手冊選擇Ap值大值大于計算結(jié)果的鐵心于計算結(jié)果的鐵心型號，確定型號，確定Ae值值 確定繞組匝數(shù)確定繞組匝數(shù) 計算氣隙長度計算氣隙長度 計算電感損耗，并計算電感損耗，并核算其溫升核算其溫升 mmeLiNB A72410eaN AlL2.12.3 變壓器變壓器 參數(shù)：一次、二次額定電壓及電流，工作頻率，參數(shù)：一次、二次額定電壓及電流，工作頻率，電壓比，額定功率，漏感及最高工作溫度等電壓比，額定功率，漏感及最高工作溫度等 特點：電壓是周期性的非正弦波，通常為高頻特點：電壓是周期性的非正弦波，通常為高頻脈沖波脈沖波 注意變壓器繞組電壓伏秒積的數(shù)值對鐵心磁通注意變壓器繞組電壓伏秒積的數(shù)值對鐵心磁通密度變化量密度變化量B的影響。防止過大的的影響。防止過大的B，進，進入飽和區(qū)，且產(chǎn)生