項(xiàng)目二 開關(guān)電源

電力電子技術(shù)機(jī)電教研室：張科建1項(xiàng)目二開關(guān)電源1、認(rèn)識開關(guān)電源的組成機(jī)構(gòu)及其元器件2、掌握所用開關(guān)元件的電氣性能和電路符號3、熟悉開關(guān)電源的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及特點(diǎn)4、了解各項(xiàng)指標(biāo)的意義并掌握測試的方法5、了解開關(guān)電源的設(shè)計(jì)步驟及調(diào)試方法學(xué)習(xí)目標(biāo)2項(xiàng)目描述

開關(guān)電源是一種高效率、高可靠性、小型化、輕型化的穩(wěn)壓電源，是電子設(shè)備的主流電源。廣泛應(yīng)用于生活、生產(chǎn)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。各種計(jì)算機(jī)設(shè)備、彩色電視機(jī)等家用電器等都大量采用了開關(guān)電源。A：一次電源產(chǎn)品的圖片 （AC/DC）B：二次電源產(chǎn)品的圖片 （DC/DC）主要應(yīng)用：外置電源、內(nèi)置電源、板上電源3任務(wù)一開關(guān)電源認(rèn)知一、開關(guān)電源的概念和分類1、什么是電源？將各種能源轉(zhuǎn)換為符合用電設(shè)備所需的電能，這樣的變換設(shè)備便是電源。電源是一切電氣設(shè)備的心臟，沒有電源，電氣設(shè)備就不可能工作。2、什么是開關(guān)電源？

電源調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)的電源。具有高功率密度、重量輕、體積小。43、開關(guān)電源和線性電源、相控電源的比較

①線性電源：線性電源的主要特點(diǎn)就是功率器件工作在 放大狀態(tài)，具有穩(wěn)定度高、可靠性好、成本 低等優(yōu)點(diǎn)，但是效率低、笨重和體積大的缺 點(diǎn)。只能做中、小功率的電源。

②相控電源：是通過控制可控硅的導(dǎo)通角來達(dá)到穩(wěn)壓作 用，功率因數(shù)比較低、效率低、笨重、體 積大。5輸入電源調(diào)整管負(fù)載RL圖1-2串聯(lián)線性電源模型圖輸入開關(guān)管K負(fù)載RL儲能元件圖1-1開關(guān)電源模型圖輸入受控晶閘管負(fù)載RL圖1-3相控電源模型圖◆開關(guān)電源和線性電源、相控電源的比較64、開關(guān)電源的組成及工作原理共軛濾波器整流濾波電子開關(guān)高頻變壓器脈沖整流濾波取樣電路220V交流電壓輸入有源調(diào)整輸入電路脈寬驅(qū)動脈寬調(diào)制比較放大基準(zhǔn)電壓功率變換輸出電路控制電路功能：將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為電路所需要的各種穩(wěn)定的直流電。7●作用：雙向?yàn)V波避免電網(wǎng)供電線引入高頻脈沖影響電子電路；防止開關(guān)電源對電網(wǎng)造成污染。S1C10.1uL2220V市電

至整流濾波電路F1T2.5AC020.1u（1）輸入共軛濾波電路（EMI電路）■電路組成：由一個(gè)線圈和兩個(gè)電容組成。EMI原理圖8

對高頻干擾信號而言，電容呈短路，而電感則呈開路。高頻干擾被電容短路。

對50Hz低頻而言，電容呈開路，而電感則呈短路。因此，50Hz市電可以順利通過。S1C10.1uL220V市電

至整流濾波電路F1T2.5AC20.1uF1T2.5AS1C10.1uL220V市電

至整流濾波電路C20.1u▲工作原理9※輸入220V交流電壓的檢測220V交流輸入交流電壓500V檔正常值:220V±15%(187V~253V)共軛濾波器10★常用EMI電路:

通常有兩級EMI兩級EMI電路圖11（2）APFC電路——有源功率因數(shù)校正電路

由于開關(guān)電源所采用的器件全部工作在非線性狀態(tài)，電路上有電感和電容，所以會造成交流輸入電壓和電流的相位存在相位差，導(dǎo)致交流電不能全部做功，一部分在電感和電容中轉(zhuǎn)換。另外交流電壓和電流波形出現(xiàn)畸變，造成諧波分量增加，干擾增加。功率因數(shù)校正電路就是將電壓和電流相位強(qiáng)制到一致，同時(shí)對波形給予修正。它是一個(gè)升壓電路，電路結(jié)構(gòu)采用的是BOOT電路，輸出電壓一般規(guī)定在410VDC左右。作用：提高功率因數(shù)。其形式就是將電壓和電流相 位強(qiáng)制到一致，同時(shí)對波形給予修正。方法：無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正。（3）功率變換電路

將APFC輸出的410VDC高壓進(jìn)行變換，變成高頻高壓脈沖電壓，然后驅(qū)動高頻變壓器，變壓器將高壓脈沖電壓變成低壓脈沖電壓。該部分的主要器件是開關(guān)功率器件和高頻變壓器。12（4）調(diào)整輸出電壓的方法：tVitVktVotonTVO=·Vi=D·VitonT占空比ViVoVkKRL電壓變換器整流濾波13開關(guān)電源的控制電路是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以能及時(shí)保證輸出電壓穩(wěn)定不變，閉環(huán)有兩個(gè)環(huán)來調(diào)節(jié)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)調(diào)節(jié)，確保開關(guān)電源的動態(tài)響應(yīng)時(shí)間，速度比較快。外環(huán)是電壓調(diào)節(jié)環(huán)，確保電壓的穩(wěn)定，速度相對較慢。輸出過壓保護(hù)、均流電路、過熱保護(hù)、限流保護(hù)、短路保護(hù)以及交流輸入過欠壓保護(hù)是開關(guān)電源的輔助電路。（5）控制電路部分包括：采樣、比較放大、脈寬調(diào)制、脈寬驅(qū)動、各種保護(hù) 電路控制電路是開關(guān)電源電路的核心之一。PWM控制芯片決定開關(guān)電源的工作模式，該芯片產(chǎn)生兩路相位相反的驅(qū)動信號來驅(qū)動功率開關(guān)器件工作，通過脈沖寬度來控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)節(jié)能量傳遞的大小。14歸納：

開關(guān)電源的基本工作原理功能：通過高頻開關(guān)技術(shù)將輸入較高的交流電壓(AC) 轉(zhuǎn)換為電子或電器設(shè)備工作所需要的直流電壓 (DC)。中心思想：用提高工作頻率等手段來提高電源的功率 密度，進(jìn)而達(dá)到減少變壓器的體積和重量的目 的。采用開關(guān)變換的顯著優(yōu)點(diǎn)是大大提高了電 能的轉(zhuǎn)換效率，典型的開關(guān)電源效率為70%- 80%，穩(wěn)定原理：依賴對脈沖寬度的改變來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的 穩(wěn)定，稱做脈寬調(diào)制（PWM）。155、開關(guān)電源的分類按變換方式可分為下列四大類：（1）第一大類：AC/DC開關(guān)電源；（2）第二大類：DC/DC開關(guān)電源；（3）第三大類：DC/AC開關(guān)電源；（4）第四大類：AC/AC開關(guān)電源。開關(guān)電源逆變器變頻器按開關(guān)管和輸出之間是否有變壓器隔離可分為下列兩大類：（1）：第一大類：無變壓器的非隔離式；（2）：第二大類：有變壓器的隔離式。16二、開關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)◆優(yōu)點(diǎn)：1、節(jié)能。效率高一般在70～90%以上。2、體積小、重量輕，隨著頻率的提高，收效更顯著。

3、可靠性高。具有各種保護(hù)功能，不易損壞。

4、調(diào)節(jié)靈活。通過輸出隔離變壓器，可得到低壓大電流、高壓小電流；一個(gè)開關(guān)控制的一路輸入可得到多路輸出以及同號、反號等輸出.5、噪聲低。聲頻在20kHz以上時(shí)，已是人耳聽不到的超聲波，而開關(guān)電源的工作頻率一般都大于此頻率。6、穩(wěn)壓范圍廣，一般交流輸入80～265V，負(fù)載作大幅度變化時(shí)，性能很好。

17二、開關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)◆存在的問題：1、器件的集成度不高。影響電源的穩(wěn)定性和可靠性。2、材料問題。電容、管子、磁芯體積大，耗能。

3、能源變換問題?？刂齐y度大，難以大規(guī)模生產(chǎn)。

4、開關(guān)電源的軟件開發(fā)問題。目前還有較大難度。5、生產(chǎn)工藝問題。如焊接質(zhì)量及元件技術(shù)性能問題等。6、電路復(fù)雜，不便于維修。18三、開關(guān)電源的發(fā)展趨勢1、體積小。2、工作頻率高。2～

10MH。

3、效率高。大于90%。

4、壽命長。80000H以上。5、功率密度高。3～6W/cm。19三、開關(guān)電源與線性電源的比較20任務(wù)二開關(guān)電源元器件的選用任務(wù)要求和學(xué)習(xí)要點(diǎn)開關(guān)電源器件工作原理基本特征主要參數(shù)選擇、使用時(shí)注意的問題

掌握開關(guān)電源器件基本特征型號命名法參數(shù)特征曲線21一、開關(guān)晶體管功率MOSFET的種類

按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。

耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于或等于零）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。1、功率MOSFET簡介◆功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。（一）功率場效應(yīng)管——MOSFET22功率MOSFET的結(jié)構(gòu)（電氣符號）2、MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理柵極S漏極D源極SP溝道源極S漏極D柵極SN溝道是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。23電力MOSFET的工作原理（以N溝道增強(qiáng)型為例）截止：UGS＜0，柵源極間電壓為零。則漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS＞0。則漏極和源極導(dǎo)電。源極S漏極D柵極SN溝道243、電力MOSFET的基本特征

(1)靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1-20

電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性25MOSFET的漏極伏安特性：504030201001020304050UGS/VID/AUGS=UT=3VUGS=8VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7V飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)非飽和UGS＞UT，UDS＜UGS-UT，漏源電壓UDS和漏極電流ID之比近似為常數(shù)。該區(qū)對應(yīng)于電力晶體管的飽和區(qū)。當(dāng)MOSFET作開關(guān)應(yīng)用而導(dǎo)通時(shí)即工作在該區(qū)。UGS≤UT，ID=0，這和電力晶體管的截止區(qū)相對應(yīng)。截止區(qū)UGS＞UT，UDS≥UGS-UT，當(dāng)UGS不變時(shí)，ID幾乎不隨UDS的增加而增加，近似為一常數(shù)。這里的飽和區(qū)并不和電力晶體管的飽和區(qū)對應(yīng)，而對應(yīng)于后者的放大區(qū)。當(dāng)用做線性放大時(shí)，MOSFET工作在該區(qū)。26開通過程開通延遲時(shí)間td(on)上升時(shí)間tr開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21

電力MOSFET的開關(guān)過程a)測試電路b)開關(guān)過程波形up—脈沖信號源，Rs—信號源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—負(fù)載電阻，RF—檢測漏極電阻(2)

動態(tài)特性274.電力MOSFET的主要參數(shù)漏極電壓UDS電力MOSFET電壓定額參數(shù)漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

電力MOSFET電流定額參數(shù)柵源電壓UGS

︱UGS︱>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿，一般不得超過20V。，極間電容

Ciss=CGS+CGD

Crss

=CGD

Coss

=CDS+CGD

漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定電力MOSFET的安全工作區(qū)。電力MOSFET不存在二次擊穿。除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：

285、

特點(diǎn)——用柵極電壓來控制漏極電流。驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低。

一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。296.電力MOSFET驅(qū)動電路舉例當(dāng)輸入為0V時(shí)，Q1截止。使Q2飽和導(dǎo)通。

Q3是P溝道MOS管，Q3柵極電壓0V，Q3導(dǎo)通。

Q4是N溝道MOS管，Q4柵極電壓大約是12V，Q4導(dǎo)通。當(dāng)輸入為3.3V時(shí)，飽和Q1導(dǎo)通。Q2基極電壓約0V，Q2截止。

Q3是P溝道MOS管，Q3柵極電壓12V，Q3截止。

Q4是N溝道MOS管，Q4柵極電壓是0V，Q4截止。

30（二）絕緣柵雙極型管——IGBTGTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性。1、功率MOSFET簡介GEIDRon+－ICIDRNVJI+－C－+ECGb)簡化等效電路

c)電氣圖形符號312、IGBT的工作原理

驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。323、IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性——靜態(tài)特性O(shè)有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系(開啟電壓UGE(th))輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。33ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24IGBT的開關(guān)過程IGBT的開通過程

與MOSFET的相似開通延遲時(shí)間td(on)

電流上升時(shí)間tr

開通時(shí)間tonuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。

tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；

tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程。

(2)

IGBT的動態(tài)特性34圖1-24IGBT的開關(guān)過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off）電流下降時(shí)間

關(guān)斷時(shí)間toff電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快。tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的