電力電子 4開關(guān)電源

《電力電子技術(shù)》

電子教案項(xiàng)目四開關(guān)電源【課題描述】：

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。圖4-1是常見的PC主機(jī)開關(guān)電源。

圖4-1PC主機(jī)開關(guān)電源項(xiàng)目四開關(guān)電源

PC主機(jī)開關(guān)電源的基本作用就是將交流電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)換為適合各個(gè)配件使用的低壓直流電供給整機(jī)使用。一般有四路輸出，分別是+5V、-5V、+12V、-12V。

電路的原理框圖如圖4-3所示，輸入電壓為AC220v，50Hz的交流電，經(jīng)過濾波，再由整流橋整流后變?yōu)?00V左右的高壓直流電，然后通過功率開關(guān)管的導(dǎo)通與截止將直流電壓變成連續(xù)的脈沖，再經(jīng)變壓器隔離降壓及輸出濾波后變?yōu)榈蛪旱闹绷麟?。開關(guān)管的導(dǎo)通與截止由PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制電路發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4-3開關(guān)電源的原理框圖項(xiàng)目四開關(guān)電源【相關(guān)知識(shí)點(diǎn)】：一、開關(guān)器件

開關(guān)器件有許多，經(jīng)常使用的是場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管IGBT，在小功率開關(guān)電源上也使用大功率晶體管GTR，本實(shí)例中使用的是GTR。

1．大功率晶體管GTR(1)大功率晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理項(xiàng)目四開關(guān)電源

1）基本結(jié)構(gòu)通常把集電極最大允許耗散功率在1W以上，或最大集電極電流在1A以上的三極管稱為大功率晶體管，其結(jié)構(gòu)和工作原理都和小功率晶體管非常相似。由三層半導(dǎo)體、兩個(gè)PN結(jié)組成，有PNP和NPN兩種結(jié)構(gòu)，其電流由兩種載流子（電子和空穴）的運(yùn)動(dòng)形成，所以稱為雙極型晶體管。

圖4-4（a）是NPN型功率晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電氣圖形符號(hào)如圖（b）所示。大多數(shù)GTR是用三重?cái)U(kuò)散法制成的，或者是在集電極高摻雜的N+硅襯底上用外延生長(zhǎng)法生長(zhǎng)一層N漂移層，然后在上面擴(kuò)散P基區(qū)，接著擴(kuò)散摻雜的N+發(fā)射區(qū)。

項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4-4GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子流動(dòng)(a)GTR的結(jié)構(gòu)(b）電氣圖形符號(hào)(c）內(nèi)部載流子的流動(dòng)項(xiàng)目四開關(guān)電源

大功率晶體管通常采用共發(fā)射極接法，圖4-4（c)給出了共發(fā)射極接法時(shí)的功率晶體管內(nèi)部主要載流子流動(dòng)示意圖。圖中，1為從基極注入的越過正向偏置發(fā)射結(jié)的空穴，2為與電子復(fù)合的空穴，3為因熱騷動(dòng)產(chǎn)生的載流子構(gòu)成的集電結(jié)漏電流，4為越過集電極電流的電子，5為發(fā)射極電子流在基極中因復(fù)合而失去的電子。

一些常見大功率晶體三極管的外形如圖4-5所示。從圖可見，大功率晶體三極管的外形除體積比較大外，其外殼上都有安裝孔或安裝螺釘，便于將三極管安裝在外加的散熱器上。因?yàn)閷?duì)大功率三極管來(lái)講，單靠外殼散熱是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。例如，50W的硅低頻大功率晶體三極管，如果不加散熱器工作，其最大允許耗散功率僅為2—3W。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4-5常見大功率三極管外形項(xiàng)目四開關(guān)電源

2）工作原理在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)。晶體管通常連接稱共發(fā)射極電路，NPN型GTR通常工作在正偏（Ib>0）時(shí)大電流導(dǎo)通；反偏（Ib<0）時(shí)處于截止高電壓狀態(tài)。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它將工作于導(dǎo)通和截止的開關(guān)工作狀態(tài)。(2)GTR的特性與主要參數(shù)1）GTR的基本特性項(xiàng)目四開關(guān)電源

①靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)，GTR的典型輸出特性如圖4-6，可分為3個(gè)工作區(qū)：截止區(qū)。在截止區(qū)內(nèi)，Ib≤0，Ube≤0，Ubc＜0，集電極只有漏電流流過。放大區(qū)。Ib＞0，Ube＞0，Ubc＜0，Ic=βIb。飽和區(qū)。，Ube＞0，Ubc＞0。Ics是集電極飽和電流，其值由外電路決定。兩個(gè)PN結(jié)都為正向偏置是飽和的特征。飽和時(shí)集電極、發(fā)射極間的管壓降Uces很小，相當(dāng)于開關(guān)接通，這時(shí)盡管電流很大，但損耗并不大。GTR剛進(jìn)入飽和時(shí)為臨界飽和，如Ib繼續(xù)增加，則為過飽和。用作開關(guān)時(shí)，應(yīng)工作在深度飽和狀態(tài)，這有利于降低Uces和減小導(dǎo)通時(shí)的損耗。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4-6GTR共發(fā)射極接法的輸出特性項(xiàng)目四開關(guān)電源②動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性描述GTR開關(guān)過程的瞬態(tài)性能，又稱開關(guān)特性。GTR在實(shí)際應(yīng)用中，通常工作在頻繁開關(guān)狀態(tài)。圖4-7表明了GTR開關(guān)特性的基極、集電極電流波形。整個(gè)工作過程分為開通過程、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過程、阻斷狀態(tài)4個(gè)不同的階段。圖中開通時(shí)間ton對(duì)應(yīng)著GTR由截止到飽和的開通過程，關(guān)斷時(shí)間toff對(duì)應(yīng)著GTR飽和到截止的關(guān)斷過程。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4-7開關(guān)過程中ib和ic的波形項(xiàng)目四開關(guān)電源GTR的開通過程是從t0時(shí)刻起注入基極驅(qū)動(dòng)電流，這時(shí)并不能立刻產(chǎn)生集電極電流，過一小段時(shí)間后，集電極電流開始上升，逐漸增至飽和電流值Ics。把ic達(dá)到10%Ics的時(shí)刻定為t1，達(dá)到90%Ics的時(shí)刻定為t2，則把t0到t1這段時(shí)間稱為延遲時(shí)間，以td表示，把t1到t2這段時(shí)間稱為上升時(shí)間，以tr表示。

要關(guān)斷GTR，通常給基極加一個(gè)負(fù)的電流脈沖。但集電極電流并不能立即減小，而要經(jīng)過一段時(shí)間才能開始減小，再逐漸降為零。把ib降為穩(wěn)態(tài)值Ib1的90%的時(shí)刻定為t3，ic下降到90%Ics的時(shí)刻定為t4，下降到10%Ics的時(shí)刻定為t5，則把t3到t4這段時(shí)間稱為儲(chǔ)存時(shí)間，以ts表示，把t4到t5這段時(shí)間稱為下降時(shí)間，以tf表示。項(xiàng)目四開關(guān)電源延遲時(shí)間

和上升時(shí)間

和是GTR從關(guān)斷到導(dǎo)通所需要的時(shí)間，稱為開通時(shí)間，以

表示，則ton=td+tr

儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf之和是GTR從導(dǎo)通到關(guān)斷所需要的時(shí)間，稱為關(guān)斷時(shí)間，以toff表示，則toff=ts+tf.GTR在關(guān)斷時(shí)漏電流很小，導(dǎo)通時(shí)飽和壓降很小。因此，GTR在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下?lián)p耗都很小，但在關(guān)斷和導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換過程中，電流和電壓都較大，隨意開關(guān)過程中損耗也較大。當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗是總損耗的主要部分。因此，縮短開通和關(guān)斷時(shí)間對(duì)降低損耗，提高效率和運(yùn)行可靠性很有意義。

項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4-7開關(guān)過程中ib和ic的波形項(xiàng)目四開關(guān)電源延遲時(shí)間

和上升時(shí)間

和是GTR從關(guān)斷到導(dǎo)通所需要的時(shí)間，稱為開通時(shí)間，以

表示，則ton=td+tr

儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf之和是GTR從導(dǎo)通到關(guān)斷所需要的時(shí)間，稱為關(guān)斷時(shí)間，以toff表示，則toff=ts+tf.GTR在關(guān)斷時(shí)漏電流很小，導(dǎo)通時(shí)飽和壓降很小。因此，GTR在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下?lián)p耗都很小，但在關(guān)斷和導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換過程中，電流和電壓都較大，隨意開關(guān)過程中損耗也較大。當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗是總損耗的主要部分。因此，縮短開通和關(guān)斷時(shí)間對(duì)降低損耗，提高效率和運(yùn)行可靠性很有意義。

項(xiàng)目四開關(guān)電源2）GTR的參數(shù)這里主要講述GTR的極限參數(shù)，即最高工作電壓、最大工作電流、最大耗散功率和最高工作結(jié)溫等。①最高工作電壓GTR上所施加的電壓超過規(guī)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。BUcbo：發(fā)射極開路時(shí)，集電極和基極間的反向擊穿電壓。BUceo：基極開路時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。項(xiàng)目四開關(guān)電源BUcer：實(shí)際電路中，GTR的發(fā)射極和基極之間常接有電阻R，這時(shí)用BUcer表示集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。BUces：當(dāng)R為0，即發(fā)射極和基極短路，用BUces表示其擊穿電壓。BUcex：發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。其中BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>BUceo，實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。項(xiàng)目四開關(guān)電源②集電極最大允許電流IcMGTR流過的電流過大，會(huì)使GTR參數(shù)劣化，性能將變得不穩(wěn)定，尤其是發(fā)射極的集邊效應(yīng)可能導(dǎo)致GTR損壞。因此，必須規(guī)定集電極最大允許電流值。通常規(guī)定共發(fā)射極電流放大系數(shù)下降到規(guī)定值的1/2～1/3時(shí)，所對(duì)應(yīng)的電流Ic為集電極最大允許電流，以IcM表示。實(shí)際使用時(shí)還要留有較大的安全余量，一般只能用到IcM值的一半或稍多些。項(xiàng)目四開關(guān)電源③集電極最大耗散功率PcM集電極最大耗散功率是在最高工作溫度下允許的耗散功率，用PcM表示。它是GTR容量的重要標(biāo)志。晶體管功耗的大小主要由集電極工作電壓和工作電流的乘積來(lái)決定，它將轉(zhuǎn)化為熱能使晶體管升溫，晶體管會(huì)因溫度過高而損壞。實(shí)際使用時(shí)，集電極允許耗散功率和散熱條件與工作環(huán)境溫度有關(guān)。所以在使用中應(yīng)特別注意值IC不能過大，散熱條件要好項(xiàng)目四開關(guān)電源④最高工作結(jié)溫TJMGTR正常工作允許的最高結(jié)溫，以TJM表示。GTR結(jié)溫過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熱擊穿而燒壞。項(xiàng)目四開關(guān)電源(3)GTR的二次擊穿和安全工作區(qū)1）二次擊穿問題實(shí)踐表明，GTR即使工作在最大耗散功率范圍內(nèi)，仍有可能突然損壞，其原因一般是由二次擊穿引起的，二次擊穿是影響GTR安全可靠工作的一各重要因素。二次擊穿是由于集電極電壓升高到一定值（未達(dá)到極限值）時(shí)，發(fā)生雪崩效應(yīng)造成的。照理，只要功耗不超過極限，管子是可以承受的，但是在實(shí)際使用中，出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，Ie進(jìn)一步劇增。由于管子結(jié)面的缺陷、結(jié)構(gòu)參數(shù)的不均勻，使局部電流密度劇增，形成惡性循環(huán)，使管子損壞。項(xiàng)目四開關(guān)電源二次擊穿的持續(xù)時(shí)間在納秒到微秒之間完成，由于管子的材料、工藝等因素的分散性，二次擊穿難以計(jì)算和預(yù)測(cè)。防止二次擊穿的辦法是：①應(yīng)使實(shí)際使用的工作電壓比反向擊穿電壓低得多。②必須有電壓電流緩沖保護(hù)措施。項(xiàng)目四開關(guān)電源2）安全工作區(qū)以直流極限參數(shù)IcM、PcM、UceM構(gòu)成的工作區(qū)為一次擊穿工作區(qū)，如圖4－8所示。以USB（二次擊穿電壓）與ISB（二次擊穿電流）組成的PSB（二次擊穿功率）如圖中虛線所示，它是一個(gè)不等功率曲線。以3DD8E晶體管測(cè)試數(shù)據(jù)為例，其PcM=100W，BUceo≥200V，但由于受到擊穿的限制，當(dāng)Uce=100V時(shí)，PSB為60W，Uce=200V時(shí)PSB僅為28W！所以，為了防止二次擊穿，要選用足夠大功率的管子，實(shí)際使用的最高電壓通常比管子的極限電壓低很多。安全工作區(qū)是在一定的溫度條件下得出的，例如環(huán)境溫度25℃或殼溫75℃等，使用時(shí)若超過上述指定溫度值，允許功耗和二次擊穿耐量都必須降額。項(xiàng)目四開關(guān)電源4-8GTR安全工作區(qū)項(xiàng)目四開關(guān)電源(4)GTR的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)1）GTR基極驅(qū)動(dòng)電路①對(duì)基極驅(qū)動(dòng)電路的要求由于GTR主電路電壓較高，控制電路電壓較低，所以應(yīng)實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路間的電隔離。項(xiàng)目四開關(guān)電源GTR導(dǎo)通期間，在任何負(fù)載下，基極電流都應(yīng)使GTR處在臨界飽和狀態(tài)，這樣既可降低導(dǎo)通飽和壓降，又可縮短關(guān)斷時(shí)間。在使GTR關(guān)斷時(shí)，應(yīng)向基極提供足夠大的反向基極電流（如圖4-9波形所示），以加快關(guān)斷速度，減小關(guān)段損耗。應(yīng)有較強(qiáng)的抗干擾能力，并有一定的保護(hù)功能。項(xiàng)目四開關(guān)電源②基極驅(qū)動(dòng)電路圖4-10是一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的GTR驅(qū)動(dòng)電路。該電路采用正、負(fù)雙電源供電。當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，三極管V1、V2和V3導(dǎo)通，而V4截止，這時(shí)V5就導(dǎo)通。二極管VD3可以保證GTR導(dǎo)通時(shí)工作在臨界飽和狀態(tài)。流過二極管VD3的電流隨GTR的臨界飽和程度而改變，自動(dòng)調(diào)節(jié)基極電流。當(dāng)輸入低電平時(shí)，V1、V2、V3截止，而V4導(dǎo)通，這就給GTR的基極一個(gè)負(fù)電流，使GTR截止。在V4導(dǎo)通期間，GTR的基極-發(fā)射極一直處于負(fù)偏置狀態(tài)，這就避免了反向電流的通過，從而防止同一橋臂另一個(gè)GTR導(dǎo)通產(chǎn)生過電流。

項(xiàng)目四開關(guān)電源4-10實(shí)用的GTR驅(qū)動(dòng)電路項(xiàng)目四開關(guān)電源③集成化驅(qū)動(dòng)集成化驅(qū)動(dòng)電路克服了一般電路元件多、電路復(fù)雜、穩(wěn)定性差和使用不便的缺點(diǎn)，還增加了保護(hù)功能。如法國(guó)THOMSON公司為GTR專門設(shè)計(jì)的基極驅(qū)動(dòng)芯片UAA4002。采用此芯片可以簡(jiǎn)化基極驅(qū)動(dòng)電路，提高基極驅(qū)動(dòng)電路的集成度、可靠性、快速性。它把對(duì)GTR的完整保護(hù)和最優(yōu)驅(qū)動(dòng)結(jié)合起來(lái)，使GTR運(yùn)行于自身可保護(hù)的準(zhǔn)飽和最佳狀態(tài)。項(xiàng)目四開關(guān)電源2）GTR的保護(hù)電路為了使GTR在廠家規(guī)定的安全工作區(qū)內(nèi)可靠的工作，必須對(duì)其采用必要的保護(hù)措施。而對(duì)GTR的保護(hù)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，因?yàn)樗拈_關(guān)頻率較高，采用快熔保護(hù)是無(wú)效的。一般采用緩沖電路。主要有RC緩沖電路、充放電型R-C-VD緩沖電路和阻止放電型R-C-VD緩沖電路三種形式，如圖4-11所示。項(xiàng)目四開關(guān)電源4-11GTR的緩沖電路項(xiàng)目四開關(guān)電源（a）RC緩沖電路（b）充放電型R-C-VD緩沖電路（c）阻止放電型R-C-VD緩沖電路RC緩沖電路簡(jiǎn)單，對(duì)關(guān)斷時(shí)集電極—發(fā)射極間電壓上升有抑制作用。這種電路只適用于小容量的GTR（電流10A以下）。充放電型R-C-VD緩沖電路增加了緩沖二極管VD2，可以用于大容量的GTR。但它的損耗（在緩沖電路的電阻上產(chǎn)生的）較大，不適合用于高頻開關(guān)電路。阻止放電型R-C-VD緩沖電路，較常用于大容量GTR和高頻開關(guān)電路的緩沖器。其最大優(yōu)點(diǎn)是緩沖產(chǎn)生的損耗小。為了使GTR正常可靠地工作，除采用緩沖電路之外，還應(yīng)設(shè)計(jì)最佳驅(qū)動(dòng)電路，并使GTR工作于準(zhǔn)飽和狀態(tài)。另外，采用電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，在故障時(shí)封鎖GTR的控制脈沖，使其及時(shí)關(guān)斷，保證GTR電控裝置安全可靠地工作；在GTR電控系統(tǒng)中設(shè)置過壓、欠壓和過熱保護(hù)單元，以保證安全可靠地工作。項(xiàng)目四開關(guān)電源功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET:功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）簡(jiǎn)稱MOSFET。與GTR相比，功率MOSFET具有開關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)電流小、無(wú)二次擊穿現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是電壓還不能太高、電流容量也不能太大。所以目前只適用于小功率電力電子變流裝置。

項(xiàng)目四開關(guān)電源（1）功率MOSFET的結(jié)構(gòu)及工作原理1）結(jié)構(gòu)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管是壓控型器件，其門極控制信號(hào)是電壓。它的三個(gè)極分別是：柵極G、源極S、漏極D。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管有N溝道和P溝道兩種。N溝道中載流子是電子，P溝道中載流子是空穴，都是多數(shù)載流子。其中每一類又可分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。耗盡型就是當(dāng)柵源間電壓UGS=0時(shí)存在導(dǎo)電溝道，漏極電流ID≠0；增強(qiáng)型就是當(dāng)UGS=0時(shí)沒有導(dǎo)電溝道，ID=0，只有當(dāng)UGS>0（N溝道）或UGS<0（P溝道）時(shí)才開始有ID。功率MOSFET絕大多數(shù)是N溝道增強(qiáng)型。這是因?yàn)殡娮幼饔帽瓤昭ù蟮枚唷溝道和P溝道MOSFET的電氣圖形符號(hào)如圖4-12所示。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4-12功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)（a）功率MOSFET的結(jié)構(gòu)（b）電氣圖形符號(hào)項(xiàng)目四開關(guān)電源功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管與小功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管原理基本相同，但是為了提高電流容量和耐壓能力，在芯片結(jié)構(gòu)上卻有很大不同：電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管采用小單元集成結(jié)構(gòu)來(lái)提高電流容量和耐壓能力，并且采用垂直導(dǎo)電排列來(lái)提高耐壓能力。幾種功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外形如圖4-13。

項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4-13幾種功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外形

項(xiàng)目四開關(guān)電源2）工作原理當(dāng)D、S加正電壓（漏極為正，源極為負(fù)），UGS=0時(shí)，P體區(qū)和N漏區(qū)的PN結(jié)反偏，D、S之間無(wú)電流通過；如果在G、S之間加一正電壓UGS，由于柵極是絕緣的，所以不會(huì)有電流流過，但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少數(shù)載流子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當(dāng)UGS大于某一電壓UT時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。電壓UT稱開啟電壓或閥值電壓，UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流越大。項(xiàng)目四開關(guān)電源（2）功率MOSFET的特性與參數(shù)1）功率MOSFET的特性①轉(zhuǎn)移特性ID和UGS的關(guān)系曲線反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系，稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。如圖4－14（a）所示。從圖中可知，ID較時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率被定義為MOSFET的跨導(dǎo)，即： MOSFET是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。項(xiàng)目四開關(guān)電源②輸出特性圖4－14(b）是MOSFET的漏極伏安特性，即輸出特性。從圖中可以看出，MOSFET有三個(gè)工作區(qū)： 截止區(qū)。UGS≤UT，ID=0，這和電力晶體管的截止區(qū)相對(duì)應(yīng)。飽和區(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)，故稱飽和區(qū)。這里的飽和區(qū)并不和電力晶體管的飽和區(qū)對(duì)應(yīng)，而對(duì)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)。項(xiàng)目四開關(guān)電源非飽和區(qū)。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(duì)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)。在制造功率MOSFET時(shí)，為提高跨導(dǎo)并減少導(dǎo)通電阻，在保證所需耐壓的條件下，應(yīng)盡量減小溝道長(zhǎng)度。因此，每個(gè)MOSFET元都要做得很小，每個(gè)元能通過的電流也很小。為了能使器件通過較大的電流，每個(gè)器件由許多個(gè)MOSFET元組成。項(xiàng)目四開關(guān)電源③開關(guān)特性圖4－15是用來(lái)測(cè)試MOSFET開關(guān)特性的電路。圖中up為矩形脈沖電壓信號(hào)源，波形見圖4－15(b），Rs為信號(hào)源內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RL為漏極負(fù)載電阻，RF用于檢測(cè)漏極電流。因?yàn)镸OSFET存在輸入電容Cin，所以當(dāng)脈沖電壓up的前沿到來(lái)時(shí)，Cin有充電過程，柵極電壓UGS呈指數(shù)曲線上升，如圖4-15所示。當(dāng)UGS上升到開啟電壓UT時(shí)開始出現(xiàn)漏極電流iD。從up的前沿時(shí)刻到uGS=UT的時(shí)刻，這段時(shí)間稱為開通延遲時(shí)間td(on)。項(xiàng)目四開關(guān)電源此后，iD隨UGS的上升而上升。uGS從開啟電壓上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGPS這段時(shí)間稱為上升時(shí)間tr，這時(shí)相當(dāng)于電力晶體管的臨界飽和，漏極電流iD也達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。iD的穩(wěn)態(tài)值由漏極電壓和漏極負(fù)載電阻所決定，UGPS的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)。uGS的值達(dá)UGPS后，在脈沖信號(hào)源up的作用下繼續(xù)升高直至到達(dá)穩(wěn)態(tài)值，但iD已不再變化，相當(dāng)于電力晶體管處于飽和。MOSFET的開通時(shí)間ton為開通延遲時(shí)間td(on)與上升時(shí)間tr之和，即：ton=td(on)+tr

當(dāng)脈沖電壓up下降到零時(shí)，柵極輸入電容Cin通過信號(hào)源內(nèi)阻Rs和柵極電阻RG（≥Rs）開始放電，柵極電壓uGS按指數(shù)曲線下降，當(dāng)下降到UGPS時(shí)，漏極電流iD才開始減小，這段時(shí)間稱為關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)。項(xiàng)目四開關(guān)電源此后，Cin繼續(xù)放電，uGS從UGPS繼續(xù)下降，iD減小，到uGS小于UT時(shí)溝道消失，iD下降到零。這段時(shí)間稱為下降時(shí)間tf。關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)和之和下降時(shí)間tf為關(guān)斷時(shí)間toff，即：toff=td(off)+tf

從上面的分析可以看出，MOSFET的開關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系。使用者雖然無(wú)法降低其Cin值，但可以降低柵極驅(qū)動(dòng)回路信號(hào)源內(nèi)阻Rs的值，從而減小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度。MOSFET的工作頻率可達(dá)100kHz以上。

MOSFET是場(chǎng)控型器件，在靜態(tài)時(shí)幾乎不需要輸入電流。但是在開關(guān)過程中需要對(duì)輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4－15功率MOSFET的開關(guān)過程（a）MOSFET開關(guān)特性的測(cè)試電路（b）波形項(xiàng)目四開關(guān)電源2）功率MOSFET的主要參數(shù)①漏極電壓UDS它就是MOSFET的額定電壓，選用時(shí)必須留有較大安全余量。②漏極最大允許電流IDM它就是MOSFET的額定電流，其大小主要受管子的溫升限制。③柵源電壓UGS柵極與源極之間的絕緣層很薄，承受電壓很低，一般不得超過20V，否則絕緣層可能被擊穿而損壞，使用中應(yīng)加以注意。 總之，為了安全可靠，在選用MOSFET時(shí)，對(duì)電壓、電流的額定等級(jí)都應(yīng)留有較大余量。項(xiàng)目四開關(guān)電源（3）功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)1）功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)①對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求能向柵極提供需要的柵壓，以保證可靠開通和關(guān)斷MOSFET。減小驅(qū)動(dòng)電路的輸出電阻，以提高柵極充放電速度，從而提高M(jìn)OSFET的開關(guān)速度。 主電路與控制電路需要電的隔離。 應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，這是由于MOSFET通常工作頻率高、輸入電阻大、易被干擾的緣故。理想的柵極控制電壓波形，如圖4-16所示。提高正柵壓上升率可縮短開通時(shí)間，但也不宜過高，以免MOSFET開通瞬間承受過高的電流沖擊。正負(fù)柵壓幅值應(yīng)要小于所規(guī)定的允許值。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4-16理想的柵極控制電壓波形項(xiàng)目四開關(guān)電源2）柵極驅(qū)動(dòng)電路舉例 圖4-17是功率MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路，它由隔離電路與放大電路兩部分組成。隔離電路的作用是將控制電路和功率電路隔離開來(lái)；放大電路是將控制信號(hào)進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，推挽輸出級(jí)的目的是進(jìn)行功率放大和降低驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻，以減小功率MOSFET的開關(guān)時(shí)間和降低其開關(guān)損耗。 驅(qū)動(dòng)電路的工作原理是：當(dāng)無(wú)控制信號(hào)輸入時(shí)（ui=“0”），放大器A輸出低電平，V3導(dǎo)通，輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓，MOSFET關(guān)斷；當(dāng)有控制信號(hào)輸入時(shí)（ui=“1”），放大器A輸出高電平，V2導(dǎo)通，輸出正驅(qū)動(dòng)電壓，MOSFET導(dǎo)通。 實(shí)際應(yīng)用中，功率MOSFET多采用集成驅(qū)動(dòng)電路，如日本三菱公司專為MOSFET設(shè)計(jì)的專用集成驅(qū)動(dòng)電路M57918L，其輸入電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動(dòng)電壓為+15V和-10V。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4-17功率MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路項(xiàng)目四開關(guān)電源（1）MOSFET的保護(hù)電路 功率MOSFET的薄弱之處是柵極絕緣層易被擊穿損壞。一般認(rèn)為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管易受各種靜電感應(yīng)而擊穿柵極絕緣層，實(shí)際上這種損壞的可能性還與器件的大小有關(guān)，管芯尺寸大，柵極輸入電容也大，受靜電電荷充電而使柵源間電壓超過±20V而擊穿的可能性相對(duì)小些。此外，柵極輸入電容可能經(jīng)受多次靜電電荷充電，電荷積累使柵極電壓超過±20V而擊穿的可能性也是實(shí)際存在的。項(xiàng)目四開關(guān)電源為此，在使用時(shí)必須注意若干保護(hù)措施。

1）防止靜電擊穿 功率MOSFET的最大優(yōu)點(diǎn)是具有極高的輸入阻抗，因此在靜電較強(qiáng)的場(chǎng)合難于泄放電荷，容易引起靜電擊穿。防止靜電擊穿應(yīng)注意：

①在測(cè)試和接入電路之前器件應(yīng)存放在靜電包裝袋，導(dǎo)電材料或金屬容器中，不能放在塑料盒或塑料袋中。取用時(shí)應(yīng)拿管殼部分而不是引線部分。工作人員需通過腕帶良好接地。項(xiàng)目四開關(guān)電源②將器件接入電路時(shí)，工作臺(tái)和烙鐵都必須良好接地，焊接時(shí)烙鐵應(yīng)斷電。

③在測(cè)試器件時(shí)，測(cè)量?jī)x器和工作臺(tái)都必須良好接地。器件的三個(gè)電極未全部接入測(cè)試儀器或電路前不要施加電壓。改換測(cè)試范圍時(shí)，電壓和電流都必須先恢復(fù)到零。

④注意柵極電壓不要過限。項(xiàng)目四開關(guān)電源2)防止偶然性振蕩損壞器件 功率MOSFET與測(cè)試儀器、接插盒等的輸入電容、輸入電阻匹配不當(dāng)時(shí)可能出現(xiàn)偶然性振蕩，造成器件損壞。因此在用圖示儀等儀器測(cè)試時(shí)，在器件的柵極端子處外接10kΩ串聯(lián)電阻，也可在柵極源極之間外接大約0.5μF的電容器。項(xiàng)目四開關(guān)電源3)防止過電壓 首先是柵源間的過電壓保護(hù)。如果柵源間的阻抗過高，則漏源間電壓的突變會(huì)通過極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當(dāng)高的UGS電壓，這一電壓會(huì)引起柵極氧化層永久性損壞，如果是正方向的UGS瞬態(tài)電壓還會(huì)導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。為此要適當(dāng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或并接約20V的穩(wěn)壓管。特別要防止柵極開路工作。 其次是漏源間的過電壓保護(hù)。如果電路中有電感性負(fù)載，則當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，漏極電流的突變會(huì)產(chǎn)生比電源電壓還高得多的漏極電壓，導(dǎo)致器件的損壞。應(yīng)采取穩(wěn)壓管箝位、二極管-RC箝位或RC抑制電路等保護(hù)措施。項(xiàng)目四開關(guān)電源

4)防止過電流 若干負(fù)載的接入或切除都可能產(chǎn)生很高的沖擊電流，以致超過電流極限值，此時(shí)必須用控制電路使器件回路迅速斷開。項(xiàng)目四開關(guān)電源5)消除寄生晶體管和二極管的影響由于功率MOSFET內(nèi)部構(gòu)成寄生晶體管和二極管，通常若短接該寄生晶體管的基極和發(fā)射極就會(huì)造成二次擊穿。另外寄生二極管的恢復(fù)時(shí)間為150ns，而當(dāng)耐壓為450V時(shí)恢復(fù)時(shí)間為500~1000ns。因此，在橋式開關(guān)電路中功率MOSFET應(yīng)外接快速恢復(fù)的并聯(lián)二極管，以免發(fā)生橋臂直通短路故障。項(xiàng)目四開關(guān)電源二、DC/DC變換電路開關(guān)電源的核心技術(shù)就是DC/DC變換電路。DC/DC變換電路就是將直流電壓變換成固定的或可調(diào)的直流電壓。DC/DC變換電路廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、無(wú)軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機(jī)車車輛的無(wú)級(jí)變速以及20世紀(jì)80年代興起的電動(dòng)汽車的調(diào)速及控制。常見的DC/DC變換電路有非隔離型電路、隔離型電路和軟開關(guān)電路。項(xiàng)目四開關(guān)電源1．非隔離型電路非隔離型電路即各種直流斬波電路，根據(jù)電路形式的不同可以分為降壓型電路、升壓型電路、升降壓電路、庫(kù)克式斬波電路和全橋式斬波電路。其中降壓式和升壓式斬波電路是基本形式，升降壓式和庫(kù)克式是它們的組合，而全橋式則屬于降壓式類型。下面重點(diǎn)介紹斬波電路的工作原理、升壓及降壓斬波電路。項(xiàng)目四開關(guān)電源（1）直流斬波器的工作原理最基本的直流斬波電路如圖4-18（a）所示，負(fù)載為純電阻R。當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo=E，并持續(xù)時(shí)間TON；當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，負(fù)載上電壓uo=0V，并持續(xù)時(shí)間TOFF。則T=TON+TOFF為斬波電路的工作周期，斬波器的輸出電壓波形如圖4-18（b）所示。若定義斬波器的占空比，則由波形圖上可得輸出電壓得平均值為只要調(diào)節(jié)k，即可調(diào)節(jié)負(fù)載的平均電壓。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4-18基本斬波電路及其波形（a）電路（b）波形（R負(fù)載）項(xiàng)目四開關(guān)電源（2）降壓斬波電路1）電路的結(jié)構(gòu)降壓斬波電路是一種輸出電壓的平均值低于輸入直流電壓的電路。它主要用于直流穩(wěn)壓電源和直流電機(jī)的調(diào)速。降壓斬波電路的原理圖及工作波形如圖4-19所示。圖中，U為固定電壓的直流電源，V為晶體管開關(guān)（可以是大功率晶體管，也可以是功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。L、R、電動(dòng)機(jī)為負(fù)載，為在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中的電感電流提供通道，還設(shè)置了續(xù)流二極管VD。項(xiàng)目四開關(guān)電源2）電路的工作原理t=0時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源U向負(fù)載供電，忽略V的導(dǎo)通壓降，負(fù)載電壓Uo=U，負(fù)載電流按指數(shù)規(guī)律上升。t=t1時(shí)刻，撤去V的驅(qū)動(dòng)使其關(guān)斷，因感性負(fù)載電流不能突變，負(fù)載電流通過續(xù)流二極管VD續(xù)流，忽略VD導(dǎo)通壓降，負(fù)載電壓Uo=0V，負(fù)載電流按指數(shù)規(guī)律下降。為使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，一般需串聯(lián)較大的電感L，L也稱為平波電感。t=t2時(shí)刻，再次驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，重復(fù)上述工作過程。當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期內(nèi)的起始值和終了值。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4-19降壓斬波電路的原理圖及工作波形（a）電路圖（b）電流連續(xù)時(shí)的波形（c）電流斷續(xù)時(shí)的波形項(xiàng)目四開關(guān)電源由前面的分析知，這個(gè)電路的輸出電壓平均值為，由于k<1，所以Uo<U，即斬波器輸出電壓平均值小于輸入電壓，故稱為降壓斬波電路。而負(fù)載平均電流為

當(dāng)平波電感L較小時(shí)，在V關(guān)斷后，未到t2時(shí)刻，負(fù)載電流已下降到零，負(fù)載電流發(fā)生斷續(xù)。負(fù)載電流斷續(xù)時(shí)，其波形如圖4-19(c）所示。由圖可見，負(fù)載電流斷續(xù)期間，負(fù)載電壓uo=EM。因此，負(fù)載電流斷續(xù)時(shí)，負(fù)載平均電壓Uo升高，帶直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)，特性變軟，是我們所不希望的。所以在選擇平波電感L時(shí)，要確保電流斷續(xù)點(diǎn)不在電動(dòng)機(jī)的正常工作區(qū)域。項(xiàng)目四開關(guān)電源（3）升壓斬波電路

1）升壓斬波電路的輸出電壓總是高于輸入電壓。升壓式斬波電路與降壓式斬波電路最大的不同點(diǎn)是，斬波控制開關(guān)V與負(fù)載呈并聯(lián)形式連接，出能電感與負(fù)載呈串聯(lián)形式連接，升壓斬波電路的原理圖及工作波形如圖4-20所示。項(xiàng)目四開關(guān)電源a）電路圖（b）波形圖4-20升壓斬波電路及其工作波形項(xiàng)目四開關(guān)電源2）電路的工作原理：當(dāng)V導(dǎo)通時(shí)（TON），能量?jī)?chǔ)存在L中。由于VD截止，所以TON期間負(fù)載電流由C供給。在TOFF期間，V截止，儲(chǔ)存在L中的能量通過VD傳送到負(fù)載和C，其電壓的極性與U相同，且與U相串聯(lián)，提供一種升壓作用。如果忽略損耗和開關(guān)器件上的電壓降，則有

上式中的T/TOFF≥1，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。 式中T/TOFF表示升壓比，調(diào)節(jié)其大小，即可改變輸出電壓Uo的大小。項(xiàng)目四開關(guān)電源4）升降壓斬波電路1）電路的結(jié)構(gòu)升降壓斬波電路可以得到高于或低于輸入電壓的輸出電壓。電路原理圖如圖4－21所示，該電路的結(jié)構(gòu)特征是儲(chǔ)能電感與負(fù)載并聯(lián)，續(xù)流二極管VD反向串聯(lián)接在儲(chǔ)能電感與負(fù)載之間。電路分析前可先假設(shè)電路中電感L很大，使電感電流iL和電容電壓及負(fù)載電壓uo基本穩(wěn)定。項(xiàng)目四開關(guān)電源2）電路的工作原理電路的基本工作原理是：V通時(shí)，電源U經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)二極管VD反偏，流過V的電流為i1。由于VD反偏截止，電容C向負(fù)載R提供能量并維持輸出電壓基本穩(wěn)定，負(fù)載R及電容C上的電壓極性為上負(fù)下正，與電源極性相反。V斷時(shí)，電感L極性變反，VD正偏導(dǎo)通，L中儲(chǔ)存的能量通過VD向負(fù)載釋放，電流為i2，同時(shí)電容C被充電儲(chǔ)能。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即 當(dāng)V處于通態(tài)期間，uL=U；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，uL=-uo。于是有UTON=UOTOFF所以輸出電壓為：上式中，若改變占空比k，則輸出電壓既可高于電源電壓，也可能低于電源電壓。由此可知，當(dāng)0<k<1/2時(shí)，斬波器輸出電壓低于直流電源輸入，此時(shí)為降壓斬波器；當(dāng)1/2<k<1時(shí)，斬波器輸出電壓高于直流電源輸入，此時(shí)為升壓斬波器。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4-21升降壓斬波電路及其工作波形項(xiàng)目四開關(guān)電源2．隔離型電路（1）正激電路正激電路包含多種不同結(jié)構(gòu)，典型的單開關(guān)正激電路及其工作波形如圖4－22所示。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4－22正激電路原理圖及理想化波形（a）電路原理圖(b)理想化波形項(xiàng)目四開關(guān)電源電路的簡(jiǎn)單工作過程：開關(guān)S開通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為上正下負(fù)，與其耦合的繞組W2兩端的電壓也是上正下負(fù)。因此VDl處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感上的電流逐漸增長(zhǎng)；S關(guān)斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷，L的電流逐漸下降。S關(guān)斷后變壓器的勵(lì)磁電流經(jīng)繞組W3和VD3流回電源，所以S關(guān)斷后承受的電壓為式中N1——變壓器繞組W1的匝數(shù)；

N3——變壓器繞組W3的匝數(shù)。項(xiàng)目四開關(guān)電源變壓器中各物理量的變化過程如圖4-23所示。圖4－23磁心復(fù)位過程項(xiàng)目四開關(guān)電源開關(guān)S開通后，變壓器的勵(lì)磁電流im由零開始，隨著時(shí)間的增加而線性地增長(zhǎng)，直到S關(guān)斷。S關(guān)斷后到下一次再開通的一段時(shí)間內(nèi)，必須設(shè)法使勵(lì)磁電流降回零，否則下一個(gè)開關(guān)周期中，勵(lì)磁電流將在本周期結(jié)束時(shí)的剩余值基礎(chǔ)上繼續(xù)增加，并在以后的開關(guān)周期中依次累積起來(lái)，變得越來(lái)越大，從而導(dǎo)致變壓器的勵(lì)磁電感飽和。勵(lì)磁電感飽和后，勵(lì)磁電流會(huì)更加迅速地增長(zhǎng)，最終損壞電路中的開關(guān)器件。因此在S關(guān)斷后使勵(lì)磁電流降回零是非常重要的，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位。項(xiàng)目四開關(guān)電源在正激電路中，變壓器的繞組W3和二極管VD3組成復(fù)位電路。下面簡(jiǎn)單分析其工作原理。開關(guān)S關(guān)斷后，變壓器勵(lì)磁電流通過W3繞組和VD3流回電源，并逐漸線性的下降為零。從S關(guān)斷到W3繞組的電流下降到零所需的時(shí)間。S處于斷態(tài)的時(shí)間必須大于Trst，以保證S下次開通前勵(lì)磁電流能夠降為零，使變壓器磁心可靠復(fù)位。在輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下，即S開通時(shí)電感L的電流不為零，輸出電壓與輸入電壓的比為如果輸出電感電路電流不連續(xù)，輸出電壓將高于上式的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下，。項(xiàng)目四開關(guān)電源（2）反激電路反激電路及其工作波形如圖4－24所示。同正激電路不同，反激電路中的變壓器起著儲(chǔ)能元件的作用，可以看作是一對(duì)相互耦合的電感。S開通后，VD處于斷態(tài)，繞組W1的電流線性增長(zhǎng)，電感儲(chǔ)能增加；S關(guān)斷后，繞組W1的電流被切斷，變壓器中的磁場(chǎng)能量通過繞組W2和VD向輸出端釋放。S關(guān)斷后承受的電壓的電壓為項(xiàng)目四開關(guān)電源反激電路可以工作在電流斷續(xù)和電流連續(xù)兩種模式：1)如果當(dāng)S開通時(shí)，繞組W2中的電流尚未下降到零，則稱電路工作于電流連續(xù)模式。2)如果S開通前，繞組W2中的電流已經(jīng)下降到零，則稱電路工作于電流斷續(xù)模式。當(dāng)工作于電流連續(xù)模式時(shí)，當(dāng)電路工作在斷續(xù)模式時(shí)，輸出電壓高于上式的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載電流為零的極限情況下，Uo→∞，這將損壞電路中的器件，因此反激電路不應(yīng)工作于負(fù)載開路狀態(tài)。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4－24反激電路原理圖及理想化工作波形（a）電路原理圖(b)理想化波形項(xiàng)目四開關(guān)電源（3）半橋電路半橋電路的原理及工作波形如圖4－25所示。在半橋電路中，變壓器一次繞組兩端分別連接在-電容C1、C2的中點(diǎn)和開關(guān)S1、S2的中點(diǎn)。電容C1、C2的中點(diǎn)電壓為Ui／2。S1與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui／2的交流電壓。改變開關(guān)的占空比，就可改變二次整流電壓Ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。Sl導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時(shí)，二極管VD2處于通態(tài)，當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，變壓器繞組Wl中的電流為零，根據(jù)變壓器的磁動(dòng)勢(shì)平衡方程，繞組W2和W3中的電流大小相等、方向相反，所以VDl和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。S1或S2導(dǎo)通時(shí)電感上的電流逐漸上升，兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電感上的電流逐漸下降。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為Ui。項(xiàng)目四開關(guān)電源由于電容的隔直作用，半橋電路對(duì)由于兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱而造成的變壓器一次電壓的直流分量有自動(dòng)平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和。為了避免上下兩開關(guān)在換流的過程中發(fā)生短暫的同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)象而造成短路損壞開關(guān)器件，每個(gè)開關(guān)各自的占空比不能超過50％，并應(yīng)留有裕量。當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)，有如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式中的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載電流為零的極限情況下，。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4－25半橋電路原理圖及理想化工作波形（a）電路原理圖(b)理想化波形

項(xiàng)目四開關(guān)電源（4）全橋電路全橋電路的原理圖和工作波形如圖4－26所示。全橋電路中互為對(duì)角的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，而同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導(dǎo)通，將直流電壓成幅值為Ui的交流電壓，加在變壓器一次側(cè)。改變開關(guān)的占空比，就可以改變Ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。當(dāng)S1與S4開通后，二極管VD1和VD4處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升；S2與S3開通后，二極管VD2和VD3處于通態(tài)，電感L的電流也上升。當(dāng)4個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，4個(gè)二極管都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降。S1和S4斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為Ui。項(xiàng)目四開關(guān)電源若S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱，則交流電壓uT中將含有直流分量，會(huì)在變壓器一次電流中產(chǎn)生很大的直流分量，并可能造成磁路飽和，因此全橋應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可以在一次回路電路中串聯(lián)一個(gè)電容，以阻斷直流電流。為了避免同一側(cè)半橋中上下兩開關(guān)在換流的過程中發(fā)生短暫的同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)象而損壞開關(guān)，每個(gè)開關(guān)各自的占空比不能超過50％，并應(yīng)留有裕量。當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)，有如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式中的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載電流為零的極限情況下，。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4－26全橋電路原理圖及理想化工作波形（a）電路原理圖(b)理想化波形項(xiàng)目四開關(guān)電源（5）推挽電路推挽電路的原理及工作波形如圖4－27所示。推挽電路中兩個(gè)開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在繞組W1和W2兩端分別形成相位相反的交流電壓。S1導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時(shí)，二極管VD2處于通態(tài)，當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。S1或S2導(dǎo)通時(shí)電感L的電流逐漸上升，兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電感L的電流逐漸下降。Sl和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為2倍Ui。如果Sl和S2同時(shí)導(dǎo)通，就相當(dāng)于變壓器一次繞組短路，因此應(yīng)避免兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)開關(guān)各自的占空比不能超過50％，還要留有死區(qū)

項(xiàng)目四開關(guān)電源當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)，有如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式中的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載電流為零的極限情況下，。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4－27推挽電路原理圖及理想化工作波形（a）電路原理圖(b)理想化波形項(xiàng)目四開關(guān)電源三、開關(guān)狀態(tài)控制電路1．開關(guān)狀態(tài)控制方式的種類開關(guān)電源中，開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)的控制方式主要有占空比控制和幅度控制兩大類。（1）占空比控制方式占空比控制又包括脈沖寬度控制和脈沖頻率控制兩大類。

1)脈沖寬度控制脈沖寬度控制是指開關(guān)工作頻率(即開關(guān)周期T)固定的情況下直接通過改變導(dǎo)通時(shí)間(TON)來(lái)控制輸出電壓Uo大小的一種方式。因?yàn)楦淖冮_關(guān)導(dǎo)通時(shí)間TON就是改變開關(guān)控制電壓UC的脈沖寬度，因此又稱脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制。項(xiàng)目四開關(guān)電源PWM控制方式的優(yōu)點(diǎn)是，因?yàn)椴捎昧斯潭ǖ拈_關(guān)頻率，因此，設(shè)計(jì)濾波電路時(shí)就簡(jiǎn)單方便；其缺點(diǎn)是，受功率開關(guān)管最小導(dǎo)通時(shí)間的限制，對(duì)輸出電壓不能作寬范圍的調(diào)節(jié)，此外，為防止空載時(shí)輸出電壓升高，輸出端一般要接假負(fù)載(預(yù)負(fù)載)。目前，集成開關(guān)電源大多采用PWM控制方式。

2)脈沖頻率控制脈沖頻率控制是指開關(guān)控制電壓UC的脈沖寬度(即TON)不變的情況下，通過改變開關(guān)工作頻率(改變單位時(shí)間的脈沖數(shù)，即改變T)而達(dá)到控制輸出電壓Uo大小的一種方式，又稱脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制。（2）幅度控制方式即通過改變開關(guān)的輸入電壓Us的幅值而控制輸出電壓Uo大小的控制方式，但要配以滑動(dòng)調(diào)節(jié)器。項(xiàng)目四開關(guān)電源2．PWM控制電路的基本構(gòu)成和原理圖4－28是PWM控制電路的基本組成和工作波形。可見，PWM控制電路由以下幾部分組成：①基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器，提供一個(gè)供輸出電壓進(jìn)行比較的穩(wěn)定電壓和一個(gè)內(nèi)部IC電路的電源；②振蕩器，為PWM比較器提供一各鋸齒波和與該鋸齒波同步的驅(qū)動(dòng)脈沖控制電路的輸出；③誤差放大器，使電源輸出電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較；④以正確的時(shí)序使輸出開關(guān)管導(dǎo)通的脈沖倒相電路。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4－28PWM控制電路

項(xiàng)目四開關(guān)電源企及本工作過程如下：輸出開關(guān)管在鋸齒波的起始點(diǎn)被導(dǎo)通。由于鋸齒波電壓比誤差放大器的輸出電壓低，所以PWM比較器的輸出較高，因?yàn)橥叫盘?hào)已在斜坡電壓的起始點(diǎn)使倒相電路工作，所以脈沖倒相電路將這個(gè)高電位輸出使V1導(dǎo)通，當(dāng)斜坡電壓比誤差放大器的輸出高時(shí)，PWM比較器的輸出電壓下降，通過脈沖倒相電路使V1截止，下一個(gè)斜坡周期則重復(fù)這個(gè)過程。項(xiàng)目四開關(guān)電源3．PWM控制器集成芯片介紹（1）SG1524/2524/3524系列PWM控制器項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4－29SG1524結(jié)構(gòu)框圖項(xiàng)目四開關(guān)電源SGl524是雙列直插式集成芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4－29所示。它包括基準(zhǔn)電源、鋸齒波振蕩器、電壓比較器、邏輯輸出、誤差放大以及檢測(cè)和保護(hù)等部分。SG2524和SG3524也屬這個(gè)系列，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能相同，僅工作電壓及工作溫度有差異。基準(zhǔn)電源由15端輸入8～30V的不穩(wěn)定直流電壓，經(jīng)穩(wěn)壓輸出+5V基準(zhǔn)電壓，供片內(nèi)所有電路使用，并由16端輸出+5V的參考電壓供外部電路使用，其最大電流可達(dá)100mA項(xiàng)目四開關(guān)電源振蕩器通過7端和6端分別對(duì)地接上一個(gè)電容CT和電阻RT后，在CT上輸出頻率為入的鋸齒波。比較器反向輸入端輸入直流控制電壓Ue；同相輸入端輸入鋸齒波電壓Usa。當(dāng)改變直流控制電壓大小時(shí)，比較器輸出端電壓UA即為寬度可變的脈沖電壓，送至兩個(gè)或非門組成的邏輯電路。項(xiàng)目四開關(guān)電源振蕩器通過7端和6端分別對(duì)地接上一個(gè)電容CT和電阻RT后，在CT上輸出頻率為入的鋸齒波。比較器反向輸入端輸入直流控制電壓Ue；同相輸入端輸入鋸齒波電壓Usa。當(dāng)改變直流控制電壓大小時(shí)，比較器輸出端電壓UA即為寬度可變的脈沖電壓，送至兩個(gè)或非門組成的邏輯電路。項(xiàng)目四開關(guān)電源每個(gè)或非門有3個(gè)輸入端，其中：一個(gè)輸入為寬度可變的脈沖電壓UA；一個(gè)輸入分別來(lái)自觸發(fā)器輸出的Q和端(它們是鋸齒波電壓分頻后的方波)；再一個(gè)輸入(B點(diǎn))為鋸齒波同頻的窄脈沖。在不考慮第3個(gè)輸入窄脈沖時(shí)，兩個(gè)或非門輸出(C、D點(diǎn))分別經(jīng)三極管V1、V2放大后的波形T1、T2如圖4－30所示。它們的脈沖寬度由Ue控制，周期比Usa大一倍，且兩個(gè)波形的相位差為180°。這樣的波形適用于可逆PWM電路。或非門第3個(gè)輸入端的窄脈沖使這期間兩個(gè)三極管同時(shí)截止，以保證兩個(gè)三極管的導(dǎo)通有一短時(shí)間隔，可作為上、下兩管的死區(qū)。當(dāng)用于不可逆PWM時(shí)，可將兩個(gè)三極管的e、e極并聯(lián)使用。項(xiàng)目四開關(guān)電源誤差放大器在構(gòu)成閉環(huán)控制時(shí)，可作為運(yùn)算放大器接成調(diào)節(jié)器使用。如將l端和9端短接，該放大器作為一個(gè)電壓跟隨器使用，由2端輸入給定電壓來(lái)控制SG1524輸出脈沖寬度的變化。當(dāng)保護(hù)輸入端10的輸入達(dá)一定值時(shí)，三極管V3導(dǎo)通，使比較器的反相端為零，A端一直為高電平，V1、V2均截止，以達(dá)到保護(hù)的目的。檢測(cè)放大器的輸入可檢測(cè)出較小的信號(hào)，當(dāng)4、5端輸入信號(hào)達(dá)到一定值時(shí)，同樣可使比較器的反相輸入端為零，亦起保護(hù)作用。使用中可利用上述功能來(lái)檢測(cè)需要限制的信號(hào)（如電流）對(duì)主電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4－30SG1524工作波形

項(xiàng)目四開關(guān)電源表4－1是SG3524的引腳連接

項(xiàng)目四開關(guān)電源引腳號(hào)功能引腳號(hào)功能1IN－－誤差放大器反向輸入9COMP—頻率補(bǔ)償2IN＋－誤差放大器同向輸入10SD—關(guān)斷控制3OSC—振蕩器輸出11V1C—輸出晶體管A的集電極4CL＋—限流比較器的同相輸入12V1E—輸出晶體管A的發(fā)射極5CL＋—限流比較器的同相輸入13V2C—輸出晶體管B的集電極6RT—定時(shí)電阻14V2E—輸出晶體管B的發(fā)射極7CT—定時(shí)電容器15Ui—輸入電壓8GND—地16UR—基準(zhǔn)電壓表4－1SG3524的引腳連接項(xiàng)目四開關(guān)電源（2）SG3525APWM控制器SG3525A是SG3524的改進(jìn)型，凡是利用SG1524/SG2524/SG3524的開關(guān)電源電路都可以用SG3525A來(lái)代替。應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意兩者的引腳連接的不同。圖4－31是SG3525A系列產(chǎn)品的內(nèi)部原理圖。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4－31SG3525A的內(nèi)部原理圖項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4-31的右下角是SG3527A的輸出級(jí)。除輸出級(jí)以外，SG3527A與SG3525A完全相同。SG3525A的輸出是正脈沖，而SG3527A的輸出是負(fù)脈沖。項(xiàng)目四開關(guān)電源引腳號(hào)功能引腳號(hào)功能1IN－－誤差放大器反向輸入9COMP—頻率補(bǔ)償2IN＋－誤差放大器同向輸入10SD—關(guān)斷控制3SYNC—同步11OUTA—輸出A4OUTosc—振蕩器輸出12GND—地5CT—定時(shí)電容器13VC—集電極電壓6RT—定時(shí)電阻14OUTB—輸出B7DIS—放電15Ui—輸入電壓8SS——軟啟動(dòng)16UREF—基準(zhǔn)電壓表4－2SG3525A的引腳連接項(xiàng)目四開關(guān)電源與SG1524/SG2524/SG3524相比較，SG3525A的改進(jìn)之處為：芯片內(nèi)部增加了欠壓鎖定器和軟啟動(dòng)電路；SG1524/SG2524/SG3524沒有限流電路，而是采用關(guān)斷控制電路對(duì)逐個(gè)脈沖電流和直流輸出電流進(jìn)行限流控制。SG3525A內(nèi)設(shè)有高精度基準(zhǔn)電壓源。精度為5.1V±1%，優(yōu)于SG1524/SG2524/SG3524的基準(zhǔn)電源。誤差放大器的供電由輸入電壓Ui來(lái)提供，從而擴(kuò)大了誤差放大器的共模電壓輸入范圍。項(xiàng)目四開關(guān)電源脈寬調(diào)制比較器增加了一個(gè)反相輸入端，誤差放大器和關(guān)斷電路送到比較器的信號(hào)具有不同的輸入端，這就避免了關(guān)斷電路對(duì)誤差放大器的影響。PWM鎖存器由關(guān)斷置位，由振蕩器來(lái)的時(shí)鐘脈沖復(fù)位。這可保證在每個(gè)周期內(nèi)只有比較器送來(lái)的單脈沖。當(dāng)關(guān)斷信號(hào)使輸出關(guān)斷，即使關(guān)斷信號(hào)消失，也只有下一個(gè)周期的時(shí)鐘脈沖使鎖存器復(fù)位，才能恢復(fù)輸出。這就保證了關(guān)斷電路能有效地控制輸出關(guān)斷。SG3525A的最大改進(jìn)是輸出級(jí)的結(jié)構(gòu)。它是雙路吸收/流出輸出驅(qū)動(dòng)器。它具有較高的關(guān)斷速率，適合于驅(qū)動(dòng)功率MOS器件。項(xiàng)目四開關(guān)電源（3）SG3525A的典型應(yīng)用電路1）SG3525A驅(qū)動(dòng)MOSFET管的推挽式驅(qū)動(dòng)電路如圖4－32所示。其輸出幅度和拉灌電流能力都適合于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET管。SG3525A的兩個(gè)輸出端交替輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，控制兩個(gè)MOSFET管交替導(dǎo)通。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4－32SG3525A驅(qū)動(dòng)MOSFET管的推挽式驅(qū)動(dòng)電路項(xiàng)目四開關(guān)電源這里主要講述GTR的極限參數(shù)，即最高工作電壓、最大工作電流、最大耗散功率和最高工作結(jié)溫等。1）SG3525A驅(qū)動(dòng)MOSFET管的推挽式驅(qū)動(dòng)電路如圖4－32所示。其輸出幅度和拉灌電流能力都適合于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET管。SG3525A的兩個(gè)輸出端交替輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，控制兩個(gè)MOSFET管交替導(dǎo)通。2）SG3525A驅(qū)動(dòng)MOS管的半橋式驅(qū)動(dòng)電路如圖4－33所示。SG3525A的兩個(gè)輸出端接脈沖變壓器T1的一次繞組，串入一個(gè)小電阻（10Ω）是為防止振蕩。T1的兩個(gè)二次繞組因同名端相反，以相位相反的兩個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)半橋上、下臂的兩個(gè)MOSFET。脈沖變壓器T2的副邊接后續(xù)的整流濾波電路，便可得到平滑的直流輸出。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4-33SG3525A驅(qū)動(dòng)MOS管的半橋驅(qū)動(dòng)電路項(xiàng)目四開關(guān)電源四、其他電路1．過電壓保護(hù)電路過電壓保護(hù)是一種對(duì)輸出端子間過大電壓進(jìn)行負(fù)載保護(hù)的功能。一般方式是采用穩(wěn)壓管，圖4-34是過電壓保護(hù)電路的典型實(shí)例。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4－34過電壓保護(hù)電路項(xiàng)目四開關(guān)電源當(dāng)輸出電壓超過設(shè)定的最大值時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿導(dǎo)通，使晶閘管導(dǎo)通，電源停止工作，起到過電壓保護(hù)作用。項(xiàng)目四開關(guān)電源2．過電流保護(hù)電路過電流保護(hù)是一種電源負(fù)載保護(hù)功能，以避免發(fā)生包括輸出端子上的短路在內(nèi)的過負(fù)載輸出電流對(duì)電源和負(fù)載的損壞。圖4-35是典型的過電流保護(hù)電路。電路中，電阻R1和R2對(duì)U進(jìn)行分壓，電阻R2上分得的電壓，負(fù)載電流IO在檢測(cè)電阻RD上的電壓=RDIO，電壓URD和UR2進(jìn)行比較，如果URD>UR2，A輸出控制信號(hào)，這控制信號(hào)使脈寬變窄，輸出電壓下降，從而使輸出電流減小。項(xiàng)目四開關(guān)電源圖4－35過電流保護(hù)電路項(xiàng)目四開關(guān)電源3．軟啟動(dòng)電路開關(guān)電源的輸入電路一般采用整流和電容濾波電路。輸入電源未接通時(shí)，濾波電容器上的初始電壓為零。在輸入電源接通的瞬間，濾波電容器快速充電，產(chǎn)生一個(gè)和大的沖擊電流。在大功率開關(guān)電源中，輸入濾波電容器的容量很大，沖擊電流可達(dá)100A以上，如此大的沖擊電流會(huì)造成電網(wǎng)電閘的條扎或者擊穿整流二極管。為防止這種情況的發(fā)生，在開關(guān)電源的輸入電路中增加軟啟動(dòng)電路，防止沖擊電流的產(chǎn)生，保證電源正常地進(jìn)入工作狀態(tài)。項(xiàng)目四開關(guān)電源五、IBMPC/XT系列主機(jī)開關(guān)電源介紹圖4-2是IBMPC/XT系列PC機(jī)主機(jī)的開關(guān)電源電路，它是自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源，主要由交流輸入與整流濾波、自激開關(guān)振蕩、穩(wěn)壓調(diào)控及自動(dòng)保護(hù)電路等部分組成。項(xiàng)目四開關(guān)電源IBMPC／XT系列PC機(jī)主機(jī)開關(guān)電源電路的工作原理：當(dāng)接通電源時(shí)，110V或220V交流電壓經(jīng)電源熔絲管FU、熱敏電阻RT后，送至由C1、L1、C2組成交流抗干擾電路，將交流供電網(wǎng)中的高頻雜波濾除后，再進(jìn)入橋堆進(jìn)行倍壓整流或橋式整流(根據(jù)輸入電壓是110V還是220V，由電源盒后面的開關(guān)S人工控制)，并經(jīng)C5、C6濾波后得到約300V的峰值直流電壓。項(xiàng)目四開關(guān)電源郵政流濾波輸送來(lái)的300V峰值電壓分兩路給開關(guān)電路：一路經(jīng)R1及開關(guān)變壓器T2的1F~1S繞組加開關(guān)管Vl的C極；另一路經(jīng)R2、R3降壓提供Vl的B極的導(dǎo)通電壓，使Vl導(dǎo)通，因此Vl的C極有電流通過，T2的1F~1S繞組有電流通過即產(chǎn)生感應(yīng)電壓耦合給二次側(cè)。二次測(cè)1P~2F繞組又把感應(yīng)電壓經(jīng)R6、C9控制變壓器T1的③～⑥繞組，R9、L4正反饋到開關(guān)管Vl的B極，使Vl的B極電流保持不變，開關(guān)變壓器T2上各繞組感應(yīng)電壓消失，正反饋停止，Vl退出飽和進(jìn)入放大，此時(shí)Vl的C極電流瞬間大大的減少，開關(guān)變壓器T2的1F～1S繞組中的電流不能突變產(chǎn)生很強(qiáng)的反向感應(yīng)電壓耦合給二次側(cè)，二次側(cè)正反饋繞組的反向感應(yīng)電壓使Vl反偏截止。

項(xiàng)目四開關(guān)電源同時(shí)C9通過Vl獲得充電，Vl截止后，T2的1F一1S繞組無(wú)電流通過，感應(yīng)電壓消失。C9通過控制變壓器T1的③～⑥繞組，L4，Vl的E極，R7，R8，T2的1P~2F繞組，R6形成回路放電，使Vl獲得放電電流重新導(dǎo)通，并重復(fù)以上過程。如此循環(huán)便形成了自激開關(guān)過程。T2的二次側(cè)便得到了所需的脈沖電壓，經(jīng)整流濾波、穩(wěn)壓后送給負(fù)載。其中開關(guān)變壓器T2的7S~7E繞組中的脈沖經(jīng)VDl8整流、C18濾波，再由三端穩(wěn)壓器7812穩(wěn)壓后輸出—5V電壓；T2的5S～5E繞組中的脈沖經(jīng)VDl4和VDl5整流、C22濾波后輸出+12V電壓；T2的3S~3E繞組中的脈沖經(jīng)VDl6和VDl7整流、C24濾波后輸出+5V電壓。項(xiàng)目四開關(guān)電源

穩(wěn)壓控制電路由R22、R23、RPl、ICl(TL430)、V3、控制變壓器T1等部分組成。當(dāng)某種原因使輸出電壓升高時(shí)，+5V電壓升高，經(jīng)取樣電路R23、RPl、R22提供的取樣電壓升高，加到IClR端的電壓升高，ICl的K，A端的電流增大，V3導(dǎo)通，控制變壓器T1的②~①繞組的電流增大，④～⑤繞組的感應(yīng)電壓增大，V2導(dǎo)通。因T1的④~⑤繞組為50匝，②~①繞組也為50匝，而③~⑥繞組為4匝，所以③~⑥繞組的感應(yīng)電壓很小，對(duì)開關(guān)管Vl基本不產(chǎn)生影響，而V2導(dǎo)通使VTl提前截止，導(dǎo)通時(shí)間縮短，輸出電壓下降直至穩(wěn)壓輸出。項(xiàng)目四開關(guān)電源

開關(guān)管的限流保護(hù)電路由R8，V2為核心組成。當(dāng)Vl的射極脈沖電流增大時(shí)，R8上的感應(yīng)電壓升高，V2導(dǎo)通程度增大，對(duì)Vl的基極分流增大，使Vl的C極電流減少，達(dá)到限電流保護(hù)目的。

+5V的過電壓保護(hù)電路由穩(wěn)壓管VDZl、晶閘管VTl組成。當(dāng)+5V電壓超過設(shè)定的最大值時(shí)，穩(wěn)壓管VDZl擊穿導(dǎo)通，晶閘管VTl導(dǎo)通，使十12V對(duì)地短路，電源停止工作，起到過電壓保護(hù)作用。項(xiàng)目四開關(guān)電源六、典型故障現(xiàn)象及檢修方法1．通電后無(wú)任何反應(yīng)(1)故障現(xiàn)象PC機(jī)系統(tǒng)通電后，主機(jī)指示燈不亮，顯示器屏幕無(wú)光柵，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)任何反應(yīng)。(2)檢修方法通電后無(wú)任何反應(yīng)，是PC機(jī)主機(jī)電源最常見的故障，對(duì)此首先應(yīng)采用直觀法察看電源盒有無(wú)燒壞元器件，接著采用萬(wàn)用表電阻檔檢測(cè)法逐個(gè)單元地進(jìn)行靜態(tài)電阻檢測(cè)，看有無(wú)明顯短路。若無(wú)明顯元件燒壞，也沒有明顯過電流，則可通電采用動(dòng)態(tài)電壓對(duì)電源中各關(guān)鍵點(diǎn)的電壓進(jìn)行檢修。項(xiàng)目四開關(guān)電源2．一通電就熔斷交流熔絲管(1)故障現(xiàn)象接通電源開關(guān)后，電源盒內(nèi)發(fā)出“叭”的一聲，交流熔絲管隨即熔斷。

(2)檢修方法一通電就熔斷交流熔絲管，說(shuō)明電源盒內(nèi)有嚴(yán)重過電流元件，除短路之外，故障部位一般在高頻開關(guān)變壓器一次繞組之前，通常有以下三種情況：項(xiàng)目四開關(guān)電源1)輸入橋式整流二極管中的某個(gè)二極管被擊穿。由于PC機(jī)電源的高壓濾波電容一般都是220μF左右的大容量電解電容，瞬間工作充電電源達(dá)20A以上，所以瞬間大容量的浪涌電流將會(huì)造成橋堆中某個(gè)質(zhì)量較差的整流管過電流工作，盡管有限流電阻限流，但也會(huì)發(fā)生一些整流管被擊穿的現(xiàn)象，造成燒毀熔絲。2)高壓濾波電解電容C5、C6被擊穿，甚至發(fā)生爆裂現(xiàn)象。由于大容量的電解電容工作電壓一般均接近200V，而實(shí)際工作電壓均已接近額定值。因此當(dāng)輸入電壓產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，或某些電解電容質(zhì)量較差時(shí)，就極容易發(fā)生電容被擊穿現(xiàn)象。更換電容最好選擇耐壓高些的，如300μF／450V的電解電容。項(xiàng)目四開關(guān)電源3)開關(guān)管Vl、V2損壞。由于高壓整流后的輸出電壓一般達(dá)300V左右，逆變功率開關(guān)管的負(fù)載又是感性負(fù)載，漏感所形成的電壓尖峰將有可能使功率開關(guān)管的VCEO的值接近于600V，而Vl、V2的2SC3039所標(biāo)VCEO只有400V左右。因此當(dāng)輸入電壓偏高時(shí)，某些質(zhì)量較差的開關(guān)管將會(huì)發(fā)生E—C之間擊穿現(xiàn)象，從而燒毀熔絲。在選擇逆變功率開關(guān)管時(shí)，對(duì)單管自激式電路中的Vl，要求VCEO必須大于800V，最好1000V以上，而且截止頻率越高越好。另外，要注意的是，由于某些開關(guān)功率管是與激勵(lì)推挽管直接耦合的，故往往是變壓器一次側(cè)電路中的大、小晶體管同時(shí)擊穿。因此，在檢修這種電源時(shí)應(yīng)將前級(jí)的激勵(lì)管一同進(jìn)行檢測(cè)。項(xiàng)目四開關(guān)電源

3．熔絲管完好，但各路直流電壓均零

(1)故障現(xiàn)象故障現(xiàn)象接通電源開關(guān)后，主機(jī)不啟動(dòng)，用萬(wàn)用表測(cè)±5V，±12V均沒有輸出。

(2)檢修方法主機(jī)電源直流輸出的四組電壓：+5V，—5V，+12V，—12V，其中+5V電源輸出功率最大(滿載時(shí)達(dá)20A)，故障率最高，一旦+5V電路有故障時(shí)，整個(gè)電源電路往往自動(dòng)保護(hù)，其他幾路也無(wú)輸出，因此，十5V形成及輸出電路應(yīng)重點(diǎn)檢查。項(xiàng)目四開關(guān)電源

當(dāng)電源在有負(fù)載情況下測(cè)量不出各輸出端的直流電壓時(shí)即認(rèn)為電源無(wú)輸出。這時(shí)應(yīng)先打開電源檢查熔絲，如果熔絲完好，應(yīng)檢查電源中是否有開路、短路現(xiàn)象，過電壓、過電流保護(hù)電路是否發(fā)生誤動(dòng)作等。這類故障常見的有以下三種情況：項(xiàng)目四開關(guān)電源1)限流電阻R1、R2開路。開關(guān)電源采用電容輸入式濾波電路，當(dāng)接通交流電壓時(shí)，會(huì)有較大的合閘浪涌電源(電容充電電流)，而且由于輸出保持能力等的需要，輸入濾波電容也較大，因而合閘浪涌電流比一般穩(wěn)壓電源要高得多，電流的持續(xù)時(shí)間也長(zhǎng)。這樣大的浪涌電流不僅會(huì)使限流電阻或輸入熔絲熔斷，還會(huì)因?yàn)樘摵富蚝更c(diǎn)不飽滿、有空隙而引起長(zhǎng)時(shí)間的放電電流，導(dǎo)致焊點(diǎn)脫落，使電源無(wú)法輸出，一般扼流圈引腳因清漆不凈，常會(huì)發(fā)生該類故障，這種故障重焊即可。項(xiàng)目四開關(guān)電源2)+12V整流半橋塊擊穿。+12V整流二極管采用快速恢復(fù)二極管FRD，而+5V整流二極管采用肖基特二極管SBD。由于FRD的正向壓降要比SBD來(lái)得大，當(dāng)輸出電流增大時(shí)，正向壓降引起的功耗也大，所以十12V整流二極管的故障率較高，選擇整流二極管時(shí)，應(yīng)盡可能選用正向壓降低的整流器件。項(xiàng)目四開關(guān)電源3)晶閘管壞。在檢查中發(fā)現(xiàn)開關(guān)振蕩電路絲毫沒有振蕩現(xiàn)象。從電路上分析能夠影響振蕩電路的只有+5V和+12V，它是通過發(fā)光二極管來(lái)控制振蕩電路的，如果發(fā)光二極管不工作，那么光耦合器將處于截止，開關(guān)晶體管因無(wú)觸發(fā)信號(hào)始終處于截止?fàn)顟B(tài)，影響發(fā)光二極管不能工作的最常見元件就是晶閘管VSl損壞。項(xiàng)目四開關(guān)電源4．啟動(dòng)電源時(shí)發(fā)出“滴嗒”聲(1)故障現(xiàn)象開啟主機(jī)電源開關(guān)后，主機(jī)不啟動(dòng)，電源盒內(nèi)發(fā)出“滴嗒”的怪聲響。(2)檢修方法這種故障一般是輸入的電壓過高或某處的短路造成的大電流使+5V處輸出電壓過高，這樣引起過電壓保護(hù)動(dòng)作，晶閘管也隨之截止，短路消失，使電源重新啟動(dòng)供電。如此周而復(fù)始地循環(huán)，將會(huì)使電源發(fā)生“滴嗒滴嗒”的開關(guān)聲，此時(shí)就關(guān)閉電源進(jìn)行仔細(xì)檢查，找出短路故障處，從而修復(fù)整個(gè)電源。項(xiàng)目四開關(guān)電源另有一種原因是控制集成電路的定時(shí)元件發(fā)生了變化或內(nèi)部不良。用示波器測(cè)量集成控制器TL494輸出的⑧腳和⑩腳，其工作頻率只有8kHz左右，而正常工作時(shí)近20kHz左右。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)定時(shí)元件電容器的容量變大，導(dǎo)致集成控制器定時(shí)振蕩頻率變低，使電源產(chǎn)生重復(fù)性“滴嗒’’聲，整個(gè)電源不能正常工作，只要更換定時(shí)電容后恢復(fù)正常。項(xiàng)目四開關(guān)電源5．某一路無(wú)直流輸出(1)故障現(xiàn)象開機(jī)后，主機(jī)不啟動(dòng)，用萬(wàn)用表檢測(cè)±5V，±12V