电力电子技术开关电源制作与维修

1、电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 电力电子技术电力电子技术 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 项目描述项目描述 开关稳压电源简称开关电源（开关稳压电源简称开关电源（Switching Switching Power SupplyPower Supply），是利用控制开关晶体），是利用控制开关晶体 管开通和关断的时间比率，维持稳定输管开通和关断的时间比率，维持稳定输 出电压的一种电源，由于它不需要沉重出电压的一种电源，由于它不需要沉重 的电源变压器（用轻量高频变压器替的电源变压器（用轻量高频变压器替 代），是一种高效率、高可靠性、小型代），

2、是一种高效率、高可靠性、小型 化、轻型化的稳压电源，是电子设备的化、轻型化的稳压电源，是电子设备的 主流电源。广泛应用于生活、生产、军主流电源。广泛应用于生活、生产、军 事等各个领域。各种计算机设备、彩色事等各个领域。各种计算机设备、彩色 电视机等家用电器等都大量采用了开关电视机等家用电器等都大量采用了开关 电源。电源。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 项目任务书项目任务书 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 相关知识准备相关知识准备 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 30W开关电源30W开关电源 电力电子技术

3、开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 开关器件有许多，经常使用的是场效应晶开关器件有许多，经常使用的是场效应晶 体管体管MOSFETMOSFET、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管IGBTIGBT，在小，在小 功率开关电源上也使用大功率晶体管功率开关电源上也使用大功率晶体管GTRGTR，本，本 实例中使用的是实例中使用的是GTRGTR。 1大功率晶体管大功率晶体管GTR (1)(1)大功率晶体管的结构和工作原理大功率晶体管的结构和工作原理 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器

4、件件 1 1）基本结构）基本结构 通常把集电极最大允许耗散功率通常把集电极最大允许耗散功率 在在1W1W以上，或最大集电极电流在以上，或最大集电极电流在1A1A以上的以上的 三极管称为大功率晶体管，其结构和工作三极管称为大功率晶体管，其结构和工作 原理都和小功率晶体管非常相似。由三层原理都和小功率晶体管非常相似。由三层 半导体、两个半导体、两个PNPN结组成，有结组成，有PNPPNP和和NPNNPN两种两种 结构，其电流由两种载流子（电子和空穴）结构，其电流由两种载流子（电子和空穴） 的运动形成，所以称为双极型晶体管。的运动形成，所以称为双极型晶体管。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技

5、术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 图3-1（a）是NPN型 功率晶体管的内部结构， 电气图形符号如图（b） 所示。大多数GTR是用三 重扩散法制成的，或者是 在集电极高掺杂的N+硅衬 底上用外延生长法生长一 层N漂移层，然后在上面 扩散P基区，接着扩散掺 杂 的N+发射区。 大功率晶体管通常采用共发 射极接法，图3-1（c)给出了 共发射极接法时的功率晶体 管内部主要载流子流动示意 图。图中，1为从基极注入的 越过正向偏置发射结的空穴， 2为与电子复合的空穴，3为 因热骚动产生的载流子构成 的集电结漏电流，4为越过集 电极电流的电子，5为发射极 电子流在基极中因复

6、合而失 去的电子。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 图图3-1 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子流动的结构、电气图形符号和内部载流子流动 (a)GTR的结构的结构 (b）电气图形符号）电气图形符号 (c）内部载流子的）内部载流子的 流动流动 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 图图3-2 常见大功率三极管外形常见大功率三极管外形 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 2 2）工作原理）

7、工作原理 在电力电子技术中，在电力电子技术中，GTRGTR主要工作主要工作 在开关状态。晶体管通常连接称共发射极电在开关状态。晶体管通常连接称共发射极电 路，路，NPNNPN型型GTRGTR通常工作在正偏（通常工作在正偏（I Ib b00）时大）时大 电流导通；反偏（电流导通；反偏（I Ib b00）时处于截止高电压状）时处于截止高电压状 态。因此，给态。因此，给GTRGTR的基极施加幅度足够大的脉的基极施加幅度足够大的脉 冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关 工作状态。工作状态。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知

8、识讲授 开开 关关 器器 件件 (2)GTR的特性与主要参数的特性与主要参数 1）GTR的基本特性的基本特性 截止区 放大区 饱和区 图1-16 O Ic ib3 ib2 ib1 ib1ib2cboBUBUcexcexBUBUcescesBUBUcercerBUBUceoceo，实际使，实际使 用时，为确保安全，最高工作电压要比用时，为确保安全，最高工作电压要比BUBUceoceo低低 得多。得多。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 集电极最大允许电流集电极最大允许电流I IcMcM GTRGTR流过的电流过大，会使流过的电

9、流过大，会使GTRGTR参数劣化，性能将变参数劣化，性能将变 得不稳定，尤其是发射极的集边效应可能导致得不稳定，尤其是发射极的集边效应可能导致GTRGTR 损坏。因此，必须规定集电极最大允许电流值。通损坏。因此，必须规定集电极最大允许电流值。通 常规定共发射极电流放大系数下降到规定值的常规定共发射极电流放大系数下降到规定值的 1/21/21/31/3时，所对应的电流时，所对应的电流I Ic c为集电极最大允许电为集电极最大允许电 流，以流，以I IcMcM表示。实际使用时还要留有较大的安全表示。实际使用时还要留有较大的安全 余量，一般只能用到余量，一般只能用到IcMIcM值的一半或稍多些。值的

10、一半或稍多些。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率P PcMcM 集电极最大耗散功率是在最高工作温度下允许的集电极最大耗散功率是在最高工作温度下允许的 耗散功率，用耗散功率，用P PcMcM表示。它是表示。它是GTRGTR容量的重要标志。容量的重要标志。 晶体管功耗的大小主要由集电极工作电压和工作晶体管功耗的大小主要由集电极工作电压和工作 电流的乘积来决定，它将转化为热能使晶体管升电流的乘积来决定，它将转化为热能使晶体管升 温，晶体管会因温度过高而损坏。实际使用时，温，晶体管会因温度过高而

11、损坏。实际使用时， 集电极允许耗散功率和散热条件与工作环境温度集电极允许耗散功率和散热条件与工作环境温度 有关。所以在使用中应特别注意值有关。所以在使用中应特别注意值I IC C不能过大，不能过大， 散热条件要好散热条件要好 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 最高工作结温最高工作结温T TJMJM GTRGTR正常工作允许的最高结温，正常工作允许的最高结温， 以以T TJMJM表示。表示。GTRGTR结温过高时，会结温过高时，会 导致热击穿而烧坏。导致热击穿而烧坏。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维

12、修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 (3)GTR的二次击穿和安全工作区的二次击穿和安全工作区 3-6 GTR 安全工作安全工作 区区 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 (4) GTR(4) GTR的驱动与保护的驱动与保护 1 1）GTRGTR基极驱动电路基极驱动电路 对基极驱动电路的要求对基极驱动电路的要求 由于由于GTRGTR主电路电压较高，控制主电路电压较高，控制 电路电压较低，所以应实现主电电路电压较低，所以应实现主电 路与控制电路间的电隔离。路与控制电路间的电隔离。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技

13、术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 基极驱动电路基极驱动电路 图图3-73-7是一个简单实用的是一个简单实用的GTRGTR驱动电路。驱动电路。 3-7 实用的实用的GTR驱动电路驱动电路 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 集成化驱动集成化驱动 集成化驱动电路克服了一般电路元件多、电路复杂、集成化驱动电路克服了一般电路元件多、电路复杂、 稳定性差和使用不便的缺点，还增加了保护功能。稳定性差和使用不便的缺点，还增加了保护功能。 如法国如法国THOMSONTHOMSON公司为公司为GTRGTR专门设计的

14、基极驱动芯片专门设计的基极驱动芯片 UAA4002UAA4002。采用此芯片可以简化基极驱动电路，提高。采用此芯片可以简化基极驱动电路，提高 基极驱动电路的集成度、可靠性、快速性。它把对基极驱动电路的集成度、可靠性、快速性。它把对 GTRGTR的完整保护和最优驱动结合起来，使的完整保护和最优驱动结合起来，使GTRGTR运行于运行于 自身可保护的准饱和最佳状态。自身可保护的准饱和最佳状态。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 2）GTR的保护电路的保护电路 3-8 GTR的缓冲电路的缓冲电路 电力电子技术开关电源制作与维修电力电

15、子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 功率场效应晶体管功率场效应晶体管MOSFET: 功率场效应晶体管（功率场效应晶体管（Metal Oxide Metal Oxide Semiconductor Field Effect TransistorSemiconductor Field Effect Transistor） 简称简称MOSFETMOSFET。与。与GTRGTR相比，功率相比，功率MOSFETMOSFET具有开具有开 关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击 穿现象等优点。它的缺点是电压还不能太高、穿现象等优点。它的缺

16、点是电压还不能太高、 电流容量也不能太大。所以目前只适用于小电流容量也不能太大。所以目前只适用于小 功率电力电子变流装置。功率电力电子变流装置。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 （1）功率）功率MOSFET的结构及工作原理的结构及工作原理 1）结构）结构 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 几几 种种 功功 率率 场场 效效 应应 晶晶 体体 管管 的的 外外 形形 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关

17、 器器 件件 2）工作原理）工作原理 当当D D、S S加正电压（漏极为正，源极为负），加正电压（漏极为正，源极为负），U UGS=0GS=0时，时，P P 体区和体区和N N漏区的漏区的PNPN结反偏，结反偏，D D、S S之间无电流通过；如果在之间无电流通过；如果在 G G、S S之间加一正电压之间加一正电压U UGSGS，由于栅极是绝缘的，所以不会，由于栅极是绝缘的，所以不会 有电流流过，但栅极的正电压会将其下面有电流流过，但栅极的正电压会将其下面P P区中的空穴推区中的空穴推 开，而将开，而将P P区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P P区区 表面

18、。当表面。当U UGSGS大于某一电压大于某一电压U UT T时，栅极下时，栅极下P P区表面的电子区表面的电子 浓度将超过空穴浓度，从而使浓度将超过空穴浓度，从而使P P型半导体反型成型半导体反型成N N型半导型半导 体而成为反型层，该反型层形成体而成为反型层，该反型层形成N N沟道而使沟道而使PNPN结结J1J1消失，消失， 漏极和源极导电。电压漏极和源极导电。电压U UT T称开启电压或阀值电压，称开启电压或阀值电压，U UGSGS超超 过过U UT T越多，导电能力越强，漏极电流越大。越多，导电能力越强，漏极电流越大。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识

19、讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 （2）功率）功率MOSFET的特性与参数的特性与参数 1）功率）功率MOSFET的特性的特性 转移特性转移特性 输出特性输出特性 开关特性开关特性 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开开 关关 器器 件件 功率功率MOSFET的开关过程的开关过程 （a）MOSFET开关特性的测试电路开关特性的测试电路 （b）波形）波形 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 二、二、DC/DCDC/DC变换电路变换电路 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲

20、授知识讲授 开关开关 状态状态 控制控制 电路电路 1开关状态控制方式的种类 开关电源中，开关器件开关状态的控制 方式主要有占空比控制和幅度控制两大 类。 （1）占空比控制方式 占空比控制又 包括脉冲宽度控制和脉冲频率控制两大 类。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开关开关 状态状态 控制控制 电路电路 1)脉冲宽度控制 脉冲宽度控制是指开关工作频 率(即开关周期T)固定的情况下直接通过改变导 通时间(TON)来控制输出电压Uo大小的一种方式。 因为改变开关导通时间TON就是改变开关控制电 压UC的脉冲宽度，因此又称脉冲宽度调制(PWM) 控制。

21、 2)脉冲频率控制 脉冲频率控制是指开关控制电 压UC的脉冲宽度(即TON)不变的情况下，通过改 变开关工作频率(改变单位时间的脉冲数，即改 变T)而达到控制输出电压Uo大小的一种方式，又 称脉冲频率调制(PFM)控制。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开关开关 状态状态 控制控制 电路电路 （2）幅度控制方式）幅度控制方式 即通过改变开关的即通过改变开关的 输入电压输入电压Us的幅值而控制输出电压的幅值而控制输出电压Uo 大小的控制方式，但要配以滑动调节器。大小的控制方式，但要配以滑动调节器。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源

22、制作与维修 知识讲授知识讲授 开关开关 状态状态 控制控制 电路电路 2PWM控制电路的基本构成和原理控制电路的基本构成和原理 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开关开关 状态状态 控制控制 电路电路 工作过程如下：工作过程如下：输出开关管在锯齿波的起始输出开关管在锯齿波的起始 点被导通。由于锯齿波电压比误差放大器的点被导通。由于锯齿波电压比误差放大器的 输出电压低，所以输出电压低，所以PWMPWM比较器的输出较高，因比较器的输出较高，因 为同步信号已在斜坡电压的起始点使倒相电为同步信号已在斜坡电压的起始点使倒相电 路工作，所以脉冲倒相电路将这个高

23、电位输路工作，所以脉冲倒相电路将这个高电位输 出使出使V1V1导通，当斜坡电压比误差放大器的输导通，当斜坡电压比误差放大器的输 出高时，出高时，PWMPWM比较器的输出电压下降，通过脉比较器的输出电压下降，通过脉 冲倒相电路使冲倒相电路使V1V1截止，下一个斜坡周期则重截止，下一个斜坡周期则重 复这个过程。复这个过程。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开关开关 状态状态 控制控制 电路电路 3 PWM控制器集成芯片介绍控制器集成芯片介绍 （1） SG152 4/2524/ 3524 系系 列列PWM 控制器控制器 电力电子技术开关电源制作与维修电

24、力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开关开关 状态状态 控制控制 电路电路 SG1524 工作波形工作波形 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开关开关 状态状态 控制控制 电路电路 SG3524的引脚连接的引脚连接 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开关开关 状态状态 控制控制 电路电路 （2）SG3525A PWM控制器控制器 SG3525A是是SG3524的改进型，凡是利用的改进型，凡是利用 SG1524/SG2524/SG3524的开关电源电路都的开关电源电路都 可以用可以用SG352

25、5A来代替。应用时应注意两者来代替。应用时应注意两者 的引脚连接的不同。的引脚连接的不同。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开关开关 状态状态 控制控制 电路电路 SG3525A的内部原理图的内部原理图 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开关开关 状态状态 控制控制 电路电路 引脚号引脚号功功 能能引脚号引脚号功功 能能 1IN 误差放大器反 误差放大器反 向输入向输入 9COMP频率补偿频率补偿 2IN 误差放大器同 误差放大器同 向输入向输入 10SD关断控制关断控制 3SYNC同步同步11OUT

26、A输出输出A 4OUTosc振荡器输出振荡器输出12GND地地 5CT定时电容器定时电容器13VC集电极电压集电极电压 6RT定时电阻定时电阻14OUTB输出输出B 7DIS放电放电15Ui输入电压输入电压 8SS软启动软启动16UREF基准电压基准电压 SG3525A的引脚连接的引脚连接 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开关开关 状态状态 控制控制 电路电路 （3）SG3525A的典型应用电路的典型应用电路 1）SG3525A驱动驱动MOSFET管的推挽式驱动管的推挽式驱动 电路如下图所示。其输出幅度和拉灌电流能电路如下图所示。其输出幅度和拉灌

27、电流能 力都适合于驱动功率力都适合于驱动功率MOSFET管。管。 SG3525A的两个输出端交替输出驱动脉冲，的两个输出端交替输出驱动脉冲， 控制两个控制两个MOSFET管交替导通。管交替导通。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开关开关 状态状态 控制控制 电路电路 SG3525A驱动驱动MOSFET管的推挽式驱动电路管的推挽式驱动电路 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 开关开关 状态状态 控制控制 电路电路 SG3525A驱动驱动MOS管的半桥驱动电路管的半桥驱动电路 电力电子技术开关电源制作与维修

28、电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 其他其他 电路电路 1过电压保护电路过电压保护电路 过电压保护是一种对输出过电压保护是一种对输出 端子间过大电压进行负载端子间过大电压进行负载 保护的功能。一般方式是保护的功能。一般方式是 采用稳压管，下图是过电采用稳压管，下图是过电 压保护电路的典型实例。压保护电路的典型实例。 过电压保护电路过电压保护电路 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 其他其他 电路电路 2过电流保护电路过电流保护电路 过电流保护是一种电源负载保护功能，以避免过电流保护是一种电源负载保护功能，以避免 发生包括输出端子上的短路

29、在内的过负载输出发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出 电流对电源和负载的损坏。电流对电源和负载的损坏。 过电流过电流 保护电保护电 路路 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 知识讲授知识讲授 其他其他 电路电路 3软启动电路软启动电路 开关电源的输入电路一般采用整流和电开关电源的输入电路一般采用整流和电 容滤波电路。输入电源未接通时，滤波容滤波电路。输入电源未接通时，滤波 电容器上的初始电压为零。在输入电源电容器上的初始电压为零。在输入电源 接通的瞬间，滤波电容器快速充电，产接通的瞬间，滤波电容器快速充电，产 生一个和大的冲击电流。生一个和大的冲击电流。 电力电子

30、技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 项目方案确定项目方案确定 1、分小组讨论，分析阐述各自计划和电路图确定方案， 说明方案选择理由。 项目名称项目名称 计划和方案阐述：计划和方案阐述： 选选 择择 理理 由由 电路模块优点缺点成本估算 方 案 一 主电路 控制电路 方 案 二 主电路 控制电路 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 u老师指导确定最终老师指导确定最终 电路图方案。电路图方案。 项目方案确定项目方案确定 u每组选派一位每组选派一位 成员阐述电路安成员阐述电路安 装调试方案。装调试方案。 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 维修记录表维修记录表 调试记录表调试记录表 元器件测试记录表元器件测试记录表 询价单询价单 元器件清单元器件清单 项目计划制订项目计划制订 制订项目计制订项目计 划实施表划实施表 设计实施记录表设计实施记录表 元器件清单元器件清单 询价单询价单 元器件测试记录表元器件测试记录表 调试记录表调试记录表 维修记录表维修记录表 项目实施计划表项目实施计划表 电力电子技术开关电源制作与维修电力电子技术开关电源制作与维修 项目实施项目实施 采购元器件采购元器件 1