开关电源原理、设计及实例[陈纯锴][电子教案(PPT版本)]第6章

1、 输出整流滤波电路的作用是将高频变压器次级回路中方输出整流滤波电路的作用是将高频变压器次级回路中方波电压整流成单向脉动直流，并将其平滑成符合要求的低纹波波电压整流成单向脉动直流，并将其平滑成符合要求的低纹波直流电压。二次整流电路一般都为高频整流电路，普通的直流电压。二次整流电路一般都为高频整流电路，普通的PN结结二极管恢复时间长、效率低，不适合开关电源的二次整流，通二极管恢复时间长、效率低，不适合开关电源的二次整流，通常二次整流采用高频快速开关二极管。作为高频开关变换器输常二次整流采用高频快速开关二极管。作为高频开关变换器输出整流用的功率二极管，应当具有开关速度快、导通电阻小、出整流用的功率二

2、极管，应当具有开关速度快、导通电阻小、正向压降小，截止时反向漏电流小，反向恢复时间短等特点。正向压降小，截止时反向漏电流小，反向恢复时间短等特点。这些特点的优势在高频大功率输出的开关稳压电源中表现得尤这些特点的优势在高频大功率输出的开关稳压电源中表现得尤为突出。为突出。二极管的性能参数和计算二极管的性能参数和计算1功率二极管模型功率二极管模型工作在高频下的功率二极管，工作在高频下的功率二极管，必须考虑引线及器件的寄生参数的必须考虑引线及器件的寄生参数的影响，其等效电路模型如图影响，其等效电路模型如图6-1所所示。图中示。图中D为理想二极管，为理想二极管，L代表代表封装引线电感，封装引线电感，C

3、j为结电容，为结电容，RP为为高阻值并联电阻，高阻值并联电阻，Ra为引线电阻。为引线电阻。二极管的性能参数和计算二极管的性能参数和计算2功率二极管的性能参数功率二极管的性能参数(1)正向平均电流正向平均电流 IF指二极管长期运行时，在指定壳温、规定散热条件下二指二极管长期运行时，在指定壳温、规定散热条件下二极管流过工频正弦半波的平均电流。此电流下正向压降引起的极管流过工频正弦半波的平均电流。此电流下正向压降引起的损耗使结温升高，不超过允许温升。目前大功率整流二极管的损耗使结温升高，不超过允许温升。目前大功率整流二极管的IF值可达值可达1000A。(2)反向击穿电压反向击穿电压 VBR指二极管反

4、向击穿时的电压值。击穿时，反向电流剧增，指二极管反向击穿时的电压值。击穿时，反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至因过热而烧坏。二极管的单向导电性被破坏，甚至因过热而烧坏。二极管的性能参数和计算二极管的性能参数和计算 (3)正向导通压降正向导通压降VDF 从关断到导通的过渡过程中，二极管有一个正向恢复过从关断到导通的过渡过程中，二极管有一个正向恢复过程，如图程，如图6-2所示。其持续时间称为正向恢复时间所示。其持续时间称为正向恢复时间tfr；在正向恢；在正向恢复过程中，二极管电流复过程中，二极管电流iD由零上升到由零上升到IF，而二极管电压，而二极管电压VD阶跃阶跃上升到正向恢复电压（峰

5、值）上升到正向恢复电压（峰值）VFRM，其典型值在，其典型值在5V至至20V之间，之间，但在但在tfr时间内时间内VD又从又从VFRM衰减到稳态正向电压衰减到稳态正向电压VDF，因此，正，因此，正向恢复过程中，二极管的正向功耗比稳态导通损耗要大，并且，向恢复过程中，二极管的正向功耗比稳态导通损耗要大，并且，正向恢复电压正向恢复电压VFRM其值比其值比VDF大得多，加到电路中的其它元器大得多，加到电路中的其它元器件上可能会产生故障。件上可能会产生故障。二极管的性能参数和计算二极管的性能参数和计算二极管的性能参数和计算二极管的性能参数和计算（4）反向漏电流及反向电压）反向漏电流及反向电压反向漏电流

6、反向漏电流IR指二极管未击穿时的反向电流，决定了二指二极管未击穿时的反向电流，决定了二极管关断状态的损耗。一般说，反向漏电流应当是很小的，但极管关断状态的损耗。一般说，反向漏电流应当是很小的，但在反向过渡过程中，反向电流峰值在反向过渡过程中，反向电流峰值IRM对关断损耗的作用却是不对关断损耗的作用却是不可忽视的。而且反向漏电流随结温上升呈指数规律上升。可忽视的。而且反向漏电流随结温上升呈指数规律上升。功率二极管的反向额定电压（或反向阻断电压），又称功率二极管的反向额定电压（或反向阻断电压），又称反压峰值（反压峰值（Peak Inverse Voltage，简称，简称PIV），是由允许的），是由

7、允许的反向漏电流大小决定的。当二极管上所加反向电压大于反向漏电流大小决定的。当二极管上所加反向电压大于PIV值值时，反向漏电流将大幅度上升。时，反向漏电流将大幅度上升。二极管的性能参数和计算二极管的性能参数和计算（5）反向恢复时间）反向恢复时间反向恢复时间是衡量高频整流及续流器件性能的重要技反向恢复时间是衡量高频整流及续流器件性能的重要技术指标。术指标。二极管的性能参数和计算二极管的性能参数和计算图图6-3给出二极管从导通给出二极管从导通到完全关断的过渡过程中到完全关断的过渡过程中电流电流iD、电压、电压VD变化曲线。变化曲线。其中其中t1tt3为二极管的反为二极管的反向恢复过程。图中，向恢复

8、过程。图中，IF为为正向电流，正向电流，IRm为最大反为最大反向恢复电流，向恢复电流，Irr为反向恢为反向恢复电流。复电流。反向恢复时间反向恢复时间trr是从正向电流过零到电流反向并转换到是从正向电流过零到电流反向并转换到其峰值的其峰值的10%时的时间间隔，如图时的时间间隔，如图6-3所示，反向恢复时间所示，反向恢复时间trr= t3-t1。当。当tt0时，时，iD=IF。当。当tt0时，由于整流管上的正向电压突时，由于整流管上的正向电压突然反向，因此正向电流迅速减小，在然反向，因此正向电流迅速减小，在t=t1时刻，整流管电流时刻，整流管电流iD=0，然后，电流反向，并且反向电流逐渐增大，在，

9、然后，电流反向，并且反向电流逐渐增大，在t=t2时刻时刻达到最大反向电流达到最大反向电流IRm。此后反向电流逐渐减小，并且在。此后反向电流逐渐减小，并且在t=t3时时刻达到规定值刻达到规定值Irr。影响二极管反向恢复性能的主要参数是反向恢复电荷影响二极管反向恢复性能的主要参数是反向恢复电荷Qrr，大小等于电流大小等于电流iD曲线在反向恢复时间内与横轴时间轴包围的面曲线在反向恢复时间内与横轴时间轴包围的面积，计算公式如下：积，计算公式如下：0/ 2rrtrrDrrRmQi dttI二极管的性能参数和计算二极管的性能参数和计算反向电流越大，二极管反向恢复时间也越长。反向电流越大，二极管反向恢复时间

10、也越长。一般说，二极管的一般说，二极管的PIV越高，则越高，则trr越长；而用减少存储越长；而用减少存储电荷的方法降低电荷的方法降低trr，正向压降又要上升。所以低频（，正向压降又要上升。所以低频（50Hz）整）整流用的二极管，其正向压降总要小于高频（流用的二极管，其正向压降总要小于高频（20-100kHz）整流）整流二极管的二极管的VDF。例如，。例如，200V的普通的普通PN结二极管，正向压降约结二极管，正向压降约1.2V，trr=50us；而；而200V/30A 超快恢复二极管的正向压降超快恢复二极管的正向压降约约1.6V，trr=50ns。此外，反向电流峰值。此外，反向电流峰值IRm大

11、，表示二极管的大，表示二极管的电流应力大，电流应力大，IRm的大小取决于与二极管串联的电阻，显然，的大小取决于与二极管串联的电阻，显然，iD下降速度越快，下降速度越快，IRm也越大。在也越大。在iD达到达到-IRm以前，二极管仍处于以前，二极管仍处于正向导通状态（二极管上有正向电压降），这就限制了二极管正向导通状态（二极管上有正向电压降），这就限制了二极管所能工作的最大频率。因为频率越高，则周期越短，反向恢复所能工作的最大频率。因为频率越高，则周期越短，反向恢复时间在一周期内所占比例越大，因而二极管的关断损耗也越大。时间在一周期内所占比例越大，因而二极管的关断损耗也越大。二极管的性能参数和计算

12、二极管的性能参数和计算(6)导通损耗导通损耗PF整流二极管一周内导通损耗平均值为整流二极管一周内导通损耗平均值为对于全桥、推挽、半桥式电路而言，次级整流电路的工对于全桥、推挽、半桥式电路而言，次级整流电路的工作周期相当于初级工作周期的一半，将作周期相当于初级工作周期的一半，将 代入得代入得当当 接近接近1时，时， /FDFF ONPVI tT/2ONtT/ 2FDFFPVI/ 2FDFFPVI二极管的性能参数和计算二极管的性能参数和计算正向导通压降正向导通压降VDF影响二极管的导通损耗影响二极管的导通损耗PF=VDFIF，从而影，从而影响到开关变换器的效率。在稳压电源的输出电压较低时，如响到开

13、关变换器的效率。在稳压电源的输出电压较低时，如5V或或4V，甚至更低，甚至更低3V的开关变换器中，的开关变换器中，VDF的大小对变换器的效率的大小对变换器的效率高低有重要影响。开关变换器的输出电压高低有重要影响。开关变换器的输出电压VO越低，则越低，则VDF/VO越大，越大，当当IF=IO时，时，PF/PO也越大，电源的效率就低。例如，整流二极管也越大，电源的效率就低。例如，整流二极管的正向压降的正向压降VF为为1.2V时，输出电压时，输出电压VO为为5V，稳压电源的效率损，稳压电源的效率损失超过失超过20%。同时，输出电流越大，正向压降引起的功耗也越大，对于同时，输出电流越大，正向压降引起的

14、功耗也越大，对于输出电流达到输出电流达到100A左右的稳压电源，导通损耗达到左右的稳压电源，导通损耗达到120W，因此，因此要有足够大的散热器，这会增加稳压电源的体积和重量。要有足够大的散热器，这会增加稳压电源的体积和重量。 选择整选择整流二极管时，应选用正向压降低的二极管以提高效率，也可以采流二极管时，应选用正向压降低的二极管以提高效率，也可以采用大电流器件降额使用、多只并联，以便减小正向压降。用大电流器件降额使用、多只并联，以便减小正向压降。二极管的性能参数和计算二极管的性能参数和计算 (7)关断损耗关断损耗PiD 随着工作频率的提高，反向恢复时间在周期中占有的比例随着工作频率的提高，反向

15、恢复时间在周期中占有的比例亦随之增大，关断损耗亦增大，因而，反向恢复时间在一定程度亦随之增大，关断损耗亦增大，因而，反向恢复时间在一定程度上限制了电路工作频率的提高。关断损耗平均值可以由下面公式上限制了电路工作频率的提高。关断损耗平均值可以由下面公式近似计算：近似计算：其中其中IRM为反向峰值电流，为反向峰值电流，VR为稳态时施加的反向电压，为稳态时施加的反向电压，trr为反向恢复时间，为反向恢复时间，T为周期。为周期。开关电源用开关整流二极管不仅应有短的反向恢复时间和开关电源用开关整流二极管不仅应有短的反向恢复时间和小的反向恢复电流，而且反向电流的恢复以缓慢为好，即所谓软小的反向恢复电流，而

16、且反向电流的恢复以缓慢为好，即所谓软恢复，以降低噪声。恢复，以降低噪声。二极管的性能参数和计算二极管的性能参数和计算12rriDRMRtPIVT综上所述，在设计整流电路时，选择功率二极管应考虑以下几点：综上所述，在设计整流电路时，选择功率二极管应考虑以下几点：(1)正向压降正向压降VDF应小，以减少导通损耗、提高效率，尤其是大电应小，以减少导通损耗、提高效率，尤其是大电流、低电压输出的电路。流、低电压输出的电路。(2)反向恢复电流峰值反向恢复电流峰值TRm要小，与之相关的反向恢复时间要小，与之相关的反向恢复时间trr应小，应小，尤其是二极管以很高的尤其是二极管以很高的di/dt从正向导通状态直

17、接反向时，更为重从正向导通状态直接反向时，更为重要，以降低开关损耗。要，以降低开关损耗。(3)正向恢复电压正向恢复电压VFRM要小，尤其是用要小，尤其是用PIV值高的整流管，及用超值高的整流管，及用超快恢复二极管时。快恢复二极管时。(4)反向漏电流反向漏电流IR小，尤其是高电压和高结温应用的场合。小，尤其是高电压和高结温应用的场合。(5)整流管实际承受的最大反向峰值电压为整流管实际承受的最大反向峰值电压为U(BR)S，所选整流管的，所选整流管的最大反向峰值电压为最大反向峰值电压为URM，要求，要求URM2U(BR)S。(6)其额定整流电流其额定整流电流ID，一般要求，一般要求ID3IOM，IO

18、M为最大连续输出电流。为最大连续输出电流。在开关电源次级输出整流部分，一般选用反向恢复时间在开关电源次级输出整流部分，一般选用反向恢复时间较短的功率整流管，常用的主要有快恢复二极管、超快速恢复较短的功率整流管，常用的主要有快恢复二极管、超快速恢复二极管、肖特基势垒二极管。二极管、肖特基势垒二极管。快速恢复二极管和超快恢复二极管是极有发展前途的电快速恢复二极管和超快恢复二极管是极有发展前途的电力电子半导体器件，具有开关特性好、反向恢复时间短、耐压力电子半导体器件，具有开关特性好、反向恢复时间短、耐压高、正向电流大、体积小、安装简便等优点。这两种整流二极高、正向电流大、体积小、安装简便等优点。这两

19、种整流二极管还减少了开关电压尖峰。而这种尖峰直接影响输出直流电压管还减少了开关电压尖峰。而这种尖峰直接影响输出直流电压的波纹。可广泛用于的波纹。可广泛用于PWM脉宽调制器、开关电源、不间断电脉宽调制器、开关电源、不间断电源（源（UPS）、高频加热装置、交流电机变频调速等领域，作为）、高频加热装置、交流电机变频调速等领域，作为高频、大电流的整流二极管、续流二极管或阻塞二极管。高频、大电流的整流二极管、续流二极管或阻塞二极管。1.快恢复二极管快恢复二极管快恢复二极管（快恢复二极管（Fast Recovery Diode，缩写为，缩写为FRD）是指反向恢复时间很短，一般小于是指反向恢复时间很短，一般

20、小于5us，迅速由导通状态过渡，迅速由导通状态过渡到关断状态的到关断状态的PN结整流管。在制造工艺上采用掺金措施，结构结整流管。在制造工艺上采用掺金措施，结构上有的采用上有的采用PN结型结构，有的采用改进的结型结构，有的采用改进的PIN结构，可获得较结构，可获得较高的开关速度和较高的耐压。从性能上可分为快恢复和超快恢高的开关速度和较高的耐压。从性能上可分为快恢复和超快恢复两个等级，前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在复两个等级，前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100纳秒以下，大大提高了电源的效率。纳秒以下，大大提高了电源的效率。PIN结型二极管与普通结型二极管与普通PN结二极管

21、不同，即在结二极管不同，即在P型硅材型硅材料与料与N型硅材料中间增加了基区型硅材料中间增加了基区I，构成，构成P-I-N硅片。由于基区很硅片。由于基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短。短。在同等容量下在同等容量下PIN型结构二极管具有正向导通压降低，型结构二极管具有正向导通压降低，反向恢复时间短等优点。对于不同型号的二极管来说，二极管反向恢复时间短等优点。对于不同型号的二极管来说，二极管的耐压越高，电流越大，恢复时间就越长，导通压降就越高。的耐压越高，电流越大，恢复时间就越长，导通压降就越高。快恢复二极管用于开关频

22、率不太高快恢复二极管用于开关频率不太高(2050kHz)的输出整流。的输出整流。快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百纳秒，正向电快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百纳秒，正向电流是几安培至几千安培，反向峰值电压可达几百伏至几千伏。流是几安培至几千安培，反向峰值电压可达几百伏至几千伏。常用的小电流快恢复二极管的主要型号有常用的小电流快恢复二极管的主要型号有FRl01-FRl07(1A，501000V)、FR301-FR307(3A，501000V)等，可用于辅等，可用于辅助开关电源的输出整流。在选择快速恢复整流二极管时，其反助开关电源的输出整流。在选择快速恢复整流二极管时，其反向恢复时间向恢复时

23、间trr至少应该比开关晶体管的上升时间低三倍。至少应该比开关晶体管的上升时间低三倍。2.超快恢复二极管超快恢复二极管超快恢复二极管（超快恢复二极管（Ultra-Fast Recovery Diode，缩写为，缩写为UFRD）则是在快恢复二极管基础上发展而成的，）则是在快恢复二极管基础上发展而成的， 其反向恢复电其反向恢复电荷进一步减小，反向恢复时间更短，荷进一步减小，反向恢复时间更短，trr值可低至几十值可低至几十ns。UFRD的优点是正向导通损耗小，结电容小，运行温度可较高，允许的的优点是正向导通损耗小，结电容小，运行温度可较高，允许的结温在结温在175左右。左右。UFRD一般用于开关频率在

24、一般用于开关频率在50kHz以上的整以上的整流模块的输出整流。流模块的输出整流。用在开关电源中输出整流的快速及超快速恢复整流二极管，用在开关电源中输出整流的快速及超快速恢复整流二极管，是否需要加装散热器，要根据电路的最大输出功率来决定。是否需要加装散热器，要根据电路的最大输出功率来决定。型型号为号为1N6620-1N663l的高电压超快恢复二极管的高电压超快恢复二极管(PINl000v)trr为为35或或50ns，并且在高温下反向电流小、正向恢复电压低，适用，并且在高温下反向电流小、正向恢复电压低，适用于高电压输出于高电压输出(要求要求PIV为为600v)的开关变换器。型号为的开关变换器。型号

25、为1N5802-1N5816，1N6304-1N6306的的UFRD，其，其PIV400V，可用于，可用于24V或或48V输出输出(要求二极管的反向额定电压分别为要求二极管的反向额定电压分别为150V和和400V)的开的开关变换器。关变换器。20A以下的快恢复二极管及超快恢复二极管大多采用以下的快恢复二极管及超快恢复二极管大多采用TO-220FP封装。几十封装。几十A以上的大功率快恢复、超快恢复二极管以上的大功率快恢复、超快恢复二极管一般采用顶部带金属散热片的一般采用顶部带金属散热片的TO-3P金属壳封装，更大容量金属壳封装，更大容量（几百（几百A至几至几kA）的管子则采用螺栓型或平板型封装。

26、从内部）的管子则采用螺栓型或平板型封装。从内部结构看，快恢复二极管及超快恢复二极可分成单管、对管两种。结构看，快恢复二极管及超快恢复二极可分成单管、对管两种。对管内部包含两只快恢复或超快恢复二极管，根据两只二极管对管内部包含两只快恢复或超快恢复二极管，根据两只二极管接法的不同，接法的不同， 又有共阴对管、共阳对管之分。如图又有共阴对管、共阳对管之分。如图6-4所示为所示为C20-04型单管快恢复二极管、型单管快恢复二极管、C92-02型共阴对管、型共阴对管、MUR1680A型共阳对管超快恢复二极管构造。型共阳对管超快恢复二极管构造。常用的小功率快恢复二极管有常用的小功率快恢复二极管有FR系列和

27、系列和PFR系列等，其系列等，其主要参数见表主要参数见表6-1。常用的中、大功率快恢复二极管有。常用的中、大功率快恢复二极管有RC系列、系列、MUR系列、系列、CTL系列等，其主要参数见表系列等，其主要参数见表6-2。肖特基势垒二极管（肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode，英文缩，英文缩写为写为SBD）简称肖特基二极管或肖特基管，是一种低压、低功）简称肖特基二极管或肖特基管，是一种低压、低功耗、大电流、超高速半导体功率器件，具有开关耗、大电流、超高速半导体功率器件，具有开关频率频率高和正向高和正向压降低等优点，广泛应用于开关电源、变频器、驱动器等电路，压降低等优点，广

28、泛应用于开关电源、变频器、驱动器等电路，作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管使用。使用。肖特基二极管在结构原理上与肖特基二极管在结构原理上与PN结二极管有很大区别。结二极管有很大区别。普通普通PN结二极管利用结二极管利用P型型半导体半导体与与N型半导体接触形成型半导体接触形成PN结具结具有单向导电性有单向导电性原理原理制作的，而肖特基二极管则以贵金属金、银、制作的，而肖特基二极管则以贵金属金、银、铂、钼、镍、钛等为阳极，以铂、钼、镍、钛等为阳极，以N型半导体为阴极，利用二者接型半导体为阴极，利用二者接触面上形成的势垒具有整

29、流特性而制成的金属触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。半导体器件。因为因为N型半导体中存在着大量的电子，贵金属中仅有极型半导体中存在着大量的电子，贵金属中仅有极少量的自由电子，所以电子便从浓度高的少量的自由电子，所以电子便从浓度高的N型半导体中向浓度型半导体中向浓度低的金属中中扩散。显然，金属中没有空穴，也就不存在空穴低的金属中中扩散。显然，金属中没有空穴，也就不存在空穴的扩散运动。随着电子的不断扩散，的扩散运动。随着电子的不断扩散，N型半导体表面电子浓度型半导体表面电子浓度逐渐降低，表面电中性被破坏，于是就形成势垒。在该电场作逐渐降低，表面电中性被破坏，于是就形成势垒。在该

30、电场作用之下，金属中的电子也会向用之下，金属中的电子也会向N型半导体中漂移运动，从而消型半导体中漂移运动，从而消弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电空间电荷区荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒。运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒。典型的肖特基整流管的内部结构如图典型的肖特基整流管的内部结构如图6-5所示，以所示，以N型半型半导体为基片，在上面形成用砷作掺杂剂的导体为基片，在上面形成用砷作掺杂剂的N-外延层。外延层。阳极

31、阳极使用使用钼或铝等材料制成阻档层，用二氧化硅来消除边缘区域的电场，钼或铝等材料制成阻档层，用二氧化硅来消除边缘区域的电场，提高管子的耐压值。提高管子的耐压值。N型基片具有很小的通态型基片具有很小的通态电阻电阻，其掺杂浓，其掺杂浓度较度较N-层要高层要高100%倍。在倍。在N型基片下边与阴极金属之间形成型基片下边与阴极金属之间形成N+阴极阴极层，其作用是减小阴极的接触电阻。层，其作用是减小阴极的接触电阻。通过调整结构参数，通过调整结构参数，N型基片和阳极金属之间便形成肖型基片和阳极金属之间便形成肖特基势垒。当在肖特基势垒两端加上正向偏压（阳极金属接特基势垒。当在肖特基势垒两端加上正向偏压（阳极

32、金属接电电源源正极，正极，N型基片接电源负极）时，肖特基势垒层变窄，其内型基片接电源负极）时，肖特基势垒层变窄，其内阻变小；反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时，肖特基阻变小；反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时，肖特基势垒层则变宽，其内阻变大。势垒层则变宽，其内阻变大。现有的大多数肖特基二极管都是采用硅半导体材料，但现有的大多数肖特基二极管都是采用硅半导体材料，但20世纪世纪90年代以来，也出现了采用砷化镓年代以来，也出现了采用砷化镓(GaAs)半导体材料半导体材料做成做成SBD。近年来，采用硅。近年来，采用硅平面工艺平面工艺制造的铝硅肖特基二极管制造的铝硅肖特基二极管也已问世，这不仅可

33、节省贵金属，大幅度降低成本，还改善了也已问世，这不仅可节省贵金属，大幅度降低成本，还改善了参数的一致性。参数的一致性。肖特基二极管以多数载流子电子输送电荷，在势垒外侧肖特基二极管以多数载流子电子输送电荷，在势垒外侧无过剩少数载流子的积累，因此在开关时没有少数载流子储存无过剩少数载流子的积累，因此在开关时没有少数载流子储存电荷和移动效应，所以其电荷和移动效应，所以其反向恢复时间反向恢复时间trr甚短，开关特性得到甚短，开关特性得到明显改善。明显改善。与普通硅二极管比较，肖特基二极管具有下列特点：与普通硅二极管比较，肖特基二极管具有下列特点：(1)反向恢复时间可缩短到反向恢复时间可缩短到10ns以

34、内，而且与反向以内，而且与反向di/dt无关，无关，可在更高频率下工作。可在更高频率下工作。(2)具有较低的正向导通压降，介于具有较低的正向导通压降，介于PN结二极管锗管与硅管之结二极管锗管与硅管之间，约为间，约为0.3-0.8V，典型值为，典型值为0.55V。而且，随着结温的增加，。而且，随着结温的增加，其正向压降更低，导通损耗小，能提高开关电源的效率。其正向压降更低，导通损耗小，能提高开关电源的效率。(3)肖特基二极管整流电流从几千毫安到数百安，并且很容易通肖特基二极管整流电流从几千毫安到数百安，并且很容易通过并联而扩大容量，即不需加均流电阻而可直接并联，亦可两过并联而扩大容量，即不需加均

35、流电阻而可直接并联，亦可两只配对并联后封装成组件。只配对并联后封装成组件。(4)反向漏电流比较大，可达数十毫安，有一定的热损耗，更容反向漏电流比较大，可达数十毫安，有一定的热损耗，更容易受热击穿，使用时需要提供瞬时过压保护及适当控制结温。易受热击穿，使用时需要提供瞬时过压保护及适当控制结温。(5)反向击穿电压反向击穿电压比较低，约为比较低，约为40V-50V，最高反向工作电压一，最高反向工作电压一般不超过般不超过100V，广泛应用于低电压大电流电源中。当输出电压，广泛应用于低电压大电流电源中。当输出电压高于高于30V时，须用耐压时，须用耐压100V以上的超快恢复二极管来代以上的超快恢复二极管来

36、代 替肖特基二极管。替肖特基二极管。中、小功率肖特基二极管大多采用中、小功率肖特基二极管大多采用TO-220封装。典型产封装。典型产品有品有Motorola公司生产的公司生产的MBR系列肖特基二极管。常用的肖系列肖特基二极管。常用的肖特基二极管主要参数如表特基二极管主要参数如表6-3所示。所示。以上几种整流二极管的以上几种整流二极管的典型伏安特性如图典型伏安特性如图6-6所示，所示，从图中可以看出肖特基势垒整从图中可以看出肖特基势垒整流二极管正向电压降流二极管正向电压降UF最小，最小，即使在大的正向电流作用下，即使在大的正向电流作用下，其正向电压降也很低因而能提其正向电压降也很低因而能提供较高

37、的效率。超快速恢复和供较高的效率。超快速恢复和快速恢复二极管具有适中的和快速恢复二极管具有适中的和较高的正向压降。较高的正向压降。几种整流管的性能比较几种整流管的性能比较几种典型功率二极管的主要参数如表几种典型功率二极管的主要参数如表6-4所示。所示。几种整流管的性能比较几种整流管的性能比较其中，以肖特基二极管其中，以肖特基二极管16CMQ050、超快恢复二极管、超快恢复二极管MUR30100A、快恢复二极管、快恢复二极管D25-02、高频硅整流管、高频硅整流管PR3006的参数为例，如表的参数为例，如表6-5所示。所示。几种整流管的性能比较几种整流管的性能比较稳压二极管也称齐纳二极管（稳压二

38、极管也称齐纳二极管（Zener Diode）或反向击）或反向击穿二极管，利用穿二极管，利用PN结反向击穿后，在一定反向电流范围内反向结反向击穿后，在一定反向电流范围内反向电压不随反向电流变化这一特点，通常由硅半导体材料采用合电压不随反向电流变化这一特点，通常由硅半导体材料采用合金法或扩散法制成，既具有普通二极管的单向导电特性，又可金法或扩散法制成，既具有普通二极管的单向导电特性，又可工作于反向击穿状态。当所加反向电压小于击穿电压时，和普工作于反向击穿状态。当所加反向电压小于击穿电压时，和普通二极管一样其反向电流很小，稳压二极管截止；当反向电压通二极管一样其反向电流很小，稳压二极管截止；当反向电

39、压达到击穿电压时，反向电流会突然急剧上升，稳压管反向击穿。达到击穿电压时，反向电流会突然急剧上升，稳压管反向击穿。击穿后的特性曲线很陡，流过稳压管的反向电流在很大范围内击穿后的特性曲线很陡，流过稳压管的反向电流在很大范围内(从几毫安到几十甚至上百毫安从几毫安到几十甚至上百毫安)变化时，稳压二极管两端的反变化时，稳压二极管两端的反向电压也能保持基本不变，起到稳压作用。向电压也能保持基本不变，起到稳压作用。稳压管稳压管稳压管的反向击穿是可逆的，只要去掉反向电压，稳压稳压管的反向击穿是可逆的，只要去掉反向电压，稳压管就会恢复正常。但若反向击穿后电流太大，超过允许范围，管就会恢复正常。但若反向击穿后电

40、流太大，超过允许范围，稳压二极管就会发生热击穿而损坏。稳压二极管就会发生热击穿而损坏。稳压二极管根据其封装形式、电流容量、内部结构的不稳压二极管根据其封装形式、电流容量、内部结构的不同可以分为多种类型。稳压二极管的封装形式有金属外壳封装、同可以分为多种类型。稳压二极管的封装形式有金属外壳封装、玻璃封装和塑料封装，塑封稳压二极管又分为引线型和表面封玻璃封装和塑料封装，塑封稳压二极管又分为引线型和表面封装两种类型。装两种类型。稳压管稳压管稳压管的主要参数有：稳定电压稳压管的主要参数有：稳定电压VZ 。指当流过稳压管。指当流过稳压管的电流为某一规定值时，稳压管两端的压降。稳定电压温度的电流为某一规定

41、值时，稳压管两端的压降。稳定电压温度系数。在当系数。在当VZ低于低于4V时，时，VZ为负温度系数，反向击穿是齐纳击为负温度系数，反向击穿是齐纳击穿，当穿，当VZ的值大于的值大于7V时，时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿，而击穿，而VZ的值在的值在6V左右时，其温度系数近似为零。目前低温左右时，其温度系数近似为零。目前低温度系数的稳压管是由两只稳压管反向串联而成，利用两只稳压度系数的稳压管是由两只稳压管反向串联而成，利用两只稳压管处于正反向工作状态时具有正、负不同的温度系数，可得到管处于正反向工作状态时具有正、负不同的温度系数，可得到很好的温度补偿。动态电阻

42、很好的温度补偿。动态电阻rZ。稳压管两端电压的变化量与。稳压管两端电压的变化量与电流的变化量的比值。反映了稳压管二极管的稳压特性，其值电流的变化量的比值。反映了稳压管二极管的稳压特性，其值越小，稳压管性能越好。越小，稳压管性能越好。稳压管稳压管耗散功率耗散功率PZ。反向电流通过稳压二极管的。反向电流通过稳压二极管的PN结时，要产生结时，要产生一定的功率损耗，一定的功率损耗，PN结的温度也将升高。根据结的温度也将升高。根据PN结允许达到结允许达到的工作温度决定出耗散功率，小功率稳压管的的工作温度决定出耗散功率，小功率稳压管的PZ值为值为1001000mW，大功率的可达，大功率的可达50W。稳定电

43、流。稳定电流IZ。稳压管正常工。稳压管正常工作时的参考电流。稳压二极管工作于稳定电压时所需的最小反作时的参考电流。稳压二极管工作于稳定电压时所需的最小反向电流为最小稳定电流向电流为最小稳定电流IZmin，稳压二极管允许通过的最大反，稳压二极管允许通过的最大反向电流为最大稳定电流向电流为最大稳定电流IZmax。由于在反向击穿时，反向电流不。由于在反向击穿时，反向电流不能小于能小于IZmin，否则电压不稳，也不能大于，否则电压不稳，也不能大于IZmax，否则会烧坏管，否则会烧坏管子，因此一般都要加限流电阻。子，因此一般都要加限流电阻。稳压管稳压管稳压管的用途很多，主要有与电阻配合具有稳定电压的稳压

44、管的用途很多，主要有与电阻配合具有稳定电压的作用，在稳压、稳流电源系统中一般作基准电源，可以对漏极作用，在稳压、稳流电源系统中一般作基准电源，可以对漏极和源极进行箝位保护，加速开关管的导通，在开关电源中常用和源极进行箝位保护，加速开关管的导通，在开关电源中常用高压稳压管代替瞬态电压抑制器高压稳压管代替瞬态电压抑制器TVS对初级回路产生的尖峰电对初级回路产生的尖峰电压进行箝位，或者在晶体管反馈回路中，在晶体管的发射极串压进行箝位，或者在晶体管反馈回路中，在晶体管的发射极串联稳压管作电压负反馈，提高放大电路的稳定性。联稳压管作电压负反馈，提高放大电路的稳定性。稳压管稳压管开关变换器输出端的纹波电压

45、是电源的一个重要电气性开关变换器输出端的纹波电压是电源的一个重要电气性能指标，直接影响着电源后续负载工作的稳定性。因此在开电能指标，直接影响着电源后续负载工作的稳定性。因此在开电源的输出高频整流电路中，输出端往往是一种低电压大电流的源的输出高频整流电路中，输出端往往是一种低电压大电流的工作状态，其输出端均要并联滤波电容器，以滤除高频开关电工作状态，其输出端均要并联滤波电容器，以滤除高频开关电流纹波，降低输出纹波电压。流纹波，降低输出纹波电压。输出滤波电容器的选取，不仅与最大输出工作电流和开输出滤波电容器的选取，不仅与最大输出工作电流和开关频率有关，还取决于变换器的类型，大多采用大容量电解电关频

46、率有关，还取决于变换器的类型，大多采用大容量电解电容，并且最好是其等效串联电阻低的电解电容。容，并且最好是其等效串联电阻低的电解电容。输出滤波电容器的容量计算输出滤波电容器的容量计算实际的电解电容不是理想的纯电容，可以等效成表示电实际的电解电容不是理想的纯电容，可以等效成表示电容器直流漏电流的电导容器直流漏电流的电导G和纯电容和纯电容C并联，然后与等效串联电并联，然后与等效串联电阻阻Rc以及等效串联电感以及等效串联电感Lc相串联，其等效电路如图相串联，其等效电路如图6-7所示。所示。一般，电导一般，电导G是个很小的量，可忽略不计，则电解电容的等效是个很小的量，可忽略不计，则电解电容的等效电路可

47、化简成电路可化简成L、R、C串联的元件，如图串联的元件，如图6-8所示。所示。输出滤波电容器的容量计算输出滤波电容器的容量计算实际电解电容的等效阻抗实际电解电容的等效阻抗Zc表示为表示为实际电解电容器的阻抗随工作频率而变化。在低频段，实际电解电容器的阻抗随工作频率而变化。在低频段，电感的作用较小，容抗的作用大于等效串联电阻电感的作用较小，容抗的作用大于等效串联电阻Rc，阻抗呈容，阻抗呈容性；在高频段，电感的作用显著，阻抗呈感性；在中间区域，性；在高频段，电感的作用显著，阻抗呈感性；在中间区域，在一定频率范围内，容抗和感抗接近而呈现所谓在一定频率范围内，容抗和感抗接近而呈现所谓“谐振区段谐振区段

48、”，其阻抗主要由其阻抗主要由Rc决定，呈电阻性。决定，呈电阻性。输出滤波电容器的容量计算输出滤波电容器的容量计算1()ccZRjLC滤波电解电容的滤波电解电容的ESR值对电源输出电压纹波有直接的影响，因值对电源输出电压纹波有直接的影响，因为滤波电容器的等效串联电阻耗能，功率消耗在电容器内部产为滤波电容器的等效串联电阻耗能，功率消耗在电容器内部产生热量，电解电容的生热量，电解电容的ESR值过大，产生的热量也就大，对电容值过大，产生的热量也就大，对电容器的使用寿命有直接的影响，故输出滤波电容器大多数选用低器的使用寿命有直接的影响，故输出滤波电容器大多数选用低ESR值的电解电容。有关输出滤波电容器容

49、量的计算有许多种值的电解电容。有关输出滤波电容器容量的计算有许多种方法，一种是按允许的纹波电流方法，一种是按允许的纹波电流IL确定电容器的容量，一种是确定电容器的容量，一种是按纹波电压的要求，根据输出电容在开关管导通或截止期间，按纹波电压的要求，根据输出电容在开关管导通或截止期间，电容器上充、放电电荷的变化量为依据，确定计算滤波电容器电容器上充、放电电荷的变化量为依据，确定计算滤波电容器的容量。输出滤波电容器不仅容量要大，而且高频性能要好。的容量。输出滤波电容器不仅容量要大，而且高频性能要好。这样，不但减小输出端的纹波，而且因负载变化时输出电压产这样，不但减小输出端的纹波，而且因负载变化时输出

50、电压产生的瞬变值生的瞬变值UO也会减小。根据也会减小。根据UO变化的大小计算输出滤波变化的大小计算输出滤波电容器的电容量可分两种情况，一种是输出端的负载变化由空电容器的电容量可分两种情况，一种是输出端的负载变化由空载到满载，另一种是由满载变成空载。载到满载，另一种是由满载变成空载。以正激变换器开关电源作瞬态分析，输出电路如图以正激变换器开关电源作瞬态分析，输出电路如图6-9所示。所示。（1）由空载到满载）由空载到满载当负载突然变化引起输出电流由零变化到额定值时，即当负载突然变化引起输出电流由零变化到额定值时，即IOIL，输出电压，输出电压UO变化变化UO，这时计算输出滤波电容器容，这时计算输出

51、滤波电容器容量时，需要考虑电容器的等效串联电阻量时，需要考虑电容器的等效串联电阻Rc。由于串联在输出端。由于串联在输出端的滤波电感的滤波电感LO的作用，电流不能突变，为了维持输出电压不变，的作用，电流不能突变，为了维持输出电压不变，必须由输出电容器必须由输出电容器CO上的放电电流的改变来补偿负载电流的变上的放电电流的改变来补偿负载电流的变化。电容器存在着等效串联电阻化。电容器存在着等效串联电阻Rc和电容和电容CO，故在放电过程，故在放电过程中会产生压降。中会产生压降。输出滤波电容器的容量计算输出滤波电容器的容量计算当输出电流变化当输出电流变化IO时，在电容器等效电阻时，在电容器等效电阻Rc上的

52、电压上的电压变化为变化为RcIO，并且电容，并且电容C的电压变化的电压变化 ，引起输出电压，引起输出电压变化变化UO。在负载电流改变时，电容器的等效电感。在负载电流改变时，电容器的等效电感Lc将力图使将力图使负载电流保持原来的值，由负载电流保持原来的值，由Lc引起的延迟取决于时间常引起的延迟取决于时间常数数 。对高频电容器来说，由于等效串联电感。对高频电容器来说，由于等效串联电感ESL很小，很小， 一般很小，与负载变化所需的时间相比可忽略不计。一般很小，与负载变化所需的时间相比可忽略不计。所以，电容器的所以，电容器的Lc上引起的电压脉动可以忽略，因此输出电压上引起的电压脉动可以忽略，因此输出电

53、压变为：变为：设设 为恢复时间，计算输出滤波电容器容量的公式是：为恢复时间，计算输出滤波电容器容量的公式是：()OOCtUI RC/()ORCOUCtRI1OI tC()CLRRRt（2）由满载到空载）由满载到空载当负载从满载突变到空载，即输出电流变化当负载从满载突变到空载，即输出电流变化IO-IO时，由于时，由于滤波电感的作用，在滤波电感中储存的能量滤波电感的作用，在滤波电感中储存的能量 向电容器充向电容器充电，稳压电源输出产生过冲电压电，稳压电源输出产生过冲电压UP，满载时储存在电感中的能，满载时储存在电感中的能量将转变为电容储存的能量，计算公式如下：量将转变为电容储存的能量，计算公式如下

54、：其中其中 为输出电压上冲的最大幅度，为输出电压上冲的最大幅度，IL为流过电感为流过电感L的电流。当的电流。当负载电流为最大值负载电流为最大值Iomax时突然去掉负载，则滤波电容为时突然去掉负载，则滤波电容为输出滤波电容器的容量计算输出滤波电容器的容量计算12LL I222max11()22ooLC UUL ImaxoU2max22maxoooL ICUUC应取上述两种近似解法中较大的电容值。应取上述两种近似解法中较大的电容值。输出纹波电压的幅值和电感输出纹波电压的幅值和电感L、电容、电容C的乘积成反比，增的乘积成反比，增大大L和增大和增大C同样可以减小输出纹波。但是，突然去掉负载时输同样可以

55、减小输出纹波。但是，突然去掉负载时输出电压的上冲幅度随电感出电压的上冲幅度随电感L的增大而增大，随电容的增大而增大，随电容C的增大而减的增大而减小，因此，应尽可能选用小的电感小，因此，应尽可能选用小的电感L、增大电容、增大电容C。这样会使输。这样会使输出滤波器有一个较低的浪涌阻抗，对于负载变化时开关电源的出滤波器有一个较低的浪涌阻抗，对于负载变化时开关电源的瞬态反应会十分灵敏，有理想的瞬态特性。输出滤波电容器，瞬态反应会十分灵敏，有理想的瞬态特性。输出滤波电容器，不仅容量要大，而且高频性能要好。这样，不但能使输出端的不仅容量要大，而且高频性能要好。这样，不但能使输出端的纹波小，而且使输出电压因

56、负载变化时而产生的瞬变值纹波小，而且使输出电压因负载变化时而产生的瞬变值UO也也会减小。会减小。输出滤波电容器的容量计算输出滤波电容器的容量计算输出滤波电容器，由于开关电源瞬态特性的要求，目前输出滤波电容器，由于开关电源瞬态特性的要求，目前采用大容量铝电解电容器。电解电容器的主要优点是容量大，采用大容量铝电解电容器。电解电容器的主要优点是容量大，体积小。电解电容器的电容量和体积之比大于其它电容器。但体积小。电解电容器的电容量和体积之比大于其它电容器。但由于铝电解电容器的等效串联电阻较大，介质损耗随频率升高由于铝电解电容器的等效串联电阻较大，介质损耗随频率升高而增加，随温度降低而增加，并具有较大

57、的串联电感，电容器而增加，随温度降低而增加，并具有较大的串联电感，电容器的充放电过程产生纹波电压，因而一般的铝壳电解电容器属于的充放电过程产生纹波电压，因而一般的铝壳电解电容器属于低频电容器，适用于工作频率在低频电容器，适用于工作频率在25kHz以下的场合使用。以下的场合使用。在工作于较高频率的开关电源中，特别是反激式电源，在工作于较高频率的开关电源中，特别是反激式电源，由于电流中有尖峰存在，实际加在电容端的频率远高于其工作由于电流中有尖峰存在，实际加在电容端的频率远高于其工作频率。随着频率的升高，在额定阻抗频率。随着频率的升高，在额定阻抗 情况下相当情况下相当于电容器的容量逐步下降，故在高频

58、运用时需要选用其它类型于电容器的容量逐步下降，故在高频运用时需要选用其它类型的电容器，如性能较好的高频铝电解电容器或聚丙烯电容器。的电容器，如性能较好的高频铝电解电容器或聚丙烯电容器。1/ 2cXfc一般，稳压电源专用的输出铝电解电容器耐温可达一般，稳压电源专用的输出铝电解电容器耐温可达105，谐振频率的上限约有数百，谐振频率的上限约有数百kHz，因而，对于工作在，因而，对于工作在20kHz以内的滤波电解电容，以内的滤波电解电容，Lc的作用可以忽略，可看作是的作用可以忽略，可看作是Rc和纯电容和纯电容C相串联。当开关频率增加时，大多数电解电容器都相串联。当开关频率增加时，大多数电解电容器都能确

59、保工作频率达到能确保工作频率达到100kHz时，仍然具有很低的等效串联电时，仍然具有很低的等效串联电阻值。阻值。为了减小等效串联电感为了减小等效串联电感RL和电阻和电阻Rc，最常用的还是采取，最常用的还是采取两个或多于两个的小容量电解电容器并联来等效一个大电容，两个或多于两个的小容量电解电容器并联来等效一个大电容，其滤波性能可得到较大的改善。多个电解电容器并联使用时，其滤波性能可得到较大的改善。多个电解电容器并联使用时，电解电容器的引线要尽可能地短，计算总电容值还得考虑电容电解电容器的引线要尽可能地短，计算总电容值还得考虑电容中等效的中等效的L、R、C值。性能良好的聚丙烯电容有较低的等效电值。

60、性能良好的聚丙烯电容有较低的等效电阻和低的损耗，将得到广泛应用，不过体积较大。阻和低的损耗，将得到广泛应用，不过体积较大。磁珠磁珠(Ferrite Bead)是目前应用发展很快的一种抗干扰是目前应用发展很快的一种抗干扰器件，廉价、方便、滤除高频噪声效果显著。磁珠专用于抑制器件，廉价、方便、滤除高频噪声效果显著。磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉冲的能力。通常噪声滤波器只能吸收已发生的噪声，属于被动冲的能力。通常噪声滤波器只能吸收已发生的噪声，属于被动抑制型，磁珠则不同，它能抑制开关噪声的产生，利用其电感抑制