项目二 开关电源

1、1机电教研室：机电教研室： 张科建张科建2Q1 1、认识开关电源的组成机构及其元器件认识开关电源的组成机构及其元器件Q2 2、掌握所用开关元件的电气性能和电路符号掌握所用开关元件的电气性能和电路符号Q3 3、熟悉开关电源的各种拓扑结构及特点熟悉开关电源的各种拓扑结构及特点Q4 4、了解各项指标的意义并掌握测试的方法了解各项指标的意义并掌握测试的方法Q5 5、了解开关电源的设计步骤及调试方法了解开关电源的设计步骤及调试方法3项目描述项目描述n A：一次电源产品的图片一次电源产品的图片 （AC/DC）B：二次电源产品的图片二次电源产品的图片（DC/DC）主要应用：外置电源、内置电源、板上电源主要应

2、用：外置电源、内置电源、板上电源4任务一任务一 开关电源认知开关电源认知一、开关电源的概念和分类一、开关电源的概念和分类 5线性电源：线性电源的主要特点就是功率器件工作在线性电源：线性电源的主要特点就是功率器件工作在 放大状态，具有稳定度高、可靠性好、成本放大状态，具有稳定度高、可靠性好、成本 低等优点，但是效率低、笨重和体积大的缺低等优点，但是效率低、笨重和体积大的缺 点。只能做中、小功率的电源。点。只能做中、小功率的电源。相控电源：是通过控制可控硅的导通角来达到稳压作相控电源：是通过控制可控硅的导通角来达到稳压作 用，功率因数比较低、效率低、笨重、体用，功率因数比较低、效率低、笨重、体 积

3、大。积大。6输入输入电源调整管电源调整管负载负载RL图图1-2串联线性电源模型图串联线性电源模型图输入输入开关管开关管K负载负载 RL储能储能元件元件图图1-1开关电源开关电源模型图模型图输入输入受控晶闸管受控晶闸管负载负载RL图图1-3相控电源模型图相控电源模型图7共轭滤共轭滤波器波器整流整流滤波滤波电子电子开关开关高频变高频变 压器压器脉冲整脉冲整流滤波流滤波取样取样电路电路220V交流电压输入交流电压输入有源有源调整调整输入电路输入电路脉宽脉宽驱动驱动脉宽脉宽调制调制比较比较放大放大基准基准电压电压功率变换功率变换输出电路输出电路控制电路控制电路功能：功能： 将将220V交流交流电压转换

4、为电路电压转换为电路所需要的各种稳所需要的各种稳定的直流电。定的直流电。8作用：作用：双向滤波双向滤波避免电网供电线引入高频脉冲影响电子电路；避免电网供电线引入高频脉冲影响电子电路；防止开关电源对电网造成污染。防止开关电源对电网造成污染。S1C1 0.1uL2220V市电市电 至整流滤至整流滤波电路波电路F1 T2.5AC02 0.1u（1） 输入共轭滤波电路（输入共轭滤波电路（EMI电路）电路）电路组成：电路组成：由一个线圈和两个电容组成。由一个线圈和两个电容组成。EMI原理图原理图9 对高频干扰信号而言，电容呈短路，而电感则呈开路。高对高频干扰信号而言，电容呈短路，而电感则呈开路。高频干扰

5、被电容短路。频干扰被电容短路。 对对50Hz50Hz低频而言，电容呈开路，而电感则呈短路。因此，低频而言，电容呈开路，而电感则呈短路。因此，50Hz50Hz市电可以顺利通过。市电可以顺利通过。S1C1 0.1uL220V市电市电 至整流滤至整流滤波电路波电路F1 T2.5AC2 0.1uF1 T2.5AS1C1 0.1uL220V市电市电 至整流滤至整流滤波电路波电路C2 0.1u工作原理工作原理10输入输入220V交流电压的检测交流电压的检测220V交流交流 输入输入交流电压交流电压500V档档正常值正常值:220V15%(187V253V)共轭滤波器共轭滤波器11常用常用EMI电路电路:

6、通常有两级通常有两级EMI两级两级EMI电路图电路图12（2 2） APFCAPFC电路电路有源功率因数校正电路有源功率因数校正电路 由于开关电源所采用的器件全部工作在非线性状态，电路上有电感由于开关电源所采用的器件全部工作在非线性状态，电路上有电感和电容，所以会造成交流输入电压和电流的相位存在相位差，导致交和电容，所以会造成交流输入电压和电流的相位存在相位差，导致交流电不能全部做功，一部分在电感和电容中转换。另外交流电压和电流电不能全部做功，一部分在电感和电容中转换。另外交流电压和电流波形出现畸变，造成谐波分量增加，干扰增加。功率因数校正电路流波形出现畸变，造成谐波分量增加，干扰增加。功率因

7、数校正电路就是将电压和电流相位强制到一致，同时对波形给予修正。就是将电压和电流相位强制到一致，同时对波形给予修正。 它是一个升压电路，电路结构采用的是它是一个升压电路，电路结构采用的是BOOTBOOT电电路，输出电压一般规定在路，输出电压一般规定在410VDC410VDC左右。左右。作用：提高功率因数。其形式作用：提高功率因数。其形式就是将电压和电流相就是将电压和电流相位强制到一致，同时对波形给予修正。位强制到一致，同时对波形给予修正。方法：无源功率因数校正和方法：无源功率因数校正和有源功率因数校正有源功率因数校正。（3 3）功率变换电路功率变换电路 将将APFCAPFC输出的输出的410VD

8、C410VDC高压进行变换，变成高频高压脉冲电高压进行变换，变成高频高压脉冲电压，然后驱动高频变压器，变压器将高压脉冲电压变成低压压，然后驱动高频变压器，变压器将高压脉冲电压变成低压脉冲电压。该部分的主要器件是开关功率器件和高频变压器。脉冲电压。该部分的主要器件是开关功率器件和高频变压器。13（4 4）调整输出电压的方法：）调整输出电压的方法：tVitVktVotonTVO = Vi =D VitonT占空比占空比ViVoVkKR L电压电压 变换器变换器整流整流滤波滤波14 开开关电源的控制电路是一个闭环控制系统，所以能及时保证输出电关电源的控制电路是一个闭环控制系统，所以能及时保证输出电压

9、稳定不变，闭环有两个环来调节，内环是电流环调节，确保开关电源压稳定不变，闭环有两个环来调节，内环是电流环调节，确保开关电源的动态响应时间，速度比较快。外环是电压调节环，确保电压的稳定，的动态响应时间，速度比较快。外环是电压调节环，确保电压的稳定，速度相对较慢。输出过压保护、均流电路、过热保护、限流保护、短路速度相对较慢。输出过压保护、均流电路、过热保护、限流保护、短路保护以及交流输入过欠压保护是开关电源的辅助电路。保护以及交流输入过欠压保护是开关电源的辅助电路。（5 5）控制电路部分）控制电路部分包括：采样、比较放大、脉宽调制、脉宽驱动、各种保护包括：采样、比较放大、脉宽调制、脉宽驱动、各种保

10、护电路电路 控制电路是开关电源电路的核心之一。控制电路是开关电源电路的核心之一。PWM控制芯片决定开关电控制芯片决定开关电源的工作模式，该芯片产生两路相位相反的驱动信号来驱动功率开关器源的工作模式，该芯片产生两路相位相反的驱动信号来驱动功率开关器件工作，通过脉冲宽度来控制开关管的导通时间，从而调节能量传递的件工作，通过脉冲宽度来控制开关管的导通时间，从而调节能量传递的大小。大小。15归纳：归纳： 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理功能：功能：通过高频开关技术将输入较高的交流电压通过高频开关技术将输入较高的交流电压(AC)(AC)转换为电子或电器设备工作所需要的直流电压转换为电子或电器

11、设备工作所需要的直流电压 (DC) (DC) 。中心思想：中心思想：用提高工作频率等手段来提高电源的功率用提高工作频率等手段来提高电源的功率密度，进而达到密度，进而达到减少变压器的体积减少变压器的体积和和重量重量的目的目 的。的。采用开关变换的显著优点是大大提高了电采用开关变换的显著优点是大大提高了电能的能的转换效率，典型的开关电源效率为转换效率，典型的开关电源效率为70%-70%-80%80%，稳定原理稳定原理：依赖对脉冲宽度的改变来实现输出电压的依赖对脉冲宽度的改变来实现输出电压的稳定，称做稳定，称做脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM）。16 按变换方式可分为下列四大类：按变换方式可分为下列

12、四大类：（1） 第一大类：第一大类：AC/DC开关电源开关电源；（2）第二大类：）第二大类：DC/DC开关电源开关电源；（3）第三大类：）第三大类：DC/AC开关电源；开关电源；（4）第四大类：）第四大类：AC/AC开关电源。开关电源。开关电源开关电源 按开关管和输出之间是否有变压器隔离可分为按开关管和输出之间是否有变压器隔离可分为下列两大类：下列两大类：（1）：第一大类：）：第一大类：无无变压器的变压器的非隔离式非隔离式；（2）：第二大类：）：第二大类：有有变压器的变压器的隔离式隔离式。17优点：优点：1、节能节能。效率高一般在效率高一般在7090%以上。以上。2、体积小、重量轻、体积小、重

13、量轻，随着频率的提高，收效更显著。随着频率的提高，收效更显著。 3、可靠性高、可靠性高。具有各种保护功能，不易损坏。具有各种保护功能，不易损坏。 4、调节灵活。调节灵活。通过输出隔离变压器，可得到低压大电通过输出隔离变压器，可得到低压大电流、高压小电流；一个开关控制的一路输入可得到多路流、高压小电流；一个开关控制的一路输入可得到多路输出以及同号、反号等输出输出以及同号、反号等输出. . 5、噪声低。噪声低。声频在声频在20kHz20kHz以上时，已是人耳听不到的超以上时，已是人耳听不到的超声波，声波，而开关电源的工作频率一般都大于此频率。而开关电源的工作频率一般都大于此频率。 6、稳压范围广、

14、稳压范围广，一般交流输入一般交流输入80265V，负载作大，负载作大幅度变化时，性能很好。幅度变化时，性能很好。 18存在的问题：存在的问题：1、器件的集成度不高。器件的集成度不高。影响电源的稳定性和可靠性。影响电源的稳定性和可靠性。2、材料问题、材料问题。电容、管子、磁芯体积大，耗能。电容、管子、磁芯体积大，耗能。 3、能源变换问题、能源变换问题。控制难度大，难以大规模生产。控制难度大，难以大规模生产。 4、开关电源的软件开发问题。开关电源的软件开发问题。目前还有较大难度。目前还有较大难度。5、生产工艺问题。生产工艺问题。如焊接质量及元件技术性能问题等如焊接质量及元件技术性能问题等。 6、电

15、路复杂，不便于维修。电路复杂，不便于维修。191、体积小。体积小。2、工作频率高、工作频率高。2 2 10MH10MH。 3、效率高、效率高。大于大于90%。 4、寿命长。寿命长。80000H80000H以上。以上。5、功率密度高。功率密度高。3 36W/cm6W/cm。 2021任务二任务二 开关电源元器件的选用开关电源元器件的选用开关电源器件开关电源器件工作原理工作原理基本特征基本特征主要参数主要参数 开关电源器件开关电源器件基本特征基本特征型号命名法型号命名法参数参数特征曲线特征曲线22n功率功率MOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为按导电沟道可分为P沟道沟道和和N沟道沟道。 耗尽型

16、耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。就存在导电沟道。 增强型增强型对于对于N（P）沟道器件，栅极电）沟道器件，栅极电压大于（压大于（小于或等于零小于或等于零）零时才存在导）零时才存在导电沟道。电沟道。1、功率、功率MOSFET简介简介MOSFET23功率功率MOSFET的结构（电气符号）的结构（电气符号）2、MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理栅极栅极S漏极漏极D源极源极SP沟道沟道源极源极S漏极漏极D栅极栅极SN沟道沟道24电力电力MOSFET的工作原理的工作原理（以（以N沟道增强型为例）沟道增强型为例）截止：截止：U UGSGS0 0，栅源极间

17、电压为零。，栅源极间电压为零。则漏源极之间无电流流过。则漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压导电：在栅源极间加正电压U UGSGS0 0。则漏极和源极导电则漏极和源极导电 。源极源极S漏极漏极D栅极栅极SN沟道沟道25 (1) 静态特性静态特性n漏极电流漏极电流I ID和栅源间电压和栅源间电压UGS的关系称为的关系称为MOSFET的转移特性。的转移特性。nI ID D较大较大时，时，ID与与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区ID/A

18、UTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图图1-20 电力电力MOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 a) 转移特性转移特性 b) 输出特性输出特性26MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：50403020100 10 20 30 40 50UGS /VID /AUGS =UT=3VUGS =8VUGS =4VUGS =5VUGS =6VUGS =7V饱和区 非饱和区 截止区 饱和区饱和区非饱和非饱和UGSUT，UDSUGS-UT，漏源漏源电压电压UDS和漏极电流和漏极电流ID之比近似之比近似为常数。为常数

19、。该区对应于电力晶体管该区对应于电力晶体管的饱和区。当的饱和区。当MOSFET作开关应作开关应用而导通时即工作在该区。用而导通时即工作在该区。UGSUT，ID=0，这和电，这和电力晶体管的截止区相对应。力晶体管的截止区相对应。截止区截止区UGSUT，UDSUGS-UT，当，当UGS不变时，不变时，ID几乎不随几乎不随UDS的的增加而增加，近似为一常数。增加而增加，近似为一常数。这这里的饱和区并不和电力晶体管的里的饱和区并不和电力晶体管的饱和区对应，而对应于后者的放饱和区对应，而对应于后者的放大区。当用做线性放大时，大区。当用做线性放大时，MOSFET工作在该区。工作在该区。27开通过程开通过程

20、开通延迟时间开通延迟时间td(on) 上升时间上升时间tr开通时间开通时间ton开通开通延迟时间与上升时间延迟时间与上升时间之和之和n关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间td(off)下降时间下降时间tf关断时间关断时间toff关断关断延迟时间和下降时间延迟时间和下降时间之之和和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图图1-21 电力电力MOSFET的开关过程的开关过程a) 测试电路测试电路 b) 开关过程波形开关过程波形up脉冲信号源，脉冲信号源，Rs信号源内阻，信号源内阻，RG栅极电阻，栅极电阻，RL

21、负载电阻，负载电阻，RF检测漏极电阻检测漏极电阻(2) 动态特性动态特性28漏极电压漏极电压UDS 电力电力MOSFETMOSFET电压定额参数电压定额参数漏极直流电流漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM 电力电力MOSFETMOSFET电流定额参数电流定额参数栅源电压栅源电压 UGS UGS 20V将导致绝缘层击穿，将导致绝缘层击穿，一般不得超过一般不得超过20V。，极间电容极间电容 Ciss = CGS + CGD Crss = CGD Coss = CDS + CGD 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定电力漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决

22、定电力MOSFETMOSFET的的 安全工作区。安全工作区。 电力电力MOSFETMOSFET不存在二次击穿。不存在二次击穿。除跨导除跨导Gfs、开启电压、开启电压UT以及以及td(on)、tr、td(off)和和tf之外还有：之外还有： 295、 特点特点用栅极电压来控制漏极电流。用栅极电压来控制漏极电流。驱动电路简单，需要的驱动功率小。驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低。电流容量小，耐压低。 一般只适用于功率不超过一般只适用于功率不超过10kW的电力的电力电子装置电子装置 。30当输入为当输入为

23、0V时，时，Q1截止。使截止。使Q2饱和导通。饱和导通。Q3是是P沟道沟道MOS管，管，Q3栅极电压栅极电压0V，Q3导通。导通。Q4是是N沟道沟道MOS管，管，Q4栅极电压大约是栅极电压大约是12V，Q4导通。导通。当输入为当输入为3.3V时，饱和时，饱和Q1导通。导通。Q2基极电压约基极电压约0V，Q2截止。截止。Q 3 是是 P 沟 道沟 道 M O S 管 ，管 ， Q 3 栅 极 电 压栅 极 电 压 1 2 V ， Q 3 截 止 。截 止 。 Q4是是N沟道沟道MOS管，管，Q4栅极电压是栅极电压是0V，Q4截止。截止。 31IGBTIGBTGTR和和MOSFET复合，结合二者的

24、优点，具有良好的特性。复合，结合二者的优点，具有良好的特性。1、功率、功率MOSFET简介简介GEIDRon+ICIDRNVJI+C+ECGb)简化等效电路简化等效电路 c)电气图形符号电气图形符号32n 驱动原理与电力驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断基本相同，场控器件，通断由栅射极电压由栅射极电压uGE决定。决定。导导通：通：uGE大于开启电压大于开启电压UGE(th)时，时，MOSFET内形成内形成沟道，为晶体管提供基极电流，沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。导通。通态压降：电导调制效应使电阻通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小，使通态压降减小。减

25、小。关断：关断：栅射极间施加反压或不加信号时，栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。关断。333、IGBTIGBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性静态特性静态特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加转移特性转移特性IC与UGE间的关系(开启电开启电压压UGE(th)输出特性输出特性分为三个区域：分为三个区域：正向阻断区、有正向阻断区、有源区和饱和区。源区和饱和区。34ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGE

26、MICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图图1-24 IGBT的开关过程的开关过程nIGBT的开通过程的开通过程 与与MOSFET的相似的相似开通延迟时间开通延迟时间td(on) 电流上升时间电流上升时间tr 开通时间开通时间tonuCE的下降过程分为的下降过程分为tfv1和和tfv2两段。两段。 tfv1IGBT中中MOSFET单独工作的电压单独工作的电压下降过程；下降过程； tfv2MOSFET和和PNP晶体管同时工作的电压下晶体管同时工作的电压下降过程降过程。 (2) IGBTIGBT的动态特性的动态特性35图1-24 IGBT的开关过程关断延迟时间关断延迟时间td(off）电流下降时间电流下降时间 关断时间关断时间toff电流下降时间又可分为电流下降时间又可分为tfi1和和tfi2两段。两段。tfi1IGBT器件内部的器件内部的MOSFET的关断过程的关断过程，iC下下降较快。降较快。tfi2IGBT内部的内部的PNP晶晶体管的关断过程体管的关断过程，iC下降较下降较慢