自动化技术基础-附加课-开关电源及电力电子器件2013

自动化技术基础

机电教研室孟祥印

xymeng@第1章开关电源与抗干扰技术1.1直流开关电源1.2大功率电力电子器件1.3电路隔离抗干扰技术1.4接地与抗干扰技术1.5软件抗干扰技术1.6印制板设计制造与抗干扰技术1.1直流开关电源1.1.1引言1.1.2开关电源入门知识1.1.3开关电源的分类

1.1.4开关电源的选用1.1.5开关电源的应用－PC主机电源1.1.6开关电源技术的发展动向1.1.1引言

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关器件开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和开关器件构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。开关电源所用的开关器件有许多，经常使用的是场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT，在小功率开关电源上也使用大功率晶体管GTR。1.1.2开关电源入门知识

1，开关电源的组成：

主电路和控制电路2，开关控制稳压原理

一、脉冲宽度调制（PulseWidthModulation,缩写为PWM）

开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。

二、脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation,缩写为PFM）

导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。

三、混合调制

导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。1.1.3开关电源的分类

DC/DC变换用于隔离输出，降压输出等。AC/DC变换用于plc系统，仪表工程等。1.1.4开关电源的选用

优势：输出稳定度高开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点（多级串联），一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达(0.5～1）％。开关电源模块作为一种电力电子集成器件。在选用中应注意以下几点：1、输出电压和电流的选择2、保护电路的应用1.1.5开关电源原理与应用

－PC电源

一般有四路输出，分别是+5V、-5V、+12V、-12V。原理：输入电压为AC220v，50Hz的交流电，先经滤波，再由整流桥整流后变为300V左右的高压直流电，然后通过功率开关管的导通与截止将直流电压变成连续的脉冲，再经变压器隔离降压及输出滤波（含储能器件）后变为低压的直流电。开关管的导通与截止由PWM（脉冲宽度调制）控制电路发出的驱动信号控制。PWM驱动电路在提供开关管驱动信号的同时，还要实现输出电压稳定的调节、对电源负载提供保护。为此设有检测放大电路、过电流保护及过电压保护等环节。通过自动调节开关管导通时间的比例（占空比）来实现。1.1.6开关电源技术的发展动向

高频、高可靠低耗、低噪声抗干扰和模块化电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。1.2大功率电力电子器件

1.2.1全面认识晶体管1.2.2大功率晶体管GTR1.2.3达林顿功率管1.2.4功率场效应管MOSFET1.2.5绝缘栅双极型功率管IGBT1.2.6可控硅1.2.7智能功率器件1.2.1全面认识晶体管

（一）晶体管的结构特性与工作原理（二）晶体管的分类按照频率分类低频/高频/超高频按照功率分类小功率/中小功率/大功率/达林顿管/复合对管等按照原理分类带阻晶体管/光敏晶体管/磁敏晶体管等按照功能分类恒流管/互补对管/开关管/带阻尼行输出管/差分对管1.2.2大功率晶体管GTR

通常把集电极最大允许耗散功率在1W以上，或最大集电极电流在1A以上的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。大功率晶体管通常采用共发射极接法，大功率晶体三极管的外形除体积比较大外，其外壳上都有安装孔或安装螺钉，便于将三极管安装在外加的散热器上。工作原理在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。晶体管通常连接称共发射极电路，NPN型GTR通常工作在正偏（Ib>0）时大电流导通；反偏（Ib<0）时处于截止高电压状态。因此，给GTR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工作状态。GTR的参数①最高工作电压Vmax②集电极最大允许电流IcM③集电极最大耗散功率PcM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温，晶体管会因温度过高而损坏。④最高工作结温TJMGTR的驱动与保护

二次击穿问题

二次击穿是由于集电极电压升高到一定值（未达到极限值）时，发生雪崩效应造成的。照理，只要功耗不超过极限，管子是可以承受的，但是在实际使用中，出现负阻效应，Ie进一步剧增。由于管子结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流密度剧增，形成恶性循环，使管子损坏。①对基极驱动电路的要求②集成化驱动①对基极驱动电路的要求在使GTR导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅度的强制电流，以加速开通过程，减小开通损耗。GTR导通期间，在任何负载下，基极电流都应使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流，以加快关断速度，减小关段损耗。②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、稳定性差和使用不便的缺点，还增加了保护功能。如法国THOMSON公司为GTR专门设计的基极驱动芯片UAA4002。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GTR的完整保护和最优驱动结合起来，使GTR运行于自身可保护的准饱和最佳状态。1.2.3达林顿功率管

达林顿管就是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管。可以分为达林顿管和达林顿阵列。1.2.4功率场效应管MOSFET

（一）MOSFET基本知识性能：自1976年开发出功率MOSFET以来，由于半导体工艺技术的发展，它的性能不断提高：如高压功率MOSFET其工作电压可达1000V；低导通电阻MOSFET其阻值仅10mΩ；工作频率范围从直流到达数兆赫；保护措施越来越完善；并开发出各种贴片式功率MOSFET(如Siliconix最近开发的厚度为1.5mm“Little

Foot系列)。另外，价格也不断降低，使应用越来越广泛，不少地方取代双极型晶体管。应用：功率MOSFET主要用于计算机外设(软、硬驱动器、打印机、绘图机)、电源(AC／DC变换器、DC／DC变换器)、汽车电子、音响电路仪器、仪表等领域。

MOSFET较三极管的优点大功率，高效率快速开关（150KHZ）较小的控制功率不存在二次损坏机制漏源极之间具有寄生箝位二极管其驱动方式是电压栅极驱动Mosfet分类：

耗尽型：N沟道；P沟道；

增强型：N沟道；P沟道。MOSFET的防击穿保护电路MOSFET特点：1．MOSFET是电压控制型器件(双极型是电流控制型器件)，因此在驱动大电流时无需推动级，电路较简单；

2．输入阻抗高，可达108Ω以上；

3．工作频率范围宽，开关速度高(开关时间为几十纳秒到几百纳秒)，开关损耗小；

4．有较优良的线性区，并且MOSFET的输入电容比双极型的输入电容小得多，所以它的交流输入阻抗极高；噪声也小，最合适制作Hi-Fi音响；

5．功率MOSFET可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流电阻。MOSFET的基本应用电池反接保护电路触摸调光电路甲类功率放大电路（二）功率MOSFET使用需要考虑的因素 功率MOSFET可以被看作接近理想的器件，没有BJT的某些局限性，因此功率MOSFET比前者更受欢迎。但是，尽管功率MOSFET比BJT有所进步，但在应用时仍然需要特别注意其功率耗散管理、开关损失最小化和MOSFET门驱动的优化。MOSFET实质上有两种工作模式，即开关模式或线性模式。漏源极间电压漏电流雪崩现象—开关感性负载额定功率与散热能力导通电阻电路布局—额外寄生效应门驱动优化（三）MOSFET与三极管性能比较及优势 （课外阅读）1．击穿电压：

2．大电流：

3．驱动电压：

4．驱动功率：

5．导通电阻受温度影响：

6．硅的利用率：

7.开关速度：8．防静电ESD:

9．抗干扰能力：

10．反向增益(hFC)：

1.2.5绝缘栅双极型功率管IGBT

（一）简介绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。在中大功率的开关电源装置中，IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点，已逐步取代晶闸管或GTO。但是在开关电源装置中，由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下，使得它容易损坏，另外，电源作为系统的前级，由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而，在选择IGBT时除了要作降额考虑外，对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。

工作原理：IGBT等效电路（二）IGBT的驱动电路

1，分立元件组成的驱动电路2，由集成电路构成的驱动电路

（三）IGBT的保护电路1，IGBT栅极的保护2，集电极与发射极间的过压保护2.1直流过电压2.2浪涌电压的保护在选取IGBT时考虑设计裕量；在电路设计时调整IGBT驱动电路的Rg，使di/dt尽可能小；尽量将电解电容靠近IGBT安装，以减小分布电感；根据情况加装缓冲保护电路，旁路高频浪涌电压。缓冲保护电路3，集电极电流过流保护4，过热保护一般情况下流过IGBT的电流较大，开关频率较高，故而器件的损耗也比较大，如果热量不能及时散掉，使得器件的结温Tj超过Tjmax，则IGBT可能损坏。IGBT的功耗包括稳态功耗和动态动耗，其动态功耗又包括开通功耗和关断功耗。在进行热设计时，不仅要保证其在正常工作时能够充分散热，而且还要保证其在发生短时过载时，IGBT的结温也不超过Tjmax。1.2.6可控硅

分类：单向可控硅双向可控硅可关断可控硅单向可控硅2P4M图示：表7－1可控硅导通和关断条件1.2.7智能功率器件

目前，功率器件正朝着集成化、智能化和模块化的方向发展。智能功率器件为机电一体化设备中弱电与强电的连接提供了理想的接口。介绍了智能功率器件的特点、产品分类、工作原理及典型应用。所谓智能功率器件，就是把功率器件与传感器、检测和控制电路、保护电路及故障自诊断电路等集成为一体并具有功率输出能力的新型器件。由MC33374T/TV构成52W开关电源的电路H桥双向直流电动机驱动电路各种功率器件的性能及应用领域：1.3电路隔离抗干扰技术

1.3.1电子设备的电路隔离技术1.3.2电力设备中的隔离技术1.3.3光电耦合器及其应用1.3.1电子设备的电路隔离技术1引言2模拟电路的隔离3数字电路的隔离4模拟电路与数字电路之间的隔离5结语1.3.1电子电气设备的电路隔离技术

1引言电路隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果。在采用了电路隔离的措施以后，绝大多数电路都能够取得良好的抑制噪声的效果，使设备符合电磁兼容性的要求。电路隔离主要有：模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。所使用的隔离方法有：变压器隔离法、脉冲变压器隔离法、继电器隔离法、光电耦合器隔离法、直流电压隔离法、线性隔离放大器隔离法、光纤隔离法、A/D转换器隔离法等。2模拟电路的隔离供电系统的隔离模拟信号测量系统的隔离模拟信号控制系统的隔离供电系统的隔离

交流供电系统的屏蔽隔离u2C=u1CC12/（C12＋C2E）u2C=〔u1CZE/（ZE＋1/jωC10）〕C2E/（C20＋C2E)〕供电系统的隔离

(a)交流侧隔离(b)直流隔离直流电源系统的隔离模拟信号测量系统的隔离(a)互感器隔离电路(b)线性隔离放大器图7－43模拟信号输入隔离系统大电压/大电流微电压/微电流模拟信号控制系统的隔离如前所述，模拟信号控制系统的隔离与模拟信号测量系统的隔离类似，即交流信号一般采用变压器隔离，直流信号一般采用直流电压隔离器或线性隔离器隔离。3数字电路的隔离光电耦合器隔离脉冲变压器隔离继电器隔离光电耦合器隔离

光电耦合器电路脉冲变压器隔离（a）脉冲变压器(b)脉冲变压器应用于开关电源中继电器隔离

继电器隔离4模拟电路与数字电路之间的隔离(a)一点接地(b)单端隔离的模数转换电路(c)双端隔离的模数转换电路5结语以上对电子电路的电气隔离问题作出了概括性的论述，在产品的研制实践中,还要对电子电气设备的内部噪声及外部干扰进行全面的分析，结合“接地问题”，“屏蔽问题”,选择合理的隔离方式及其恰当的隔离部位，进行统一部署，才能设计出满足电磁兼容性要求的合格产品，造福于社会。1.3.2电力设备中的隔离技术

隔离技术是电磁兼容性中的重要技术之一。下面将电磁兼容中的隔离技术分为磁电、光电、机电、声电和浮地等几种隔离方式加以叙述。磁电隔离技术隔离变压器

脉冲变压器测量变压器

霍尔传感器

光电隔离技术

光电耦合器

红外遥控

光缆

机电隔离技术

有触点电磁继电器

机电隔离一般采用有触点电磁继电器来实现，即电磁继电器的线圈接收信号，机械触点发送信号。由于机械触点分断时，阻抗很大，电容很小，从而阻止了电路性耦合产生的电磁干扰的传输。但是继电器的线圈工作频率较低，不适用于工作频率较高的场合，另外还存在触点通断时的弹跳和火花干扰以及接触电阻等缺点。声电隔离技术

声表面波滤波器

声表面波滤波器目前主要应用在电视和通讯中，作为带通、带阻滤波器、鉴频器和振荡器等等。

浮地技术

浮地，即该电路的地与大地无导体连接。其优点是该电路不受大地电性能的影响。其缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。

浮地可使功率地（强电地）和信号地（弱电地）之间的隔离电阻很大，所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。放大器的浮地技术

对于放大器而言，特别是微小输入信号和高增益的放大器，在输入端的任何微小的干扰信号都可能导致工作异常。因此，采用放大器的浮地技术，可以阻断干扰信号的进入，提高放大器的电磁兼容能力。浮地技术的注意事项

1）尽量提高浮地系统的对地绝缘电阻，从而有利于降低进入浮地系统之中的共模干扰电流。

2）注意浮地系统对地存在的寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容仍然可能耦合到浮地系统之中。

3）浮地技术必须与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术相互结合应用，才能收到更好的预期效果。

4）采用浮地技术时，应当注意静电和电压反击对设备和人身的危害。1.3.3光电耦合器及其应用

普通和带可控硅输出的光电耦合器电路图光敏双向开关器件光检测器和光耦开关光耦应用单刀双掷开关电路双刀双掷开关电路用光电耦合器组成的开关电路遥控用光电耦合器开关电路光电耦合器控制的双稳态输出开关电路光电耦合开关的施密特电路光电耦合器TTL与HTL转换电路利用光电耦合器的高压稳压电路1.4接地与抗干扰技术

1.4.1接地的种类与含义1.4.2地线的作用1.4.3接地设计1.4.1接地的种类与含义

一、引言什么是地什么是地线和接地线（极）什么是接地二、电力电子设备中的接地方式1、安全接地2、防雷接地

3、工作接地数字地/模拟地/信号地/电源地/功率地4、屏蔽接地1.4.2地线的作用

地线：有一个良好的地线,并能正确安装使用是很重要的。有人认为,零线就是地线,接零就等于接地,可是如果用万用表对零线和保护地线作一简单的测试就可发现,零线不是地线,因表上有电压读数。接地线：良好的接地材料要求在高次谐波区域也有足够低的阻抗,回路的所有点上均能确保相同的基准电位。为了确保这一基准电位,要使用低阻抗金属导体,这一导体可以考虑诸如板状、网状等。这里应该注意的一点就是接地电流的高次谐波在金属表面形成的表面效应。接地极：此外,因处于高次谐波区域,还必须考虑接地极的有效长度。1.4.3接地设计

“四套法”接地系统“三套法”接地系统“直流地——金属构件地”接地系统“悬浮地”接地系统对于接地系统的设计,一般来说,要求较高的采用“四套法”要求不高的可采用“直流地———金属构件地”;周围环境无强电磁干扰及雷电很少的地方,可用“三套法”;而“悬浮地”接地系统目前只有在宇宙飞船航天飞机舰艇上采用。电子电路的接地设计中的单