项目二 开关电源

电力电子技术机电教研室：张科建1项目二开关电源1、认识开关电源的组成机构及其元器件2、掌握所用开关元件的电气性能和电路符号3、熟悉开关电源的各种拓扑结构及特点4、了解各项指标的意义并掌握测试的方法5、了解开关电源的设计步骤及调试方法学习目标2项目描述

开关电源是一种高效率、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、彩色电视机等家用电器等都大量采用了开关电源。A：一次电源产品的图片 （AC/DC）B：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3任务一开关电源认知一、开关电源的概念和分类1、什么是电源？将各种能源转换为符合用电设备所需的电能，这样的变换设备便是电源。电源是一切电气设备的心脏，没有电源，电气设备就不可能工作。2、什么是开关电源？

电源调整管工作在开关状态的电源。具有高功率密度、重量轻、体积小。43、开关电源和线性电源、相控电源的比较

①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 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。

②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 积大。5输入电源调整管负载RL图1-2串联线性电源模型图输入开关管K负载RL储能元件图1-1开关电源模型图输入受控晶闸管负载RL图1-3相控电源模型图◆开关电源和线性电源、相控电源的比较64、开关电源的组成及工作原理共轭滤波器整流滤波电子开关高频变压器脉冲整流滤波取样电路220V交流电压输入有源调整输入电路脉宽驱动脉宽调制比较放大基准电压功率变换输出电路控制电路功能：将220V交流电压转换为电路所需要的各种稳定的直流电。7●作用：双向滤波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。S1C10.1uL2220V市电

至整流滤波电路F1T2.5AC020.1u（1）输入共轭滤波电路（EMI电路）■电路组成：由一个线圈和两个电容组成。EMI原理图8

对高频干扰信号而言，电容呈短路，而电感则呈开路。高频干扰被电容短路。

对50Hz低频而言，电容呈开路，而电感则呈短路。因此，50Hz市电可以顺利通过。S1C10.1uL220V市电

至整流滤波电路F1T2.5AC20.1uF1T2.5AS1C10.1uL220V市电

至整流滤波电路C20.1u▲工作原理9※输入220V交流电压的检测220V交流输入交流电压500V档正常值:220V±15%(187V~253V)共轭滤波器10★常用EMI电路:

通常有两级EMI两级EMI电路图11（2）APFC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BOOT电路，输出电压一般规定在410VDC左右。作用：提高功率因数。其形式就是将电压和电流相 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有源功率因数校正。（3）功率变换电路

将APFC输出的410VDC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。12（4）调整输出电压的方法：tVitVktVotonTVO=·Vi=D·VitonT占空比ViVoVkKRL电压变换器整流滤波13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，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。（5）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 电路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大小。14归纳：

开关电源的基本工作原理功能：通过高频开关技术将输入较高的交流电压(AC) 转换为电子或电器设备工作所需要的直流电压 (DC)。中心思想：用提高工作频率等手段来提高电源的功率 密度，进而达到减少变压器的体积和重量的目 的。采用开关变换的显著优点是大大提高了电 能的转换效率，典型的开关电源效率为70%- 80%，稳定原理：依赖对脉冲宽度的改变来实现输出电压的 稳定，称做脉宽调制（PWM）。155、开关电源的分类按变换方式可分为下列四大类：（1）第一大类：AC/DC开关电源；（2）第二大类：DC/DC开关电源；（3）第三大类：DC/AC开关电源；（4）第四大类：AC/AC开关电源。开关电源逆变器变频器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：（1）：第一大类：无变压器的非隔离式；（2）：第二大类：有变压器的隔离式。16二、开关电源的优缺点◆优点：1、节能。效率高一般在70～90%以上。2、体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。

3、可靠性高。具有各种保护功能，不易损坏。

4、调节灵活。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输出以及同号、反号等输出.5、噪声低。声频在20kHz以上时，已是人耳听不到的超声波，而开关电源的工作频率一般都大于此频率。6、稳压范围广，一般交流输入80～265V，负载作大幅度变化时，性能很好。

17二、开关电源的优缺点◆存在的问题：1、器件的集成度不高。影响电源的稳定性和可靠性。2、材料问题。电容、管子、磁芯体积大，耗能。

3、能源变换问题。控制难度大，难以大规模生产。

4、开关电源的软件开发问题。目前还有较大难度。5、生产工艺问题。如焊接质量及元件技术性能问题等。6、电路复杂，不便于维修。18三、开关电源的发展趋势1、体积小。2、工作频率高。2～

10MH。

3、效率高。大于90%。

4、寿命长。80000H以上。5、功率密度高。3～6W/cm。19三、开关电源与线性电源的比较20任务二开关电源元器件的选用任务要求和学习要点开关电源器件工作原理基本特征主要参数选择、使用时注意的问题

掌握开关电源器件基本特征型号命名法参数特征曲线21一、开关晶体管功率MOSFET的种类

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于或等于零）零时才存在导电沟道。1、功率MOSFET简介◆功率MOSFET主要是N沟道增强型。（一）功率场效应管——MOSFET22功率MOSFET的结构（电气符号）2、MOSFET的结构和工作原理栅极S漏极D源极SP沟道源极S漏极D栅极SN沟道是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。23电力MOSFET的工作原理（以N沟道增强型为例）截止：UGS＜0，栅源极间电压为零。则漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS＞0。则漏极和源极导电。源极S漏极D栅极SN沟道243、电力MOSFET的基本特征

(1)静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-20

电力MOSFET的转移特性和输出特性

a)转移特性b)输出特性25MOSFET的漏极伏安特性：504030201001020304050UGS/VID/AUGS=UT=3VUGS=8VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7V饱和区非饱和区截止区饱和区非饱和UGS＞UT，UDS＜UGS-UT，漏源电压UDS和漏极电流ID之比近似为常数。该区对应于电力晶体管的饱和区。当MOSFET作开关应用而导通时即工作在该区。UGS≤UT，ID=0，这和电力晶体管的截止区相对应。截止区UGS＞UT，UDS≥UGS-UT，当UGS不变时，ID几乎不随UDS的增加而增加，近似为一常数。这里的饱和区并不和电力晶体管的饱和区对应，而对应于后者的放大区。当用做线性放大时，MOSFET工作在该区。26开通过程开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图1-21

电力MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻，RG—栅极电阻，RL—负载电阻，RF—检测漏极电阻(2)

动态特性274.电力MOSFET的主要参数漏极电压UDS电力MOSFET电压定额参数漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM

电力MOSFET电流定额参数栅源电压UGS

︱UGS︱>20V将导致绝缘层击穿，一般不得超过20V。，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MOSFET的安全工作区。电力MOSFET不存在二次击穿。除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：

285、

特点——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。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低。

一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。296.电力MOSFET驱动电路举例当输入为0V时，Q1截止。使Q2饱和导通。

Q3是P沟道MOS管，Q3栅极电压0V，Q3导通。

Q4是N沟道MOS管，Q4栅极电压大约是12V，Q4导通。当输入为3.3V时，饱和Q1导通。Q2基极电压约0V，Q2截止。

Q3是P沟道MOS管，Q3栅极电压12V，Q3截止。

Q4是N沟道MOS管，Q4栅极电压是0V，Q4截止。

30（二）绝缘栅双极型管——IGBTGTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有良好的特性。1、功率MOSFET简介GEIDRon+－ICIDRNVJI+－C－+ECGb)简化等效电路

c)电气图形符号312、IGBT的工作原理

驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。323、IGBT的转移特性和输出特性——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——IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th))输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。33ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图1-24IGBT的开关过程IGBT的开通过程

与MOSFET的相似开通延迟时间td(on)

电流上升时间tr

开通时间tonuCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。

tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；

tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。

(2)

IGBT的动态特性34图1-24IGBT的开关过程关断延迟时间td(off）电流下降时间

关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的