自激式开关电源设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

自激式开关电源设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

（ 2）集成电路式 整个开关稳压电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的，这种集成电路通常为厚膜电路。 有的厚膜集成电路包括开关晶体管，有的则不包括开关晶体管。 这种电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。 彩色电视机中常采用这种开关电源。 10．按电路的输出取样样式分类 （ 1）直接输出取样开关电源 直接输出取样开关电源在光电耦合器尚未应用时，主要在串联开关电源上使用；在光电耦合器应用后，开始在变压器耦合并联开关电源上使用。 （ 2）间接输出取样 开关电源 间接输出取样方式输出电压的变化须经开关变压器磁耦合才能反映到取样绕组两端，所以稳压速度低，并且这种开关电源不能空载检修，检修时须在输出端接替代负载。 以上五花八门的开关稳压电源都是站在不同的角度，已开关稳压电源不同的特点命名的。 图 13 示出开关稳压电源的原理框图。 尽管电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方式、开关管的器件种类以及串并联结构各不相同，但是它们最后总可以归结为串联型开关稳压电源和并联型开关稳压电源这两大类。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 10 URCV 0( a ) 串 联 型UV DCL R( b ) 并 联 型驱 动 器开 关 元 件振 荡 器滤 波 电 路误 差 放 大 器 取 样 电 路基 准 电 压U 0 U i（ c ） 他 激 式 图 13 各种开关电源原理图（ a） (c) 洛阳理工学院毕业设计（论文） 11 图 13 各种开关电源原理图（ d） (n) 洛阳理工学院毕业设计（论文） 12 开关电源的主要技术指标 开关电源有以下主要技术指标。 （ 1） 输入电压变化范围：当稳压电源的输入电压发生变化时，使输出电压保持不变的输入电压的变化范围。 这个范围越宽，表示电源适应外界电压变化的能力越强，电源使用范围越宽。 它和电源的误差放大、反馈调节电路的增益以及占空比调节范围有关。 目前开关电源的输入电压变化范围已达到 90～ 270V，可以省去许多电器中的 110V/220V 转换开关。 （ 2） 输出内阻 Ro:输出电压的变化量 Δ Uo 与输出电流的变化量 Δ Io 的比值。 这个比值越小，表示电源输出电压随负载电流的变化越小，稳定性越好。 （ 3） 效率 η：电源输出功率 Po 与输入功率 Pi 的比值。 这个比值越高，开关电源的体积越小，同时可靠性也越高。 目前开关电源的效率可达到 90%以上。 （ 4）输出纹波电压：由于开关电源的稳压过程是一个不断反馈调节的过程，因此在输出的直流电压 Uo 上会出现一个叠加的波动的纹波电压，即输出纹波电压。 这个电压值越小，表示电源的输出性能越好。 这个参数的表示有两种方法：一是输出纹波电压有效值；二是输出纹波电压的峰峰值 Upp。 （ 5）输出电压调节范围：由于电源的输出电压只和基准电压与输出取样电路的元器件参数有关，因此，输出电压调节范围反应在线性电源上时稳压调整管集电极电流的变化范围。 （ 6）输出电压稳定性：输出电压随负载变化而变化的特性，这个变化量越小越好。 它主要和反馈调节回路的增益及频响特性有关。 反馈调节回路增益越高，基准电压 UE 越稳定，输出电压 Uo 的稳定性越好。 （ 7）输出功率 Po：电源能输出给负载的最大功率，它和负载功率有关。 为了保证电源安全，要求输出功率有 20%～ 50%的裕量。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 13 第二章 自激式开关电源元器件的选用 开关器件概述 开关器件的特性及其驱动是开关电源电路中关键的问题。 对开关器件的认识和了解是电路设计和使用的基本知识。 开关器件的五个特征 同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征： (1) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。 (2) 开关器件一般都工作在开关状态，导通时 (通态 )阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压 由外电路决定。 (3) 开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关。 (4) 电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。 在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。 (5) 为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。 导通时，器件上有一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态漏 电流流过；形成断态损耗时，在开关器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。 自激式开关电源元器件的选用 无论那一种变换器，用的是那一种结构形式的开关电源，所使用的元器件都是开关晶体管、电阻、电容、电感及磁性材料等。 选用好元器件，是决定开关电源质量的关键。 往往设计的开关电源在试验室中式成功的，一到生洛阳理工学院毕业设计（论文） 14 产线上进行规模生产时，就会出现各种问题。 当然，有设计方面的，有工艺方面的，还有焊接方面的，但多数是元器件选用问题。 元器件本身质量的差异是影响开关电源质量的一个重要原因。 开关器件的特征： 同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征： (1) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。 (2) 开关器件一般都工作在开关状态，导通时 (通态 )阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。 (3) 开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时 候甚至上升为第一位的重要问题。 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关。 (4) 电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。 在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。 (5) 为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。 导通时，器件上有一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态漏电流流过；形成断态损耗时，在开关器件开通或关断的转换过程中产生开通损 耗和关断损耗，总称开关损耗。 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。 开关器件的分类 一、 半控制型功率电子开关器件 半控制型功率电子开关器件主要有普通晶闸管及其派生器件。 普通晶闸管具有可控的单向导电性，即不但具有一般二极管的单向导电的整流作用，而且还可以对导通电流进行控制。 单向晶闸管是 pnpn 四层结构，形成三个 pn结，具有三个外电极。 可等效为 pnp、 npn 两个晶体管组成的复合管。 目前的制造容量为： 12kv/1ka 和。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 15 光控晶闸管是通过光信号控制晶 闸管触发导通的器件，它具有很强的抗干扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被广泛地应用于高压直流输电（ hvdc）、静止无功补偿（ svc）等领域。 目前容量水平为 8kv/。 非对称晶闸管是一种正、反相电压耐量不对称的晶闸管，而逆导晶闸管是非对称晶闸管的一种特例，是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。 于普通晶闸管相比，它具有关断时间短、正相压降小、额定结温高、高温特性好等优点。 主要运用于逆变器和整流器中。 目前的容量制造水平 3kv/。 二、全控型功率电 力开关器件 全控型功率电力开关器件有如下几种产品： 门极可关断晶闸管（ gto）。 1964 年美国第一次试验成功了 的 gto。 因容量较小，当时只用于汽车点火装置和电视机行扫描电路。 20 世纪 70 年代后期 gto 的研制取得了重大突破。 相继研制出 ；；。 目前已达到 9kv/的水平。 gto 有对称、非对称和逆向导通三种类型。 主要运用于中等容量的牵引驱动中。 目前各类自关断开关器件中 gto 容量最大。 它还在高压领域占有一席之地。 大功率晶体管（ gtr）。 gtr 是一种电流控制的双极双结电子开关器件（又称大林顿三极管），生产于上世纪 70 年代。 其额定值已达： ，；。 它既具有晶体管的固有特性，又增大了功率容量。 其优点是它组成的电路灵活、成熟、开关频率较高。 在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。 gtr 的缺点是驱动电流较大，耐浪涌电流的能力差。 易受二次击穿而损坏。 正逐步 被mosfet 和 igb 所代替。 功率场效应管（功率 mosfet）。 功率场效应管是一种电压控制型单极晶体管。 它是通过栅极电压来控制漏极电流的。 因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频率高（ 100khz）、为所有功率电子开关器件中频率之最。 因而最适合应用于开关电源、高频感应加热器等高频场合。 其缺点是电流容量较小、耐压低、通态压降大。 目前制造水平在洛阳理工学院毕业设计（论文） 16 1kv/。 三、复合型功率电力开关器件 绝缘门极双极型晶体 管（ igbt）。 igbt 是美国 ce 公司和 rca 公司于 1983年首先研制的。 igbt 集 grt 通态压降小、载流密度大、耐压高和功率 mosfet驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身。 igbt 的开关速度低于功率 mosfet；却高于 gtr；通态压降同 gtr 相近，但比功率 mosfet低的多；电流、电压等级与 gtr 接近，而比功率 mosfet 高。 目前其生产水平已达到。 ir 公司已生产出开关频率达 150khz 的 warp 系列。 igbt 近年来被广泛地应用于中等功率容量（ 600v 以上）的 ups 开关电源及交流电机控制用 pwm 逆变器中。 并正逐步替代 gtr 成为功率开关器件的核心元件。 mos 控制晶闸管（ mct）。 mct 最早是美国 ce 公司研制的，是由 mosfet与晶闸管复合而成的新型器件，每个 mct 器件由成千上万的 mct 元件组成。 而每个元件又是由一个 pnpn 和一个控制 mct 关断的 mosfet 组成。 mct 工作于超擎住状态，是一个真正的 pnpn 器件，其通态电阻低于其它场效应器件。 mct 既具有功率 mosfet 输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特点、又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。 目前已制造出 阻断电压高达 4kv以上的 mct，在 25a/1kv 的串联谐振器交换器中得到使用。 四、功率集成电路（ pic） pic 是功率电子开关器件技术与微电子技术相结合的产物。 是机电一体化的关键接口元件。 将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上就制成了 pic。 功率集成电路可分为高压功率集成电路（ hvic）智能功率集成电路（ spic）和智能功率模块（ ipm）。 hvic是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成。 由于它的功率器件是横向的，电流容量较小、而控制电路的电流 密度较大，故大多数用于小型电机驱动，平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。 spic 是由一个或几个纵向结构的功率器件与控制和保护电路集成而成。 电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动，汽车功率开关及调压等。 ipm 除了集成功率器件和驱动电流外，还集成了过电压过电流过热等故障监测电路。 快将监测信号传给 cpu 以保证 ipm 自身安全。 目前 ipm 中的功率器件一般由 igbt 充当。 ipm 体积小、可靠性高、使用方便。 主要运用于交流电洛阳理工学院毕业设计（论文） 17 机控制和家用电器。 已有 400v/55kw/20khz 的 ipm 得到应用。 二极管 二极管在电子电路中用得较多，功能各异。 从结构上来分，有点接触型和面接触型二极管。 面接触型二极管的工作电流比较大，发热比较厉害，它的最高工作温度不允许超过 100℃。 按照功能来分，有快速恢复及超快速恢复二极管，有整流二极管、稳压二极管及开关二极管等。 以下介绍几种二极管的特点及检测方法。 开关二极管 开关管用在高速运行的电子电路中，起信号传输作用，在模拟电路中起作钳位抑制作用。 高速开关硅二极管是高频开关电源中的一个主要器件，这种二极管具有良好的高频开关特性。 它的反向恢复时间 trr 只有 几纳秒，而且体积小，价格低。 在开关电源的过压保护、反馈控制系统中常用到硅二极管，如 1N414 1N4448。 硅二极管的主要技术指标是： (1) 最高反向工作电压 VRM 和反向击穿电压 VBR：这两个参数越大越好。 (2) 最大管压降 VFM：小于。 (3) 最大工作电流 Id：大于 150mA。 (4。