开关电源基础知识ppt模板下载

这是一个关于开关电源基础知识ppt模板，包括了开关电源的基础知识及功率器件，开关电源技术的主电路（电源输入电路及功率变换电路），开关电源的控制、驱动及保护电路，开关电源中的磁性元件（滤波电感及高频变压器），开关电源实际应用电路等内容，第1章 开关电源的基础知识 1.1 开关稳压电源和线性串联稳压电源 1.1.1 电源的定义（电源犹如人体的心脏，是所有电设备的动力） —利用电能变换技术将市电或电池中的电通过一次电路转换为适合各种用电对象应用的二次电能的装置,利用电子线路反馈技术实现输出电压稳定。分为交流电源、直流稳压电源,或工频电源、高频电源，本文的研究对象是直流稳压电源,包括串联稳压电源和开关稳压电源。 串联稳压电源—当输入或输出电压变化时，通过连续线性调整功率管的压降获得稳定的输出电压。（功率管工作在线性放大状态） 开关稳压电源—通过调整功率管的导通（或截止）时间获得稳定的输出电压。（功率管工作在饱和导通状态） 一、串联稳压电源 线性串联稳压电源的原理图如图1所示：◆基本工作原理为：工频交流电源经过变压器T1降压、通过VD1-VD4 整流C1滤波为直流电压、VT1调压成为一稳定的直流电。◆优点：结构简单，稳压性能好，无高频噪声污染，欢迎点击下载开关电源基础知识ppt模板。

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第1章 开关电源的基础知识 1.1 开关稳压电源和线性串联稳压电源 1.1.1 电源的定义（电源犹如人体的心脏，是所有电设备的动力） —利用电能变换技术将市电或电池中的电通过一次电路转换为适合各种用电对象应用的二次电能的装置，利用电子线路反馈技术实现输出电压稳定。分为交流电源、直流稳压电源，或工频电源、高频电源，本文的研究对象是直流稳压电源，包括串联稳压电源和开关稳压电源。 串联稳压电源—当输入或输出电压变化时，通过连续线性调整功率管的压降获得稳定的输出电压。（功率管工作在线性放大状态） 开关稳压电源—通过调整功率管的导通（或截止）时间获得稳定的输出电压。（功率管工作在饱和导通状态） 一、串联稳压电源 线性串联稳压电源的原理图如图1所示： ◆基本工作原理为：工频交流电源经过变压器T1降压、通过VD1-VD4 整流C1滤波为直流电压、VT1调压成为一稳定的直流电。 ◆优点：结构简单，稳压性能好，无高频噪声污染。 ◆缺点： (1) 输入采用50 Hz工频变压器， 体积庞大。 ? (2) 电压调整器件（如图所示的三极管）工作在线性放大区 内，损耗大，效率低。 ? (3) 过载能力差。 二、开关稳压电源 ◆基本组成如图2所示： ◆开关稳压电源的原理图如图所示： ◆主电路的工作原理为：50 Hz单相交流220 V电压或三相交流220 V/380 V电压首先经EMI防电磁干扰的电源滤波器滤波（这种滤波器主要滤除电源的高次谐波），直接整流滤波（不经过工频变压器降压，滤波电路主要滤除整流后的低频脉动谐波），获得一直流电压；然后再将此直流电压经变换电路变换为数十或数百千赫的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压（或升压）后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。 ◆控制电路的工作原理是：电源接上负载后，通过取样电路获得其输出电压，将此电压与基准电压做比较后，将其误差值放大，用于控制驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，使输出电压升高（或降低），以获得一稳定的输出电压。 ?? ◆开关电源的优点： (1） 功耗小、 效率高。 开关管中的开关器件交替工作在导通—截止—导通的开关状态，转换速度快， 这使得功率损耗小，电源的效率可以大幅度提高，可达90％～95％。 ? (2） 体积小、重量轻。 开关电源效率高， 损耗小，可以省去较大体积的散热器； 用起隔离作用的高频变压器取代工频变压器，可大大减小体积，降低重量；因为开关频率高，输出滤波电容的容量和体积也可大为减小。 (3） 稳压范围宽。 开关电源的输出电压由占空比来调节，输入电压的变化可以通过占空比的大小来补偿。这样，在工频电网电压变化较大时， 它仍能保证有较稳定的输出电压。 ? (4） 电路形式灵活多样。 设计者可以发挥各种类型电路的特长， 设计出能满足不同应用场合的开关电源。 ? ◆开关电源的缺点： 主要是存在开关噪声干扰，开关器件工作在开关状态，它产生的交流电压和电流会通过电路中的其它元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，此外，这些干扰还会串入工频电网，使电网附近的其它电子仪器、设备和家用电器受到干扰。因此，设计开关电源时，必须采取合理的措施来抑制其本身产生的干扰。 　　　　　　1.2 开关电源的分类 1. 按输出能量的形式分类 (1)直流开关电源 (2)交流开关电源 2. 按驱动方式分类 (1)自激式开关电源 (2)他激式开关电源 ☆3. 按能量转换过程的形式分类 (1)直流—直流（DC—DC）变换器 (2)逆变器（DC—AC） (3)开关整流器（AC—DC） (4)交流—交流变频器（AC—AC） ☆ 4. 按输入与输出是否隔离分类 (1)隔离式开关变换器 (2)非隔式开关变换器 ☆ 5.按电路的输出稳压控制方式分类 (1)脉冲宽度调制(PWM)式 (2)脉冲频率调制(PFM)式 (3)脉冲调频调宽式三种 6. 按功率开关管关断和开通工作条件分类 (1)硬开关变换器 (2)软开关变换器　　　　1.4 开关电源的应用 一、金属焊接与切割电源 二、表面处理工程 三、在环境保护中的应用 四、在激光中的应用 五、在电力系统中的应用 六、在通信领域中的应用（ PC电源：输出电压为：12V/14A， -12V/0.5A，5V/18A，3.3V/14A ；笔记本适配器：输入100-240Vac，50-60Hz，输出20V/3.25A，不间断电源(UPS) ） 七、在蓄电池充电中的应用　 八、在风能、太阳能发电中的应用 九、在电动机调速中的应用（变频调速） 十、在军事装备中的应用 十一、医疗器械上的电源(如CT扫描仪） 十二、航空电源　　　 　　　　1.3 对开关电源的基本要求 一、使用性能要求 1、高的可靠性 平均无故障时间（MTBF）>3000h 2、高的安全性 3、好的可维修性 平均故障维修时间（MTTR） 4、高的功率密度（单位体积的功率容量及单位质量的功率容量） 5、高性价比、低使用维修费用 6、环境适宜性要求　　二、电气性能参数 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变化范围。目前开关电源的输入电压变化范围已做到90~270 V，可以省去许多电器中的110 V/220 V转换开关。 2、源电压功率因数（PF或 ） 一般功率因数PF≥0.8 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映在线性电源上是稳压调整管集电极电流的变化范围，反映在开关电源上是开关调整管脉冲占空比D的变化范围。 5、 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的稳定性就越好。 6、 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。 7、电气保护：输入过电压、欠电压保护，输出过电压、欠电压保护，输出过电流保护。 8、功率器件过热保护 9、电网电压调整率 指在额定负载范围内，输入电压在允许范围内变化，引起输出电压变化量与输出额定电压的百分比。 10、负载调整率 在规定的源电压范围内，负载电流从空载至满载变化时，引起输出电压的变化量与输出额定电压的百分比。 11、输出纹波与噪声 纹波电压可用峰-峰值VP-P 　　　　　　　1.7 开关器件 　　开关器件(即开关电源的电子器件)的特性及其驱动是开关电源电路中关键的问题。 1.7.1 开关器件概述 1. 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。　　2.开关电源系统的组成 　　开关电源系统由控制电路、 驱动电路和以开关器件为核心的主电路组成。 　　控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中开关器件的通或断来完成整个系统的功能。 　　开关电源系统中需要有检测电路。广义上往往其他驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说开关电源系统是由主电路和控制电路组成的。　　主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的开关器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，驱动电路与控制信号的连接处，或者主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，而通过其他手段如光、 磁等来传递信号。 　　由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而开关器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此必须在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证开关器件和整个电源系统正常、 可靠运行。 　　3. 开关器件的分类 开关器件按其能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类： (1) 半控型器件——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，晶闸管及其大部分派生器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。 (2) 全控型器件——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件，如绝缘栅双极晶体管IGBT、 电力场效应晶体管MOSFET、 门极可关断晶闸管GTO。 (3) 不可控器件——不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。如电力二极管(Power Diode)只有两个端子，它的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。 1.7.2 电力二极管 　　电力二极管的结构和原理简单，工作可靠。电力二极管是以PN结为基础的，实际上就是由一个面积较大的PN结和两端引线封装组成的。功率二极管的结构和图形符号如图所示。 　　1. 电力二极管的基本特性 　　1) 静态特性 　　电力二极管的基本特性主要指其伏安特性。当电力二极管承受的正向电压大到一定值，即达到门槛电压UTO时，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有由少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。　　2) 开通过程 　　正向压降先出现一个过冲UFP，经一段时间才接近稳态压降的某个值(2 V)，如图 所示。其中uF表示二极管压降，iF表示二极管正向电流，tfr为正向恢复时间。电流上升率越大，UFP越高。 电力二极管的开通过程　　3) 关断过程 　　电力二极管须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。电力二极管在关断之前有较大的 反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲，如图 所示。其中URP为最大反向电压，IRP为最大反向电流，trr为反向恢复时间，trr越小越好。 电力二极管反向恢复过程中的电流和电压波形　　2. 电力二极管的主要类型 　　1) 普通二极管(General Purpose Diode) 　　 普通二极管又称为整流二极管(Rectifier Diode)，多用于开关频率不高(1 kHz以下)的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在开关频率不高时并不重要。其正向电流定额值和反向电压定额值可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。　　2) 快恢复二极管(FRD) 　　 快恢复二极管是恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短的二极管，简称为快速二极管。快速二极管在工艺上多采用了掺金措施，有的采用PN结型结构，有的采用改进的PiN结构。采用外延型PiN结构的快恢复外延二极管(Fast Recovery Epitaxial Diodes，FRED)，其反向恢复时间更短(可低于50 ns)，正向压降也很低(0.9 V左右)，但其反向耐压多在400 V以下。快速二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级，前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100 ns以下，有的甚至达到20~30 ns。　　3) 肖特基二极管 　　以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管(SBD)，简称为肖特基二极管。肖特基二极管的优点很多，主要是：反向恢复时间很短(10~40 ns)，正向恢复过程中不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。肖特基二极管的不足之处是：当反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200 V以下；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。 2）正向压降UF 正向压降UF是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的正向压降。 3） 反向重复峰值电压URRM 反向重复峰值电压是功率二极管能重复施加的反向最高电压， 通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。一般在选用功率二极管时， 以其在电路中可能承受的反向峰值电压的两倍来选择反向重复峰值电压。 1.7.3 电力场效应晶体管MOSFET 　　电源电路主要采用电力场效应晶体管、 绝缘栅双极晶体管。　　1. 电力场效应晶体管的特点 　　电力场效应晶体管主要指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。其特点是：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，热稳定性好，电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10 kW的电源电子装置。　　2. 电力场效应晶体管的结构和工作原理 　　电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道，如图所示。其中G为栅极，S为源极，D为漏极。 　　电力MOSFET的工作原理是：在截止状态，漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过；在导电状态，在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过，但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的电子吸引到栅极下面的P区表面。 　　4) IR2011和IR221X系列 　　主电路的电力MOSFET开关频率要达到100 kHz，而早期的IR21系列的最短开通关断的时间是1.35 μs，达不到 100 kHz的开关要求。IR最新的驱动IC已经突破这一限制，如IR2011、 IR221X系列均可工作在100 kHz以上。同类型的高压板桥驱动IC有很完善的保护机制，可以很好地应用于半桥、 全桥、 三项全桥等拓扑结构。 1.7.4 绝缘栅双极晶体管IGBT 　　电力晶体管GTR的特点是：双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点是：单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。结合二者的优点而成的复合器件就是绝缘栅双极晶体管IGBT。它目前已经取代了GTR和一部分 MOSFET，成为电源中小功率电力电子设备的主导器件。　　1. IGBT的结构和工作原理 　　IGBT为三端器件，分别为栅极G、 集电极C和发射极E，如图1-28所示，J表示PN结。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是场控器件，其通断由栅射极电压UGE决定。需导通时，UGE大于开启电压，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通；导通时有一压降，电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小；需关断时，栅射极间施加反压或不加信号，MOSFET内的沟道消 失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。 　　2. IGBT的特性和参数特点 　　(1) 开关速度高，开关损耗小。电压在1000 V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当； 　　(2) 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR的大，且具有耐脉冲电流冲击能力； 　　(3) 通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域； 　　(4) 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似； 　　(5) 与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。 　　为使用方便，IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块而成为逆导器件。　　3. IGBT栅极驱动电路 　　1) IGBT栅极驱动模块的选用 　　IGBT栅极驱动模块EXB841、 M57962L均可用于驱动1200 V系列400 A以内的IGBT 模块，且具有过流检测及保护功能。EXB841内部产生－5 V负偏压且不可调；M57962L在外部利用稳压二极管产生－9 V负偏压，关栅可靠性比EXB841的高。M57962L的保护动作时间，即从出现过流到栅压降至0 V的时间仅为6.3 μs。EXB841的保护动作时间为16 μs且关栅电压不能降至－2 V以下，导致IGBT炸管的危险性比M57962L的大。因此，IGBT栅极驱动模块宜选用M57962L。 　　2) 驱动模块外围电路的改进 　　IGBT在关断时，管子的集电极和发射极之间产生的电压上升率dv/dt高达30 000 V /μs。过高的dv/dt 会产生较大的位移电流，并导致产生较大的集电极脉冲浪涌电流，很容易使IGBT发生动态擎住现象。为了避免IGBT发生这种误动作，必须在IGBT栅极加负偏压。 　　3) IGBT模块与滤波电容的连接 　　IGBT的输入特性与MOSFET相类似，输入阻抗高。如果驱动电路失去电压，则IGBT 的栅极失去负偏压，对发射极呈高阻态。此时，一旦有干扰窜至IGBT的栅极，则IGBT 模块的上、 下两管易同时导通。如果IGBT模块直接与数千微法的滤波电容连接，那么滤波电容储存的能量会通过IGBT模块的上、 下管直接释放，易导致IGBT模块损坏。因此，设计大功率电源时应考虑加入控制电路，以使在开机时先接通控制、 驱动部分电路的电源，后将IGBT模块与滤波电容连接。在关机时先将IGBT模块与滤波电容断开，后关断控制、 驱动部分电路的电源。 1.7.5 功率模块与功率集成电路 　　为降低成本，方便应用，电子器件的制造出现模块化的发展趋势。人们将多个器件封装在一个模块中，该模块称为功率模块。其特点是可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性，对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。 　　将器件与逻辑、 控制、 保护、 传感、 检测和自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，该芯片称为功率集成电路PIC。智能功率模块IPM则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT。功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理问题。智能功率模块在一定程度上解决了上述两个难点，最近几年获得了迅速发展。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。NSx红软基地

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