2013年度本科生畢業(yè)論文（設計）題目：12v/6a開關電源設計院 系： 工學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 年 級： 學生姓名： 學 號： 導師及職稱： 2013年5月2013annual graduation thesis (project) of the college undergraduate title： 12v/6a a switching power supply design department:engineering college major:electrical engineering and automation grade:2009students name:student no.:tutor: may, 2013摘要 隨著現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展，開關電源朝著小型化、智能化、大功率的方向發(fā)展。小型化要求開關電源體積小、重量輕，其主要依靠提高元器件的工作頻率，特別是變壓器的體積和重量決定了開關電源的體積和重量的大小，故高頻變壓器的研究設計是設計開關電源的一個重要環(huán)節(jié)。另外開關電源工作頻率的提高，又會導致開關管開關損耗的問題，能量損耗將以熱的形式表現(xiàn)出來，則開關電源的散熱問題是設計過程中必須考慮的問題。為了解決這一系列的問題，目前國內(nèi)外大多采用軟開關技術，采用該技術能夠大大地減小了開關損耗和體積、重量，從而提高了開關電源的效率。 針對開關電源的發(fā)展趨勢，本文將竭盡所能做一個可靠性高、小型化、穩(wěn)定性好、高效率的開關電源，主要從是以下這些方面進行論述、設計：首先，主要概述了開關電源的研究背景及意義；開關電源的相關概述和性能要求。其次通過對開關電源的整體方案的分析與選擇得出了最后的方案。然后對變換器的結構和原理分析來做開關電源的主電路的設計，最后介紹輔助電源電路及其它電路的設計，包括輸入、輸出濾波電路，整流電路的選取及其設計，控制電路以及保護等。對開關電源設計的基本工作做完后，使用matlab對其部分器件進行仿真。關鍵詞：開關電源、pwm、uc3842、仿真abstract with the development of modern power electronic technology. switching power supply development in the direction of the miniaturization. intelligent.high power.small volume. light weight miniaturization requirement. rely mainly on improving the work frequency of the components. in particular. the volume and weight of the size of the switch power supply. therefore research of high-frequency transformer design is an important link in design of switch power supply. at the same time switch power working frequency increased. and brings the problem of switching tube switch loss. energy loss will be displayed in the form of heat. the heat dissipation problem of switch power supply is a problem must be considered in the design process. seeking to solve the problem must of large work high frequency switching loss. soft switch technology commonly used at home and abroad. using this technology really greatly reduce switch loss and volume,weight,improve the efficiency of switching power supply. in view of the development trend of switch power supply. this thesis mainly discusses from these aspects,the design: first of all, the main outlines the research background and significance of switching power supply: switching power supply related overview and performance requirements.for switching power supply design of the basic work done.using matlab simulation on some of its components.keywords: switching power supply. pwm uc3842. simulink .紅河學院本科畢業(yè)論文 (設計)目錄第一章 緒論11.1開關電源的發(fā)展史11.2開題研究背景及意義21.3開關電源的概述和性能要求31.3.1 開關電源的優(yōu)點31.3.2開關電源的工作方式41.4開關電源的性能要求41.5 本論文的任務、設計目標51.6本論文的主要工作6第二章 開關電源的整體方案分析與選擇62.1 單端自激式開關穩(wěn)壓電源電路具有以下特點：72.2單端他激式開關穩(wěn)壓電源電路具有以下特點：82.3主電路的功率模塊82.4控制電路的選擇92.5開關電源各主要組成部分的最終選擇方案10第三章 絕緣柵雙極晶體管103.1 igbt管的工作原理及特性103.2 變換器的主要參數(shù)的選擇：133.3電路的特點及設計考慮143.4變換器損耗分析15第四章 電源主電路的設計174、1電源的設計要求174、2開關電源的基本工作原理174.2.1 開關電源的組成部分174.2.2 開關電源的工作過程184.2.3 脈寬調制器的基本原理184.3 開關電源各主要組成部分184.3 emi濾波器的設計194.3.1 emi濾波器電感、電容的選取204.4 輸入整流濾波電路設計224.5 輸出整流電路的設計234.6 輸出濾波電路的設計244.7 開關電源變壓器的選擇和設計25第五章 控制電路及保護電路的設計285.1 控制回路單元的設計285.1.1 uc3842介紹285.2 保護電路的設計305.2.1對保護電路的要求305.2.2短路保護電路305.2.4輸入過欠壓保護33第六章341.1 matlab的簡介341.2 直流斬波仿真實驗35圖 5-2 直流斬波電路的仿真結果371.3 變壓器仿真實驗371.3.1 變壓器短路試驗371.3.2 變壓器開路試驗40總結42致謝43參考文獻44附錄45紅河學院本科畢業(yè)論文 (設計)第一章 緒論 工頻整流是早期電源采用的主要技術并且得到廣泛的應用，采用工頻整流技術設計的電源稱為線性電源。工作頻率采用50hz，頻率很低。主功率變換電路中有大量的耗能開關元器件，能量損耗高和效率低，并且電路中電感、電容等元器件體積龐大、笨重，不利于集成化。但線性電源具有輸出紋波小的優(yōu)點，這是國內(nèi)外早期發(fā)展起來的線性電源的特點。但是由于線性電源具有很多的不足之處：對產(chǎn)品便捷化有一定的影響，工作時損耗的能量會使電子設備嚴重發(fā)熱，給電網(wǎng)電壓造成波動，為了解決這些問題，國內(nèi)外研究者們經(jīng)過多年的研究和探討，開關電源便應用而生。開關電源工作在高頻下，元器件的體積、重量相比以前減小了很多。采用變壓器進行能量的傳輸，能量能夠得到完全充分的利用，滿足新時代提出的“綠色”能源要求，與創(chuàng)建和諧社會與時俱進。同時制造工藝、控制方案等技術的改進和提高為開關電源的進一步發(fā)展夯實了基礎。 現(xiàn)代開關電源的發(fā)展依賴于半導體制造工藝，現(xiàn)在國內(nèi)半導體工藝遠遠落后于國外，特別是在高頻開關電源上非常明顯。國內(nèi)的開關電源市場主要是一些小功率的開關電源，大功率開關電源主要是依靠進口，但這些國外大功率開關電源價格昂貴，并且壟斷著國內(nèi)市場。為了解決對國外的這種依賴，有必要對開關電源的研究引起足夠的重視，加大投入人力、物力對大功率開關電源進行深入研究，為國內(nèi)的開關電源開辟一條嶄新的道路。 當半導體制造工藝發(fā)展到一定時，需要針對控制技術做相應的提高、改進、創(chuàng)新，開關管的開關損耗與工作頻率成正比，此時能量損耗主要取決于控制技術。傳統(tǒng)的開關電源都是采用硬開關技術，面臨著能量損耗的問題，針對這個問題采用硬開關技術的開關電源，具有效率低、穩(wěn)定性差、可靠性不足等缺點，將原來針對于晶體管提出的軟開關技術引入到全橋變換中。這些年國內(nèi)外針對軟開關技術在全橋變換中的應用做了深入研究，提出了多種多樣的解決辦法，取得了不錯的成績，并且將 dsp技術引入到開關電源的控制中，這樣就實現(xiàn)開關電源的智能化控制。1.1開關電源的發(fā)展史 上個世紀60年代，開關電源的問世，使其漸漸取代了線性穩(wěn)壓電源盒scr相控電源。40多年來，開關電源技術有了飛速的發(fā)展和變化，經(jīng)歷了功率半導體器件、高頻化盒軟開關技術、開關電源系統(tǒng)的集成技術三個發(fā)展階段。第一個階段是功率半導體從雙級型器件（bpt、scr、gto）發(fā)展為mos型器件（功率mos-fet、igbt、igct等），使電力電子系統(tǒng)有可能實現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導通損耗，電路也更簡單。第二個階段自20世紀80年代開始，高頻化和軟開關技術的研究開發(fā)，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。第三個階段從20世紀90年代中期開始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊（ipem）技術開始發(fā)展。它是當今國際電力電子界待解決的新問題之一。開關電源是近年來應用極其廣泛的一種新式電源，它具有體積小、重量輕、耗能低、使用方便等很多優(yōu)點，它在郵電通信、儀器儀表、醫(yī)療器械、家用電器等多種領域應用效果顯著。目前隨著新興技術的不斷發(fā)展，新型多功能開關電源集成控制芯片不斷推向市場，市場的多樣化，大量的超小型、多功能、模塊化開關電源不斷出現(xiàn)。開關電源市場與我國各個行業(yè)的發(fā)展有著不可分割的關系，而重點行業(yè)在我國經(jīng)濟功能的調控下，向著平穩(wěn)較快的的方向發(fā)展。因此，開關電源市場近年來也隨之增長。在開關電源的市場中，除了少數(shù)廠商擁有核心技術外，其他生產(chǎn)廠家大多沒有掌握核心技術，只能依靠其他廠家，經(jīng)營區(qū)域性市場，這樣就抑制了開關電源產(chǎn)品性能的發(fā)展和更新。開關電源產(chǎn)品由于本身具有的特殊型，用戶對產(chǎn)品的安全性、穩(wěn)定性要求很高，而對于價格的敏感性卻比較低，因此廠商對價格具有有一定的議價能力。中國開關電源主力廠商大部分擁有較為完備的產(chǎn)品線，集成能力強，各具行業(yè)優(yōu)勢。1.2開題研究背景及意義隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，電力電子設備與人們的日常生活日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已經(jīng)廣泛應用開關電源，也為開關電源技術的發(fā)展提供了充足的條件。 開關電源和線性電源相比，他們的成本都隨著輸出功率的增加而增加，但二者增長速率存在著各自的優(yōu)缺點。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而大于開關電源。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術在不斷地改進、提高，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這使開關電源有了更為廣泛的發(fā)展空間。開關電源高頻化是其為此發(fā)展的方向，高頻化開關電源的小型化，并使開關電源可以應用到更多的領域，特別是在高新技術領域的應用，使高新技術產(chǎn)品的小型化、輕便化等優(yōu)點更為突出。同時開關電源的發(fā)展和應用在安防監(jiān)控、節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有非凡的意義。開關電源產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)自動化控制、軍事設備、高新設備、led照明、工控設備、通訊設備、儀器儀表、醫(yī)療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器，冰箱，液晶顯示器，led流水燈，通訊設備，安防監(jiān)控，led燈袋，電腦機箱，數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領域。1.3開關電源的概述和性能要求開關電源又稱為開關穩(wěn)壓電源，問世后在很多領域逐步代替了線性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源。隨著能源問題的日益嚴重和人們對其的重視，電子產(chǎn)品的耗能問題也越發(fā)嚴峻，如何降低它的待機功耗，提高供電效率成為一個急需解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電力結構簡單、工作可靠，但它存在著效率低(只有40%50%)、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調整范圍小等缺點。為了提高效率，人們發(fā)明出了開關式穩(wěn)壓電源，它的效率可達85%以上，穩(wěn)壓范圍寬。除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高的特點，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。開關電源具有效率高、體積小、重量輕、應用廣泛等優(yōu)點，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。正是如此，開關電源享有高效、節(jié)能型電源的稱號，并已廣泛應用于各種電子設備中。 1.3.1 開關電源的優(yōu)點(1) 功耗小，效率高。晶體管在激勵信號的激勵下，它交替地工作在導通關斷和關斷導通的開關狀態(tài)，轉換速度非?？?，頻率一般為50khz左右，在一些擁有先技術的國家，可以達到幾百或者近1000khz。這使得開關晶體管的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達到80%。(2) 體積小，重量輕。采用高頻技術后，改善了工頻變壓器體積笨重這個缺點。在調整管上的耗散功率大幅度降低后，省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開關穩(wěn)壓電源的體積小，重量輕。(3) 穩(wěn)壓范圍寬。開關穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調節(jié)的，輸入信號電壓的變化可以通過調頻或調寬來進行補償。這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化有較大波動時，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調制型和頻率調制型兩種。開關穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點，而且實現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設計人員可以根據(jù)實際應用的要求，靈活地選用各種類型的開關穩(wěn)壓電源。(4) 濾波效率的提高，可以使濾波電容的容量和體積大幅度的減少。開關穩(wěn)壓電源的工作頻率現(xiàn)目前基本上是工作在50khz，是線性穩(wěn)壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開關穩(wěn)壓電源時，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容的1/5001/1000。電路形式多種多樣，例如自激式、他激式；調寬型、調頻型；單端式、雙端式等等，我們可以根據(jù)需要并結合設計選擇合適的類型電路，把他們的有點發(fā)揮到極致。1.3.2開關電源的工作方式開關電源主要有一下四種工作方式：(1) 脈沖寬度調制(pulse width modulation，簡稱pwm，即脈寬調制)式：其特點是開關周期為恒定值，通過調節(jié)脈沖寬度來改變占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。其核心是脈寬調制器。(2) 脈沖頻率調制(pulse frequency modulation，簡稱pfm，即脈頻調制)式：其特點是脈沖寬度為恒定值，通過調節(jié)開關頻率來改變占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。其核心是脈頻調制器。(3) 脈沖密度調制(pulse density modulation，簡稱pdm，即脈密調制)式：其特點是脈沖寬度為恒定值，通過調節(jié)脈沖數(shù)實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。它采用零電壓技術，能顯著降低功率電壓管的損耗。(4) 混合調制式：它是(1)、(2)兩種方式的組合。開關周期和脈沖寬度都不固定，均可調節(jié)。它包含了脈寬調制器和脈頻調制器。以上4種統(tǒng)“稱時間比率控制”方式，其中以脈寬調制器應用最廣。1.4開關電源的性能要求(1)、可靠性高電源是具有危害性的，所以必須具有高度的可靠性，如果電源不可靠了，那么整個基于開關電源的系統(tǒng)就不可能有高的可靠性，在現(xiàn)實生活中將不會被人們廣泛使用，特別在一些要求連續(xù)不斷工作的場合時不能采用的。(2)、穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好要求輸出不隨輸入的變化而發(fā)生劇烈的波動，比如雷擊、電網(wǎng)波動等。在實際工作中，不同種類干擾信號有很多種，經(jīng)常會從輸入端或者由中端進入，使得輸入信號參雜很多的雜波信號，這就要求系統(tǒng)能夠自動的進行處理，包括各種保護電路、反饋電路、濾波電路等，保證系統(tǒng)的輸出能夠穩(wěn)定連續(xù)的輸出，在波動范圍內(nèi)。(3)、小型化電子產(chǎn)品向著便捷式發(fā)展，開關電源不斷提高工作頻率，減小變壓器、電感、電容等開關元器件的體積，符合現(xiàn)在新電子廠品的要求并向著小型化發(fā)展。 (4)、高效率為了能與國家提出的發(fā)展“綠色”能源與時俱進，提高利用效率，降低能量損耗成為了開關電源的發(fā)展趨勢，目前主要在采用軟開關技術減小開關損耗，發(fā)展新的控制技術方面進行深入的研究。此外，減小系統(tǒng)與電網(wǎng)之間諧波污染的問題也是設計開關電源需要重視的問題，并對此做各方面的研究與探討。(5)、高頻化高頻化與小型化和提高效率密切相關，提高工作頻率是為了降低變壓器的體積和重量，為發(fā)展大功率開關電源提供充足的條件。1.5 本論文的任務、設計目標(1)交流輸入電壓ac220v20%；(2)輸出電壓：12v；(3)最大輸出功率：50w；(4)紋波電壓50mv。(5)最大輸出電流6a(6)效率80%設計目標：可靠性高；小型化；穩(wěn)定性好；高效率。1.6本論文的主要工作本論文主要完成了如下工作：1、查閱國內(nèi)外大量文獻，在了解開關電源發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢基礎上，結合實際設計要求確定本論文的研究目的，并給出設計指標。2、對開關電源的主功率變換電路進行詳細的分析比較，取其優(yōu)點，結合實際要求，設計出符合本論文需要的改進型拓撲結構。3、對開關電源的控制回路進行設計。4、為了保證系統(tǒng)的正常工作，根據(jù)實際需要設計了輔助電路，包括：輸入、輸出濾波整流電路和輔助電源電路。47第二章 開關電源的整體方案分析與選擇按各部分的功能劃分,從大的方面講,開關電源可分成:電源主電路、電源控制電路、電源保護電路三部分。電源的主電路是負責進行功率轉換的部分,通過適當?shù)目刂浦麟娐房梢詫⑹须娹D化為所需的電壓或電流。而控制電路則根據(jù)實際的需要產(chǎn)生主電路所需的控制脈沖和提供各種保護功能。開關電源的結構框圖可如圖2一1所示。圖2-1 開關電源的結構框圖單端式開關穩(wěn)壓電源具有多路輸出直流電壓、初次級電路進行隔離以及大功率或超大功率輸出的特點。故我選擇單端式開關穩(wěn)壓電源變換器。單端式開關穩(wěn)壓電源電路主要有一些幾種：單端自激式正激型直流變換器；單端自激式反激型直流變換器；單端他激式正激型直流變換器；單端他激式反激型直流變換器；boost 電路，它是一種升壓斬波電路，其輸出電壓的平均值將超過電壓電源。在電感電流連續(xù)的情況下，電路工作于兩種電路模式。（1）工作模式10，在t=t1時刻，vt管導通，電感中的電流連續(xù)按線性規(guī)律上升，則有（2）工作模式2t1,t在t1=t2時刻，vt管斷開如假定在這個期間的電感電流仍按線性規(guī)律從i2降到i1，則有 2.1 單端自激式開關穩(wěn)壓電源電路具有以下特點：電路結構簡單，成本低；內(nèi)部功率損耗小，轉換效率高；輸出功率小，電路調試難度大。2.2單端他激式開關穩(wěn)壓電源電路具有以下特點：功率開關變壓器的初級繞線和次級繞線的極性相反；電路中不需要續(xù)流二極管，功率開關變壓器中不需要退磁繞組；功率開關管導通的時間內(nèi)把能量存儲在功率開關變化器中，截止時由功率開關變壓器將能量輸送給負載系統(tǒng)電路。2.3主電路的功率模塊開關電源器件的選擇：開關電源中的功率開關器件是影響電源可靠性的關鍵器件。開關電源所出現(xiàn)故障中大約60%是由功率開關器件引起的。開關電源的器件主要有大功率器件、mosfet管、igbt等。一：mosfet管在開關電源中，用作開關功率管的mosfet幾乎全部都是n溝道增強型器件。根據(jù)其結構不同，分為結型場效應晶體管和金屬-氧化物-半導體場效應晶體管。傳統(tǒng)的晶體管結構是將源極、柵極、漏極安裝在硅片的同一側，從而使晶體管的電流橫向流動。但是這樣也限制了它的電流容量。目前的mosfet采用兩次擴散工藝來解決這個問題。mosfet功率管的特點：(1) mosfet是電壓控制型器件，因此在驅動大電流時無需推動級，電路較簡單；輸入阻抗可高；工作頻率范圍寬，開關速度快，開關損耗小；有較良好的線性區(qū)，且mosfet的輸入電容比雙極型的輸入電容小得多；功率 mosfet可以多個并聯(lián)使用，增加輸出電流而無需均流電阻。功率mosfet沒有二次擊穿問題，具有非常寬的安全工作區(qū)。特別是在高壓范圍內(nèi)。但是功率mosfet的通態(tài)電阻較大，故在低壓部分不僅受最大電流的限制，還要受自身功耗的限制。二：igbt管絕緣柵雙極性晶體管（igbt）是一種大電流密度、高電壓激勵的場控制器件，是高壓、高速新型大功率器件。它的耐壓能力為6001800v，電流容量為100400a，關斷時間低至0.2us，在開關電源中做功率開關用，具有mosfet與之不可比擬的優(yōu)勢。igbt的特點：igbt是一種電壓控制的功率開關器件。igbt跟mosfet相比，具有耐壓高，電流容量大的特點。igbt導通時正載流子從p+層流入n型區(qū)并在n型區(qū)積蓄，加強了電導調制效應，從而使igbt在導通時呈現(xiàn)的電阻比高壓（300v以上）mosfet低得多，因而igbt容易實現(xiàn)高壓大電流。開通速度比mosfet快；關斷速度比mosfet慢。2.4控制電路的選擇方案一：tl494集成控制器tl494管腳配置及其功能：tl494的內(nèi)部電路有基準電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調整電路、兩個誤差放大器、脈寬調制比較器以及輸出電路等組成。圖2-2是它的管腳圖，其中1、2腳是誤差放大器一的同相和反相輸入端：3腳是相應校正和增益控制；4腳為間歇期調理，其上加03.3v電壓時可以使截止時間從2%線性變化到100%；5、6腳分別用于外界振蕩電阻和振蕩電容；7腳為接地端；8、9腳和11、10腳分別為tl494內(nèi)部兩個末級輸出三極管集成電路和發(fā)射級；12腳為電源供電端；13腳為輸出控制端，該腳接地時為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳時為推免輸出方式；14腳為5v基準電壓輸出端，最大輸出電流10ma；15、16腳是誤差放大器二的反相和同相輸入端。圖2-2 tl494管腳圖 方案二：uc3842集成控制器uc3842是國內(nèi)應用比較廣泛的一種電源集成控制器，是由尤尼創(chuàng)公司新研究開發(fā)的新型控制器件。利用uc3842設計的電流控制型脈寬調制開關穩(wěn)壓電源，克服了電壓控制型脈寬調制開關穩(wěn)壓電源頻響慢、電壓調整率和負載調整率低的缺點，電路結構簡單，成本低、體積小、易實現(xiàn)。該穩(wěn)壓電源是目前使用和理想的穩(wěn)壓源，具有很大的發(fā)展前景。uc3842既可制成正激式也可以做成反激式。正激式的主要特點是： 固定頻率，通過調節(jié)占空比去控制輸出電壓。 工作頻率可高達500khz而不發(fā)生磁飽和，電壓調整率可達到0.01%，啟動電流小于1ma。 結構簡單，體積小，調試容易，性價比高。 具有欠壓、過流、過壓等多種保護功能。2.5開關電源各主要組成部分的最終選擇方案經(jīng)過仔細分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：主電路模塊：采用單端他激正激型開關穩(wěn)壓電源；主電路功率模塊：功率開關晶體管采用igbt；控制電路：脈沖調制器選擇用uc3842電源集成控制器。第三章 絕緣柵雙極晶體管3.1 igbt管的工作原理及特性絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor),簡稱igbt,是20世紀80年代出現(xiàn)的新型復合器件。由于它將mosfet和gtr(giant transistor,即巨型晶體管,簡稱igtr。它也是雙極晶體管,只是耐壓和過流能力較高而已)兩者的優(yōu)點集于一身,既具有輸入阻抗高，工作速度快熱穩(wěn)定性好和驅動電路簡單得特點，又有通態(tài)電壓低，耐壓高和承受電流大等優(yōu)點。由于它兼有mosfet的快速響應、高輸入阻抗和bjt的低通態(tài)壓降、高流密度的特性，這些年發(fā)展得十分迅速。igbt的工作原理igbt是在功率mosfet的基礎上增加了一個層發(fā)射極，形成pn結，并由此引出集電極、柵極和發(fā)射極。igbt相當于一個由mosfet驅動的厚基區(qū)gtr,簡化等效電路可用圖3一1(a)所示,圖形符號如圖3一1(b)所示。圖3-1(a)等效電路 (b) 符號由柵極電壓來控制igbt導通和關斷。當igbt柵極加上正電壓時，mosfet內(nèi)形成溝道，并為pnp晶體管提供基極電流，使得絕緣柵雙極晶體管導通。當igbt柵極加上負電壓時，mosfet內(nèi)溝道消失，切斷pnp晶體管的基極電流，igbt被關斷。二.igbt管的靜態(tài)特性及參數(shù)igbt的靜態(tài)特性包括伏安特性、轉移特性、開關特性。igbt的伏安特性是指以柵極電壓作為參變量時集電極電流和集射集電壓之間的關系曲線。igbt的伏安特性與bjt的輸出特性相似，不同之處在于控制變量是柵射極電壓。而bjt是基極電流。igbt的伏安特性分為飽和區(qū)、擊穿區(qū)和放大區(qū)。1、通態(tài)電壓它是額定集電極電流在規(guī)定條件下時igbt上的壓降，是影響最大輸出功率的重要參數(shù)，在開關電路中它決定了輸出幅度和自身損耗的大小，與工作溫度t、柵極發(fā)射極電壓有關。在相同的條件下，耐壓級別越高的器件，其值越大。2、 開啟電壓開啟電壓是指溝道體區(qū)表面發(fā)生強烈反型層所需的最低柵級電壓,即反型層形成的條件。只有 ，igbt才會導通。3、集電極發(fā)射極阻斷電壓是igbt正常工作的極限電壓,是設計選擇管子的重要依據(jù)之一。4、最大柵極發(fā)射極電壓是為了防止絕緣柵層會因柵極發(fā)射極電壓過高而發(fā)生介電擊穿而設定的參數(shù)。在橋式電路中,為了防止兩路開通時的互相干擾所,需要設置負偏置電壓,一般可將其極限設定為士20v。5、 集電極峰值電流是igbt正常工作時允許通過的最大電流,也是設計選擇管子的重要依據(jù)之一。3、 igbt管的轉移特性igbt的轉移特性是指輸出集電極電流與柵射控制電壓之間的關系曲線。當柵射極電壓時，igbt導通。在igbt導通后的大部分集電極電流范圍內(nèi)，與呈線性關系。4、 igbt的開關特性igbt的開關特性特稱為動態(tài)特性，包括開通和關斷兩個部分。igbt的開通時間由開通延遲時間和電流上升時間兩部分組成。通常開通時間為0.51.2。igbt在開通過程中大部分時間是作為mosfet工作的。只是在柵射極電壓下降過程后期，pnp晶體管才由放大區(qū)轉到飽和區(qū)，因而增加了一段延緩時間，使柵射極電壓波形分為兩段。igbt的關斷過程是從正向導通狀態(tài)轉換到正向阻斷狀態(tài)的過程。關斷過程所需要的時間為關斷時間。包括關斷時間延遲時間和電流下降時間兩部分。在內(nèi)，集電極電流的波形分為兩段，一段時間內(nèi)下降較快。另一段時間為igbt內(nèi)pnp晶體管的關斷過程。由于mosfet關斷后，pnp晶體管中的存儲電荷難以迅速消除，所以這段時間內(nèi)下降較慢，造成集電極電流較長的尾部時間。通常關斷時間為0.55-1.5.igbt具有以下幾個特點：1、 具有mos和bjt的優(yōu)點；2、 開關頻率高；3、 導通壓降低；4、 驅動簡單；5、 容易冰涼。另外，igbt對驅動電路的要求：1、 提供適當?shù)卣?、反電壓，使igbt能可靠開通和關斷；2、 igbt的開關時間應綜合考慮；3、 igbt開通后，驅動電路應提供足夠的電壓、電流幅值，使igbt在正常工作及過載情況下不致退出飽和而損壞；4、 igbt驅動電路中的電阻對工作性能有較大的影響；5、 驅動電路應具有較強的抗干擾能力及時對igbt值較大。igbt在使用中除采取靜電防護措施外，還應該注意一下幾點：1、 igbt的控制、驅動及保護電路等應以其高速開關特性相匹配；2、 當g、e端在開路的情況下，不要給c、e端加壓；3、 在未采取適當?shù)姆漓o電措施情況下，g、e端不能開路。6、 igbt在高溫環(huán)境運行時，關斷時間會有所增長。3.2 變換器的主要參數(shù)的選擇：1、 集射極擊穿電壓集射極擊穿電壓決定了igbt的最高工作電壓，它是由器件內(nèi)部的pnp晶體管所能承受的擊穿電壓決定的，具有正溫度系數(shù)，其值大約為0.63，既在25時，具有600v擊穿電壓，在-55時，只有550v的擊穿電壓。2、 開啟電壓開啟電壓為轉移特性與橫坐標交點處得電壓值，是igbt導通的最低柵射極電壓。開區(qū)電壓隨著溫度的升高而降低。在25時，igbt的開啟電壓一般為26v。通態(tài)壓降igbt的通態(tài)壓降為： （3-1）式中結得正向壓降，約為0.71v；擴展電阻上的壓降；mosfet的溝道電阻。4、最大柵射極電壓柵射極電壓是由柵氧化層層的厚度和特性限制的，雖然柵氧化層的電擊穿電壓的典型值大約為80v，但為了限制故障情況下的電流和保證長時間能使有的可靠性，應將柵極電壓限制在20v以內(nèi)，它的最佳值一般取15v。5、集電極連續(xù)電流和峰值電流集電極流過的最大連續(xù)電流既為igbt的額定電流，它象征著igbt的電流容量，主要結溫的限制為了避免鎖定現(xiàn)象的發(fā)生，規(guī)定了igbt的最大集電極電流峰值。由于igbt大多工作在開關狀態(tài)，因而更具有實際意義，只要不超過額定結溫（150），igbt就可以工作在比連續(xù)電流額定值大的峰值電流范圍內(nèi)。通常峰值電流為額定電流的2倍左右。與mosfet相同，參數(shù)表中給出的為=25或者=100。在選擇igbt的型號時應根據(jù)實際工作情況考慮裕量。3.3電路的特點及設計考慮大功率igbt的開關損耗主要為關斷損耗。特別是在全橋電路中,基于變壓器漏感的作用,剛開通時的電流會比較小,因此開通損耗也??；在關斷時,由于igbt拖尾電流大,造成了很大的關斷損耗。采用本控制方式的變換器,使igbt全橋電路右臂的兩只元件在關斷時電流、電壓都為零,因而損耗也為零。而左臂的兩只元件開關損耗沒有發(fā)生改變,且由于關斷時與其對角的元件任然繼續(xù)導通,改善了其關斷狀態(tài)。必要時,可在左臂igbt管上并聯(lián)電阻、電容吸收電路,以改善其關斷條件。右臂兩只元件為零電流關斷,且其零電流關斷不受負載電流的限制。假設第三模式,電容c上的電壓保持不變?yōu)?則第二模式的時間為: (3-2) 因cb上的峰值電壓為，從 （3-3）可以看出，在一定占空比下，不隨負載電流的變化而變化，在死區(qū)時間為零時， ( s為關斷時間占空比，不計死區(qū)時間時，s+d=i)，因此從式(3-3)得: （3-4） （3-5）由以上兩式，可解得: (3-6)從式(3-6)可以看出，為了得到最大占空比、降低峰值電流和提高效率，變壓器漏感l(wèi)1k和電容cb。應該盡量的小。變壓器漏感與繞線工藝及磁芯形狀有關，繞制好的變壓器的漏感基本不變。減小電容cb的值可以提高占空比，但從式(3-2)可知，cb越小，cb上的峰值電壓與其成反比，使得變壓器漏感和諧振電容中的電路損耗增加，且對輸出整流二極管的反向耐壓值的要求提高。因此，應在考慮輸出整流二極管的反向耐壓值的情況下適量減小cb值。本方式適用于全橋電路開關電源系統(tǒng)，使四只功率晶體管的每一對晶體管中的任一只先關斷，另一只延時t后在關斷，均能使后關斷的功率晶體管實現(xiàn)無損耗關斷。3.4變換器損耗分析在全橋電路中，兩只igbt管實現(xiàn)了零電流關斷，而另兩只仍為硬關斷，必須加吸收電路以改善其關斷條件，損耗較大。功率器件的損耗對電源系統(tǒng)的效率提高、器件的溫升、電源的可靠性有重要影響，因此有必要在此加以簡要分析。功耗估算公式：igbt功耗：1、 每一個開關用igbt的斷態(tài)漏電損耗在器件已被關斷的期間，若斷態(tài)電壓us很高，微小的漏電流仍有可能產(chǎn)生明顯的斷態(tài)功率損耗,其算式為： (3-7)2、 每一個開關用igbt的通態(tài)損耗功率器件在通過占空比為d的連續(xù)電流脈沖時的平均通態(tài)功耗可用下面的式子表示： (3-8)式中代表脈沖電流的有效值；代表器件通態(tài)壓降；d代表占空比。3、每一個開關用igbt的開關功耗器件的開關損耗與負載有關。一般情況分為感性負載和阻性負載。圖3-6給出了感性負載和阻性負載兩種情況的關斷過程電壓、電流波形，由圖可知兩種情況是不一樣的。在此變換器中，開通時因漏感影響，理論上為零電流開通，s3和s4實現(xiàn)零電流關斷，理論上關斷損耗為零，在此均忽略不計。（a)感性負載關斷過程波形 （b）阻性負載關斷過程波形圖3-2不同的負載關斷過程的電流電壓波形因此，s1和s2的開關損耗ps按下面的兩個公式進行計算：對感性負載 （3-9）對阻性負載 （3-10）式中us和分別代表斷態(tài)電壓和通態(tài)最大電流；fs代表開關頻率；toff代表關斷時間。驅動損耗驅動功耗是指器件在開關過程中消耗在控制極上的功率；在導通過程中維持一定的控制極電流所消耗的功率。一般情況下，igbt的這種損耗與器件的其他功耗及外部驅動電路的功耗相比可以忽略不計。第四章 電源主電路的設計開關電源最重要的兩部分就是主電路和控制電路。本章將根據(jù)開關電源的設計要求對其主電路進行設計計算，即輸入、輸出整流濾波回路，變壓器的選擇與設計。在設計計算的基礎上，我們將根據(jù)計算的數(shù)據(jù)選擇各種元器件，制作所需的各個部件，最后組裝電源的主電路。4、1電源的設計要求(1)交流輸入電壓ac220v20%；(2)輸出電壓：12v(3)最大輸出功率：50w(4)紋波電壓50mv(5)最大輸出電流6a(6)效率80%4、2開關電源的基本工作原理4.2.1 開關電源的組成部分開關電源就是采用功率半導體器件作為開關元件，通過晶體管控制開關的關斷，控制開關元件的占空比來調整輸出電壓。主要由以下5部分構成：輸入整流濾波器：包括從交流電到輸入整流濾波器的電路。功率功率管(vt)及高頻變壓器(t)?？刂齐娐?pwm調制器)，含振蕩器、基準電壓源(uref)、誤差放大器和pwm比較器，控制電驢能產(chǎn)生脈寬調制信號，其占空比受反饋電路的控制。輸出整流濾波器。反饋電路。除此之外，還需增加偏置電路、保護電路等。其中，pwm調制器為開關電源的核心。4.2.2 開關電源的工作過程當交流電輸入電路后，經(jīng)輸入電路中的經(jīng)過濾波器、以及整流電路，變換成直流電壓。其中線路濾波器的主要作用是削弱由電網(wǎng)電源線進入的外來噪聲以及抑制浪涌電流，整流電路則完成交流到直流的變換，可分為電容輸入型和扼流圈輸入型兩大類，開關電源中普遍采用的是電容輸入型。功率變換電路是開關電源的核心器件，它將直流電壓變換成高頻矩形脈沖電壓，其電路主要由開關電路和變壓器組成。開關電路的驅動方式分為自激型和他激型兩大類；開關變壓器是高頻條件下工作的，其鐵芯通常采用鐵氧體磁芯或非晶合金磁芯。開關晶體管一般是采用開關速度高，導通和關斷時間短的晶體管，符合條件而且比較典型的有功率晶體管(gtr)、功率場效應晶體管(mosfet)和絕緣柵型雙極晶體管(igbt)等三種。輸出電路是將高頻變壓器次級方波電壓經(jīng)過高頻整流濾波電路整流成單向脈動直流后將其平滑成設計要求的低紋波直流電壓，供給負載使用。 4.2.3 脈寬調制器的基本原理脈寬調制式開關電源的工作原理：220v交流電首先經(jīng)過整流濾波電路變成直流電壓ui，再由功率開關管斬波、高頻變壓器降壓后得到高頻矩形波電壓，最后通過整流濾波后的所需要的直流輸出電壓。脈寬調制器能產(chǎn)生頻率固定并且脈沖寬度可調的驅動信號，控制功率開關管的通、斷狀態(tài)，最終調節(jié)輸出電壓的高低，達到穩(wěn)壓目的。鋸齒波發(fā)生器用于提供始終信號。利用取樣電阻。誤差放大器和pwm比較器形成閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。輸出電壓經(jīng)電阻取樣后，送至誤差放大器的反相輸入端，與加在同相輸入端的基準電壓上進行比較，得到誤差電壓，再用得到的誤差電壓的幅度去控制pwm比較器輸出的脈沖寬度，最終經(jīng)過功率放大和降壓式輸出電路使輸出電壓保持不變。 圖4.1 脈寬調制式開關電源的工作原理4.3 開關電源各主要組成部分1、濾波回路2、 整流濾波回路3、 輸出濾波回路4.3 emi濾波器的設計電磁干擾(electromagnetic interference ,emi)有三個基本要素:電磁干擾源；傳輸電磁干擾的通道；對電磁干擾敏感的接收器。若要解決開關電源干擾問題，必須從emi三個要素著手解決。開關電源產(chǎn)生的電磁干擾以傳導干擾為主，而傳導干擾又分為共模干擾和差模干擾。抑制傳導干擾的最直接有效的方法是應用emi濾波器。emi有兩個作用:第一，防止輸入的交流電內(nèi)參雜的噪聲干擾，同時還需要抑制浪涌電壓、尖峰電流的進入；第二，抑制、阻止開關電源所產(chǎn)生的噪聲，電磁干擾信號就是通過輸入電線進入電網(wǎng)的.圖4-2 emi濾波器基本結構圖圖4-2是emi濾波器的基本結構圖。cd是差模濾波電容，cc是共模濾波電容。此emi有兩個輸入端、兩個輸出端和一個接地端。l是繞在同一磁環(huán)上的兩只獨立線圈，稱為共模電感線圈或共模扼流圈，并且兩個線圈的圈數(shù)相同，繞向相反，以至于emi濾波器接入電路后，兩只線圈內(nèi)電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內(nèi)相互抵消，達到使磁環(huán)達到磁不飽和狀態(tài)得目的，進而使兩只線圈l的電感值基本保持不變。共模扼流圈與相線或零線與地所形成的共模干擾具有電感抑制作用，而對相線與零線間所形成的差模干擾和工頻供電電流與其相反。在實際生產(chǎn)中，兩個繞組不可能真正的做到完全對稱，使得共模扼流圈兩線圈的電感量不相等，所以兩線圈電感量的差值就形成差模漏電感，它的值一般約兩電感量的1%左右。4.3.1 emi濾波器電感、電容的選取由圖4-2可知，差模濾波電容cd其額定電壓與電網(wǎng)電壓大致相當，當然其容量應該選得大一些，可以取幾百納法至幾微法。由文獻知，圖中cd可取470nf，額定電壓取400v。共模電容cc的取值在允許的條件下盡量取得大一些，額定電壓取400v，但其容量受其最大漏電流的限制，的大小一般情況總取零點幾到幾個毫安，其值可用下列公式計算: (4-1)式中 電壓輸入（v） 電網(wǎng)頻率（hz） 電容允許的漏電流（）本文設計的emi濾波器取為0.5 ，輸入電壓為220v，電網(wǎng)電壓fin為50hz，將各參數(shù)代入式(4-1)中得，cc=7.2()共模扼流圈l如圖4-3所示。電感磁芯作為抑制電流上升的電感線圈磁芯，必須具有很好的飽和性，在很小的磁場強度下立即飽和，只需要在很短的時間內(nèi)有一定的阻抗，這樣才能壓抑電流的尖峰。其特性與普通磁芯比較有很大的差別，如圖4-4所示。圖 4-3共摸扼流圈圖 4-4 用于抑制的電感磁芯特性在eml濾波器中，磁芯是抑制共模扼流圈的主要構成部分。扼流圈的基本要求有以下幾點：在正常工作的輸入電流或輸出電流下，扼流圈不應該飽和；在干擾信號頻率下阻抗要求大，而在工作頻率下阻抗就會極小；直流電阻小，電感值穩(wěn)定，不隨溫度變化而產(chǎn)生大幅度變化；分布電容盡量小。共模扼流圈電感值的計算:式中f0為截止頻率，共模扼流圈常規(guī)取值一般為1.5mhsmh，差模扼流圈典型取值為10uh50uh。本文設定截止頻率f0 =50khz，則共模扼流圈電感(lc)為:差模電感（ld）可用以下公式計算將cd=470nf,fo=50khz帶入上式可得4.4 輸入整流濾波電路設計本文要求的輸入頻率為50hz的交流電，電壓為uo=220v，由于輸入為正弦電壓，上下波動，波動范圍為士20%，所以輸入電壓最高可達264v。本文采用全橋整流芯片。(1)輸入端的濾波電容濾波穩(wěn)壓電容的輸出功率按照來選擇，交流輸入的電壓為220v20%，既176264v，設整流橋導通時間為2.5ms，則電容耐壓值為：式中，為系統(tǒng)效率，選最小的時候80%，為輸入交流電網(wǎng)的頻率，為系統(tǒng)輸出的總頻率為50khz?？紤]到一定的裕量，最終取電容為c=220uf600v.（2） 單端正激電路利用電阻、電容、二極管構成保護開關功率管不受損壞，一次繞組n1的電壓為(3)輸入整流二極管開關電源的整流電路是由4只二極管構成的，其中兩只串聯(lián)起來完成交流半周整流。故其中一只二極管中流過的電流只有整個電流平均值的一半。每只二極管所能承受的電壓是最大反向電壓的一半。 輸入有效電流為：輸入回路平均電流