1、第1章 開關(guān)電源基本原理 1.1 開關(guān)電源的組成與工作原理 1.2 開關(guān)電源主要類型 1.3 開關(guān)電源主要結(jié)構(gòu) 1.4 開關(guān)電源輔助技術(shù) 1.5 開關(guān)器件的選擇與驅(qū)動 1.6 整流電路 1.7 電源指標(biāo)測試與電源管理 1.8 電磁兼容技術(shù)與噪聲 1.1 開關(guān)電源的組成與工作原理1.1.1 開關(guān)電源工作原理開關(guān)電源的工作原理可以用圖1-1進(jìn)行說明。圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓Ui經(jīng)開關(guān)S加至輸入端，S為受控開關(guān)，是一個受開關(guān)脈沖控制的開關(guān)調(diào)整管。開關(guān)S按要求改變導(dǎo)通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓Ui變成矩形脈沖電壓。這個脈沖電壓經(jīng)濾波電路進(jìn)行平滑濾波就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓Uo。圖1-1 開關(guān)電

2、源的工作原理定義脈沖占空比如下：(1-1) 式中，T表示開關(guān)S的開關(guān)重復(fù)周期；ton表示開關(guān)S在一個開關(guān)周期中的導(dǎo)通時間。開關(guān)電源直流輸出電壓Uo與輸入電壓Ui之間具有如下關(guān)系： Uo=UiD (1-2)1.1.2 開關(guān)電源的構(gòu)成開關(guān)電源由以下四個基本環(huán)節(jié)組成(見圖1-2)：(1) DC/DC變換器：用以進(jìn)行功率變換，是開關(guān)電源的核心部分。DC/DC變換器有多種電路形式，其中控制波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準(zhǔn)正弦波的諧振變換器應(yīng)用較為普遍。 (2) 驅(qū)動器：開關(guān)信號的放大部分，對來自信號源的開關(guān)信號放大、整形，以適應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動要求。(3) 信號源：產(chǎn)生控制信號，由它激或自激電路產(chǎn)生

3、，可以是PWM信號，也可以是PFM信號或其他信號。(4) 比較放大器：對給定信號和輸出反饋信號進(jìn)行比較運算，控制開關(guān)信號的幅值、頻率、波形等，通過驅(qū)動器控制開關(guān)器件的占空比，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。圖1-2 開關(guān)電源基本組成框圖 1.1.3 開關(guān)電源的特點開關(guān)電源具有以下特點：(1) 效率高。開關(guān)電源的功率開關(guān)調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以調(diào)整管的功耗小、效率高。調(diào)整管的效率一般為80%90%，高的可達(dá)90%以上。(2) 重量輕。由于開關(guān)電源省掉了笨重的電源變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，所以電源的重量只是同容量線性電源的1/5，體積也大大縮小。(3) 穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源的交流輸入電壓在90

4、270 V范圍變化時，輸出電壓的變化在2%以下。合理設(shè)計電路還可使穩(wěn)壓范圍更寬，并保證開關(guān)電源的高效率。(4) 安全可靠。在開關(guān)電源中，由于可以方便地設(shè)置各種形式的保護(hù)電路，所以當(dāng)電源負(fù)載出現(xiàn)故障時，能自動切斷電源，保護(hù)功能可靠。(5) 元件數(shù)值小。由于開關(guān)電源的工作頻率高，一般在20kHz以上，所以濾波元件的數(shù)值可以大大減小。(6) 功耗小。功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，其損耗?。浑娫礈厣?，不需要采用大面積散熱器。采用開關(guān)電源可以提高整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。1.2 開關(guān)電源主要類型1.2.1 控制方式1脈沖寬度調(diào)制式由開關(guān)電源輸出直流電壓表達(dá)式(1-2)可知，控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間ton，可以調(diào)整

5、輸出電壓Uo，達(dá)到輸出穩(wěn)壓的目的。脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式是采用恒頻控制，即固定開關(guān)周期T，通過改變脈沖寬度ton來實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。開關(guān)器件的開關(guān)頻率f由自激或它激方式產(chǎn)生。2脈沖頻率調(diào)制式脈沖頻率調(diào)制(PFM)方式是利用反饋來控制開關(guān)脈沖頻率或開關(guān)脈沖周期，實現(xiàn)調(diào)節(jié)脈沖占空比D，達(dá)到輸出穩(wěn)壓的目的。3脈沖調(diào)頻調(diào)寬式這種控制方式是利用反饋控制回路，既控制脈沖寬度ton，又控制脈沖開關(guān)周期T，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)脈沖占空比D，從而達(dá)到輸出穩(wěn)壓的目的。4其他方式若觸發(fā)信號利用電源電路中的開關(guān)晶體管、高頻脈沖變壓器構(gòu)成正反饋環(huán)路，完成自激振蕩，使開關(guān)電源工作，則這種電源稱為自激式開關(guān)電源。它激式開關(guān)電源需要外

6、部振蕩器，用以產(chǎn)生開關(guān)脈沖來控制開關(guān)管，使開關(guān)電源工作，輸出直流電壓。它激式電源大多數(shù)需要專用的PWM觸發(fā)集成電路。1.2.2 連接分類電源以功率開關(guān)管的連接方式分類，可分為單端正激開關(guān)電源、單端反激開關(guān)電源、半橋開關(guān)電源和全橋開關(guān)電源；以功率開關(guān)管與供電電源、儲能電感的連接方式以及電壓輸出方式分類，可分為串聯(lián)開關(guān)電源和并聯(lián)開關(guān)電源。串聯(lián)開關(guān)電源、并聯(lián)開關(guān)電源、單端正激、單端反激、半橋及全橋開關(guān)電源的工作原理將在以后章節(jié)分別討論。1.2.3 輸出取樣方式取樣電路是電源反饋電路的重要部分，取樣方式對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有決定作用。取樣方式是開關(guān)電源電路設(shè)計的重點工作之一。1直接取樣電路圖1-3為直接輸出

7、取樣電路在開關(guān)電源中的應(yīng)用實例。光電耦合器中三極管集電極電流IC的大小與發(fā)光二極管電流IF及光電耦合系數(shù)h成正比例關(guān)系，即IC=hIF (1-3)圖1-3 直接輸出取樣電路 當(dāng)開關(guān)電源的輸出電壓因輸入電壓升高或負(fù)載減輕而升高時，開關(guān)電源+B濾波電容C561兩端升高的電壓一路經(jīng)取樣電阻R555、R556取樣，光電耦合器OC515的1腳電壓升高，即發(fā)光二極管正極電位升高；另一路經(jīng)取樣電阻R552、RP551、R553取樣，誤差放大管VT553的基極電位升高，由于VT553發(fā)射極接有穩(wěn)壓管，其發(fā)射極電位不變，所以VT553加速導(dǎo)通，集電極電位下降，于是OC515內(nèi)的發(fā)光二極管發(fā)光強度增大，OC515

8、內(nèi)的光電三極管內(nèi)阻下降，脈寬調(diào)節(jié)電路的VT511、VT512相繼導(dǎo)通，開關(guān)管VT513導(dǎo)通時間減小，使輸出電壓下降到正常值。采用直接輸出取樣方式的開關(guān)電源安全性好，且具有便于空載檢修、穩(wěn)壓反應(yīng)速度快、瞬間響應(yīng)時間短等優(yōu)點。由誤差取樣電路與誤差放大電路組成的三端誤差取樣放大器電路如圖1-4所示。該電路不但簡化了結(jié)構(gòu)，而且提高了電路的可靠性。圖1-4 三端誤差取樣放大器電路 2間接取樣電路圖1-5是一個開關(guān)電源的間接輸出取樣電路。在開關(guān)變壓器上專門設(shè)置有取樣繞組(即、繞組)，取樣繞組感應(yīng)的脈沖電壓經(jīng)VD811整流，在濾波電容C815兩端產(chǎn)生供取樣的直流電壓。由于取樣繞組與次級繞組采用了緊耦合結(jié)構(gòu)，

9、所以濾波電容C815兩端電壓的高低就間接反映了開關(guān)電源輸出電壓的高低。間接輸出取樣方式的缺點是響應(yīng)慢，當(dāng)輸出電壓因輸入電壓等原因發(fā)生突變時，輸出電壓的變化需經(jīng)開關(guān)變壓器磁耦合才能反映到取樣繞組兩端，所以穩(wěn)壓的動態(tài)效果一般。圖1-5 間接輸出取樣電路1.3 開關(guān)電源主要結(jié)構(gòu)1串聯(lián)型結(jié)構(gòu)串聯(lián)開關(guān)電源工作原理方框圖如圖1-6所示。功率開關(guān)晶體管VT串聯(lián)在輸入與輸出之間，正常工作時，它在開關(guān)驅(qū)動控制脈沖的作用下周期性地在導(dǎo)通和截止之間交替轉(zhuǎn)換，使輸入與輸出之間周期性地閉合與斷開。輸入不穩(wěn)定的直流電壓通過功率開關(guān)晶體管VT后輸出為周期性脈沖電壓，再經(jīng)濾波后就可得到平滑的直流輸出電壓Uo。Uo與功率開關(guān)晶

10、體管VT的脈沖占空比D有關(guān)，見式(1-2)。輸入交流電壓或負(fù)載電流的變化將引起輸出直流電壓的變化，通過輸出取樣電路將取樣電壓與基準(zhǔn)電壓相比較，誤差電壓通過誤差放大器放大，去控制脈沖調(diào)寬電路的脈沖占空比D，就可達(dá)到穩(wěn)定直流輸出電壓Uo的目的。串聯(lián)開關(guān)電源中的功率開關(guān)管VT串在輸入電壓Ui與輸出電壓Uo之間，因此對開關(guān)管耐壓要求較低。但是由于輸入電壓和輸出電壓共用地線，故電源輸入與輸出間不隔離。圖1-6 串聯(lián)開關(guān)電源原理圖 2并聯(lián)型結(jié)構(gòu)并聯(lián)開關(guān)電源工作原理方框圖如圖1-7所示。功率開關(guān)晶體管VT與輸入電壓、輸出負(fù)載并聯(lián)，輸出電壓為(1-4) 圖1-7是一種輸出升壓型開關(guān)電源，電路中有一個儲能電感，

11、適當(dāng)利用這個儲能電感可將并聯(lián)開關(guān)電源轉(zhuǎn)變?yōu)閺V泛使用的變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源。圖1-7 并聯(lián)開關(guān)電源原理圖 變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源原理圖如圖1-8所示。圖1-8 變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源原理圖 功率開關(guān)晶體管VT與開關(guān)變壓器初級繞組串聯(lián)，連接在電源供電輸入端，它在開關(guān)脈沖信號的控制下周期性地導(dǎo)通與截止。集電極輸出的脈沖電壓通過變壓器耦合在次級得到脈沖電壓，這個脈沖電壓經(jīng)整流濾波后得到直流輸出電壓Uo。經(jīng)過取樣電路將取樣電壓與基準(zhǔn)電壓UE進(jìn)行比較，誤差電壓通過誤差放大器放大后輸出至功率開關(guān)晶體管VT，通過控制VT的導(dǎo)通與截止達(dá)到控制脈沖占空比的目的，從而穩(wěn)定直流輸出電壓。由于采用變壓器耦合，所以變壓

12、器的初、次級相互隔離，使初級電路地與次級電路地分開，做到次級電路地不帶電，使用時很安全。同時由于變壓器耦合，可以使用多組次級繞組，在次級得到多組直流輸出電壓。3正激式結(jié)構(gòu)正激式開關(guān)電源電路如圖1-9所示，是一種采用變壓器耦合的降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源。加在變壓器N1繞組上的脈沖電壓振幅等于輸入電壓Ui，脈沖寬度為功率開關(guān)管VT導(dǎo)通時間ton的開關(guān)脈沖序列，變壓器次級開關(guān)脈沖電壓經(jīng)二極管VD1整流變?yōu)橹绷?。電源中功率開關(guān)管VT導(dǎo)通時變壓器初級繞組勵磁電流最大值為(1-5) 式中：LN1表示變壓器初級繞組N1的電感量；D表示脈沖占空比；T表示脈沖開關(guān)周期。圖1-9 正激式開關(guān)電源電路 正激式開關(guān)電源的特

13、點是：當(dāng)初級的功率開關(guān)管VT導(dǎo)通時，電源輸入端的能量由次級二極管VD1經(jīng)輸出電感L為負(fù)載供電；功率開關(guān)管VT斷開時，由續(xù)流二極管VD2繼續(xù)為負(fù)載供電，并由消磁繞組N3和消磁二極管VD3將初級繞組N1的勵磁能量回饋到電源輸入端。 4反激式結(jié)構(gòu)反激式開關(guān)電源電路如圖1-10所示。功率開關(guān)管VT導(dǎo)通時，輸入端的電能以磁能的形式存儲在變壓器的初級繞組N1中，依據(jù)圖中次級N2同名端標(biāo)注，二極管VD1不導(dǎo)通，負(fù)載沒有電流流過。功率開關(guān)管VT斷開時，變壓器次級繞組以輸出電壓Uo為負(fù)載供電，并對變壓器消磁。反激式開關(guān)電源電路簡單，輸出電壓Uo既可高于輸入電壓Ui，又可低于Ui，一般適用于輸出功率為200W以下

14、的開關(guān)電源中。圖1-10 反激式開關(guān)電源電路 5半橋型結(jié)構(gòu)當(dāng)要求電源輸出功率較大時可采用半橋型開關(guān)電源，其工作原理和波形如圖1-11所示。兩個功率開關(guān)晶體管VT1和VT2在開關(guān)驅(qū)動脈沖的作用下，交替地導(dǎo)通與截止。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，在輸入電壓Ui作用下，電流經(jīng)VT1、變壓器初級繞組N1和電容C2給變壓器初級繞組N1勵磁，同時經(jīng)次級二極管VD1、繞組N2給負(fù)載供電。當(dāng)開關(guān)管VT1截止、VT2導(dǎo)通時，輸入電源經(jīng)C1、變壓器初級繞組N1、開關(guān)管VT2給變壓器初級繞組N1勵磁，同時經(jīng)次級二極管VD2給負(fù)載供電。所以，電源通過功率開關(guān)管VT1、VT2交替給變壓器初級繞組N1勵磁并為負(fù)載供電。變壓器初級

15、的脈沖電壓幅度為Ui/2。同樣，電容C1、C2上的電壓也分別為Ui/2。圖1-11 半橋型開關(guān)電源原理圖和波形圖 半橋型開關(guān)電源的自平衡能力強，不易使變壓器由于VT1、VT2的導(dǎo)通時間不一致而產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致功率開關(guān)管VT1、VT2損壞。當(dāng)VT1、VT2導(dǎo)通時間不一致時，變壓器初級N1繞組的勵磁電流大小不一樣，致使電容C1、C2上的電壓不相等，勵磁電流越大，則對應(yīng)的電容器電壓越小，從而起到自平衡對稱作用。由于每個功率開關(guān)管上的電壓只有輸入電源電壓Ui的一半，所以要輸出同樣的功率，每個功率開關(guān)管中流過的電流就要增大一倍。半橋型開關(guān)電源中需要避免功率開關(guān)管VT1、VT2的同時導(dǎo)通，需使VT1、

16、VT2功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間相互錯開，相互錯開的最小時間稱為死區(qū)時間。6全橋型結(jié)構(gòu)全橋型開關(guān)電源工作原理圖如圖1-12所示。該電源由4個功率開關(guān)管VT1、VT2、VT3、VT4組成橋式電路，由VT1和VT4、VT2和VT3分別組成兩個導(dǎo)通回路。當(dāng)VT2、VT3的觸發(fā)控制信號有效時，VT1、VT4的觸發(fā)控制信號無效。VT2、VT3導(dǎo)通時，輸入電源Ui經(jīng)VT2、變壓器的初級繞組N1和開關(guān)VT3形成電流回路，加至變壓器初級繞組的電壓幅度為電源電壓Ui，并經(jīng)次級二極管VD1整流、濾波后輸出，為負(fù)載供電。同理，當(dāng)VT2、VT3關(guān)斷，VT1、VT4導(dǎo)通時，輸入電源Ui從與VT2、VT3導(dǎo)通時電流相反的方向為

17、變壓器初級繞組N1勵磁，并通過次級繞組N2和整流二極管V2為負(fù)載供電，這樣在次級得到如圖1-12(b)中Up-p所示的脈沖波形。圖1-12 全橋型開關(guān)電源原理圖和波形圖 和半橋型開關(guān)電源相比，由于加在全橋型變壓器初級繞組上的電壓和電流比半橋開關(guān)電源的各大一倍，在同樣的電源供電電壓Ui下，全橋開關(guān)電源的輸出功率比半橋開關(guān)電源大4倍。同樣，在全橋開關(guān)電源中也存在4個功率開關(guān)管VT1、VT2、VT3、VT4共態(tài)導(dǎo)通問題，這點也可以通過設(shè)置死區(qū)時間的方法來克服。1.4 開關(guān)電源輔助技術(shù)1.4.1 多輸出電源1主開關(guān)電源主開關(guān)電源的輸出功率較副電源、行輸出級二次電源的輸出功率大。主開關(guān)電源主要為主負(fù)載電

18、路提供110145V的直流電壓。主開關(guān)電源將220V交流輸入電壓直接整流、濾波為300V左右的直流電壓，經(jīng)過開關(guān)穩(wěn)壓調(diào)整環(huán)節(jié)中的開關(guān)調(diào)整管、開關(guān)變壓器、穩(wěn)壓控制電路、激勵脈沖產(chǎn)生電路對300V左右的直流電壓進(jìn)行DC/DC開關(guān)變換，產(chǎn)生各種所需的穩(wěn)定直流電壓輸出。主開關(guān)電源停止工作，則相應(yīng)的功率放大級也將停止工作，主負(fù)載將失去直流供電。 2副電源副電源的主要作用是為微處理器等控制電路提供低電壓(+5V)。由于負(fù)載小，副電源電路可采用簡易開關(guān)電源或線性穩(wěn)壓電源。無論負(fù)載處于正常工作狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài)，副電源都處于連續(xù)工作狀態(tài)。3多電源電路的主要特點(1) 負(fù)載均要求具有高可靠性，對電源的要求是除了提

19、供較大的功率，還要求有較高的效率。(2) 電源輸入能適應(yīng)110V或220V交流供電的需要。一般要求電源對交流輸入電壓的適應(yīng)范圍為90245V，并對50Hz及60Hz輸入頻率均能適應(yīng)。(3) 輸出端與輸入端隔離。輸出取樣反饋回路必須采用隔離元件進(jìn)行電源初、次級的隔離，以提高設(shè)備的抗干擾性和安全性。(4) 電源電路有良好的過壓、過流、輸出短路及復(fù)位功能。(5) 可實現(xiàn)遙控待機(jī)功能，設(shè)計有副電源電路(待機(jī)電源)。1.4.2 倍壓/橋式整流切換為了保證負(fù)載能在較寬的交流輸入電壓范圍(如在90245V)正常工作，需要倍壓/橋式整流自動切換電路，使它在110V交流輸入電壓下工作在倍壓整流方式，而在220V

20、交流輸入電壓下工作在橋式整流方式，從而使電源在110V/220V兩種交流供電情況下都能正常工作。倍壓/橋式整流自動切換電路的原理圖如圖1-13所示。圖1-13 倍壓/橋式整流自動切換電路 當(dāng)輸入220V交流電壓時，通過電壓檢測電路使雙向晶閘管VS截止，這時電容C1、C2相串聯(lián)，整流電路為普通橋式整流工作方式，整流輸出電壓Uo為300V左右的直流電壓。當(dāng)交流輸入電壓為110V時，通過電壓檢測電路使雙向晶閘管VS導(dǎo)通，整流電路工作在倍壓整流方式。倍壓整流的工作原理如下：在交流電壓的正半周時，交流電經(jīng)二極管VD1、電容C1、雙向晶閘管VS形成回路，并給電容C1充電；在交流電壓的負(fù)半周時，交流電經(jīng)雙向

21、晶閘管VS、電容C2和二極管VD4形成回路，并給電容C2充電，輸出電壓Uo為電容C1、C2上電壓之和，形成倍壓整流。1.4.3 微處理器控制1待機(jī)控制電路(一)如圖1-14所示，微處理器在待機(jī)狀態(tài)下輸出的高電平使VT1飽和導(dǎo)通，VT2截止，將行振蕩電路的供電電壓切斷，整機(jī)處于無聲、無光的待機(jī)狀態(tài)。為了降低待機(jī)狀態(tài)下的整機(jī)功耗，微處理器還要使開關(guān)電源由正常振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l弱振蕩，使+B輸出電壓減小到正常值的1/2，但仍為微處理器控制電路提供+5V電壓。這種待機(jī)控制電路的特點是整機(jī)必有一個電源，并且待機(jī)狀態(tài)下整機(jī)功耗較小，所以使用較多。圖1-14 待機(jī)控制電路(一)2待機(jī)控制電路(二)如圖1-15所

22、示，微處理器在待機(jī)狀態(tài)下輸出的待機(jī)控制信號使主開關(guān)電源停止工作，從而使負(fù)載處于靜止的待機(jī)狀態(tài)。這種待機(jī)控制電路的特點是，必須有一個副開關(guān)電源，它為微處理器提供+5V電壓。圖1-15 待機(jī)控制電路(二) 3待機(jī)控制電路(三)如圖1-16所示，微處理器在待機(jī)狀態(tài)下輸出的高電平使VT1飽和導(dǎo)通，繼電器RY1繞組中有電流通過，繞組產(chǎn)生的電磁力使交流觸點開關(guān)斷開，將負(fù)載電源切斷。在這種待機(jī)控制電路中，一旦進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，微處理器也失去了+5V供電，無法再利用遙控器等使負(fù)載進(jìn)入正常運行狀態(tài)，所以這種待機(jī)控制電路又稱做交流關(guān)機(jī)控制電路。圖1-16 待機(jī)控制電路(三) 4待機(jī)控制電路(四)如圖1-17所示，微

23、處理器在待機(jī)狀態(tài)下輸出的低電平使VT1截止，繼電器RY1線圈斷電流，繼電器開關(guān)斷開，交流220V主開關(guān)電源被切斷，于是電子設(shè)備處于無聲、無光的待機(jī)狀態(tài)。圖1-17 待機(jī)控制電路(四) 5待機(jī)控制電路(五)如圖1-18所示，微處理器在待機(jī)狀態(tài)下輸出的高電平使VT1飽和導(dǎo)通，將行驅(qū)動管VT2基極上的驅(qū)動脈沖由VT1的c-e極短路，使行掃描電路停止工作。這種待機(jī)控制電路中，微處理器所需的+5V供電電壓和行輸出所需的+B電壓都由同一開關(guān)電源提供，省掉了副電源電路，但是開關(guān)電源在待機(jī)狀態(tài)下仍正常工作，待機(jī)狀態(tài)下整機(jī)的功耗約為10W。圖1-18 待機(jī)控制電路(五) 1.4.4 防干擾技術(shù)防開機(jī)浪涌電流電路

24、如圖1-19所示。在設(shè)備開機(jī)瞬間，由于濾波電容C1上的初始電壓為零，所以C1的起始充電電流很大。傳統(tǒng)電路簡單地用大功率電阻R1來限制開機(jī)浪涌電流，但是此電阻在負(fù)載進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，仍串接在電路中，這會使整機(jī)功耗增大，同時也易引起整機(jī)溫升。圖1-19 防開機(jī)浪涌電流電路 開關(guān)電源防開機(jī)浪涌電流電路有以下兩種：(1) 晶閘管控制電路。晶閘管控制的防開機(jī)浪涌電流控制電路如圖1-20所示。由于開機(jī)瞬間浪涌電流很大，所以在電阻R1上的壓降也很大，使VZD3擊穿導(dǎo)通并引起VT1導(dǎo)通。VT1的c、e極導(dǎo)通使晶閘管VS2的觸發(fā)極被短路，VS2處于截止態(tài)，開機(jī)浪涌電流全部從限流電阻R1中流過。當(dāng)濾波電容C1充

25、電結(jié)束，負(fù)載進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，流經(jīng)電阻R1的電流為正常工作電流，限流電阻R1兩端的電壓下降，VZD3和VT1恢復(fù)截止，晶閘管VS2的控制極經(jīng)電阻R2獲得觸發(fā)電壓，使晶閘管VS2導(dǎo)通，整機(jī)電流不再流經(jīng)電阻R1，而經(jīng)晶閘管VS2旁路，電阻R1不再消耗功率。圖1-20 晶閘管控制的防開機(jī)浪涌電流控制電路 (2) 繼電器控制電路。圖1-21為采用繼電器控制的防開機(jī)浪涌電流電路。開機(jī)瞬間開關(guān)電源還未正常工作，電容C2上無電壓，VZD2和VT1均截止，繼電器RY1繞組中無電流通過，RY1的觸點開關(guān)斷開，所以防開機(jī)浪涌電流電路作用。當(dāng)開關(guān)電源正常工作后，C2上有正常電源電壓，這時，VZD2、VT1導(dǎo)通，R

26、Y1繞組中有電流通過，繼電器觸點開關(guān)閉合將R1短路，電阻R1不再消耗功率。圖1-21 繼電器控制的防開機(jī)浪涌電流電路 1電磁干擾開關(guān)電源的優(yōu)點是效率高、體積小，但由于其始終工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，所以會產(chǎn)生極大的高頻諧波成分，而這些高頻諧波成分輻射到空間，極易干擾其他設(shè)備正常工作。干擾有兩方面的含義，一是開關(guān)電源本身產(chǎn)生的干擾信號對別的機(jī)器正常工作的影響；二是開關(guān)電源本身抗外界干擾，保證自身正常工作的能力，即所謂抗干擾性。1) 開關(guān)管的工作狀態(tài)開關(guān)電源中的開關(guān)管在工作時會產(chǎn)生較大的脈沖電壓和脈沖電流，而脈沖電壓、電流中包含有許多高次諧波。同時，在開關(guān)管導(dǎo)通時，由于開關(guān)變壓器漏感和輸出整流二極管的恢

27、復(fù)特性形成的電磁振蕩，在二極管上會產(chǎn)生浪涌電壓；在開關(guān)管斷開時，變壓器漏感也會產(chǎn)生浪涌電壓，這些都將成為噪聲干擾源。2) 二極管的恢復(fù)特性硅二極管進(jìn)行高頻整流時，由于存在結(jié)電容，正向電流所積蓄的電荷在加反向電壓時不能馬上消失。這種載流子積蓄效應(yīng)使二極管流過反向電流，這段時間稱做反向恢復(fù)時間。在反向恢復(fù)時間內(nèi)，由于反向電壓較大，會產(chǎn)生較大損耗。如果反向電流恢復(fù)時的電流上升率di/dt較大時，由于電感作用產(chǎn)生較大的尖峰電壓，這就形成恢復(fù)噪聲?；謴?fù)噪聲既可通過吸收回路實現(xiàn)，也可通過諧振開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)?；謴?fù)電路對提高開關(guān)電源的可靠性及減小干擾有很大的作用。肖特基二極管沒有載流子積蓄效應(yīng)，所以恢復(fù)噪聲很小

28、，在恢復(fù)電路中應(yīng)用較多。3) 變壓器變壓器繞組中電流形成的磁通大部分通過高導(dǎo)磁率的磁芯，但仍會有少部分通過繞組與間隙輻射出去，成為所謂漏磁通，這些漏磁通將形成電磁感應(yīng)干擾。4) 整流濾波電容由于交流輸入的開關(guān)電源在輸入端接有整流濾波電路，使整流二極管的導(dǎo)通角很小，整流電流的峰值很大，這種脈沖狀的二極管整流電流也會產(chǎn)生干擾。2干擾的抑制方法1) 抑制干擾發(fā)生源的電平干擾的來源為電流、電壓急劇變化的部分，是由功率開關(guān)管、整流二極管和周圍電路引起的。為此應(yīng)盡量降低電流和電壓波形的變化率。利用吸收電路可以降低浪涌電壓，并減少開關(guān)變壓器的漏感。 2) RC吸收回路 如圖1-22、圖1-23所示的RC、R

29、CD吸收回路可以起到減少脈沖電流、電壓變化率的效果，改善開關(guān)電路的工作條件，從而減少干擾，保護(hù)功率開關(guān)管。圖1-22 RC吸收回路 圖1-23 RCD吸收回路3) 利用LC干擾抑制電路LC干擾抑制電路如圖1-24所示，可以起到電源供電輸入端與開關(guān)電源端干擾信號的雙向抑制作用。圖中的電抗器T的匝數(shù)比為1，同名端如圖所示，是一種共模干擾抑制電感，它對電源輸入端或開關(guān)電源端產(chǎn)生的共模干擾信號等效阻抗很大，從而起到共模干擾信號的抑制作用。圖1-24 LC干擾抑制電路 1.5 開關(guān)器件的選擇與驅(qū)動1.5.1 開關(guān)器件的特征和類型1電力電子器件的特征與處理信號的電子元件相比，開關(guān)電源的開關(guān)器件具有以下特征

30、：(1) 最主要的參數(shù)是承受電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，處理電功率的能力從毫瓦級至兆瓦級，遠(yuǎn)大于普通信號電路中的電子器件。(2) 電源用電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。導(dǎo)通時(通態(tài))阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定；斷開時阻抗很大，接近于開路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定。電力電子器件的動態(tài)特性和參數(shù)，是其特性的重要方面，有時甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時，可用理想開關(guān)來代替電子器件。(3) 電路中電源電子器件需要由信息電子電路來控制。在主電路和控制電路之間，需要驅(qū)動電路對控制電路的信號進(jìn)行隔離放大。(4) 在器件開通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生

31、的開通損耗和關(guān)斷損耗總稱開關(guān)損耗，而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗會隨之增大，成為器件功率損耗的主要因素。為保證不發(fā)生因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞的問題，不僅在器件封裝上要注意散熱的設(shè)計，在其工作時還要安裝散熱器。2電源電子器件的系統(tǒng)組成電源系統(tǒng)由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。(1) 控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。附加的一些保護(hù)電路、檢測電路也屬于控制電路。(2) 驅(qū)動電路位于主電路和控制電路之間，將大電壓和大電流的主電路與小電壓和小電流的控制電路進(jìn)行

32、電氣隔離，而通過其他手段如光、磁等來傳遞信號。(3) 開關(guān)器件一般有三個端子，其中兩個連接在主電路中，而第三端被稱為控制端或稱控制極。器件通斷是通過在其控制端和一個主電路端子之間加一定的信號來控制的，這個主電路端子是驅(qū)動電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。3電源電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，可將其分為以下三類：(1) 半控型器件：通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。晶閘管及其大部分派生器件均屬于此類器件，器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定。(2) 全控型器件：通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷。例如，絕緣柵雙極型晶體管IGBT，

33、電力場效應(yīng)晶體管MOSFET，門極可關(guān)斷晶閘管GTO等。(3) 不可控器件：不能用控制信號來控制其通斷，因此也就不需要驅(qū)動電路。例如電力二極管等，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，可將其分為兩類：(1) 電流驅(qū)動型：通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制，如大功率晶體管GTR等。(2) 電壓驅(qū)動型：僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制，如IGBT等。電壓驅(qū)動型器件實際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場

34、控器件，或場效應(yīng)器件。1.5.2 電力二極管1電力二極管的基本特性1) 靜態(tài)特性電力二極管的靜態(tài)特性指其伏安特性，當(dāng)電力二極管承受的正向電壓達(dá)到一定值，即門檻電壓UTO時，正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對應(yīng)的二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。2) 開通過程電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)一段時間才接近穩(wěn)態(tài)壓降，如圖1-25所示。其中，uF表示二極管壓降，iF表示二極管正向電流，tfr為正向恢復(fù)時間。電流上升率越大，UFP越高。3) 關(guān)斷過程電力二極管經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，

35、進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。如圖1-26所示，URP為最大反向電壓，IRP為最大反向電流，trr為反向恢復(fù)時間(trr越小越好)。圖1-25 開通過程 圖1-26 反向恢復(fù)過程中電流和電壓波形 2電力二極管的主要類型(1) 整流二極管：該類二極管一般用于開關(guān)頻率不高(1kHz以下)的整流電路，其反向恢復(fù)時間較長，一般在5s以上，正向電流額定值和反向電壓額定值很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。(2) 快恢復(fù)二極管(FRD)：指恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短的二極管，也稱快速二極管。該類二極管的反向恢復(fù)時間短(可低于50ns)，正向壓降也很低(0

36、.9V左右)，但其反向耐壓多在400V以下。超快恢復(fù)二極管的快速恢復(fù)時間甚至僅為2030ns。(3) 肖特基二極管：該管的反向恢復(fù)時間很短(1040ns)，正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖。在反向耐壓較低的情況下，肖特基二極管的正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管。其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，故效率較高。肖特基二極管當(dāng)反向耐壓提高時其正向壓降也會高，因此多用于低壓條件下。1.5.3 電力場效應(yīng)晶體管1電力場效應(yīng)晶體管的特點電力場效應(yīng)晶體管簡稱電力MOSFET，其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性好。但由于該管的

37、電流容量小，耐壓低，因此它一般用于功率不超過10kW的電源電子裝置。2電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理電力MOSFET的種類按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道，圖1-27(a)所示為N溝道電力MOSFET的結(jié)構(gòu)，圖(b)為電力MOSFET的電氣圖形符號。電力MOSFET的工作原理是：在截止?fàn)顟B(tài)，漏、源極間加正電源，柵、源極間電壓為零，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)反偏，漏、源極之間無電流流過；在導(dǎo)通狀態(tài)，即當(dāng)UGS大于開啟電壓或閾值電壓UT時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)消失，漏極和源極導(dǎo)電。電力MOSFET的開關(guān)時間在

38、10100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是電力電子器件中最高的。由于電力MOSFET是場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流，但在開關(guān)過程中需對輸入電容充、放電，故仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。因為電力MOSFET開關(guān)頻率可達(dá)到100kHz，采用專用驅(qū)動芯片最為理想。IR2011、IR221系列均可工作在100kHz以上。同類型的高壓板橋驅(qū)動IC有很完善的保護(hù)機(jī)制，可以很好地應(yīng)用于半橋、全橋、三相全橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖1-27 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 1.5.4 絕緣柵雙極晶體管1IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理IGBT為三端器件，分別為柵極G、集電極C和發(fā)射極

39、E，如圖1-28所示。IGBT的驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，是場控器件，通斷由柵、射極電壓UGE決定。導(dǎo)通狀態(tài)：UGE大于開啟電壓，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通；關(guān)斷狀態(tài)：柵、射極間施加反壓或不加信號，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。圖1-28 IGBT的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號2IGBT的特性和參數(shù)特點(1) 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。(2) 相同電壓和電流時，安全工作區(qū)大，且具有耐脈沖電流沖擊的能力。(3) 通態(tài)壓降比MOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。(4) 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。(5) 與MOSFET和

40、GTR相比，耐壓和通流能力進(jìn)一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。3IGBT驅(qū)動電路1) IGBT柵極驅(qū)動模塊的選用IGBT柵極驅(qū)動模塊EXB841、M57962L均可用于驅(qū)動1200V系列400A以內(nèi)的IGBT模塊，且具有過流檢測及保護(hù)功能。2) 驅(qū)動模塊外圍電路IGBT在關(guān)斷時，管子的集電極、發(fā)射極之間產(chǎn)生的電壓上升率du/dt高達(dá)30000V/s。過高的du/dt會產(chǎn)生較大的位移電流，并導(dǎo)致產(chǎn)生較大的集電極脈沖浪涌電流，很容易使IGBT發(fā)生動態(tài)擎住現(xiàn)象。為了避免IGBT發(fā)生這種誤動作，必須在IGBT柵極加負(fù)偏壓。3) IGBT模塊與濾波電容的連接IGBT的輸入特性與MOSFET類似，輸入阻

41、抗較高。如果驅(qū)動電路失去電壓，則IGBT的柵極失去負(fù)偏壓，對發(fā)射極呈高阻態(tài)。此時一旦有干擾竄至IGBT的柵極，則IGBT模塊的上、下兩管易同時導(dǎo)通。如果IGBT模塊直接與數(shù)千微法的濾波電容連接，那么濾波電容儲存的能量會通過IGBT模塊的上、下管直接釋放，易導(dǎo)致IGBT模塊損壞。因此大功率電源設(shè)計時應(yīng)考慮加入控制電路，以使在開機(jī)時先接通控制、驅(qū)動部分電路的電源，后將IGBT模塊與濾波電容連接。在關(guān)機(jī)時先將IGBT模塊與濾波電容斷開，后關(guān)斷控制、驅(qū)動部分電路的電源。4功率模塊與功率集成電路功率模塊將多個器件封裝在一個模塊中，以縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對工作頻率高的電路，這樣做可大大減小

42、線路電感，從而簡化對保護(hù)和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測和自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路(PIC)。智能功率模塊(IPM)則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT。功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成，成為開關(guān)變換電路的理想接口。1.5.5 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管(Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT)是一種新型半導(dǎo)體開關(guān)器件，它將門極驅(qū)動電路與門極換流晶閘管(GCT)集成于一個整體。IGCT是基于GTO結(jié)構(gòu)的電力半導(dǎo)體器件，不僅具有與GTO相同的高阻斷能力和

43、低通態(tài)壓降，而且具有與IGBT相同的開關(guān)性能，可以說是GTO和IGBT相互取長補短的結(jié)果，是一種較理想的兆瓦級、中壓開關(guān)器件，非常適用于6kV和10kV的中壓開關(guān)電路。IGCT在不串不并的情況下，二電平逆變器容量可達(dá)0.53MVA，三電平逆變器容量可達(dá)16MVA。若反向二極管分離，不與IGCT集成在一起，二電平逆變器容量可擴(kuò)至4.5MVA，三電平容量擴(kuò)至9MVA，現(xiàn)在已有這類器件構(gòu)成的變頻器系列產(chǎn)品。目前，IGCT已經(jīng)商品化，IGCT產(chǎn)品的最高性能參數(shù)為4.5kV/4kA，最高研制水平為6kV/4kA。 1IGCT的結(jié)構(gòu)與工作原理 圖1-29所示為IGCT的符號，它與GTO相似，為四層三端器件

44、，其導(dǎo)通原理與GTO一樣，但關(guān)斷原理與GTO完全不同。在IGCT的關(guān)斷過程中，可瞬間從導(dǎo)通轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài)，變成一個PNP晶體管，所以，它無外加du/dt限制；而GTO必須經(jīng)過一個既非導(dǎo)通又非關(guān)斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以GTO需要很大的吸收電路來抑制重加電壓的變化率du/dt。阻斷狀態(tài)下IGCT的等效電路可認(rèn)為是一個基極開路的低增益PNP晶體管與門極電源的串聯(lián)。IGCT可像IGBT一樣無緩沖運行，無二次擊穿，拖尾電流雖大但時間很短。 圖1-29 IGCT符號2IGCT的應(yīng)用 現(xiàn)有的高壓變頻器中大多采用低壓IGBT和高壓IGBT。IGBT具有快速的開關(guān)性能，但在高壓變頻中其導(dǎo)電損耗大，而且需要

45、許多IGBT復(fù)雜地串聯(lián)在一起。相對低壓IGBT來講，高壓IGBT串聯(lián)的數(shù)量相對要少一些，但導(dǎo)電損耗卻更高。元件總體數(shù)量的增加使變頻器的可靠性降低，柜體尺寸增大，成本提高。因此新型高壓、大電流變頻調(diào)速器采用IGCT，可以實現(xiàn)快速、均衡換流和低損耗。由于IGCT像IGBT那樣具有快速開關(guān)功能，像GTO那樣導(dǎo)電損耗低，所以在高壓、大電流各種應(yīng)用領(lǐng)域中可靠性更高。與其他類型變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，采用電壓源型逆變器的IGCT的結(jié)構(gòu)更簡單，效率更高。對于4.16kV的變頻器，逆變器中需要24個高壓IGBT，如使用低壓IGBT，則需60個，而若采用IGCT則只需12個。 盡管IGCT變頻器不需要限制du/d

46、t的緩沖電路，但是其本身不能控制di/dt(這是IGCT的主要缺點)，所以為了限制短路電流上升率，在實際電路中常串入適當(dāng)電抗。整套逆變器由11個元器件組成：6個IGCT(帶集成反向二極管)，1個電抗，1個鉗位二極管，1個鉗位電容和1個電阻，一套門極驅(qū)動電源。一套3MVA的逆變器外形尺寸僅為780mm590mm333mm，其結(jié)構(gòu)緊湊，元器件數(shù)少，可靠性高，成本低。 有效硅面積小、低損耗、快速開關(guān)等優(yōu)點保證了IGCT能可靠、高效地用于300 kVA10MVA變流器，而不需要串聯(lián)或并聯(lián)。IGBT與IGCT相比，盡管前者具有一些優(yōu)良的特性，如能實現(xiàn)di/dt和du/dt的有源控制、有源鉗位，易于實現(xiàn)短

47、路電流保護(hù)和有源保護(hù)等，但因存在著導(dǎo)通損耗高、硅有效面積利用率低、損壞后造成開路以及無長期可靠運行數(shù)據(jù)等缺點，限制了其在高功率低頻變流器中的實際應(yīng)用。因此在大功率MCT問世以前，IGCT將成為普遍使用的高功率高電壓器件。 1.5.6 緩沖電路1緩沖電路的作用緩沖電路也叫吸收電路，其作用就是抑制器件的內(nèi)部過電壓和du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。(1) 關(guān)斷緩沖電路，也稱du/dt抑制電路，其作用是吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小器件的關(guān)斷損耗。(2) 開通緩沖電路，也稱di/dt抑制電路，其作用是抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。

48、將關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起可形成復(fù)合緩沖電路，如圖1-30所示。圖1-30 緩沖電路 2緩沖電路中的元件設(shè)計C2和R2的取值可通過實驗確定或參考工程手冊，VD2必須選用快恢復(fù)二極管，額定電流不小于主電路器件的1/10，盡量減小線路電感，選用內(nèi)部電感小的吸收電容，中小容量場合可只在直流側(cè)設(shè)一個du/dt抑制電路，對IGBT甚至可以僅并聯(lián)一個吸收電容。晶閘管在實用中一般只承受換相過電壓，沒有關(guān)斷過電壓，關(guān)斷時也沒有較大的du/dt，一般采用RC吸收電路即可解決。1.6 整 流 電 路1.6.1 恒功率整流普通的限流型整流器有恒壓型整流器和恒流型整流器之分。在恒壓型整流器中，其輸出電壓保

49、持不變。而在恒流型整流器中，其輸出電流保持不變，如果負(fù)載電流超過限流值，整流器輸出電壓將隨電流的增加迅速下降，直至整流器過流而關(guān)斷。在恒流型限流整流器中，其額定電流、限定電流和過流三個電流值相當(dāng)接近。而恒功率整流器是在交流輸入電壓和直流輸出電壓的變化范圍內(nèi)均能給出額定功率。恒功率整流器與普通限流型整流器的不同之處是它有三個不同的輸出階段，即在恒壓階段和恒流階段中插入了一個恒功率階段。恒壓階段和恒流階段的工作情況與普通限流型整流器完全相同，恒功率階段是普通限流型整流器所沒有的，有了恒功率階段便可使整流器輸出功率保持不變。普通的限流型整流器的輸出電流超過限定值時，輸出電壓會大幅度降低，不能保證輸出

50、功率不變。但在恒功率整流器中，隨著輸出電流超過限定值時，輸出電壓也會降低，但降低速度較慢，基本保持其輸出功率不變，負(fù)載設(shè)備仍然可以正常工作。所以在采用恒功率整流器的開關(guān)電源的設(shè)計中，只需考慮電子設(shè)備的最大負(fù)荷和整流器的冗余，以確定開關(guān)電源的額定輸出功率，也隨之確定了輸出電壓和輸出電流的調(diào)整范圍。1.6.2 倍流整流倍流整流器由高頻變壓器次級繞組、兩個電感器、兩個整流二極管和輸出電容器組成。倍流整流器的特點是高頻變壓器次級繞組沒有中心抽頭，兩個濾波電感器繞制在同一個磁芯上，其電感量相等。這樣，流過變壓器次級繞組和兩個電感器的電流只是輸出負(fù)載電流的一半，因此大大簡化了高頻變壓器和濾波電感器的結(jié)構(gòu)設(shè)

51、計，也縮小了倍流整流器的尺寸。倍流整流器的輸出電流是兩個濾波電感器電流之和，而兩個濾波電感器電流的脈動電流可以相互抵消，所以倍流整流器可以得到脈沖電流很小的直流輸出。1.6.3 同步整流高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、筆記本電腦等需要低電壓的超大規(guī)模高速集成電路，導(dǎo)致電源的整流損耗變成了主要損耗。以往DC/DC變換器采用硅肖特基二極管(Si-SBD)作為輸出整流二極管，DC/DC變換器正常工作時，Si-SBD的正向壓降UnF為0.40.6V，而DC/DC變換器的輸出電壓為5V左右，當(dāng)輸出電流較大時，Si-SBD上的功耗很大，DC/DC變換器的效率大大降低?，F(xiàn)在高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的電源電壓已降到3V左右，甚至降

52、到1.51.8V，顯然用Si-SBD作為輸出整流二極管時，效率更低。研究顯示，大約有22%的功率消耗在Si-SBD輸出整流管上。由于MOSFET的正向壓降很小，因此整流電路中采用具有低導(dǎo)通電阻的MOSFET器件整流，可大大提高變換器的效率。圖1-31是用MOSFET作為整流二極管的整流電路。MOSFET器件作為開關(guān)器件時，驅(qū)動信號加在柵極(G)和源極(S)之間，而用于整流器件時，漏極和源極間仍類似一個開關(guān)管。該整流電路屬于半波整流電路，MOSFET的D極接在變壓器的輸出同名端，G極通過電阻R1接在變壓器輸出的另一端。當(dāng)D為高電位時，G為低電位，MOSFET被阻斷；當(dāng)D為低電位時，G為高電位，M

53、OSFET導(dǎo)通，在負(fù)載R0上得到整流輸出。由于利用變壓器實現(xiàn)了MOSFET器件的G極驅(qū)動信號與D、S極間開關(guān)的同步，所以將這種方式稱為同步整流，用于同步整流的MOSFET開關(guān)器件稱為同步整流管(SR)。圖1-31 MOSFET組成的同步整流電路 1.7 電源指標(biāo)測試與電源管理1.7.1 開關(guān)電源技術(shù)指標(biāo)開關(guān)電源主要技術(shù)指標(biāo)如下：(1) 輸入電壓變化范圍：表示當(dāng)穩(wěn)壓電源的輸入電壓發(fā)生變化時，使輸出電壓保持不變的輸入電壓變化范圍。這個范圍越寬，表示電源適應(yīng)外界電壓變化的能力越強，電源使用范圍越寬，它和電源的誤差放大、反饋調(diào)節(jié)電路的增益及占空比調(diào)節(jié)范圍有關(guān)。目前開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍已可做到90270V

54、，可以省去許多電器中的110V/220V轉(zhuǎn)換開關(guān)。(2) 輸出內(nèi)阻Ro：輸出內(nèi)阻Ro是指輸出電壓的變化量U與輸出電流變化量I的比值。Ro越小，表示電源輸出電壓隨負(fù)載電流的變化越小，穩(wěn)壓性能越好。(3) 效率：電源輸出功率Po與輸入功率Pi的比值稱為電源的效率。效率越高，開關(guān)電源的體積越小，同時可靠性也越高。目前開關(guān)電源的效率可達(dá)到90%以上。(4) 輸出紋波電壓：開關(guān)電源的穩(wěn)壓過程是不斷反饋調(diào)節(jié)的過程，所以在輸出的直流電壓Uo上會疊加一個波動的紋波電壓，這個值越小則表示電源的輸出性能越好。這個參數(shù)的表示有兩種方法：輸出紋波電壓有效值或是輸出紋波電壓的峰峰值Up-p。(5) 輸出電壓調(diào)節(jié)范圍：電

55、源的輸出電壓只和基準(zhǔn)電壓與輸出取樣電路的元器件參數(shù)有關(guān)，反映在線性電源上是穩(wěn)壓調(diào)整管集電極電流的變化范圍，而反映在開關(guān)電源上則是開關(guān)調(diào)整管脈沖占空比D的變化范圍。(6) 輸出電壓穩(wěn)定性：表示輸出電壓隨負(fù)載變化而變化的特性。這個變化量越小越好。這個參數(shù)與反饋調(diào)節(jié)回路的增益及頻響特性有關(guān)，反饋調(diào)節(jié)回路增益越高，基準(zhǔn)電壓UE越穩(wěn)定，輸出電壓Uo的穩(wěn)定性也越好。(7) 輸出功率Po：表示電源能輸出給負(fù)載的最大功率。Po與負(fù)載功率有關(guān)，為了保證電源安全，要求該值有20%50%的裕量。1.7.2 電源管理1集中監(jiān)控管理系統(tǒng) 當(dāng)前的電源集中監(jiān)控管理系統(tǒng)在進(jìn)一步完善，在建設(shè)該系統(tǒng)時應(yīng)將重點放在直流系統(tǒng)，特別是

56、在基礎(chǔ)電源系統(tǒng)為48V的主蓄電池、發(fā)電機(jī)組的啟動電池、UPS后備電池的智能化管理方面，要加強告警裝置的智能設(shè)計。 2防雷問題雷電易引起火災(zāi)、爆炸，特別是對電力、通信領(lǐng)域危害更嚴(yán)重。全面防雷應(yīng)采取綜合治理、整體防御、多重保護(hù)、層層設(shè)防的原則，特別是要嚴(yán)格控制雷擊點，安全引導(dǎo)雷電流入地、完善低電阻地網(wǎng)、消除地面回路、電流浪涌保護(hù)、信號及數(shù)據(jù)線瞬變保護(hù)等是行之有效的防雷措施。 由于雷電的產(chǎn)生受周邊環(huán)境等多種因素的影響，因此不管采用任何型號的防雷器、過電壓保護(hù)器、過流型避雷器、過壓型浪涌抑制器等，都必須與良好的聯(lián)合接地系統(tǒng)相配合才能有效發(fā)揮作用。 3交流不間斷電源系統(tǒng) 不間斷電源系統(tǒng)的高可靠性是基本要

57、求，其負(fù)載主要是信息系統(tǒng)，是全面計算機(jī)化的系統(tǒng)，其重要性會越來越高，所以提高不間斷電源供電系統(tǒng)的可靠性是一研究重點。品質(zhì)好的不間斷電源系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)該具備以下基本功能：(1) 能在各種復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境下投入運行，在電網(wǎng)電壓變化范圍較大的情況下仍能正常運行。 (2) 在運行中不會對供電電網(wǎng)產(chǎn)生其他附加的干擾。(3) 它的輸出電性能指標(biāo)應(yīng)是全面的、高質(zhì)量的，能夠持續(xù)滿負(fù)荷運行。(4) 本身具有高效率。(5) 有高智能化的自動管理功能。4整流器設(shè)備 對于整流器設(shè)備，我們要選擇輸出能力強、效率高的產(chǎn)品。由于電子設(shè)備多是在開關(guān)機(jī)的瞬間過程出現(xiàn)故障的，因此在驗收設(shè)備時最好適量增加開關(guān)機(jī)的次數(shù)。 5蓄電池 由于電

58、池使用場所及放電方式不同，對其的要求也是不一樣的。 (1) 接入網(wǎng)所用電池應(yīng)選擇適合小電流、長時間深度放電的電池。 (2) 不間斷電源系統(tǒng)所用電池應(yīng)選擇適合大電流、短時間深度放電的電池。 (3) 太陽能供電系統(tǒng)配套的電池應(yīng)選擇具有長時間深度放電、回充速度快、充放電效率高、無規(guī)律充放電、充電電流可波動等特點的電池。1.7.3 技術(shù)指標(biāo)測試1輸出電壓調(diào)整率 當(dāng)設(shè)計制作開關(guān)電源時，基本要求是輸出電壓需調(diào)整至指標(biāo)之內(nèi)。此步驟完成后才能確保后續(xù)的指標(biāo)是否符合要求。通常當(dāng)調(diào)整輸出電壓時，將輸入交流電壓設(shè)定為正常值，并且將輸出電流設(shè)定為正常值或滿載電流，然后測量電源的輸出電壓值并調(diào)整電壓值位于所要求的范圍內(nèi)。 2電源調(diào)整率電源調(diào)整率的定義為電源供應(yīng)器于輸入電壓變化時能夠提供其穩(wěn)定輸出電壓的能力。此項測試用來驗證電源在最惡劣的電源電壓環(huán)境下，電源供應(yīng)器的輸出電壓的穩(wěn)定度是否滿足需求規(guī)定：高溫條件下，當(dāng)用電需求量最大時，其電源電壓最低；低溫條件下，當(dāng)用電需求量最小時，其電源電壓最高。 3電壓調(diào)整率 電壓調(diào)整率指能提供可變電壓的電源所提供的最低到最高的輸出電壓的范圍。測試步驟如下：將待測電源設(shè)備以正常輸入電壓及負(fù)載狀況下穩(wěn)定供電時，分別測出最低輸出電壓Uomin、正常輸入電壓Uonormal及最高輸出電壓Uomax，