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常见电子元器材介绍

发布时间:2022-05-11 18:22:48 来源:米乐m6app官网下载

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  1、常见电子元器材介绍 榜首部分:功率电子器材榜首节:功率电子器材及其运用要求功率电子器材许多被运用于电源、伺服驱动、变频器、电机维护器等功率电子设备。 这些设备都是自动化体系中必不可少的,因而,咱们了解它们是必要的。近年来,跟着运用日益高速开展的需求,推动了功率电子器材的制作工艺的研讨和 开展,功率电子器材有了腾跃性的前进。器材的类型朝多元化开展,功用也越来越改善。 大致来讲,功率器材的开展,表现在如下方面:1. 器材能够快速康复,以满意越来越高的速度需求。以开关电源为例,选用双极型 晶体管时, 速度能够到几十千赫;运用 MOSFET 和 IGBT, 能够到几百千赫;而选用 了谐振技能的开关电源

  2、,则能够抵达兆赫以上。2. 通态压降(正向压降下降。这能够削减器材损耗,有利于进步速度,减小器材 体积。3. 电流操控才能增大。电流才能的增大和速度的进步是一对对立,现在最大电流控 制才能,特别是在电力设备方面,还没有器材能彻底代替可控硅。4. 额外电压:耐压高。耐压和电流都是表现驱动才能的重要参数,特别对电力体系, 这显得非常重要。5. 温度与功耗。这是一个归纳性的参数,它约束了电流才能、开关速度等才能的提 高。现在有两个方向处理这个问题,一是持续进步功率器材的质量,二是改善控 制技能来下降器材功耗,比方谐振式开关电源。整体来讲,从耐压、电流才能看,可控硅现在仍然是最高的,在某些特定场合,仍

  3、 然要运用大电流、高耐压的可控硅。但一般的工业自动化场合,功率电子器材已越来越 多地运用 MOSFET 和 IGBT,特别是 IGBT 获得了更多的运用,开端全面代替可控硅来做为 新式的功率操控器材。第二节:功率电子器材概览一. 整流二极管:二极管是功率电子体系中不可或缺的器材,用于整流、续流等。现在比较多地运用 如下三种挑选:1. 高效快速康复二极管。压降 0.8-1.2V,适宜小功率,12V 左右电源。2. 高效超快速二极管。0.8-1.2V,适宜小功率,12V 左右电源。3. 肖特基势垒整流二极管 SBD。 0.4V, 适宜 5V 等低压电源。 缺陷是其电阻和耐压 的平方成正比,所以耐压

  4、低(200V以下,反向漏电流较大,易热击穿。但速 度比较快,通态压下降。现在 SBD 的研讨前沿,现已超越 1万伏。二.大功率晶体管 GTR分为:单管办法。电流系数:10-30。双管办法达林顿管。电流倍数: 100-1000。 饱满压降大, 速度慢。 下图虚线部 分便是达林顿管。图 1-1:达林顿管运用实践比较常用的是达林顿模块,它把 GTR、续流二极管、辅佐电路做到 一个模块内。 在较前期的功率电子设备中, 比较多地运用了这种器材。 图 1-2是这种器材的内部典型结构。图 1-2:达林顿模块电路典型结构两个二极管左边是加速二极管,右侧为续流二极管。加速二极管的原理是引进了电 流串联正反响,达

  5、到加速的意图。这种器材的制作水平是 1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz左右(参阅。三. 可控硅 SCR可控硅在大电流、高耐压场合仍是有必要的,但在惯例工业操控的低压、中小电流控 制中,已逐渐被新式器材代替。现在的研制水平在 12KV/8000A左右(参阅。因为可控硅换流电路杂乱, 逐渐开发了门极关断晶闸管 GTO。 制作水平抵达 8KV/8KA, 频率为 1KHz 左右。不管是 SCR 仍是 GTO,操控电路都过于杂乱,特别是需求巨大的吸收电路。并且, 速度低,因而约束了它的运用规模拓展。集成门极换流晶闸管 IGCT 和 MOS 关断晶闸管之类的器材在操控门极前运用了

  6、MOS 栅,然后抵达硬关断才能。四. 功率 MOSFET又名功率场效应管或许功率场控晶体管。其特色是驱动功率小,速度高,安全作业区宽。但高压时,导通电阻与电压的平方 成正比,因而进步耐压和下降高压阻抗困难。适宜低压 100V 以下,是比较抱负的器材。现在的研制水平在 1000V/65A左右(参阅。商业化的产品抵达 60V/200A/2MHz、 500V/50A/100KHz。是现在速度最快的功率器材。五. IGBT又名绝缘栅双极型晶体管。这种器材的特色是集 MOSFET 与 GTR 的长处于一身。输入阻抗高,速度快,热安稳性 好。通态电压低,耐压高,电流大。现在这种器材的两个方向:一是朝大功率

  7、,二是朝高速度开展。大功率 IGBT 模块达 到 1200-1800A/1800-3300V的水平(参阅。速度在中等电压区域(370-600V,可达 到 150-180KHz。它的电流密度比 MOSFET 大,芯片面积只要 MOSFET 的 40%。但速度比 MOSFET 低。12虽然电力电子器材开展进程远比咱们现在描绘的杂乱,可是 MOSFET 和 IGBT,特别 是 IGBT 现已成为现代功率电子器材的干流。因而,咱们下面的关键也是这两种器材。 第三节:功率场效应管 MOSFET 一.原理:半导体结构剖析略。本讲义附加了相关材料,供感兴趣的搭档能够查阅。实践上,功率场效应管也分结型、绝缘栅

  8、型。但通常指后者中的 MOS 管,即 MOSFET (MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor。它又分为 N 沟道、P 沟道两种。器材符号如下:N 沟道 P 沟道图 1-3:MOSFET的图形符号MOS 器材的电极分别为栅极 G、漏极 D、源极 S。和一般 MOS 管相同,它也有:耗尽型:栅极电压为零时,即存在导电沟道。不管 V GS 正负都起操控效果。增强型:需求正偏置栅极电压,才生成导电沟道。抵达饱满前,V GS 正偏越大,I DS 越大。一般运用的功率 MOSFET 大都是 N 沟道增强型。并且不同于一般小功率 MOS 管的横 导游

  9、电结构,运用了笔直导电结构,然后进步了耐压、电流才能,因而又名 VMOSFET。二.特色:这种器材的特色是输入绝缘电阻大(1万兆欧以上,栅极电流根本为零。驱动功率小,速度高,安全作业区宽。但高压时,导通电阻与电压的平方成正比, 因而进步耐压和下降高压阻抗困难。适宜低压 100V 以下,是比较抱负的器材。现在的研制水平在 1000V/65A左右(参阅。其速度能够抵达几百 KHz,运用谐振技能能够抵达兆级。三.参数与器材特性:无载流子注入,速度取决于器材的电容充放电时刻,与作业温度联络不大,故热稳 定性好。(1 搬运特性:I D 随 U GS 改变的曲线,成为搬运特性。从下图能够看到,跟着 U G

  10、S 的上升,跨导将越来越高。I DU GS3图 1-4:MOSFET的搬运特性(2输出特性(漏极特性:输出特性反响了漏极电流随 V DS 改变的规则。这个特性和 V GS 又有相关。下图反映了这种规则。 图中,爬坡段对错饱满区,水平段为饱满区,挨近横轴邻近为截止区, 这点和 GTR 有差异。图 1-5:MOSFET的输出特性V GS =0时的饱满电流称为饱满漏电流 I 。 (3通态电阻 Ron:该参数随温度上升线性添加。并且 V GS 添加,通态电阻减小。(4跨导:MOSFET 的增益特性称为跨导。界说为:G fs =ID /VGS显着,这个数值越大越好,它反映了管子的栅极操控才能。(5栅极阈

  11、值电压栅极阈值电压 V GS 是指开端有规则的漏极电流 (1mA 时的最低栅极电压。它具有负温度系数,结温每添加 45度,阈值电压下降 10%。(6电容MOSFET 的一个显着特色是三个极间存在比较显着的寄生电容, 这些电容 对开关速度有必定影响。偏置电压高时,电容效应也加大,因而对高压电子 体系会有必定影响。有些材料给出栅极电荷特性图,能够用于预算电容的影响。以栅源极为 例,其特性如下:能够看到:器材注册推迟时刻内,电荷积累较慢。跟着电压添加,电荷快速上升,对应着管子注册时刻。最终,当电压I DIV DSV GSV GS Q G4添加到必定程度后,电荷添加再次变慢,此刻管子现已导通。图 1-

  12、6:栅极电荷特性(8正向偏置安全作业区及首要参数MOSFET 和双极型晶体管相同, 也有它的安全作业区。 不同的是, 它的安 全作业区是由四根线围成的。 最大漏极电流 I DM :这个参数反响了器材的电流驱动才能。 最大漏源极电压 V DSM :它由器材的反向击穿电压决议。最大漏极功耗 P DM :它由管子答应的温升决议。 漏源通态电阻 Ron:这是 MOSFET 有必要考虑的一个参数,通态电阻过高, 会影响输出功率,添加损耗。所以,要依据运用要求加以约束。图 1-7:正向偏置安全作业区第四节:绝缘栅双极晶体管 IGBT又名绝缘栅双极型晶体管。一.原理:半导体结构剖析略。 本讲义附加了相关材料,

  13、 供感兴趣的搭档能够查阅。 该器材符号如下:N 沟道 P 沟道图 1-8:IGBT的图形符号留意,它的三个电极分别为门极 G、集电极 C、发射极 E。G G CE C E I DV DSV DSM I DMP CMR ON图 1-9:IGBT的等效电路图。上面给出了该器材的等效电路图。实践上,它相当于把 MOS 管和达林顿晶体管做到 了一同。因而一起具有了 MOS 管、GTR 的长处。 二.特色:这种器材的特色是集 MOSFET 与 GTR 的长处于一身。输入阻抗高,速度快,热安稳性 好。通态电压低,耐压高,电流大。它的电流密度比 MOSFET 大,芯片面积只要 MOSFET 的 40%。但速

  15、入导通状况的管压降 V DS ,这个电压随 V GS 上升而下降。 由上图能够看到,IGBT 通态电压在电流比较大时,Von 要小于 MOSFET。 MOSFET 的 Von 为正温度系数,IGBT 小电流为负温度系数,大电流规模内为正温度系数。(4开关损耗:常温下,IGBT 和 MOSFET 的关断损耗差不多。MOSFET 开关损耗与温度联络不大,但 IGBT 每添加 100度,损耗添加 2倍。注册损耗 IGBT 均匀比 MOSFET 略小, 并且二者都对温度比较灵敏,且呈正温度系数。 两种器材的开关损耗和电流相关,电流越大,损耗越高。 (5安全作业区与首要参数 I CM 、U CEM 、P

  16、 CM :IGBT 的安全作业区是由电流 I CM 、电压 U CEM 、功耗 P CM 围住的区域。图 1-13:IGBT的功耗特性最大集射极间电压 UCEM:取决于反向击穿电压的巨细。 最大集电极功耗 P :取决于答应结温。存在一个寄生的晶体管,当 IC 大到必定程度,寄生 晶体管导通,栅极失掉操控效果。此刻,漏电流增大,构成功耗急剧添加,器材损坏。 安全作业区跟着开关速度添加将减小。 (6栅极偏置电压与电阻IGBT 特性首要受栅极偏置操控, 并且受浪涌电压影响。 其 di/dt显着和栅极偏置电 压、电阻 Rg 相关,电压越高,di/dt越大,电阻越大,di/dt越小。并且,栅极电压和短路

  17、损坏时刻联络也很大,栅极偏置电压越高,短路损坏时刻越 短。第二部分:开关电源根底榜首节:开关电源的根本操控原理一.开关电源的操控结构:一般地,开关电源大致由输入电路、改换器、操控电路、输出电路四个主体组成。 假如详尽区别,它包括:输入滤波、输入整流、开关电路、采样、基准电源、比较 扩大、震动器、V/F转化、基极驱动、输出整流、输出滤波电路等。I C U CE安全作业区I CM实践的开关电源还要有维护电路、功率要素校对电路、同步整流驱动电路及其它一 些辅佐电路等。下面是一个典型的开关电源原理框图,把握它对咱们了解开关电源有重要意义。图 2-1:开关电源的根本结构框图依据操控类型不同, PM (脉

  18、冲调制 电路可能有多种办法。 这儿是典型的 PFM 结构。二.开关电源的构成原理:(一输入电路:线性滤波电路、浪涌电流按捺电路、整流电路。效果:把输入电网沟通电源转化为符合要求的开关电源直流输入电源。 1.线性滤波电路:按捺谐波和噪声。 2.浪涌滤波电路:按捺来自电网的浪涌电流。 3.整流电路:把沟通变为直流。有电容输入型、扼流圈输入型两种,开关电源大都为前者。 (二.改换电路:含开关电路、输出阻隔(变压器电路等,是开关电源电源改换的主通道,完结对 带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。这一级的开关功率管是其间心器材。 1.开关电路驱动办法:自激式、他激式。改换电路:阻隔型、非阻隔型、谐振型。

  19、 功率器材:最常用的有 GTR、MOSFET、IGBT。 调制办法:PWM、PFM、混合型三种。PWM 最常用。 2.变压器输出分无抽头、带抽头。半波整流、倍流整流时,无须抽头,全波时有必要有抽头。 (三.操控电路:采样电路比较扩大基准电源V/F转化震动器基极驱动开关器材变压器整流滤波维护电路功率要素校对滤波整流浪涌按捺输入电路改换电路输出电路操控电路PM 电路(类型向驱动电路供给调制后的矩形脉冲,抵达调理输出电压的意图。 基准电路:供给电压基准。 如并联型基准 LM358、 AD589, 串联型基准 AD581、 REF192等。采样电路:采纳输出电压的悉数或部分。比较扩大:把采样信号和基准信

  20、号比较,发生差错信号,用于操控电源 PM 电路。 V/F改换:把差错电压信号转化为频率信号。 振动器:发生高频振动波。基极驱动电路:把调制后的振动信号转化成适宜的操控信号,驱动开关管的基极。 (四.输出电路:整流、滤波。把输出电压整流成脉动直流,并滑润成低纹波直流电压。输出整流技能现在又有半 波、全波、恒功率、倍流、同步等整流办法。 第二节:各类拓补结构电源剖析 一.非阻隔型开关改换器 (一.降压改换器Buck 电路:降压斩波器,入出极性相同。因为稳态时,电感充放电伏秒积持平,因而:(Ui-Uo*ton=Uo*toff, Ui*ton-Uo*ton=Uo*toff,Ui*ton=Uo(ton+

  21、toff,Uo/Ui=ton/(ton+toff=即,输入输出电压联络为:Uo/Ui=(占空比图 2-2:Buck电路拓补结构在开关管 S 通时, 输入电源经过 L 平波和 C 滤波后向负载端供给电流; 当 S 关断后, L 经过二极管续流, 坚持负载电流接连。 输出电压因为占空比效果, 不会超越输入电源电 压。(二.升压改换器Boost 电路:升压斩波器,入出极性相同。运用相同的办法,依据稳态时电感 L 的充放电伏秒积持平的原理,能够推导出电压 联络:Uo/Ui=1/(1-UoSVDLCUi I Uo IS IVD L C I图 2-3:Boost电路拓补结构这个电路的开关管和负载构成并联。

  22、在 S 通时,电流经过 L 平波,电源对 L 充电。当 S 断时,L 向负载及电源放电,输出电压将是输入电压 Ui+UL ,因而有 升压效果。(三.逆向改换器Buck-Boost 电路:升/降压斩波器,入出极性相反,电感传输。 电压联络:Uo/Ui=-/(1-图 2-4:Buck-Boost电路拓补结构S 通时, 输入电源仅对电感充电, 当 S 断时, 再经过电感对负载放电来完结电源传输。 所以,这儿的 L 是用于传输能量的器材。(四.丘克改换器Cuk 电路:升/降压斩波器,入出极性相反,电容传输。 电压联络:Uo/Ui=-/(1-。图 2-5:Cuk改换器电路拓补结构当开关 S 闭合时,Ui

  23、 对 L1充电。当 S 断开时,Ui+EL1经过 VD 对 C1进行充电。 再 当 S 闭合时,VD 关断,C1经过 L2、C2滤波对负载放电,L1持续充电。这儿的 C1用于传递能量,并且输出极性和输入相反。二.阻隔型开关改换器1.推挽型改换器下面是推挽型改换器的电路。S2LN2UiTN2C1T L2RUoVDL1SUiUi IUo IS VD C IL图 2-6:推挽型改换电路S1和 S2轮番导通,将在二次侧发生交变的脉动电流,经过全波整流转化为直流信 号,再经 L、C 滤波,送给负载。因为电感 L 在开关之后,所以当变比为 1时,它实践上相似于降压改换器。2.半桥型改换器图 2-6给出了半

  24、桥型改换器的电路图。当 S1和 S2轮番导通时, 一次侧将经过电源-S1-T-C2-电源及电源-C1-T-S2-电源产 生交变电流, 然后在二次侧发生交变的脉动电流, 经过全波整流转化为直流信号, 再经 L、 C 滤波,送给负载。相同地,这个电路也相当于降压式拓补结构。图 3.全桥型改换器下图是全桥改换器电路。图 2-8:全桥式改换电路当 S1、S3和 S2、S4两两轮番导通时,一次侧将经过电源-S2-T-S4-电源及电源 -S1-T-S3-电源发生交变电流, 然后在二次侧发生交变的脉动电流, 经过全波整流转化为 直流信号,再经 L、C 滤波,送给负载。这个电路也相当于降压式拓补结构。4.正激

  26、边感应出脉动直流信号,经过 VD 对 C12反向充电。 在 S 导通期间,C12的反压将使 VD 关断,并经过 L2、C2滤波后,对负载放电。这儿的 C12显着是用于传递能量的,所以 Cuk 电路是电容传输改换电路。6.电流改换器能量回馈型电流改换器电路如下图所示。图 2-11:能量回馈型电流改换器电路该电路与推挽电路相似。不同的是,在主通路上串联了一个电感。其效果是在 S1、 S2断开期间,使得变压器能量搬运到 N3绕组,经过 VD3回馈到输入端。(上图置疑 N3同名端反了。下面是升压型改换器的电路图:N2C12TL2RUoSN1VD UiL1S2R N1N2N2TL VD1S2S1R N1

  27、N2N2UoTN4VD1VD2VD3图 2-12:升压型电流改换器电路该电路也与推挽电路相似,并在主通路上串联了一个电感。在开关导通期间,L 积 蓄能量。当一侧开关断开时,电感电动势和 Ui 叠加在一同,对另一侧放电。因而,L 有 升压效果。三.准谐振型改换器在脉冲调制电路中,参加 R、L 谐振电路,使得流过开关的电流及管子两头的压降 为准正弦波。这种开关电源成为谐振式开关电源。运用必定的操控技能,能够完结开关管在电流或电压波形过零时切换,这样对缩小 电源体积,增大电源操控才能,进步开关速度,改善纹波都有极大优点。所以谐振开关 电源是当时开关电源开展的干流技能。又分为:1.ZCS零电流开关。开

  28、关管在零电流时关断。2.ZVS零电压开关。开关管在零电压时关断。详细关于这个技能的简略介绍,见后边相关内容。四.开关电源的分类总结开关电源的分类(一.按操控办法:脉冲调制改换器:驱动波形为方波。PWM、PFM、混合式。谐振式改换器:驱动波形为正弦波。又分 ZCS(零电流谐振开关、ZVS(零电压谐 振开关两种。(二.按电压转化办法:1.AC/DC:一次电源。即整流电源。2.DC/DC:二次电源。1Buck 电路:降压斩波器,入出极性相同。2Boost:升压斩波器,入出极性相同。3Buck-Boost:升/降压斩波器,入出极性相反,电感传输。4Cuk:升/降压斩波器,入出极性相反,电容传输。(三.

  29、按拓补结构:1.阻隔型:有变压器。2.非阻隔型:无变压器。第三节:谐振式电源与软开关技能本节评论谐振式开关电源的有关常识。2-3-1. 电路的谐振现象为了更好地了解谐振式电源,这儿回想一下电路谐振的条件及其特色。一、串联电路的谐振一个 R、L、C 串联电路,在正弦电压效果下,其复阻抗:Z=R+j(L-1/C必定条件下,使得 XL=XC,即L=1/C显着地,串联谐振的特色是:1.阻抗角等于零,电路呈纯电阻性,因而电路端电压 U 和电流 I 同相。2.此刻的阻抗最小,电路电流有用值抵达最大。3.谐振频率:o=1/LC4.谐振系数或质量要素:因为串联谐振时,L、C 部 分相似于短路。而此

  30、时 Uc、UL 是输入电压 U 的 Q 倍。Q 值越大,振动越强。 这儿的 5.谐振发生时,C、L 中的能量不断相互转化,二者之间重复进行充放电进程,形 成正弦波振动。 二、并联电路的谐振一个 R、L、C 并联电路,在正弦电压效果下,其复导纳:Y=1/R-j(1/L-C必定条件下,使得 Y L =YC ,即 1/L=C显着地,串并谐振的特色是:1.导纳角等于零,电路呈纯电阻性,因而电路端电压 U 和电流 I 同相。 2.此刻的导纳最小,电路电流有用值抵达最小。 3.谐振频率:o=1/LC 4.因为并联谐振时,L、C 电流相互抵消,因而也称为电流谐振。从外部看,L、C 部分相似于开路,L、C 各

  31、自有用电流却抵达最大。5.谐振发生时,C、L 中的能量不断相互转化,二者之间重复进行充放电进程,形 成正弦波振动。2-3-2. 谐振式电源的根本原理谐振式电源是新式开关电源的开展方向。它运用谐振电路发生正弦波,在正弦波过 零时切换开关管,然后大大进步了开关管的操控才能,并减小了电源体积。一起,也使 得电源谐波成分大为下降。别的,电源频率得到大幅度进步。PWM 一般只能抵达几百 K, 但谐振开关电源能够抵达 1M 以上。一般传统的开关电源功率要素在 0.4-0.7, 谐振式电源结合功率要素校对技能, 功率 要素能够抵达 0.95以上,乃至挨近于 1。然后大大按捺了对电网的污染。这种开

  32、关电源又分为:在脉冲调制电路中,参加 L、C 谐振电路,使得流过开关的电流及管子两头的压降为 准正弦波。下面是这两种开关的简略原理图。Ic UiS LrCrVDIcUiS LrVDS IsS Us图 2-13:电流谐振式开关电路 电压谐振式开关电路ZCS 电流谐振开关中,Lr、Cr 构成的谐振电路经过 Lr 的谐振电流经过 S,咱们能够 操控开关在电流过零时进行切换。这个谐振电路的电流是正弦波,而 Us 为矩形波电压。ZVS 电压谐振开关中,Lr、Cr 构成的谐振电路的 Cr 端谐振电压并联到 S,咱们能够 操控开关在电压过零时进行切换。这个谐振电路的电压是正弦波,而 Is 挨近矩形波。以上两

  33、种电路,因为开关切换时,电流、电压堆叠区很小,所以切换功率也很小。 谐振开关的区别。2-3-3. 谐振开关的动态进程剖析实践上,谐振开关中的所谓“谐振”并不是真实理论上的谐振,而是 L、C 电路在送 电瞬间发生的一个阻尼振动进程。下面,咱们对这个进程做一些剖析,以了解谐振开关 的作业原理。 一、零电流开关实践的零电流开关谐振部分拓补又分 L 型和 M 型。如下面两组图形所示:图 2-14:L图 2-15:M型零电流谐振开关(中半波,右全波这儿的 L1用于约束 di/dt,C1用于传输能量,在开关导通时,构成串联谐振。用零电流开关代替 PWM 电路的半导体开关, 能够组成谐振式改换器

  37、周期,i 1=I0时,达最大值。i 1榜首次过零(ta 时,S 断开。如为 半波开关,则谐振阶段完毕。如为全波开关,C1经半个周期的阻尼振动到电流为 0(tb 时,将放电到一个较小值。从式 2、3,能够看出谐振阶段 t a 前,i 1、V C1是时刻的正弦函数;如为全波开关, 还 有一段时刻的阻尼振动波。因为 VC1滞后 1/4个谐振周期,因而在 t2后,因 L2的效果还将持续向负载放电, 直至 V C1=0。这阶段,如考虑电流方向性:I 0=-C1dV C1/dt故:VC1=V C1(t2 -I 0(t-t2/C1-式 4因而,这个阶段的 V C1是时刻的线性函数,电压从 V C1(t2 逐

  38、步下降到零。如为半波开 关,则开关分压也将线:当电容放电到零后,VD2因反压消失而导通,对 L2及负载进行续流,以坚持电流 I 0接连。此刻,咱们能够依据电路的要求, 挑选在恰当时刻再次注册 S, 从头开端线性阶段。 依据以上导出的各公式,能够得到如下的波形图:图 2-18:半波 ZCS 开关波形 全波 ZCS 开关波形从以上剖析能够看出,ZCS 谐振开关改换器的开关管总是在电流为 0时进行切换。 实践情况与抱负剖析有所不同,V C1将有所超前。 M 型电路剖析办法相似,不再赘述。 二、零电压开关ZCS 在 S 导通时谐振,而 ZVS 则在 S 截止

  39、时谐振,二者构成对偶联络。剖析进程大 体相似,此处从略。归纳以上剖析进程,咱们能够看出,该拓补谐振结构只能完结 PFM 调理,而无法实 现 PWM。原因是脉冲宽度仅受谐振参数操控。要完结 PWM,还需求添加辅佐开关管。这在 本节“四、软开关技能及常见拓补简介”中将予以介绍。 2-3-4. 软开关技能及常见软开关拓补简介软开关技能实践上是运用电容与电感的谐振,使开关器材中的电流或电压按正弦或 准正弦规则改变。当电流过零时,使器材关断,当电压过零时,使器材注册,完结开关 的近似零损耗。一起,有助于进步频率,进步开关的容量,减小噪声。tttttt ttS i L V SV C1ON S

  40、i LV SV C1t 0t 1t 3t 4t 0t 1t 3t 4t 22I 0相对于软开关,一般开关电源的转化器也叫硬开关。按操控办法,软开关能够分为:脉冲宽度脉冲频率调制式(PFM、脉冲频率调制 式(PWM、脉冲移相式(PS三种。一、PWM 改换器PWM 操控办法是指在开关管作业频率安稳的前期下,经过调理脉冲宽度的办法来实 现安稳输出。这是运用最多的办法,适用于中小功率的开关电源。1.零电流开关 PWM 改换器图 2-19:Buck型 ZCS-PWM 改换器上图是添加辅佐开关操控的 Buck 型零电流开关改换器。其作业进程与前面进程略 有差异:1线导通:开端时,在 L

  41、R 效果下,S1零电流导通。随后,因 Uin 效果,I LR 线性上升,并抵达 I LR =Io。导通-关断:当 I LR =Io时,因 C R 开端发生电压,VD 在 零电流下天然关断。之后,L R 与 C R 开端谐振,经过半个谐振周期,I LR 再次谐振到 Io,U CR 上升到最大值,而 I CR 为零,S2关断,U CR 和 I LR 将被坚持,无法持续谐振。导通、S2关断:此状况坚持时刻由 PWM 电路要求而定,坚持期 间,Uin 正常向负载以 I 0供电。4反向谐振阶段(S1导通-关断、S2导通:当需求关断 S1时,能够操控从头打 开 S2,此刻在 L R 效果下,S2电流为 0

  42、。谐振再次开端,当 I LR 反向谐振到 0时, S1可在 零电流零电压下完结关断。5康复阶段(S1关断、S2导通:尔后,U CR 在 Io 效果下,衰减到 0。关断、S2导通-关断:UCR衰减到 0后,VD 天然导通开端续流。 因为 VD 的短路效果,S2可在尔后至下一周期到来前以零压零电流办法完结关断。可见,S1在前四个阶段(线性、谐振、坚持均导通,康复及续流时关断。S2的 效果首要是间隔谐振发生坚持阶段。S1、S2的有用操控发生了 PWM 的效果,并运用谐振 完结了自身的软开关。该电路的开关管及二极管均在零电压或零电流条件下通断,主开关电压应力低,但 电流应力大(谐振效果。续流二极管电压

  43、应力大,并且谐振电感在主通路上,因而负 载、输入等将影响 ZCS 作业状况。2.零电压开关 PWM 改换器UinC RVD1VDSL RL L C R 0S 1S 2I LRI 0L LL RI 0VD 2VD 3图 2-20:Boost型 ZVS-PWM 改换器上面是 Boost 型零电压谐振改换器。在每次 S1导通前,首要辅佐开关管 S2导通, 使谐振电路起振。S1两头电压谐振为 0后,注册 S1。S1导通后,敏捷关断 S2,使谐振 中止。此刻,电路以惯例 PWM 办法运转。相同,咱们能够运用谐振再次关断 S1,C R 使得 主开关管能够完结零关断。S1、S2的合作操控,完结软开关下的 P

  44、WM 调理。该电路完结了主开关管的零压导通,且坚持恒频率运转。在较宽的输入电压和负载 电流规模内,能够满意 ZVS 条件二极管零电流关断。期缺陷是辅佐开关管不在软件开关 条件下运转,但和主开关管比较,它只处理少数的谐振能量。3.有源钳位的零电压开关 PWM 改换器下图为有源钳位的 ZVS 开关 PWM 改换器,这是个阻隔型降压改换器。其间,L R 为变 压器的漏电感,L M 是变压器的激磁电感。C R 为 S1、S2的结电容。这个电路奇妙地运用电 路的寄生 L R 、C R 发生谐振而抵达 ZVS 条件。一起,CR 有电压钳位效果,避免 S1在关断时 过压。这儿的辅佐开关 S2相同是经过操控谐

  45、振时刻,来合作 S1进行软开关。该电路详细 作业进程从略。图 2-21:有源钳位 ZVS-PWM 正激改换器(这个开关的讲堂解说略。 二、PFM 改换器PFM 是指经过调理脉冲频率(开关管的作业频率来完结稳压输出的。它操控电路 相对简略,但因为它作业频率不安稳,因而一般用于负载及输入电压相对安稳的场合。1.Buck 零电流开关改换器图 R 0UosC RVD SL L 1C S 1L MC CR 0S 2SL R S 1C R该电路便是前面动态进程剖析讲的典型 ZCS 降压型拓补结构。 咱们可运用谐振电流 过零来完结 S1通断, 脉宽事实上受谐振电路参数操控, 但咱们能够操控 S1注册时刻 (

  46、即 频率来完结 PFM。2.Buck 零电压开关改换器图 2-23:Buck型 ZVS 准谐振改换器这个电路是一个 Buck 型电路结构它运用。它直接运用输出电感作为谐振电感,和 C R 发生谐振。 进程是:导通:S导通时,输入电压 Uin 将对 C R 充电,并供给输出恒流 I 0。开端时, 因为续流进程没有完毕,VD 将坚持一段时刻向 L R 供给电流。2谐振阶段 1(S导通-关断:跟着 C R 电压的上升,VD 逐渐接受反压关断。L R 、C R 开端谐振, 输入电源既要供给负载安稳电流,又要供给谐振电流。因为电源钳位效果,VD 无法康复续流。谐振 中,能够挑选某一时刻关断 S,关断时两

  47、端电压为 0。关断:尔后,L R 、C R 、C S 一起谐振。当 C R 电压谐振到过零时,VD 从头导通 续流。关断-导通:续流期间,L R 、C S 持续谐振。当 CS 电压过零时,能够从头开 通三、PS 软开关改换器 脉冲移相软开关改换器用于桥式改换器。 桥式改换器有必要是在对角开关管一起导通时, 才输出功 率。咱们能够经过调整对角开关管的重合视点,来抵达调理电压的意图。在中、大功率电源中,常常 运用这种改换器。1.移相全桥零电压零电流改换器下图是移相式 PS-FB-ZVZCS-PWM (移相-全桥-零电压零电流-脉宽调制 改换器电路拓补结构图。 C 1C 、C 2C 是开关管结电容或并

  48、联电容,L R 为变压器的漏电感,L S 为串联的饱满电感,C b 为阻断电 容。VD 1-VD 4用做续流二极管。原理简述:这是一个全波桥软开关改换器,咱们能够让 S 3、S 4在移相时滞后,则咱们把 S 1、S 2称为超前桥臂,S 3、S 4称为滞后桥臂。S 1、S 2能够在 L R 、L S 、C 1C 、C 2C 、副边耦合电感等的谐振效果下, 完结零电压开关。在电流过零时,因为阻断电容、饱满电感效果,使得零电流有必定坚持时刻,在此 期间,S 3、S 4完结零开关。假如把 L S 、C b 去掉,在 S 3、S 4两头并联两个谐振电容,就构成了移相全桥零电压改换器。UinC RVDS

  49、L RC R 0SSI 0UosS S S 3S 4C C 2CVD VD 3VD 4L R图 2-24:移相全桥零电压零电流改换器2.不对称移相全桥零电压零电流改换器下图中,超前臂外接了旁路电容和反并二极管,而滞后臂则没有。所以称为不对称 移相全桥改换器。这个电路相同是经过谐振在零压时开关 S1、S3,而在零电流开关 S2、 S4。这个电路和对称全桥的差异是,对称全桥因为滞后桥臂有续流二极管和电容,因而 在电流过零后,将构成反向流通渠道,因而要有比较大的电感来坚持电流过零的时刻, 以完结对滞后桥臂的开关。而不对称全桥则因为滞后桥臂没有了通路,因而过零后能保 持在零电流,以便完结滞后臂的开关。

  50、一起,因为对称全桥电路原边串联了比较大的电感,因而电源功率会有必定丢失。 而不对称电路能够不串较大电感,所以损耗下降,电源功率得以进步。下面是该电路的作业进程关键剖析如下:图 2-25:不对称移相全桥零电压零电流改换器1 先看对角导通,如 S1、S4注册时,原边能量正常向副边传输,C2、Cc 充电。2 当 S1关断时,C1充电,C2放电,原边电流方向不变。因为 C1上升是渐进的,所以 S1归于零压关断。3 当 C2放电过零, VD2开端反导游通时, 能够操控 S3导通,因而 S3为零压导 4 S3导通上升沿触发一单稳态脉冲,操控辅管 Sc 导通。此刻,Cc 电压被瞬间接到变压器副边。然后在原边

  51、发生一会儿高压,此较高电压将加速原边电流敏捷复位归零。5 当电流回零后,辅管关断。此刻副边又被胁迫在近似短路的低电压,原边电压也敏捷下降。使得 C3电压反向加到 S4上,促进 6 此刻,在 Lk 效果下,一起能够零电流注册 S2。电流换向成功,进入下半个周期。Vi R 0S S 3S 2S 4C C 2VD L KL C 0C S CC C7 副边在原边换向的一起,也完结换向,且因为 Cc 的存在,按捺了整流管的 反向尖峰电压。第四节:其它软开关技能运用及开展概略其实,为了进步对输入电压、负载改变的适应才能,下降开关管电压、电流应力, 削减开关损耗等意图,其它改善型的软开关类型还有许多,也有许

  52、多问题需求评论,远 远不是这些篇幅所能评论的。这儿只简略阅读相关典型软开关电路,感兴趣者可查阅相 关专业材料。一. 半桥不对称 PWM 改换器与全桥改换器不同, 在适宜的操控计划下,半桥电路也能够组成不对称 ZVS 改换器, 但无法构成 ZVZCS 电路。它能够完结开关管的零压切换,且在宽负载和输入电压规模实 现恒频 PWM 调理。二. 有源与无源软开关一般的软开关,分为有源和无源两种。传统的软开关要附加有源器材(如开关及 操控电路,近几年逐渐开端开发无源软开关,然后促进了电路的简化和开关电源的本钱 下降。这项技能的关键是用简略的电路结构来完结 dv/dt、 di/dt的下降,然后有用地完结

  53、ZVS、ZCS 操控,以消除电路中的有源部分。三. DC/DC改换器DC/DC改换器实践上便是前面讲到的各类改换器。 仅仅去掉开关电源的输入电路及部 分输出整流器材,构成简略的 DC/DC转化模块。这类器材现在取得了较大规模的运用, 使得用户能够简略地构件自己的电源体系。这种器材的研制,成为开关电源的一个重要分支。四. 软开关逆变器借用软开关的概念, 在全桥电路上恰当改善,能够构成软开关全桥有源逆变器电路。 所以,软开关技能的运用不只仅限于开关电源自身,其它相似功率改换电路也能够借用 这个技能,而完结功率器材的软开关,然后下降损耗,进步功率。典型的如变频器、电 机维护器。五. 三电平电路在大功

  54、率高电压改换电路中,管子的电压应力有必要尽量下降。因而,研制了所谓三 电平电路。经过添加“改换电感”和电容器材,抵达下降电压应力的意图。这个计划可 以使开关管电压应力下降到输入直流电压的一半。六. 其它电路及开展方向改换器电路实践还有许多问题需求评论,咱们在有限的时刻内不可能彻底触及。 改换器现在的开展大体有如下两个首要趋势:1、2、 朝低压开展,以满意低损耗体系的需求。现在在 1VDC 电源方向展开了一系 列研讨。第三部分:不贰越开关电源榜首节:不贰越开关电源集成操控芯片现在, 集成开关电源操控芯片技能现已非常老练,为开关电源的制作带来极大便当, 并促进了本钱的下降。这类芯片含有:MOS智能开

  55、关、电源办理电路、半桥或全桥逆变器、PWM 专用 SPIC、 线性集成稳压器、开关集成稳压器等。不贰越电源运用的电源操控芯片是:M51995AFP。下面咱们介绍这种芯片。3-1-1.芯片管脚摆放及阐明这 个 芯 片 是 M51995A P 的 扩 展 。M51995AP 的管脚摆放见图 19,各引脚界说如下:图 3-1:M51995AP管脚摆放图COLLECTOR:图腾柱输出集电极Vout:图腾柱输出EMITTER:图腾柱输出发射极VF:VF操控端ON/OFF:作业使能端OVP:过压维护端DET:检测端F/B:电压反响端T-ON:计时电阻 ON 端CF:计时电容端T-OFF:计时电

  56、阻 OFF 端CT:断续办法作业检测电容端GND:芯片地CLM-:负压过流检测端CLM+:正压过流检测端图 3-2:M51995APF管脚摆放图能够看出,除了 5、6、15、16四个脚供给两对热沉操控端以外,其他都是相同的。 3-1-2.芯片根本特性: 一、芯片特性:M51995A 是 MITSUBISHI 公司推出的专门为 AC/DC改换而规划的离线式开关电源初级 PWM 操控芯片。 该芯片内置大容量图腾柱电路, 能够直接驱动 MOSFET。 M51995A 不只具有 高频振动和快速输出才能,并且具有快速呼应的电流约束功用。它的另一大特色是过流 时选用断续办法作业,具有过流及短路

  57、维护功用。芯片的首要特征如下:500kHz 作业频率;输出电流达 2A,输出上升时刻 60s,下降时刻 40s;起动电流小,典型值为 90A;起动和封闭电压间压差大:起动电压为 16V,封闭电压为 10V;改善图腾柱输出办法,穿透电流小;过流维护选用断续办法作业;用逐脉冲办法快速约束电流;具有欠压、过压锁存电路。二、引荐运用条件:电源:12-36V。作业频率:小于 500KHz。振动频率设置电阻:Ron:10-75K,Roff:2-30K。三、特性图及简介:这儿,有挑选地介绍该器材的首要特性。 图 3-3:功率/温度曲线:Icc/Vcc曲线.功率/温度特性:它由功率上限、

  58、温度上限、及负温度特性的斜线度以下,首要 受最大功耗约束,高温区(85度以上受最高答应温度约束。25-85度区域,呈负温度 特性。芯片运用应操控在这个规模内。2.Icc/Vcc特性:Icc、Vcc 指电源电流、电压的联络。该特性具有滞回特性,即敞开电压比封闭电压 高。前者为 16V,后者为 10V。并且,频率越高,芯片电流相对越大。 图 3-5:振动频率/温度曲线:占空比/温度曲线.振动频率/温度特性 该芯片内置了一个振动元件需求外接的振动电路, 该电路频率将随温度改变而呈 现负温度特性。4.占空比/温度特性占空比随温度改变不大,略成负温度特性。 实践上,温度会影

  59、响许多器材的特性,对精细电路,这种影响是有必要考虑的。 图 3-7:输出高电平/拉电流曲线:输出低电平/灌电流曲线.输出高电平/拉电流特性这是芯片作业在灌电流/低电平状况的特性。该器材额外电流为 2A。6.输出低电平/灌电流特性这是芯片作业在拉电流/高电平状况的特性。图 3-9:占空比/F/B输入电流曲线.占空比/F/B输入电流特性这个特性反响了电源反响电流和占空比的联络。在小电流区,占空比根本不受反响 电流的影响,但在 0.5mA 以上,二者呈线性联络。反响信号越强,占空比越低。运用这 个特性,能够有用地完结反响调理进程。3-1-3.芯片作业原理剖析一.芯片原理图:M

  60、51995A 的原理框图如图 3-10所示。它首要由振动器、反响电压检测改换、PWM 比 较、PWM 锁存、过压锁存、欠压锁存、断续作业电路、断续办法和振动操控电路、驱动输 出及内部基准电压等部分组成。图 3-10: M51995A 的原理 框图二、芯片运用原 理剖析:(一振动器 1.振动器原理:振动电路的 等效电路如图 22所示。CF 电压由 于恒流源的充放 电而呈三角波。 图 3-11:振动器等效电路Ron:充电电阻,Roff:放电电阻,Cf:计时电容如图 3-11,当开关 S1闭合时,将对 CF 进行充电。充电电流由 Ron 操控,调整进程 是:当 Ron 电阻增大时输入级基极电流减小造

  61、成 V1基极电流减小然后减小 V1集电极电流(充电电流;反之,Ron 减小时,CF 充电电流增大。当开关 S1断开, S2接通电容 CF 时, CF 经 V2放电。 放电电流取决于 V2的导通深度, 而 V2的导通深度决议于其基极电位,基极电位又受对管的集电极操控。进程是:当放电 电阻 Roff 增大时比较晶体管集电极电流减小,电位上升使得 V3基极电流减小 V3集电极电流也随之减小, V3两头压降增大此刻, V2对管集电极电位下降 V2基极电位下降V2集电极电流,即放电电流减小。反之,Roff 减小时,CF 放电电 流将添加。图中,V2、V3对管的集电极连接到基极,实践上变成了二极管。V4则是 V2的对管 的有源负载,并和 V3一起供给 V2基极偏置电流。振动器开关的 S1、S2由内部充放电操控信号来操控。2.振动器相关核算与剖析:在断续办法和振动器操控电路不作业时,有关数据核算联络为:占空时刻死区时刻实践振动周期为二者之和。其间,V T-ON 4.5V,VT-OFF3.5V,VOSCH4.4V,VOSCL2.0V。芯片输出脉宽为三角波的上升时 间,而输出关断时刻(死区时刻则 为三角波的下降时刻。图 3-12:振动器波形图当发生过流时,断续办法和振动操控电路开端作业,此刻 T-off 端电

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