開關(guān)電源講解與習(xí)題

1、課題四 開關(guān)電源開關(guān)電源是一種高效率、高可靠性、小型化、輕型化的穩(wěn)壓電源，是電子設(shè)備的主流電源。廣泛應(yīng)用于生活、生產(chǎn)、軍事等各個領(lǐng)域。各種計算機設(shè)備、彩色電視機等家用電器等都大量采用了開關(guān)電源。本課題介紹了開關(guān)電源的相關(guān)知識：開關(guān)器件（電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管）、DC/DC變換電路、開關(guān)狀態(tài)控制電路以及軟開關(guān)技術(shù)。一、本課題學(xué)習(xí)目標(biāo)與要求1掌握開關(guān)電源主要器件（大功率晶體管GTR、功率場效應(yīng)晶體管MOSFET）的工作原理和特性。2掌握DC/DC變換電路的基本概念和工作原理。3了解PWM控制電路的基本組成和工作原理。4熟悉PWM控制器集成芯片。5了解軟開關(guān)的基本概念。二、主要概念提示及難點釋

2、疑1電力晶體管在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)。晶體管通常連接稱共發(fā)射極電路，NPN型GTR通常工作在正偏（Ib>0）時大電流導(dǎo)通；反偏（Ib<0）時處于截止高電壓狀態(tài)。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)動信號，它將工作于導(dǎo)通和截止的開關(guān)工作狀態(tài)。2電力場效應(yīng)晶體管當(dāng)D、S加正電壓（漏極為正，源極為負），UGS=0時， D、S之間無電流通過；如果在G、S之間加一正電壓UGS，當(dāng)UGS大于某一電壓UT時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。電壓UT稱開啟電壓或閥值

3、電壓，UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強，漏極電流越大。3DC/DC變換電路DC/DC變換電路是將一種直流電源變換為另一種直流電源的電力電子裝置。常見的DC/DC變換電路有非隔離型電路、隔離型電路和軟開關(guān)電路。（1）降壓斬波電路降壓斬波電路是一種輸出電壓的平均值低于輸入直流電壓的電路。輸出電壓平均值為式中k為斬波器的占空比（2）升壓斬波電路升壓斬波電路的輸出電壓總是高于輸入電壓。輸出電壓平均值為 （3）升降壓斬波電路升降壓斬波電路可以得到高于或低于輸入電壓的輸出電壓。輸出電壓為：上式中，若改變占空比k，則輸出電壓既可高于電源電壓，也可能低于電源電壓。由此可知，當(dāng)0<k<1/2時，斬波

4、器輸出電壓低于直流電源輸入，此時為降壓斬波器；當(dāng)1/2<k<1時，斬波器輸出電壓高于直流電源輸入，此時為升壓斬波器。（4）正激電路在輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下如果輸出電感電路電流不連續(xù)，輸出電壓將高于上式的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，。（5）反激電路當(dāng)工作于電流連續(xù)模式時，反激電路不應(yīng)工作于負載開路狀態(tài)。（6）半橋電路當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時，有如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式中的計算值，并隨負載減小而升高，在負載電流為零的極限情況下，。（7）全橋電路當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時，有如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式中的計算值，并隨負載減

5、小而升高，在負載電流為零的極限情況下，。（8）推挽電路當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時，有如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式中的計算值，并隨負載減小而升高，在負載電流為零的極限情況下，。4開關(guān)狀態(tài)控制電路開關(guān)狀態(tài)的控制方式主要有占空比控制和幅度控制兩大類。占空比控制又包括脈沖寬度控制和脈沖頻率控制兩大類。目前，集成開關(guān)電源大多采用PWM控制方式。5軟開關(guān)技術(shù)在原有硬開關(guān)電路的基礎(chǔ)上增加一個很小的電感、電容等諧振元件，構(gòu)成輔助網(wǎng)絡(luò)，在開關(guān)過程前后引入諧振過程，使開關(guān)開通前電壓先降為零，這樣就可以消除開程中電壓、電流重疊的現(xiàn)象，降低、甚至消除開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，這種電路稱為軟開關(guān)電路。具有這樣開

6、關(guān)過程的開關(guān)稱為軟開關(guān)。三、學(xué)習(xí)方法1對比法。電力晶體管和電力場效應(yīng)晶體管的學(xué)習(xí)要對照模擬電子技術(shù)中所學(xué)的晶體管和場效應(yīng)管，其結(jié)構(gòu)、工作原理、特性以及參數(shù)都類似。2討論分析法：讀者要學(xué)習(xí)與他人討論分析問題，并了解其他讀者的學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)收獲，提高學(xué)習(xí)效率。四、典型題解析例4-1 降壓式斬波電路，輸入電壓為27V±10%，輸出電壓為15V，求占空比變化范圍；解：降壓斬波電路輸出電壓，則，則，則       例4-2  升壓式斬波電路，輸入電壓為27V±10%，輸出電壓為45V，輸出功率為750W，效率為95

7、%，若等效電阻為R=0.05。（1）       求最大占空比；（2）       如果要求輸出60V，是否可能？為什么？解：輸入電流的平均值為設(shè)Ii為理想的常值，則（1）當(dāng)取最小值時，k為最大值（2）如果要求輸出電壓60V，此時占空比為理論上說明此電路是可以輸出60V電壓的。       例4-3  有一降壓斬波電路，U=120V，負載電阻R=6，開關(guān)周期性通斷，通30s，斷20s，忽略開關(guān)導(dǎo)通壓降，電感

8、L足夠大。試求：（1）       負載電流及負載上的功率。（2）       若要求負載電流在4A時仍能維持，則電感L最小應(yīng)取多大？解：依據(jù)題意，開關(guān)通斷周期T=50s占空比（1）       負載電壓的平均值負載電流的平均值負載功率的平均值（2）設(shè)占空比不變，當(dāng)負載電流為4A時，處于臨界連續(xù)狀態(tài)，則電感量L為五、自我檢測題1.填空題1）請在正確的空格內(nèi)標(biāo)出下面元件的簡稱：電力晶體管 ；功率場效應(yīng)晶體管 ；2）為了

9、減小變流電路的開、關(guān)損耗，通常讓元件工作在軟開關(guān)狀態(tài)，軟開關(guān)電路種類很多，但歸納起來可分為 與 兩大類。3）電力場效應(yīng)晶體管的圖形符號是 ；電力晶體管的圖形符號是 ；4）直流斬波電路在改變負載的直流電壓時，常用的控制有 、 、   三種。5）直流斬波電路按照輸入電壓與輸出電壓的高低變化來分類有 斬波電路；  斬波電路； 斬波電路。6）功率開關(guān)管的損耗包括兩方面，一方面是 ；另一方面是 。7）大功率晶體管產(chǎn)生二次擊穿的條件有 、 和 。8）開關(guān)型DC/DC變換電路的3個基本元件是 、 和 。2判斷題1）電力晶體管屬電流驅(qū)動型開關(guān)管，而電力場效應(yīng)晶體管則屬電壓驅(qū)動型開關(guān)管。（

10、）2）在GTR的驅(qū)動電路設(shè)計中，為了使GTR快速導(dǎo)通，應(yīng)盡可能使基極驅(qū)動電流大些。 （ ）3選擇題1）下列元器件中， 屬于不控型， 屬于全控型， 屬于半控型。A、普通晶閘管 B、整流二極管 C、電力晶體管 D、電力場效應(yīng)晶體管E、雙向晶閘管 F、可關(guān)斷晶閘管 G、絕緣柵雙極型晶體管2）下列器件中， 最適合用在小功率、高開關(guān)頻率的變換電路中。A、GTR B、IGBT C、MOSFET D、GTO3）下列器件中，屬于電流控制型器件的是 ，屬于電壓控制型器件的是 。A、普通晶閘管 B、電力場效應(yīng)晶體管 C、電力晶體管 D、絕緣柵雙極型晶體管4分析題根據(jù)下圖簡述升壓斬波電路的基本工作原理。（圖中設(shè)：電

11、感L、與電容C足夠大） 5計算題在圖示升壓斬波電路中，已知E=50V，負載電阻R=20，L值和C值極大，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)T=40µs，ton=25µs時，計算輸出電壓平均值U0，輸出電流平均值I0。六、自我檢測題答案1.填空題1）GTR MOSFET2）零電壓電路，零電流電路3）4）等頻調(diào)寬控制；等寬調(diào)頻控制；脈寬與頻率同時控制 5）降壓；升壓；升降壓6）導(dǎo)通損耗、開關(guān)過程中損耗7）大電流、高電壓、持續(xù)時間長8）功率開關(guān)管、電感、電容2判斷題1） 2）×3選擇題1）B、CDFG、AE 2）C 3）AC、BD4分析題1）當(dāng)V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，設(shè)充電電流為I1，L值很大，I1基本恒定，同時電容C向負載供電，C很大，使電容器電壓U0基本不變，設(shè)V處于