李山山-開(kāi)關(guān)電源1

PAGE47第一章開(kāi)關(guān)電源概論第一節(jié)開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)介20世紀(jì)70年代中期以來(lái)，無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)電源技術(shù)風(fēng)靡于歐、美、日等世界各國(guó)。最初的開(kāi)關(guān)電源功率變換器的開(kāi)關(guān)頻率為20Hz。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)型電力電子器件（諸如GTR、GTO、功率MOSFET以及IGBT等等）組成的電力變換電路，推出了一系列的開(kāi)關(guān)電源變換形式，從脈寬調(diào)制技術(shù)到諧振技術(shù)，近幾年來(lái)又出現(xiàn)了相移脈寬調(diào)制零電壓諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)，這種PWM控制技術(shù)加上零電壓、零電流轉(zhuǎn)換的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是當(dāng)今電源技術(shù)發(fā)展的新潮流。主要應(yīng)用中，高工作頻率的功率器件功率MOSFET和IGBT等，使電源的工作頻率可達(dá)到100－500kHz，乃至MHz量級(jí)，同時(shí)也提高了開(kāi)關(guān)電源的效率、降低了電磁干擾（EMI）。開(kāi)關(guān)電源是調(diào)整元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的一類(lèi)電源。由于它們具有體積小、重量輕和效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展非常迅速，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。按照輸出是否與由調(diào)整元件（開(kāi)關(guān)元件）等構(gòu)成的其他部分隔離，這種電源可分為非隔離型和隔離型兩種類(lèi)型；按照開(kāi)關(guān)元件的激勵(lì)方式，可分為自激式和他激式類(lèi)型；按照調(diào)整輸出電壓的方式，可分為脈寬－調(diào)制（PWM）式、頻率調(diào)制式和脈寬－頻率混合調(diào)制式三種類(lèi)型；按照電源的輸入，可分為AC/DC和DC/DC兩種類(lèi)型；按照開(kāi)關(guān)元件的連接開(kāi)工，可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種類(lèi)型。開(kāi)關(guān)電源還可按其他方式分類(lèi)，這兒不再一一列舉。第二節(jié)開(kāi)關(guān)電源原理圖1-1是說(shuō)明開(kāi)關(guān)電源的框圖和波形圖。圖1-1（a）由開(kāi)關(guān)元件、控制電路和濾波電路三部分組成。開(kāi)關(guān)串聯(lián)在電源的輸入和負(fù)載之間，構(gòu)成串聯(lián)型的電源電路。實(shí)際的開(kāi)關(guān)元件常常是功率開(kāi)關(guān)晶體管或功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管。它在控制電路的控制之下，或者飽和導(dǎo)通，或者截止。開(kāi)關(guān)接通時(shí)，UD＝Uin，輸入電壓Uin通過(guò)濾波器加在負(fù)載電阻上。開(kāi)關(guān)截止時(shí)，UD等于零。開(kāi)關(guān)交替通斷，則在濾波器的輸入端產(chǎn)生矩形脈沖波。此矩形脈沖再經(jīng)濾波電路濾波，即可在負(fù)載兩端產(chǎn)生平滑的直流電壓UO。很明顯，直流電壓UO的大小與一個(gè)周期中開(kāi)關(guān)管接通的時(shí)間ton成正比。ton越長(zhǎng)，UO越大。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)管截止時(shí)，從扼流圈流過(guò)的電流不能立刻降到零，故增設(shè)了一只續(xù)流二極管，為此電流提供一條返回通路。圖1-1 （a）開(kāi)關(guān)電源框圖(b)開(kāi)關(guān)電源波形圖開(kāi)關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，整個(gè)電路可分為主電路和控制電路兩部分，主電路由交流輸入EMI防電磁干擾電源濾波器、二極管整流與電容濾波、DC/DC功率變換器三個(gè)環(huán)節(jié)組成，控制電路的作用是保證主電路正常工作，同時(shí)也起到對(duì)主電路的保護(hù)作用。圖1-2DC/DC變換器是開(kāi)關(guān)電源中最主要的電子功率變換環(huán)節(jié)，它有兩種基本類(lèi)型即脈寬調(diào)制型和諧振型。脈寬調(diào)制型用控制脈沖占空比，間斷工作來(lái)產(chǎn)生所需的脈沖電壓和電流。諧振型有零電流諧振式和零電壓諧振式。它們以正弦形式處理開(kāi)關(guān)管，使開(kāi)關(guān)管在零電流下?lián)Q流或在零電壓下?lián)Q向，降低了開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換損耗，提高了電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第三節(jié)開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)在功率電子技術(shù)的應(yīng)用及基本電源系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。傳統(tǒng)的相控型電源非常龐大而笨重，例如逆變焊機(jī)、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源。如果采用高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，其體積和重量都會(huì)大幅度下降，而且可較大地提高電能利用率、節(jié)省材料、降低成本。在電動(dòng)汽車(chē)和交流傳動(dòng)中，更是離不開(kāi)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源改變用電頻率，從而達(dá)到近乎理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)控制?，F(xiàn)在，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)方興未艾，而近年來(lái)又被大的市場(chǎng)需求所推動(dòng)，必將帶來(lái)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的大發(fā)展。這幾年，隨著通信行業(yè)的發(fā)展，以開(kāi)關(guān)電源技術(shù)為核心的通信電源，國(guó)內(nèi)將有較大的市場(chǎng)需求。開(kāi)關(guān)電源代替線(xiàn)性電源和相控電源是大勢(shì)所趨，因此同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)正在起動(dòng)，并將很快發(fā)展起來(lái)。還有其他許多以開(kāi)關(guān)電源技術(shù)為核心的專(zhuān)用電源、工業(yè)電源，也將得到迅速發(fā)展。1955年美國(guó)羅耶（GH.Roger)發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開(kāi)端，1957年美國(guó)查賽（JenSen)發(fā)明了自激式推挽雙變壓器，1964年美國(guó)科學(xué)家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)想，這對(duì)電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了1969年由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件改善，終于做成了25千赫的開(kāi)關(guān)電源。

目前，開(kāi)關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。目前市場(chǎng)上出售的開(kāi)關(guān)電源中采用雙極性晶體管制成的100kHz、用MOS－FET制成的500kHz電源，雖已實(shí)用化，但其頻率有待進(jìn)一步提高。要提高開(kāi)關(guān)頻率，就要減少開(kāi)關(guān)損耗，而要減少開(kāi)關(guān)損耗，就需要有高速開(kāi)關(guān)元器件。然而，開(kāi)關(guān)速度提高后，會(huì)受電路中分布電感和電容或二極管中存儲(chǔ)電荷的影響而產(chǎn)生浪涌或噪聲。這樣，不僅會(huì)影響周?chē)娮釉O(shè)備，還會(huì)大大降低電源本身的可靠性。其中，為防止隨開(kāi)關(guān)啟-閉所發(fā)生的電壓浪涌，可采用R-C或L-C緩沖器，而對(duì)由二極管存儲(chǔ)電荷所致的電流浪涌可采用非晶態(tài)等磁芯制成的磁緩沖器。不過(guò)，對(duì)1MHz以上的高頻，要采用諧振電路，以使開(kāi)關(guān)上的電壓或通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流呈正弦波，這樣既可減少開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)也可控制浪涌的發(fā)生。這種開(kāi)關(guān)方式稱(chēng)為諧振式開(kāi)關(guān)。目前對(duì)這種開(kāi)關(guān)電源的研究很活躍，因?yàn)椴捎眠@種方式不需要大幅度提高開(kāi)關(guān)速度就可以在理論上把開(kāi)關(guān)損耗降到零，而且噪聲也小，可望成為開(kāi)關(guān)電源高頻化的一種主要方式。當(dāng)前，世界上許多國(guó)家都在致力于數(shù)兆Hz的變換器的實(shí)用化研究。

第二章200W輸出可調(diào)型開(kāi)關(guān)電源的總體設(shè)計(jì)第一節(jié)5～20V開(kāi)關(guān)電源的介紹2.1.15～20V開(kāi)關(guān)電源概述在科研、生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)等應(yīng)用場(chǎng)合，經(jīng)常要用到電壓在5～15V，電流在5～40A的電源。而一般實(shí)驗(yàn)用的電源最大電流只有5A、10A。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)電壓5～20V連續(xù)可調(diào)，輸出電流最大40A的開(kāi)關(guān)電源是非常實(shí)用的。本次設(shè)計(jì)的電源采用了半橋式功率變換器，所選用開(kāi)關(guān)器件為功率MOS管，開(kāi)關(guān)工作頻率為50kHz，具有重量輕、體積小、成本低等特點(diǎn)。2.1）交流輸入電壓AC220V±20%；2）直流輸出電壓5～20V可調(diào)；3）輸出電流0～40A；4）輸出電壓調(diào)整率≤1%；5）紋波電壓Up-p≤50mV；2.該電源的原理框圖如圖2-1所示GNDNL控制電路電路輸出整流濾波整流濾波電路EMI濾波電路GNDNL控制電路電路輸出整流濾波整流濾波電路EMI濾波電路反饋電路反饋電路圖2-1整體電源的工作框圖220V交流電壓經(jīng)過(guò)EMI濾波及整流濾波后，得到約300V的直流電壓加到半橋式變換器上，用脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生的雙列脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)功率MOS管，通過(guò)功率變壓器的耦合和隔離作用在次級(jí)得到準(zhǔn)方波電壓，經(jīng)整流濾波反饋控制后可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。第二節(jié)．開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)指標(biāo)電子產(chǎn)品，特別是穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，不但要考慮電源本身參數(shù)設(shè)計(jì)，還要考慮電氣設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)等面。因?yàn)槿魏畏矫婺桥率亲钗⑿〉氖韬?，都可能?dǎo)致整個(gè)電源的崩潰，所以我們應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到電源產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的重要性。2.2.輸入技術(shù)指標(biāo)作為開(kāi)關(guān)電源的輸入技術(shù)指標(biāo)有輸入電源相數(shù)、額定輸入電壓及電壓的變化范圍、頻率輸入電流等。輸入電源一般為單相2線(xiàn)制和3相3線(xiàn)制，還有單相3線(xiàn)制及3相4線(xiàn)制等。電源的額定電壓因各國(guó)或地區(qū)不同而異，例如，美國(guó)規(guī)定的交流輸入電源電壓為120V，歐洲220～240V，日本為100V及200V，我國(guó)為220V及380V。，輸入電壓的變化范圍一般為±10%，加上配線(xiàn)路徑及各國(guó)的具體情況，輸入電壓的變化范圍多為－15%～＋10%。開(kāi)關(guān)電源的輸入幾乎都是用電容進(jìn)行平波的電容輸入方式，因此，有高次諧波失真帶來(lái)的電壓尖峰的問(wèn)題，但通常在正弦波的情況下保證上述給定的指標(biāo)。3相輸入時(shí)雖有相電壓的不平衡，但規(guī)定在輸入電壓的變化范圍之內(nèi)。工頻頻率為50Hz或60Hz，在頻率變化范圍不影響開(kāi)關(guān)電源的特性時(shí)多半為48～63Hz。還有船舶用的特殊電源頻率為400Hz，但因輸入電容濾波器的電容電流及輸入整流二極管的損耗增加等，降低了效率，若考慮要滿(mǎn)足EMI的規(guī)定，可以采取措施減小此影響。開(kāi)關(guān)電源最大輸入電流是表示輸入電壓為下限值時(shí)，輸出電壓及電流為上限值時(shí)的輸入電流。額定輸入電流是在輸入電壓及輸出電壓、電流為額定時(shí)的電流。開(kāi)關(guān)電源的輸入平波方式是電容輸入方式，有較大的峰值電流，要有考慮電流的波峰系數(shù)（最大值/有效值之比，通常為3.5）以及功率因數(shù)的規(guī)定。輸入電壓瞬時(shí)跌落或瞬時(shí)斷電時(shí)，在額定輸出電壓與電流條件下規(guī)定的輸入電壓是額定輸入電壓。瞬時(shí)斷電有10ms與20ms，若實(shí)用時(shí)按規(guī)定瞬時(shí)斷電，多數(shù)情況下不會(huì)有問(wèn)題。在輸入的下限，輸出保持時(shí)間變得很短，但100%輸出時(shí)，在較低額定輸入條件下，實(shí)用上問(wèn)題也不大。電源輸入線(xiàn)纜要短，濾波器盡量靠近輸入端口，避免濾波器輸入輸出發(fā)生耦合，而失去濾波作用。接地盡量簡(jiǎn)短可靠，減小高頻阻抗，使干擾有效旁路。在規(guī)定的時(shí)間間隔對(duì)輸入電壓進(jìn)行通斷時(shí)，輸入電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前流經(jīng)的最大瞬時(shí)電流為沖擊電流。對(duì)于開(kāi)關(guān)電源是輸入電源接通時(shí)與其后輸出電壓上升時(shí)流經(jīng)的電流，這是由于輸入開(kāi)關(guān)的承受能力所限制，峰值電流，由于每隔幾十秒通斷時(shí)防止功能不能動(dòng)作，因此，也要規(guī)定通斷的重復(fù)時(shí)間。漏電流是流經(jīng)輸入側(cè)地線(xiàn)的電流，從安全考慮一般規(guī)定為0.5～1mA。效率是指輸入輸出為額定值時(shí)，其輸出功率與輸入有效功率之比值。效率隨輸出電壓、電流與輸出路數(shù)及開(kāi)關(guān)方式不同而異，多為70%～80%。并隨輸入與輸出的條件而變化，因此，要注意電子設(shè)備的散熱條件等。二、輸出技術(shù)指標(biāo)輸出端的直流電壓的值稱(chēng)為額定輸出電壓，對(duì)于其公稱(chēng)電壓規(guī)定有精度與紋波系數(shù)等。額定輸出電流是指輸出端供給負(fù)載的最大平均電流。根據(jù)電子設(shè)備的不同，多路輸出電源中某路輸出電流增大，另路輸出電流就得減小，保持總的輸出電流不變。市售的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品為其使用通用性，多是在初級(jí)側(cè)允許功率范圍以?xún)?nèi)，增大次級(jí)側(cè)各路輸出功率。穩(wěn)壓精度也稱(chēng)為輸出電壓精度或電壓調(diào)整率，輸出電壓變動(dòng)有多種原因。例如：（a）靜態(tài)輸入電壓的變動(dòng)，這是指在其他指標(biāo)為額定情況時(shí)，在規(guī)定的范圍內(nèi)輸入電壓緩慢變動(dòng)時(shí)輸出電壓的變動(dòng)。（b）靜態(tài)負(fù)載的變動(dòng)，這是指其他指標(biāo)為額定條件下，輸出電流在規(guī)定的范圍內(nèi)緩慢變動(dòng)時(shí)的輸出電壓的變動(dòng)。在規(guī)定負(fù)載變動(dòng)范圍，由于多路輸出的條件有非穩(wěn)定輸出的情況，包括規(guī)定最低負(fù)載電流。最低負(fù)載電流以下的規(guī)定精度一般是指保護(hù)功能不動(dòng)作的范圍內(nèi)的情況。另外，對(duì)于多路輸出的電源，電路方式的不同也會(huì)以其他輸出負(fù)載變動(dòng)的影響。（c）環(huán)境溫度的變動(dòng)，這是指在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，其他指標(biāo)為額定值時(shí)輸出電壓的變動(dòng)。（d）初始特性的變動(dòng)，這是指輸入輸出為額定時(shí)，接入輸入電源之后到規(guī)定時(shí)間旱輸出電壓的變動(dòng)，多為接入輸入電源后30分鐘時(shí)的值。（e）經(jīng)時(shí)特性的變動(dòng)，這是指輸入輸出為額定時(shí)，接入輸入電源后的規(guī)定時(shí)間到下一次規(guī)定時(shí)間時(shí)輸出電壓的變動(dòng)，也稱(chēng)為長(zhǎng)時(shí)間特性的變動(dòng)，一般多為接入電源后30分鐘到8小時(shí)的值。（f）動(dòng)態(tài)輸入電壓的變動(dòng)，這是以規(guī)定的變化幅度輸入電壓急劇變化時(shí)輸出電壓的變動(dòng)，一般是把輸入電壓的上限與額定輸入電壓以及額定輸入電壓與輸入電壓的下限作為變動(dòng)幅度。（g）動(dòng)態(tài)負(fù)載的變動(dòng)，這是指規(guī)定的變化幅度，輸出電流急劇變化時(shí)輸出電壓的變動(dòng)，后述的脈沖負(fù)載的規(guī)定等情況除外。輸出電壓可調(diào)范圍是指在保證電壓穩(wěn)定精度下，由外部可能調(diào)整的輸出電壓范圍，一般為±5%或±10%。條件是輸入電壓的下限時(shí)輸出電壓的最大值，以及輸入電壓的上限時(shí)輸出電壓的最小值。若由電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)決定負(fù)載電流時(shí)，輸出電流的變動(dòng)范圍則是電流變動(dòng)較小的負(fù)載、感性負(fù)載等沖擊電流較大的脈沖式負(fù)載的電流變動(dòng)范圍。紋波是與輸出端呈現(xiàn)的輸入頻率及開(kāi)關(guān)變換頻率同步的分量，有峰－峰值表示，一般為輸出電壓的0.5%以?xún)?nèi)。噪聲是輸出端呈現(xiàn)的除紋波以外頻率的分量，也用峰－峰值表示，一般為輸出電壓的1%，也包括與紋波沿用明確區(qū)分的部分，規(guī)定是紋波與噪聲總合值，多數(shù)場(chǎng)合是規(guī)定皮噪聲總合的情況，為輸出電壓的2%以?xún)?nèi)。三、電路拓?fù)涞倪x擇及控制策略的選擇開(kāi)關(guān)電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓?fù)洹味苏な?、單端反激式、雙單端正激式、推挽式的開(kāi)關(guān)管的承壓在兩倍輸入電壓以上，如果按60％降額使用，則使開(kāi)關(guān)管不易選型。在推挽和全橋拓?fù)渲锌赡艹霈F(xiàn)單向偏磁飽和，使開(kāi)關(guān)管損壞，而半橋電路因?yàn)榫哂凶詣?dòng)抗不平衡能力，所以就不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。雙管正激式和半橋電路開(kāi)關(guān)管的承壓僅為電源的最大輸入電壓，即使按60％降額使用，選用開(kāi)關(guān)管也比較容易。在高可靠性工程上一般選用這兩類(lèi)電路拓?fù)?。在中小功率的電源中，電流型PWM控制是大量采用的方法，它較電壓控制型有如下優(yōu)點(diǎn)：逐周期電流限制，比電壓型控制更快，不會(huì)因過(guò)流而使開(kāi)關(guān)管損壞，大大減小過(guò)載與短路的保護(hù)；優(yōu)良的電網(wǎng)電壓調(diào)整率；迅捷的瞬態(tài)響應(yīng)；環(huán)路穩(wěn)定，易補(bǔ)償；紋波比電壓控制型小得多。生產(chǎn)實(shí)踐表明電流控制型的50W開(kāi)關(guān)電源的輸出紋波在25mV左右，遠(yuǎn)優(yōu)于電壓控制型。四、附屬功能（a）過(guò)電流保護(hù)輸出短路或過(guò)負(fù)載時(shí)對(duì)電源或負(fù)載要進(jìn)行保護(hù)，即為過(guò)電流保護(hù)。保護(hù)特性有額定電流下垂特性，即フ字型特性、恒流特性、恒功率特性，多數(shù)為下垂特性。過(guò)電流的設(shè)定值一般為額定電流的110%～130%。但在不損壞電源與負(fù)載的范圍內(nèi)，特別不規(guī)定短路保護(hù)時(shí)，電流值的情況也很多。一般為自動(dòng)恢復(fù)型。（b）過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓保護(hù)就是輸出端出現(xiàn)過(guò)大電壓時(shí)對(duì)負(fù)載進(jìn)行保護(hù)的功能，過(guò)電壓保護(hù)值一般規(guī)定為額定輸出電壓的130%～150%。對(duì)于輸出電壓可調(diào)范圍比較大的電源，過(guò)電壓保護(hù)值規(guī)定為電壓上限時(shí)不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作即可。發(fā)生過(guò)電壓時(shí)使開(kāi)關(guān)電源停振，斷開(kāi)輸出。恢復(fù)的方法一般是再接通輸入電源或加復(fù)位信號(hào)使開(kāi)關(guān)電源恢復(fù)正常工作狀態(tài)。（c）欠壓保護(hù)在輸出電壓達(dá)到規(guī)定值以下時(shí)，檢測(cè)輸出電壓下降值，為保護(hù)負(fù)載以及防止負(fù)載誤動(dòng)作，使電源停止工作，并送出報(bào)警信號(hào)。（d）過(guò)熱保護(hù)電源內(nèi)部異常或使用方法不當(dāng)，電源溫升超過(guò)規(guī)定值以上時(shí)，電源停止工作，并送出報(bào)警信號(hào)。強(qiáng)制風(fēng)冷情況下，當(dāng)冷卻功能異常時(shí)，多數(shù)情況規(guī)定使用部件最高溫度以?xún)?nèi)使電源動(dòng)作。（e）遠(yuǎn)程通/斷控制規(guī)定由外部信號(hào)通/斷電源的輸出所采用的裝置，例如，采用TTL等半導(dǎo)體器件或繼電器與開(kāi)關(guān)等開(kāi)環(huán)通/斷控制。還必要規(guī)定采用繼電器與開(kāi)關(guān)時(shí)的機(jī)械振蕩持續(xù)時(shí)間。（f）順序不僅要規(guī)定輸出電壓的上升與下降時(shí)間，還要規(guī)定電源準(zhǔn)備就緒的各種信號(hào)。（g）遠(yuǎn)程檢測(cè)用輸出端到電壓檢測(cè)點(diǎn)的輸出引線(xiàn)對(duì)電壓降進(jìn)行補(bǔ)償對(duì)于大電流與高精度輸出的電源這種功能不太適用。該功能的補(bǔ)償電壓降一般為額定電壓的5%，在輸出電壓的可調(diào)范圍內(nèi)。時(shí)要根據(jù)負(fù)載條件而定，以免引起振蕩等故障。（h）接口規(guī)定輸入、輸出以及信號(hào)等用端子，除端子開(kāi)關(guān)、配列形式與接插件的名稱(chēng)以外，還要標(biāo)記端子的編號(hào)。這時(shí)輸入部與輸出部及信號(hào)端子要很好分離開(kāi)。有接任件時(shí)要標(biāo)記對(duì)方的編號(hào)，以免弄錯(cuò)。（i）絕緣用500V搖表測(cè)得輸入端與框體間以及輸入輸出端子間絕緣電阻一般要為50MΩ以上，用100V搖表測(cè)得輸出與框體間絕緣電阻一般要為10MΩ以上。絕緣耐壓根據(jù)輸入電壓的不同而異，但除各種安全規(guī)格規(guī)定以外，輸入在子間以及輸入與框體間每分鐘為交流1000V、1250V或1500V，輸出與框體間一般沒(méi)有其他特殊的規(guī)定。輸出端子間必要時(shí)要規(guī)定特殊的絕緣。2.2.2其他技術(shù)指標(biāo)一、機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)規(guī)定的項(xiàng)目有：機(jī)箱的開(kāi)關(guān)，外形尺寸與公差，裝配位置，裝配孔及螺釘?shù)拈L(zhǎng)度等，框體的材料及表面處理，冷卻條件，如強(qiáng)制風(fēng)冷還是自冷、通風(fēng)方向與風(fēng)量及開(kāi)口尺寸，機(jī)外溫升，接口位置及顯示，操作部件的位置及文字顯示的位置、重量等。二、環(huán)境條件規(guī)定的使用溫度范圍隨使用場(chǎng)所不同而異，一般為－5℃～50℃，保存溫度一般為－25℃～75℃。在溫度急劇變化的場(chǎng)所使用時(shí)，有必要規(guī)定溫度斜率，一般為規(guī)定的使用溫度范圍一般為20%～85%，保存溫度范圍一般為18%～90%，結(jié)露時(shí)必須有相應(yīng)指示。一般規(guī)定常溫與常濕的環(huán)境為15℃～35℃及25%～對(duì)于耐振動(dòng)的規(guī)定，多是在振動(dòng)頻率為10～55Hz時(shí)，工作時(shí)耐振動(dòng)力為0.5～1.0G，不工作時(shí)為2.5～4G。耐沖擊的規(guī)定隨電源產(chǎn)品不同而異，為10～100G總之，電源設(shè)備可靠性的高低，不僅與電氣設(shè)計(jì)，而且同元器件、結(jié)構(gòu)、裝配、工藝、加工質(zhì)量等方面有關(guān)?？煽啃允且栽O(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)際工程應(yīng)用上，還應(yīng)通過(guò)各種試驗(yàn)取得反饋數(shù)據(jù)來(lái)完善設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高電源的可靠性。第三節(jié)主電路的設(shè)計(jì)2.3.1EMI一、濾波電路隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高頻開(kāi)關(guān)器件在電力電子器件中的應(yīng)用日趨廣泛。這些電力電子裝置工作時(shí)，電力電子器件的電壓和電流波形都是以極短的時(shí)間上升和下降。這些具有陡變沿的脈沖信號(hào)隨即會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，可以說(shuō)高頻變換器本身就是一個(gè)很強(qiáng)的寬帶電磁波發(fā)射源，也即很強(qiáng)的電磁干擾源。功率越大，這種電磁發(fā)射能力越強(qiáng)。雖然開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹂_(kāi)關(guān)電源的需求也不斷增長(zhǎng)，但是，開(kāi)關(guān)電源存在嚴(yán)重的電磁干擾（EMI）問(wèn)題。它不僅對(duì)電網(wǎng)造成污染，直接影響到其它用電電器的正常工作，而且作為輻射干擾闖入空間，對(duì)空間也造成電磁污染。于是便產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容（EMC）問(wèn)題。電磁兼容是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁干擾即為電磁信號(hào)。當(dāng)這些不希望有的信號(hào)出現(xiàn)在敏感設(shè)備上并影響其性能時(shí)，稱(chēng)這些信號(hào)為電磁干擾（ElectromagneticInterference）。開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩大類(lèi)。傳導(dǎo)干擾通過(guò)交流電源傳播，頻率低于30MHz。輻射干擾通過(guò)空氣傳播，頻率在30MHz以上。圖2-2 EMI濾波及整流濾波電路電子設(shè)備的電源線(xiàn)是電磁干擾（EMI）出入電子設(shè)備的一個(gè)重要途徑，電容濾波整流器功率因數(shù)低，整流二極管導(dǎo)通時(shí)間較短，濾波電容充電電流瞬時(shí)值的峰值大，整流后的電流波形為脈動(dòng)狀，產(chǎn)生高的諧波電流。若在設(shè)備電源線(xiàn)入口處安裝一個(gè)電網(wǎng)濾波器，則可以有效地切斷這條電磁傳播途徑，本電源濾波器由帶有IEC插頭電網(wǎng)濾波器和PCB電源濾波器組成。IEC插頭電網(wǎng)濾波器主要是阻止來(lái)自電網(wǎng)的干擾進(jìn)入電源機(jī)箱。PCB電源濾波器主要是抑制功率開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲。二、整流電路整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦?，將交流電壓變換成單向脈動(dòng)電壓。（一）、橋式整流電路圖2-3單相橋式整流電路圖2-3是單相橋式整流電路，它由整流元件二極管D組成。由于4只整流二極管D1－D4接成橋形，故有橋式整流電路之稱(chēng)。設(shè)整流變壓器副邊電壓為：當(dāng)u2在正半周時(shí)，a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位，二極管D1，D3受正向電壓而導(dǎo)通，D2，D4受反向電壓而截止。電流i1的通路是a→D1→RL→D3→b→a，如圖中實(shí)線(xiàn)箭頭所示，這時(shí)負(fù)載電阻RL上得到一個(gè)半波電壓U01。當(dāng)u2在負(fù)半周時(shí)，b點(diǎn)電位高于a點(diǎn)電位，二極管D2，D4導(dǎo)通，D1，D3截止。電流i2的通路是b→D2→RL→D4→a→b，同樣，在負(fù)載RL上得到一個(gè)半波電壓u02?？梢?jiàn)，變壓器副邊交流電壓的極性雖然在不停地變化，但流經(jīng)負(fù)載電阻RL的電流方向卻始終不變，RL上得到一個(gè)全波電壓u0。（二）、整流電壓、整流電流平均值的計(jì)算整流電路負(fù)載上得到的是方向不變而大小隨時(shí)間變化的單向脈動(dòng)電壓，通常用一個(gè)周期的平均值來(lái)衡量它的大小。如圖2－4所示，使矩形面積等于半個(gè)正弦波與樞軸所烏黑的面積，則矩形的高度就是這個(gè)半波的平均值U0，又稱(chēng)為恒定量或直流分量。圖2-4 半波電壓Uo的平均值平均值的數(shù)學(xué)表達(dá)式為單向橋式整流電壓的平均值為負(fù)載上的直流電流平均值為（三）、整流二極管的選擇整流二極管使用肖特基二極管，其陽(yáng)極套鐵氧體磁珠（φ3.5×φ1.3×3.5），直流輸出線(xiàn)纜用鐵氧體磁環(huán)繞（φ13.5×φ7.5×7）2.5圈且靠近出口處。整改后輻射干擾最大處下降了約10dB，但40MHz和100MHz處余量較小，準(zhǔn)峰值測(cè)試僅有5dB裕量。考慮到認(rèn)證過(guò)程繁瑣，周期長(zhǎng)，而且各個(gè)認(rèn)證檢測(cè)服務(wù)中心之間允許有2～3dB的誤差，產(chǎn)品的預(yù)測(cè)應(yīng)在6dB以上的裕量為合適。二極管主要根據(jù)流過(guò)管子的正向平均電流和所承受的最高反向電壓來(lái)選擇。在橋式整流電路中，二極管D1，D3，和D2，D4是輪流導(dǎo)通的，所以流經(jīng)每個(gè)二極管的平均電流為負(fù)載電流的一半。二極管在截止時(shí)管子兩端承受的最大反向電壓如圖所示，其大小均為電源電壓u2的最大值。如當(dāng)D1和D3導(dǎo)通時(shí)，截止管D2和D4的陰極電位為a點(diǎn)電位，陽(yáng)極電位為b點(diǎn)電位，所以D2，D4所承受的最高反向電壓UDRM為√2U2，即選擇二極管時(shí)，其最大整流電流要大于ID，其最高反向工作電壓應(yīng)大于UDRM。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓脈動(dòng)較小，管子承受的反向電壓較低，變壓器的利用諧調(diào)。因此，這種電路被廣泛用于小功率整流電源。電路的缺點(diǎn)是二極管用得較多。2.3.一、開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浜?jiǎn)介開(kāi)關(guān)電源常用的基本拓?fù)浼s有14種。每種拓?fù)涠加衅渥陨淼奶攸c(diǎn)和適用場(chǎng)合。一些拓?fù)溥m用于離線(xiàn)式（電網(wǎng)供電的）AC/DC變換器。其中有些適合小功率輸出（〈200W），有些適合大功率輸出；有些適合高壓輸入（≥220VAC），有些適合120VAC或者更低輸入的場(chǎng)合；有些在高壓直流輸出（>200V）或者多組（4～5組以上）輸出場(chǎng)合有較大的優(yōu)勢(shì)；有些在相同輸出功率下使用器件較少或是在器件數(shù)與可靠性之間有較好的折中。較小的輸入/輸出紋波和噪聲也是選擇拓?fù)浣?jīng)?？紤]的因素。一些拓?fù)涓m用于DC/DC變換器。選擇時(shí)還要看是大功率還是小功率，高壓輸出還是低壓輸出，以及是否要求器件盡量少等。另外，有些拓?fù)渥陨碛腥毕?，需要附加?fù)雜且難以定量分析的電路才能工作。將一個(gè)固定的直流電壓換成可變的直流電壓稱(chēng)之為DC-DC電壓變換，實(shí)現(xiàn)這種變換的電路稱(chēng)為DC-DC電壓變換器。DC-DC電壓變換有四種基本電路Buck降壓電路，Boost升壓電路，Buck-Boost降升壓電路以及Boost-Buck升、降壓電路或Cuck電路。其中Buck電路和Boost電路是最基本的DC-DC電壓變換電路。在傳統(tǒng)的DC-DC電壓變換器中，開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)頻率的利用率很低，且存在各種電氣、電磁干擾。若是將幾個(gè)相同結(jié)構(gòu)的基本變換器組合，可以構(gòu)成多重、多相復(fù)合型直流-直流變換器。這樣既可以顯著改善變換器輸入輸出特性，或者減少變換器對(duì)LC濾波器重量體積的要求，同時(shí)也能擴(kuò)大它的輸出容量。若在其中再插入隔離變壓器，不僅可以進(jìn)行電源和負(fù)載之間的電氣隔離，提高了工作安全可靠性，還能使電壓的變換比更加靈活，此外還可以同時(shí)獲得幾個(gè)不同數(shù)值的輸出電壓。選擇電路拓?fù)鋾r(shí)最需要考慮的是高網(wǎng)壓時(shí)使功率開(kāi)關(guān)管承受的關(guān)斷電壓應(yīng)力最??；而輸出最大功率時(shí)流過(guò)開(kāi)關(guān)管的峰值電流最小。其他還要考慮的還有減少元件數(shù)量、電源成本和裝置體積及射頻干擾等問(wèn)題。二、半橋式功率變換器本次設(shè)計(jì)中采用半橋式功率變換器，半橋式功率變換器就是一種帶隔離變壓器的中間具有交流環(huán)節(jié)（直流-交流逆變后再經(jīng)交流-直流整流變換）的變換器。（一）、功率變換器的特點(diǎn)它的特點(diǎn)是先用高頻逆變器將直流變?yōu)槿鐖D2-5(a)所示的脈寬可控的高頻方波交流，再用二極管不控整流（過(guò)隔離變壓器后）將高頻方波交流變?yōu)槿鐖D2-5(b)所示的PWM直流方波v0，最后經(jīng)LC濾波器濾除高頻分量而獲得紋波很小的平穩(wěn)直流電壓。電源雖然經(jīng)過(guò)了兩級(jí)功率變換，但是逆變環(huán)節(jié)主電路結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，控制電路也簡(jiǎn)單，第二級(jí)交流-直流變換是不控整流，更簡(jiǎn)單。中間交流環(huán)節(jié)的變壓器是高頻變壓器，其重量，體積都不大；電路中的LC濾波器也較小；此外，主電路的高頻開(kāi)關(guān)采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)減少了開(kāi)關(guān)損耗。因此，雖有兩級(jí)變換，但總體技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)仍然較高，在開(kāi)關(guān)電源電路中采用它仍是最佳方案。vABQ4Q40Q5Q5t（a）v00t(ωt)DTs（b）圖2-5橋式電路波形圖（二）、半橋式功率變換器的特點(diǎn)半橋拓?fù)溟_(kāi)關(guān)管的穩(wěn)態(tài)關(guān)斷電壓等于直流輸入電壓，這種橋式拓?fù)鋸V泛應(yīng)用于直接電網(wǎng)的離線(xiàn)式變換器。橋式拓?fù)涞牧硗庖粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)是，能將變壓器初級(jí)側(cè)的漏感尖峰電壓嵌位于直流母線(xiàn)電壓，并將漏感儲(chǔ)存的能量歸還到輸入母線(xiàn)，而不是消耗于電阻元件。（三）、工作原理如圖2-30所示，其工作頻率50kHz，在初級(jí)一側(cè)的主要部分是Q4和Q5功率管及C34和C35電容器。Q4和Q5交替導(dǎo)通、截止，在高頻變壓器初級(jí)繞組N1兩端產(chǎn)生一幅值U1/2的正負(fù)方波交流電壓。圖中數(shù)值相等的直流電容、將直流電源一分為二。選擇C34＝C35且數(shù)值足夠大，可使變換器工作時(shí)，vC34≈vC35＝VD/2。兩個(gè)全控型開(kāi)關(guān)器件Q4、Q5以相同的占空比D交替地被驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通和阻斷。圖2-5（a）示出在t＝0開(kāi)始的第一個(gè)半周期TS/2期間，在Q4導(dǎo)通的Ton＝DTS期間，C34的電壓加在變壓器一次繞組上，vAB＝U1/2。第二個(gè)TS/2期間，在Q5導(dǎo)通的Ton＝DTS期間，C35的電壓加在一次繞組上，vAB＝－vAB＝－U1/2。因此，圖2-34所示中C34、C35、Q4、Q5構(gòu)成一個(gè)半橋逆變器，將直流電壓變?yōu)榉讲ń涣麟妷?，從A、B兩點(diǎn)輸出給變壓器一次繞組。變壓器的中間抽頭使兩個(gè)二次繞組匝數(shù)相等。二極管組成不控全波整流，所以輸出電壓是周期為T(mén)S/2，脈寬為DTS，幅值為K×U1/2的周期性直流PWM脈寬，再經(jīng)L、C濾波后就得到了最終所需的直流電壓。能量通過(guò)變壓器傳遞到輸出端，Q4和Q5采用IRFP400功率MOS管。（四）、輸出濾波器的設(shè)計(jì)一）、輸出電感的設(shè)計(jì)因?yàn)橹鬏敵龊蛷妮敵龅妮敵鲭姼卸疾辉试S進(jìn)入不連續(xù)工作模式。不連續(xù)的模式是從電感階梯斜坡電流的階梯下降至零開(kāi)始的這種情況會(huì)在直流電流下降至斜坡幅值dI的一半時(shí)發(fā)生。于是而，則有選取，使及相應(yīng)最小時(shí)為，于是或者=1.25及和如果最小電流規(guī)定電流的（通常情況），則以上、和T的單位分別為亨利、伏特和秒；為最小輸出電流，為額定輸出電流，單位均為安培。二）、輸出電容的設(shè)計(jì)輸出電容的選擇應(yīng)滿(mǎn)足最大輸出紋波電壓的要求。輸出紋波幾乎完全由濾波電容的ESR（等效串聯(lián)電阻輸出紋波）的大小決定，而不是由電容本身的大小決定，紋波電壓峰峰值為式中，是所選的電感電流紋波的峰峰值。另外，對(duì)于鋁電解電容器，在很大容值及額定電壓范圍內(nèi)，其的乘積基本不變。鋁電解電容的范圍是～。因此可選為=式中，的單位為法拉，的單位為安培，的單位為伏特。（五）、功率MOS管的介紹電力電子器件是電力電子技術(shù)的核心，是電力電子技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)和關(guān)鍵。電力電子器件根據(jù)其開(kāi)關(guān)特性的不同可分為兩大類(lèi)型：半控型器件和全控型器件。通過(guò)門(mén)極信號(hào)只能控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷的這些器件稱(chēng)為半控型器件,如普通晶閘管、雙向晶閘管等；通過(guò)門(mén)極信號(hào)既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的器件稱(chēng)為全控型器件，如GTR、GTO、功率MOSFET及IGBT等。根據(jù)其控制極（包括門(mén)極，柵極或基極）信號(hào)的性質(zhì)不同，電力電子器件還可分成：電流控制型和電壓控制型兩種類(lèi)型。電流控制型器件一般通過(guò)從控制極注入或抽出控制電流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)通或關(guān)斷的控制，如晶閘管、GTR、GTO等；電壓控制型器件是指利用場(chǎng)控原理（電場(chǎng)效應(yīng)控制原理）控制的電力電子器件，其導(dǎo)通或關(guān)斷是由控制極上的電壓信號(hào)控制的，控制極電流極小，如功率MOSFET、IGBT等。GTO和GTR是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以其通流能力很強(qiáng)，但開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。電力MOSFET（即功率MOS管）是多子導(dǎo)電的單極型電壓控制器件，它具有開(kāi)關(guān)速度快，高頻特性好，輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)良，無(wú)二次擊穿，安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線(xiàn)性度高等顯著特點(diǎn)，在各類(lèi)中小功率開(kāi)關(guān)中，得到極為廣泛應(yīng)用。一）、功率MOS管基本結(jié)構(gòu)和工作原理功率MOS管全稱(chēng)為功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power-MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）。有三個(gè)電極：柵極（控制極）G（Gate）、漏極D（Drain）和極S（Source），由柵極控制漏、源極間的等效電阻，使場(chǎng)效應(yīng)管處于截止或?qū)顟B(tài)。功率MOS管有N溝道和P溝道兩種類(lèi)型。其形符號(hào)如圖2-4所示，本電路所用的是N溝道增強(qiáng)型，圖中箭頭表示管子內(nèi)部載流子的移動(dòng)方向。如圖2-7所示，漏-源極間電壓為零、柵-源極之間電壓也為零，G-S之間和D-S之間都是絕緣的。當(dāng)漏極與源極之間有外加電壓VDC時(shí)，如果VGS≤0，漏-源極之間也不可能導(dǎo)電。只有當(dāng)柵-源極之間的外加正向電壓VGS≥0時(shí)，兩個(gè)條件同時(shí)具備才會(huì)形成漏極電流ID，開(kāi)始出現(xiàn)導(dǎo)電溝道的柵-源電壓VGS（th）稱(chēng)為開(kāi)啟電壓，一般約為2～4V。所加的柵-源電壓VGS越大，漏極電流ID越大。圖2-6MOS管的基本類(lèi)型 圖2-7MOS管的外部電路基本接法由于功率MOS管只有一種載流子導(dǎo)電，故稱(chēng)為單極型器件。這種器件不存在像雙極型器件那樣的兩種載流子的復(fù)合問(wèn)題，所以它的開(kāi)關(guān)速度快，安全工作區(qū)寬并且不存在二次擊穿問(wèn)題。因?yàn)樗请妷嚎刂菩推骷?，所以使用極為方便。此外，功率MOS管的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，漏極電流具有負(fù)溫度系數(shù)（即溫度升高時(shí)等效電阻加大，電流減小，），因此，結(jié)溫升高后，不易產(chǎn)生內(nèi)部局部熱點(diǎn)，這一特點(diǎn)還能使多個(gè)器件并聯(lián)工作時(shí)能自動(dòng)調(diào)節(jié)均分負(fù)載電流。二）、功率MOS管的主要特性1）靜態(tài)特性靜態(tài)特性主要指功率MOS管的輸出特性和轉(zhuǎn)移。（a）輸出特性輸出特性也稱(chēng)為漏源特性，它是以柵源電壓VGS為參變量，反映漏極電流ID與漏源電壓VDS間關(guān)系的曲線(xiàn)族。如圖2-8所示，輸出特性可分為三個(gè)區(qū)域：可調(diào)電阻區(qū)Ⅰ，恒流區(qū)Ⅱ和雪崩區(qū)Ⅲ。當(dāng)功率MOS管作為開(kāi)關(guān)器件使用時(shí)，工作在可調(diào)電阻區(qū)，此時(shí)，當(dāng)VGS一定時(shí)，漏極電流ID與源極電壓VDS幾乎呈線(xiàn)性關(guān)系；當(dāng)功率MOS管用于線(xiàn)性放大時(shí)，工作于恒流區(qū)，此時(shí)當(dāng)VGS一定時(shí)，漏極電流ID近似為常數(shù)，不再受漏源電壓VDS變化的影響；功率MOS管使用時(shí)，就避免工作在雪崩區(qū)，否則會(huì)導(dǎo)致漏極PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，漏極電流突然增加，會(huì)使器件損壞。值得注意的是功率MOS在漏源極之間存在一個(gè)寄生的反并聯(lián)二極管，所以在電力電子變換電路中當(dāng)需要開(kāi)關(guān)正向可控導(dǎo)電、反向自然導(dǎo)電時(shí)，有時(shí)不必再在外部反并聯(lián)一個(gè)二極管。但由于這樣使功率MOS管沒(méi)有反向阻斷能力，如果電路反向電流很大時(shí)，通常還是在外部并一個(gè)較大容量的快速二極管較好。（b）轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性是指在輸出特性的飽和區(qū)內(nèi)，在一定的漏極與源極電壓VDS作用下，功率MOS管柵源電壓VGS與漏極電流ID之間的關(guān)系。如圖2-9所示，該特性表征功率MOS管柵源電壓VGS對(duì)漏極電流ID的控制能力。圖中VGS（th）為開(kāi)啟電壓又稱(chēng)閾值電壓。當(dāng)柵源電壓小于此值時(shí)，功率MOS管即不會(huì)導(dǎo)通。圖中特性曲線(xiàn)的斜率ΔID/ΔVGS即表示功率MOS的放大能力。因?yàn)樗请妷嚎刂破骷杂每鐚?dǎo)參數(shù)gm來(lái)表示，它的作用相當(dāng)于功率晶體管GTR中的電流增益β。圖2-8功率MOS管的輸出特性圖2-9功率MOS管的轉(zhuǎn)移特性2）動(dòng)態(tài)特性功率MOS管是一個(gè)近似理想的開(kāi)關(guān)，它的動(dòng)態(tài)特性即是它的開(kāi)關(guān)特性，主要表現(xiàn)為開(kāi)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間。開(kāi)通時(shí)間分為延時(shí)時(shí)間和上升時(shí)間，延遲時(shí)間就是由輸入信號(hào)把柵極電壓由開(kāi)啟電壓經(jīng)線(xiàn)性區(qū)充電到產(chǎn)生所定漏極電流所必要的電壓(5～8V)的時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間分為存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間，存儲(chǔ)時(shí)間就是柵極電壓由過(guò)激勵(lì)電壓（10V）放電到有效區(qū)電壓(5～8V)所需要的時(shí)間。下降時(shí)間就是柵極電壓從有效區(qū)放到開(kāi)啟電壓所需要時(shí)間。三）、功率MOS管的主要參數(shù)1）漏極電流ID漏極電流ID表征功率MOS管的電流容量，其測(cè)試條件為：在VGS＝10V，VGS為某個(gè)適當(dāng)值時(shí)的漏極電流。實(shí)際應(yīng)用中漏極電流受結(jié)溫和工作狀態(tài)的限制，隨結(jié)溫的升高，實(shí)際允許的漏極電流ID比Tj＝25℃2）漏源擊穿電壓V（BR）DS漏源擊穿電壓V（BR）DS表征功率MOS管的耐壓。由于功率MOS管的特殊結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)，V（BR）DS隨之增加，耐壓性能提高，這一點(diǎn)與雙極型器件功率晶體管（GTR）、晶閘管等隨結(jié)溫升高而耐壓降低的特性正好相反。3）柵源擊穿電壓V（BR）GS柵源擊穿電壓V（BR）GS表征功率MOS管柵源極間能承受的最高正、反向電壓，其值一般為±20V。4）最大功率PDM功率MOS管的最大功率為PDM=(TjM-TC)/（RTjC）式中TjM—額定結(jié)溫（TjM＝150℃TC—結(jié)殼溫度；RTjC—結(jié)到殼間的穩(wěn)態(tài)電阻。由上式可知，隨結(jié)殼溫度的升高最大功率PDM將減小，所以，使用中器件的散熱技術(shù)是非常重要的。5）通態(tài)電阻Ron通態(tài)電阻Ron是指在確定的柵壓VGS下，功率MOS管處于恒流區(qū)時(shí)的直流電阻，它與輸出特性密切相關(guān)，是影響最大輸出功率的重要參數(shù)，同時(shí)通態(tài)電阻Ron與VGS有關(guān)，隨VGS的增加Ron減小，但VGS受V（BR）GS的限制。通態(tài)電阻是影響最大輸出的重要參數(shù)，在開(kāi)關(guān)電路中它決定了信號(hào)輸出幅度與自身?yè)p耗。通態(tài)電阻有受柵極電壓支配的范圍，為使通態(tài)電阻最小，上述輸出特性中通態(tài)電阻范圍為UGS≥10V。不必要時(shí)若用高電壓驅(qū)動(dòng)，會(huì)對(duì)電容過(guò)充電，使關(guān)斷時(shí)間變長(zhǎng)，這點(diǎn)需要注意。通態(tài)電阻也受到漏極電流與溫度的影響。特別是溫度影響較大，通態(tài)電阻隨溫度上升線(xiàn)性增大，因此，實(shí)際使用時(shí)要考慮這一點(diǎn)。6）跨導(dǎo)表示功率MOSFET的增益特性稱(chēng)為跨導(dǎo)，它定義為Gfs＝ΔID/ΔUGS，一般來(lái)說(shuō)，晶體管放大工作時(shí)采用這種特性，而開(kāi)關(guān)工作時(shí)不大采用這種特性。7）功率MOSFET的電容功率MOSFET的柵極有絕緣層，極間存在著絕緣電容。應(yīng)用上表示這些電容為輸入電容（Ciss＝CGD＋CGS），輸出電容（COSS＝CGD＋CDS）和反饋電容（Crss＝CGS），參見(jiàn)圖2－10。這些電容大小與偏置電壓有關(guān)，CGD隨漏源極間電壓動(dòng)態(tài)變化。因此，開(kāi)關(guān)時(shí)CGD變化較大所以高電壓開(kāi)關(guān)工作時(shí)要注意這一點(diǎn)。這些電容對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程有直接影響，在開(kāi)通延遲時(shí)間，上升時(shí)間以及下降時(shí)間，由于UDSUGS，所以，CGD較小，一般為幾十pF。在關(guān)斷延遲時(shí)間，由于UDS＜UGS，CGD為幾千pF。8）柵極電荷特性圖2－6示出功率MOSFET的柵極電荷特性，按照電荷量劃分為三個(gè)區(qū)域。①區(qū)對(duì)應(yīng)著開(kāi)通延遲時(shí)間；②區(qū)對(duì)應(yīng)著上升時(shí)間；③區(qū)對(duì)應(yīng)著導(dǎo)通期間。根據(jù)斜率CGS＋CGD＝dQg/dUGS可計(jì)算出不同偏置條件時(shí)電容大小。另外，根據(jù)柵極驅(qū)動(dòng)電路供給的功率P＝Qg×UGS×f較容易計(jì)算電容大小，反向偏置時(shí)，可以考慮延長(zhǎng)①區(qū)。圖2－11示出元件電容不同時(shí)，柵極電流的大小。圖2-10柵極電荷圖2－11 開(kāi)關(guān)時(shí)柵極電流9）開(kāi)關(guān)特性圖2－12示出功率MOSFET的輸入電壓與輸出電壓對(duì)應(yīng)的波形關(guān)系。定義開(kāi)通時(shí)間tON為從輸入信號(hào)Ui波形上升到其幅值的10%的時(shí)刻開(kāi)始到輸出信號(hào)U0波形下降到其幅值的90%的時(shí)刻為止所需的時(shí)間，tON可細(xì)分為延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr。定義關(guān)斷時(shí)間tOFF為從輸入信號(hào)波形下降到其幅值的90%的時(shí)刻開(kāi)始到輸出信號(hào)波形上升到其幅值的10%的時(shí)刻為止所需的時(shí)間，tOFF可細(xì)分為存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間tf。開(kāi)通時(shí)間tON與功率MOSFET的閾值電壓，柵源間電容CGS和柵漏間電容CGD有關(guān)，也與信號(hào)源的上升時(shí)間和內(nèi)阻的影響。關(guān)斷時(shí)間tOFF則由功率MOSFET漏源間電容CDS和負(fù)載。圖2－12 功率MOSFET的輸入電壓與輸出電壓對(duì)應(yīng)的波形10）正向偏置安全工作區(qū)功率MOSFET的正向偏置安全工作區(qū)（FB-SOA）如圖2－13所示。它是由四條邊界極限所包圍的區(qū)域，這四條邊界極限線(xiàn)是：最大漏源電壓線(xiàn)（A）；最大功耗限制線(xiàn)（B）；最大漏極電流線(xiàn)（C）和漏源通態(tài)電阻線(xiàn)（D）。圖2－13 正向偏置安全工作區(qū)開(kāi)關(guān)電源中功率MOSFET應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①柵極電路的阻抗非常高，易受靜電損壞。②直流輸入電阻高，但輸入容量大，高頻時(shí)輸入阻抗低，因此，需要降低驅(qū)動(dòng)電路阻抗。③并聯(lián)工作時(shí)容易產(chǎn)生高頻振蕩。④導(dǎo)通時(shí)電流沖擊大，易產(chǎn)生過(guò)電流。⑤很多情況下，不能原封不動(dòng)地用于雙極型晶體管的自激振蕩電路。⑥寄生二極管的反向恢復(fù)時(shí)間慢，很多情況下與FET開(kāi)關(guān)速度不相稱(chēng)。⑦開(kāi)關(guān)速度快而產(chǎn)生噪聲，容易使驅(qū)動(dòng)電路誤動(dòng)作。特別是開(kāi)關(guān)方式為橋接電路，柵極電路的電源為浮置時(shí)，易發(fā)生這種故障。⑧漏柵極間電容極大，漏極電壓變化容易影響輸入。⑨加有負(fù)反饋，熱穩(wěn)定性也比雙極型晶體管好，用于電流值較小情況下不能獲得這種效果。⑩理論上無(wú)電流集中產(chǎn)生二次擊穿，但寄生晶體管因dV/dt受到損壞，從而FET也受到損壞。本次所選用的功率MOSFET管為IPRF400其參數(shù)如下圖2-14電氣特性參數(shù)圖2-13柵源極間二極管規(guī)格圖2-15N溝道電力場(chǎng)效應(yīng)管的溫度曲線(xiàn)圖2-16連續(xù)最大電流下的溫度曲線(xiàn)圖2-17最大瞬變熱量阻抗曲線(xiàn)圖2-18前置偏壓安全工作區(qū)域圖2-19輸出特性曲線(xiàn)圖2-20飽和特性曲線(xiàn)圖2-21轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)圖2-23門(mén)源極間電壓與門(mén)極充電波形圖2-24未鉗位能量測(cè)試電路圖2-25未鉗位能量信號(hào)波形圖2-26開(kāi)關(guān)時(shí)間測(cè)試電路圖2-17抗拒開(kāi)關(guān)信號(hào)波形圖2-28門(mén)極充電測(cè)試電路圖2-29門(mén)極充電波形圖2-30PWM控制及輸出電路（五）、功率變壓器電路拓?fù)溥x定后，就要確定電路的工作頻率和變壓器磁芯尺寸，確保在變壓器體積最小的情況下獲得所需的最大輸出功率。要確定頻率和變壓器磁心尺寸，首先要得出輸出功率和變壓器各參數(shù)（如磁心截面積、磁心窗口面積、骨架面積、峰值磁通密度、變壓器工作頻率及線(xiàn)圈電流密度等）之間的數(shù)量關(guān)系。一）、功率變壓器的設(shè)計(jì)1）、工作頻率的設(shè)定工作頻率對(duì)電源的體積、重量及電路特性影響很大。工作頻率高，輸出濾波電感和電容體積減小，但開(kāi)關(guān)損耗增高，熱量增大，散熱器體積加大。因此根據(jù)元器件及性?xún)r(jià)比等因素，將電源工作頻率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因本設(shè)計(jì)為fS＝50kHz，所以T＝1/fS＝1/50kHz＝20μs開(kāi)關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間如果Q4和Q5同時(shí)導(dǎo)通，即使是很短的時(shí)間，也將使電源瞬間短路從而損壞開(kāi)關(guān)管。為防止此現(xiàn)象發(fā)生，輸入電壓為最小值時(shí)，Q4或者Q5的最大導(dǎo)通時(shí)間必須限制在半周期的80%以?xún)?nèi)。應(yīng)選擇合適的次級(jí)匝數(shù)使在導(dǎo)通時(shí)間不大于0.8T/2，的情況下保證輸出電壓滿(mǎn)足要求。此外，電路將采用嵌位技術(shù)以保證在不正常工作狀態(tài)下導(dǎo)通時(shí)間也不超過(guò)0.8T/2。2）磁芯選用①選取磁芯材料和磁芯結(jié)構(gòu)大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源的變壓器都選用鐵氧體磁心，鐵氧體是一種陶瓷性的鐵磁材料，它是由氧化鐵和其他錳、鋅氧化物混合構(gòu)成的晶體。因?yàn)樗泻芨叩碾娮杪?，所以鐵氧體的渦流損耗很小。選用R2KB鐵氧體材料制成的EE型鐵氧體磁芯。其具有品種多，引線(xiàn)空間大，接線(xiàn)操作方便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。②確定工作磁感應(yīng)強(qiáng)度BmR2KB軟磁鐵氧體材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS＝0.47T，考慮到高溫時(shí)BS會(huì)下降，同時(shí)為合閘瞬間高頻變壓器飽和，選定Bm＝1/3BS＝0.15T。③計(jì)算并確定磁芯型號(hào)磁芯的幾何截面積S和磁芯的窗口面積Q與輸出功率存在一定的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于半橋變換器，當(dāng)脈沖波形近似為方波時(shí)為SQ=(P0×104)/(2×fs×Bm×η×Kc×Ku×j)…………式（2-1）式中：η—效率；j—電流密度，一般取300～500A/cm2；Ke—磁芯的填充系數(shù)，對(duì)于鐵氧體Ke＝1；Ku—銅的填充系數(shù)，與導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)徑及繞制的工藝及繞組數(shù)量等有關(guān)，一般為0.1～0.5左右。各參數(shù)的單位是：P0—W，S—cm2，Q—cm2，Bm—T，fS—Hz，j—A/cm2。取P0＝640W，Ku＝0.3，j＝300A/cm2，η＝0.8，Bm＝0.15T，代入式（2-1）得SQ=(P0×104)/(2×fs×Bm×Kc×Ku×j)=(640×104)/(2×50×103×0.15×0.8×0.3×300)=4.由廠(chǎng)家手冊(cè)知，EE55磁芯的S＝3.45cm2，Q＝3.1024cm2，則SQ＝10.93）計(jì)算原副邊繞組匝數(shù)按輸入電壓最低及輸出滿(mǎn)載的情況（此時(shí)占空比最大）來(lái)計(jì)算原副邊繞組匝數(shù)，已知Umin＝176V經(jīng)整流濾波后直流輸入電壓Udmin＝1.2×176＝211.2V。對(duì)于半橋電路、功率變壓器初級(jí)組上施加的電壓等于輸入電壓的一半，即Upmin＝Udmin/2＝105.6V，設(shè)最大占空比Dmax＝0.9，則t(on)max=(1/2)×Dmax=(1/2)×20×0.9=9.0μsUpmin×t(on)max×104=105.6×9.0×10-6×104代入公式N1=(Upmin×t(on)max×104)/(2×Bm×Sc)=(105.6×9.0×10-6×104)/(2×0.15×3.54)=8.9匝次級(jí)匝數(shù)計(jì)算時(shí)取輸出電壓最大值Uomax＝16V。次級(jí)電路采用全波整流，US為次級(jí)繞組上的感應(yīng)電壓，U0為輸出電壓，Uf為整流二極管壓降，取1V，Uz為濾波電感等線(xiàn)路壓降，取0.3V，則Us=(Uomax+Uf+Uz)/Dmax=(16+1+0.3)/0.9=19.22VN2=N1×Us/(Upmin×Dmax)=8.9×19.22/(105.6×0.9)=1.8匝為了便于變壓器繞制，次級(jí)繞組取為2匝，則初級(jí)繞組校正為：N1=N2×(U1min×Dmax)/Us=10匝4)選定導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)徑在選用繞組的導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)徑時(shí)，要考慮導(dǎo)線(xiàn)的集膚效應(yīng)，一般要求導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)徑小于兩倍穿透深度，而穿透深度Δ由式（2-2）決定Δ=√2/(ωμγ)…………式（2-2）式中：ω為角頻率，ω=2πfs；μ為導(dǎo)線(xiàn)磁導(dǎo)率，對(duì)于銅線(xiàn)相對(duì)磁導(dǎo)率μr＝1，則μ＝μr×μ0＝4π×10-7H/m；γ為銅的電導(dǎo)率，γ＝58×10－6Ωm；穿透深度Δ的單位為m。變壓器工作頻率50kHz，在此頻率下銅導(dǎo)線(xiàn)的穿透深度為Δ＝0.2956mm，因此繞組線(xiàn)徑必須是直徑0.59mm小于的銅線(xiàn)。另外考慮到銅線(xiàn)電流密度一般取3~6A/mm2，故這里選用ф0.56mm二）、臨近效應(yīng)相鄰導(dǎo)線(xiàn)流過(guò)電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生可變磁場(chǎng)，從而形成臨近效應(yīng)，如果是線(xiàn)圈層間的臨近效應(yīng)，則其危害性更大。臨近效應(yīng)比集膚效應(yīng)更嚴(yán)重，因?yàn)榧w效應(yīng)只是將繞線(xiàn)導(dǎo)電面積限制在表面的一小部分，增加了銅損。它沒(méi)有改變電流幅值，只是改變了繞線(xiàn)表面的電流密度。但相對(duì)來(lái)看，臨近效應(yīng)中的渦流是由相鄰線(xiàn)圈層電流的可變磁場(chǎng)引起的，且渦流的大小隨線(xiàn)圈層數(shù)的增加按指數(shù)規(guī)律遞增。2.驅(qū)動(dòng)電路如圖35所示。TL494輸出50kHz的脈沖信號(hào)，通過(guò)高頻脈沖變壓器耦合去驅(qū)動(dòng)功率MOS管。次級(jí)脈沖電壓為正時(shí)，MOS管導(dǎo)通，在此期間Q7截止，由其構(gòu)成的泄放電路不工作。當(dāng)次級(jí)脈沖電壓為零時(shí)，則Q7導(dǎo)通，快速泄放MOS管柵極荷，加速M(fèi)OS管截止。R72是用于抑制驅(qū)動(dòng)脈沖的尖峰，R68、D15、R67、可以加速驅(qū)動(dòng)并防止驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生振蕩。D17和與它相連的脈沖變壓器繞組共同構(gòu)成去磁電路。圖2-31驅(qū)動(dòng)電路2.3.4P一、脈寬調(diào)制的原理脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation）簡(jiǎn)稱(chēng)PWM，就是在所需的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖，以達(dá)到控制頻率、電壓電流和抑制諧波的目的，是通過(guò)控制半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間比，調(diào)節(jié)脈沖寬度或周期來(lái)控制輸出電壓的一種控制技術(shù)。在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常近，僅在高頻率略有差異。例如圖2-32a、b、c、d所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同，其中圖2-32（a）為矩形脈沖，圖2–32（b）為三角脈沖，圖2-32（c）為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于1，那么，當(dāng)他們分別加上具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D2-32f(t)f(t)f(t)f(t)δ(t)tttt(a)(b)(c)(d)圖2-32窄脈沖波形上述原理可以稱(chēng)之為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。PWM控制技術(shù)在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并對(duì)電力電子技術(shù)產(chǎn)生了十分深遠(yuǎn)的影響。二、TL494集成脈寬調(diào)制器。TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開(kāi)關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開(kāi)關(guān)電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的要求。圖2-33TL494集成脈寬調(diào)制器封裝圖它有一個(gè)獨(dú)立的死區(qū)時(shí)間比較器，控制比較器輸入端（4腳）的電位，除可以改變調(diào)制器的死區(qū)時(shí)間之外，還可以用它設(shè)計(jì)電源的軟啟動(dòng)電路，或者欠壓保護(hù)電路。兩個(gè)誤差放大器可以分別控制輸出電壓Vo和作輸出過(guò)電流保護(hù)一類(lèi)的功能；TL494中振蕩器定時(shí)電阻R和定時(shí)電容C與振蕩頻率fosc的關(guān)系為fosc＝1．1／（RＴ?C）它的特點(diǎn)如下：（1）推挽／單端輸出；（2）最高工作頻率300kHz；（3）內(nèi)部基準(zhǔn)電壓5V；（4）輸入電壓≤41V；（5）工作溫度范圍：TL494I為－40～85℃，TL494C為－20～85℃。（6）集成了全部的脈寬調(diào)制電路。（7）片內(nèi)置線(xiàn)性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)（一個(gè)電阻和一個(gè)電容）。（8）可調(diào)整死區(qū)時(shí)間。（9）內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動(dòng)能力。其內(nèi)部等效電路如圖2-38所示。它由鋸齒波發(fā)生器、D觸發(fā)器1和2、誤差放大器1和2.5V基準(zhǔn)電壓源與兩個(gè)驅(qū)動(dòng)三極管等組成.管腳分配圖如39所示,1、2腳和15、16腳分別為兩個(gè)器輸入端；3腳為相位控制端；4腳為死區(qū)電平控制端；5、6腳為振蕩器的RＴ、CＴ輸入端；8、9腳和11、10腳分別為兩個(gè)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)三極管的集電極和發(fā)射極，通過(guò)它們發(fā)出的脈沖可以控制變換器的交替導(dǎo)通與截止；13腳為輸出狀態(tài)控制端，用來(lái)控制TL494的應(yīng)用方式，當(dāng)其為高電平時(shí)，兩個(gè)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)三極管交替導(dǎo)通，用于控制變換器的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，形成雙端輸出式；當(dāng)13腳為低電平時(shí)，兩個(gè)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)三極管同時(shí)導(dǎo)通或截止，此時(shí)只能控制變換器的一個(gè)開(kāi)關(guān)管，14腳是控制器輸出的＋5V基準(zhǔn)參考電壓；12腳為控制器的電源輸入端。圖2-34TL494內(nèi)部等效電路圖2-35TL494管腳分配圖1―同相輸入IN+，2―反相輸入IN-，3―反饋FB，4―死區(qū)時(shí)間T，5―CT，6―RT,7―地GND,8―C1,9―E1,10―E2,11―C2,12―VCC,13―輸出控制CON，14―5V基準(zhǔn)電壓輸出VREF，15―反相輸入IN-，16―同相輸入IN+三、TL494工作原理TL494在工作時(shí)，其工作頻率僅取決于外接在鋸齒波發(fā)生器（即振蕩器）上的定時(shí)元件RＴ和CＴ的數(shù)值，一旦定時(shí)元件固定后，TL494輸出信號(hào)的工作頻率也就固定不變了。一般通過(guò)5、6腳分別接定時(shí)元件RＴ和CＴ。鋸齒波發(fā)生器起振后，可在5腳所接定時(shí)電容CＴ上產(chǎn)生鋸齒波電壓，該鋸齒波在片內(nèi)分別被送到比較器1和2的同相輸入端。一般開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)壓控制、過(guò)流保護(hù)控制、過(guò)壓保護(hù)控制等采樣電壓是加在誤差放大器的同相輸入端（1或16腳）或死區(qū)控制輸入端（4腳）的。因此，在片內(nèi)誤差放大器的輸出電平與鋸齒波在比較器2中進(jìn)行比較，而死區(qū)控制電平與鋸齒波在比較器1中進(jìn)行比較，二者的輸出分別得到一串具有一定寬度的矩形脈沖。它們同時(shí)送門(mén)電路，經(jīng)D觸發(fā)器分頻后，再經(jīng)相應(yīng)的門(mén)電路去控制TL494內(nèi)部的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)三極管交替導(dǎo)通和截止，通過(guò)8腳和11腳向外輸出相位相差180O脈寬調(diào)制控制脈沖。工作波形如圖2-36所示。圖2-35工作波形由上可知，若TL494片內(nèi)的兩個(gè)誤差放大器的反相輸入端（2腳或15腳）的參考電位一定，當(dāng)它們的同相輸入端電平升高時(shí)，則可使片內(nèi)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)三極管輸出的脈寬調(diào)制控制脈沖的寬度變窄；反之，可使脈沖寬度變寬。另外當(dāng)死區(qū)控制端的電位高于CＴ上的電壓時(shí)，片內(nèi)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)三極管截止；當(dāng)死區(qū)控制端電位不斷下降時(shí)，則可使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)三極管輸出的脈寬調(diào)制脈沖寬度增加。在實(shí)際中，多利用TL494的內(nèi)部基準(zhǔn)電源向外提供+5V基準(zhǔn)參考電壓，再通過(guò)設(shè)置不同的電阻分壓器來(lái)為兩個(gè)誤差放大器的反相輸入端提供參考電位。另外，TL494內(nèi)部的兩個(gè)三極管在工作電壓7～40V范圍內(nèi)工作時(shí)，最大輸出電流可達(dá)250mA，若將13腳與14腳相連，就可推挽工作，若將13腳與7腳相連，就形成單端輸出。為增大輸出可將兩個(gè)三極管并聯(lián)。TL494的極限參數(shù)

名稱(chēng)代號(hào)極限值單位

工作電壓Vcc42V

集電極輸出電壓Vc1,Vc242V

集電極輸出電流Ic1,Ic2500mA

放大器輸入電壓范圍VIR-0.3V—+42V

功耗PD1000mW

熱阻RθJA80℃/W

工作結(jié)溫TJ125℃

工作環(huán)境溫度

TL494B

TL494C

TL494I

NCV494BTA

-40—+125

0—+70

-40—+85

-40—+125℃

額定環(huán)境溫度TA40℃2.3.5過(guò)流保護(hù)電路開(kāi)關(guān)電源同其它電子裝置一樣，過(guò)流保護(hù)是否可靠，是影響開(kāi)關(guān)電源可靠性的重要因素。開(kāi)關(guān)電源保護(hù)功能雖屬電源裝置電氣性能要求的附加功能，但在惡劣環(huán)境及意外事故條件下，保護(hù)電路是否完善并按預(yù)定設(shè)置工作，對(duì)電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。開(kāi)關(guān)電源的保護(hù)方案和電路結(jié)構(gòu)具有多樣性，但對(duì)具體電源裝置而言，應(yīng)選擇合理的保護(hù)方案和電路結(jié)構(gòu)，以使得在故障條件下真正有效地實(shí)現(xiàn)保護(hù)為增強(qiáng)電源可靠性，此電源采用初、次級(jí)兩級(jí)過(guò)流保護(hù)。如圖2-30。初級(jí)采用電流互感器CT1檢測(cè)初級(jí)放大器電流，檢測(cè)出的電流信號(hào)經(jīng)R60轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)后，再經(jīng)D2～D4，C9整流濾波后，經(jīng)過(guò)電位器RV3分壓，反相器N3反相后加在Q1管基極。當(dāng)初級(jí)電流超過(guò)正常時(shí)，反相器反轉(zhuǎn)，Q1管導(dǎo)通，將VREF＝5V的高電平加在TL494腳4上（腳4為T(mén)L494死區(qū)控制腳、高電平關(guān)斷），TL494關(guān)斷。輸出直流總線(xiàn)上過(guò)流保護(hù)，采用R45～R56電阻做為采樣電阻，當(dāng)輸出電流增加時(shí)腳15電平變低，當(dāng)輸出電流大于40A的105%時(shí)，TL494的內(nèi)部運(yùn)放動(dòng)作，腳3電平升高，限制輸出脈寬增加，電源處于限流狀態(tài)。第四節(jié)輔助電源設(shè)計(jì)輔助電源的功率都非常小，一般在1～3W，輸出電壓為10～15V，主要為主功率電路的PWM芯片及提供輔助功能的邏輯檢測(cè)電路供電。其中輔助功能包括過(guò)流/過(guò)壓的檢測(cè)和保護(hù)遙控信號(hào)，以及多輸出電源各輸出按正確順序的導(dǎo)通關(guān)斷。輔助電源并非一定要穩(wěn)壓輸出，因?yàn)樨?fù)載通?？梢猿惺芟鄬?duì)較大的輸入電壓波動(dòng)（最大可以達(dá)到+15%）。如果使輔助電源穩(wěn)壓輸出（通常只要求波動(dòng)在+2%以?xún)?nèi)），可以提高電路的可靠性，而且主功率電路的運(yùn)行將更具可預(yù)測(cè)性。這類(lèi)電源所用元件數(shù)量必須少而且成本要低，并且只能占用主功率電路及其輸出電路所占空間的一小部分。輔助電源的接地問(wèn)題在設(shè)計(jì)電路時(shí)，首先要決定為PWM芯片供電的輔助電源是接輸出地還是輸入地。在大多數(shù)場(chǎng)合中，輸出地和輸入地之間都有直流隔離。帶負(fù)載的輸出端接輸出地。主開(kāi)關(guān)功率晶體管接輸入地，即網(wǎng)壓供電變換器中整流所得的支流母線(xiàn)的其中一端（在以蓄電池供電的DC/DC變換器中則為蓄電池的一個(gè)輸出端）。在調(diào)節(jié)輸出電壓時(shí)，必須用連接輸出地的直流誤差放大器來(lái)檢測(cè)出電壓，將其與參考電壓比較并放大得到誤差電壓。該誤差電壓是參考電壓與輸出電壓的一部分差值，用于控制脈沖寬度，從而控制接入地的主功率晶體管的通斷。由于輸出地和輸入地間有直流隔離，且其直流電壓等級(jí)可能相差數(shù)十甚至數(shù)百伏，所以PWM脈沖不能通過(guò)通過(guò)直流耦合直接驅(qū)動(dòng)晶體管。這樣，如果誤差放大器和脈寬調(diào)制器都接輸出地（PWM芯片中的普遍接法），則PWM脈沖必須通過(guò)脈沖變壓器來(lái)克服輸出地和輸入地隔離的障礙。輔助電源的功能就是產(chǎn)生以輸出地為參考，大小為10～15V，功率為1～3W的輸出電壓，而其輸入功率來(lái)自連接輸入地的電源。這類(lèi)輔助電源常用在PWM芯片接輸入地的場(chǎng)合。雖然芯片所需能量在主功率晶體管開(kāi)始工作后可以取自主變壓器的一個(gè)輔助繞組，但如果驅(qū)動(dòng)關(guān)閉（由于過(guò)壓或過(guò)流等原因），能量輸送就會(huì)中斷，無(wú)法再為遠(yuǎn)程顯示儀供電。同時(shí)，由于來(lái)自輔助繞組的電壓消失，PWM芯片上的電壓降低，會(huì)使脈寬過(guò)大，導(dǎo)致電路不能正常工作。通常來(lái)說(shuō)，由輔助電源為PWM芯片供電比由主功率變壓器的輔助繞組供電（自舉法）更加可靠。另一個(gè)方法是用光耦跨越輸入地和輸出地隔離的障礙，將輸出電壓檢測(cè)信號(hào)送回輸入端用于調(diào)制脈寬，控制功率晶體管的通斷。但如果不適合由主功率變壓器的輔助繞組自舉供電，仍然需要與輸入共地的輔助電源。本設(shè)計(jì)輔助電源采用RCC變換器(RingingChokeConverter),見(jiàn)圖2-41。其輸入電壓為交流220V整流濾波電壓，輸出直流電壓為12.5V，輸出直流電流為0.5A。電路中Q8和放大器初級(jí)繞組線(xiàn)圈N1與反饋繞組線(xiàn)圈N3構(gòu)成自激振蕩。R72為啟動(dòng)電阻。Q9、R77構(gòu)成輔助電源初級(jí)過(guò)流保護(hù)。D20、C81、ZD1、Q11、R75、R76構(gòu)成電壓檢測(cè)與穩(wěn)壓電路，控制Q8的基極電流的直流分量，從而保持輸出電壓恒定，放大器采用EE19、LP3材質(zhì)構(gòu)成。初級(jí)180匝，反饋繞組5.5匝，次級(jí)11匝，初級(jí)電感量是2.6mH，磁芯中間留有間隙0.4mm。圖2-41輔助電源第五節(jié)風(fēng)扇風(fēng)速控制電路設(shè)計(jì)一、風(fēng)扇風(fēng)速控制電路本開(kāi)關(guān)電源為了防止工作電壓過(guò)高影響其性能和正常工作，故設(shè)計(jì)有風(fēng)扇，風(fēng)扇的風(fēng)速可根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的工作溫度進(jìn)行調(diào)整。風(fēng)扇風(fēng)速控制電路見(jiàn)圖2–42。利用二極管正向管壓降隨溫度升高而呈下降趨勢(shì)的特性，將D9、D10做為散熱器溫度采樣器件。方法是將D9、D10兩二極管緊靠在散熱器上，當(dāng)散熱器隨輸出功率加大而溫度升高時(shí)，運(yùn)放N2A正相輸入端電平降低，輸出低電平使三極管Q3開(kāi)始導(dǎo)通，風(fēng)機(jī)上電壓升高，轉(zhuǎn)速升高，最終到達(dá)最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)負(fù)載較輕，使散熱器溫度低于50℃時(shí)，N2A輸出高電平，Q3不導(dǎo)通，輔助電源12.5V經(jīng)電阻R57圖2-42二、LM324介紹圖2-43LM324管腳圖圖2-44LM324內(nèi)部電路圖第三章設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及電源性能測(cè)試第一節(jié)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)一、使用功率MOS管時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)開(kāi)關(guān)電源電路復(fù)雜，并且由于開(kāi)關(guān)元件以高頻切換，必須采取措施防止其產(chǎn)生的電磁干擾。由于功率MOS管的特殊結(jié)構(gòu)，其具有極高的輸入阻抗，在靜電較強(qiáng)的場(chǎng)合難以泄放電荷，易引起靜電擊穿。因此，功率MOS管在運(yùn)輸、存放時(shí)應(yīng)放入具有抗靜電的包裝袋內(nèi)，不能放入易產(chǎn)生靜電的塑料盒；對(duì)器件進(jìn)行焊接、測(cè)試時(shí)，電烙鐵及儀器、儀表應(yīng)良好接地；注意柵極電壓不要超過(guò)限值，應(yīng)在柵源極之間外接齊納二極管進(jìn)行必要的保護(hù)，同時(shí)對(duì)漏源極之間的過(guò)電流和過(guò)電壓也應(yīng)采取必要的保護(hù)措施，確保功率MOS管在安全工作區(qū)內(nèi)正常工作。器件的選擇元器件的選擇必須考慮元器件的性能價(jià)格比，在購(gòu)買(mǎi)元器件后，要有規(guī)律地對(duì)這些元器件進(jìn)行抽樣檢查，并對(duì)檢查做詳細(xì)記錄。因?yàn)樵骷苯記Q定了電源的可靠性，所以元器件的選用非常重要。三、元器件的失效主要集中在以下四個(gè)方面：

（1)制造質(zhì)量問(wèn)題質(zhì)量問(wèn)題造成的失效與工作應(yīng)力無(wú)關(guān)。質(zhì)量不合格的可以通過(guò)嚴(yán)格的檢驗(yàn)加以剔除，在工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)選用定點(diǎn)生產(chǎn)廠(chǎng)家的成熟產(chǎn)品，不允許使用沒(méi)有經(jīng)過(guò)認(rèn)證的產(chǎn)品。

（2)元器件可靠性問(wèn)題元器件可靠性問(wèn)題即基本失效率的問(wèn)題，這是一種隨機(jī)性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問(wèn)題的區(qū)別是元器件的失效率取決于工作應(yīng)力水平。在一定的應(yīng)力水平下，元器件的失效率會(huì)大大下降。為剔除不符合使用要求的元器件，包括電參數(shù)不合格、密封性能不合格、外觀(guān)不合格、穩(wěn)定性差、早期失效等，應(yīng)進(jìn)行篩選試驗(yàn)，這是一種非破壞性試驗(yàn)。通過(guò)篩選可使元器件失效率降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)然篩選試驗(yàn)代價(jià)(時(shí)間與費(fèi)用)很大，但綜合維修、后勤保障、整架聯(lián)試等還是合算的，研制周期也不會(huì)延長(zhǎng)。電源設(shè)備主要元器件的篩選試驗(yàn)一般要求：

①電阻在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100％測(cè)試，剔除不合格品。

②普通電容器在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100％測(cè)試，剔除不合格品。

③接插件按技術(shù)條件抽樣檢測(cè)各種參數(shù)。

④半導(dǎo)體器件按以下程序進(jìn)行篩選：

目檢→初測(cè)→高溫貯存→高低溫沖擊→電功率老化→高溫測(cè)試→低溫測(cè)試→常溫測(cè)試篩選結(jié)束后應(yīng)計(jì)算剔除率Q

Q=(n/N)×100%

式中：N——受試樣品總數(shù)；

n——被剔除的樣品數(shù)；如果Q超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值，則本批元器件全部不準(zhǔn)上機(jī)，并按有關(guān)規(guī)定處理在符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)，則將篩選合格的元器件打漆點(diǎn)標(biāo)注，然后入專(zhuān)用庫(kù)房供裝機(jī)使用。

（3)設(shè)計(jì)問(wèn)題首先是恰當(dāng)?shù)剡x用合適的元器件：

①盡量選用硅半導(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。

②多采用集成電路，減少分立器件的數(shù)目。

③開(kāi)關(guān)管選用MOSFET能簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，減少損耗。

④輸出整流管盡量采用具有軟恢復(fù)特性的二極管。

⑤應(yīng)選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器件。

⑥集成電路必須是一類(lèi)品或者是符合MIL－M－38510、MIL－S－19500標(biāo)準(zhǔn)B－1以上質(zhì)量等級(jí)的軍品。

⑦設(shè)計(jì)時(shí)盡量少用繼電器，確有必要時(shí)應(yīng)選用接觸良好的密封繼電器。

⑧原則上不選用電位器，必須保留的應(yīng)進(jìn)行固封處理。

⑨吸收電容器與開(kāi)關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當(dāng)很近，因流過(guò)高頻電流，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。在潮濕和鹽霧環(huán)境下，鋁電解電容會(huì)發(fā)生外殼腐蝕、容量漂移、漏電流增大等情況，所以在艦船和潮濕環(huán)境，最好不要用鋁電解電容。由于受空間粒子轟擊時(shí)，電解質(zhì)會(huì)分解，所以鋁電解電容也不適用于航天電子設(shè)備的電源中。鉭電解電容溫度和頻率特性較好，耐高低溫，儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)，性能穩(wěn)定可靠，但鉭電解電容較重、容積比低、不耐反壓、高壓品種(>125V)較少、價(jià)格昂貴。

關(guān)于降額設(shè)計(jì)：電子元器件的基本失效率取決于工作應(yīng)力(包括電、溫度、振動(dòng)、沖擊、頻率、速度、碰撞等)。除個(gè)別低應(yīng)力失效的元器件外，其它均表現(xiàn)為工作應(yīng)力越高，失效率越高的特性。為了使元器件的失效率降低，所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。降額程度，除可靠性外還需考慮體積、重量、成本等因素。不同的元器件降額標(biāo)準(zhǔn)亦不同，實(shí)踐表明，大部分電子元器件的基本失效率取決于電應(yīng)力和溫度，因而降額也主要是控制這兩種應(yīng)力，以下為開(kāi)關(guān)

電源常用元器件的降額系數(shù)：

①電阻的功率降額系數(shù)在0.1～0.5之間。

②二極管的功率降額系數(shù)在0.4以下，反向耐壓在0.5以下。

③發(fā)光二極管第二節(jié)電源性能測(cè)試為了檢查開(kāi)關(guān)是否滿(mǎn)足最初設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，或者，為了檢查使用的開(kāi)關(guān)電源是否滿(mǎn)足你對(duì)它的要求，常常需要對(duì)開(kāi)關(guān)電源的性能進(jìn)行測(cè)試。本節(jié)主要以AC/DC類(lèi)電源為例，介紹開(kāi)關(guān)電源的性能測(cè)試方法。AC/DC類(lèi)電源的源效應(yīng)，負(fù)載效應(yīng)。一、電壓穩(wěn)定度電壓穩(wěn)定度是僅由輸入電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化所引起的輸入電壓的最大相對(duì)變化量。電壓穩(wěn)定度也常稱(chēng)作調(diào)整率，源效應(yīng)等。1.測(cè)量線(xiàn)路線(xiàn)路見(jiàn)圖3－1，圖中被測(cè)變換器即被測(cè)電源。圖3-1 電壓穩(wěn)定度測(cè)量電路2.測(cè)試說(shuō)明和要求輸入電壓是你變的影響量。通常在標(biāo)稱(chēng)值、標(biāo)稱(chēng)值下限和標(biāo)稱(chēng)值上限三點(diǎn)測(cè)量電壓穩(wěn)定度。測(cè)試時(shí)，除負(fù)載電流外所有其影響量均應(yīng)保持不變。負(fù)載電流可保持為額定范圍內(nèi)的任意值。通常在額定電流和空載兩種狀態(tài)下各測(cè)三個(gè)輸出電壓：標(biāo)稱(chēng)輸入電壓時(shí)測(cè)得U0，輸入上限時(shí)測(cè)得U01，輸入下限時(shí)測(cè)得U02。然后，以它們計(jì)算出額定負(fù)載和空載時(shí)的電壓穩(wěn)定度，取最大值作為電源的電壓穩(wěn)定度SU。（3－1）式中ΔU0＝U0－U01或ΔU0＝U0－U02。測(cè)量線(xiàn)路中使用的儀表的是一種和準(zhǔn)確度應(yīng)滿(mǎn)足測(cè)量要求。輸出電壓應(yīng)該用準(zhǔn)確度比模擬表高的數(shù)字電壓表（比如：比被測(cè)電源的調(diào)整率好10倍）進(jìn)行測(cè)量。輸出負(fù)載應(yīng)可變。Ui至少可在被測(cè)電源的最小輸入電壓至最大輸入電壓之間變化。電壓穩(wěn)定度和下面的負(fù)載穩(wěn)定度、效率等都在預(yù)熱和輸出穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)試。二、負(fù)載穩(wěn)定度負(fù)載穩(wěn)定度是僅由負(fù)載電流在規(guī)定的范圍內(nèi)變化所引起的輸出電壓的最大相對(duì)變化量。負(fù)載穩(wěn)定度也常稱(chēng)作負(fù)載調(diào)整率、負(fù)載效應(yīng)等。1.測(cè)量線(xiàn)路測(cè)量線(xiàn)路見(jiàn)圖3－1。在被測(cè)電源的輸出端與負(fù)載間必須串一電流表。2.測(cè)試說(shuō)明和要求負(fù)載電流是可變影響量。通常在空載和額定值之間變化，也有上些電源規(guī)定在50%額定值和額定值之間變化。除輸入電壓外，所有其他影響量均應(yīng)保持不變。將輸入電壓分別設(shè)置在標(biāo)稱(chēng)值、標(biāo)稱(chēng)值下限和標(biāo)稱(chēng)值上限駱測(cè)出兩個(gè)輸出電壓：額定負(fù)載電流時(shí)測(cè)得U0，空載或50%額定負(fù)載時(shí)測(cè)得U01。然后，以它們計(jì)算不同輸入電壓時(shí)的穩(wěn)定度，取最大值負(fù)載穩(wěn)定度S1。（3－2）式中，ΔU0＝U0－U01。三、紋波電壓紋波電壓是輸出電壓中所飲食的交流分量的有效值或峰峰值。1.測(cè)量線(xiàn)路測(cè)量線(xiàn)路見(jiàn)圖3－2。圖3-2 紋波電壓測(cè)量線(xiàn)路2.測(cè)試說(shuō)明和要求輸入電壓分別設(shè)置在標(biāo)稱(chēng)值、標(biāo)稱(chēng)值下限和標(biāo)稱(chēng)值上限，用交流毫伏表或示波器測(cè)量空載和額定負(fù)載兩種情況下的紋波電壓，其最大值即為電源的紋波電壓。四、效率效率η為總輸出功率P0與輸入的有功功率Pi之比。（3－3）式中，j為輸出的路數(shù)；輸出的負(fù)載電流應(yīng)調(diào)至額定值。注意：η隨負(fù)載變化。對(duì)DC/DC類(lèi)電源，