自動化技術(shù)基礎(chǔ)-附加課-開關(guān)電源及電力電子器件2013

自動化技術(shù)基礎(chǔ)

機(jī)電教研室孟祥印

xymeng@第1章開關(guān)電源與抗干擾技術(shù)1.1直流開關(guān)電源1.2大功率電力電子器件1.3電路隔離抗干擾技術(shù)1.4接地與抗干擾技術(shù)1.5軟件抗干擾技術(shù)1.6印制板設(shè)計制造與抗干擾技術(shù)1.1直流開關(guān)電源1.1.1引言1.1.2開關(guān)電源入門知識1.1.3開關(guān)電源的分類

1.1.4開關(guān)電源的選用1.1.5開關(guān)電源的應(yīng)用－PC主機(jī)電源1.1.6開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動向1.1.1引言

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)器件開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和開關(guān)器件構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。開關(guān)電源所用的開關(guān)器件有許多，經(jīng)常使用的是場效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管IGBT，在小功率開關(guān)電源上也使用大功率晶體管GTR。1.1.2開關(guān)電源入門知識

1，開關(guān)電源的組成：

主電路和控制電路2，開關(guān)控制穩(wěn)壓原理

一、脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation,縮寫為PWM）

開關(guān)周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。

二、脈沖頻率調(diào)制（PulseFrequencyModulation,縮寫為PFM）

導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)工作頻率來改變占空比的方式。

三、混合調(diào)制

導(dǎo)通脈沖寬度和開關(guān)工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的混合。1.1.3開關(guān)電源的分類

DC/DC變換用于隔離輸出，降壓輸出等。AC/DC變換用于plc系統(tǒng)，儀表工程等。1.1.4開關(guān)電源的選用

優(yōu)勢：輸出穩(wěn)定度高開關(guān)電源在輸入抗干擾性能上，由于其自身電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（多級串聯(lián)），一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過，在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術(shù)指標(biāo)上與線性電源相比具有較大的優(yōu)勢，其輸出電壓穩(wěn)定度可達(dá)(0.5～1）％。開關(guān)電源模塊作為一種電力電子集成器件。在選用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1、輸出電壓和電流的選擇2、保護(hù)電路的應(yīng)用1.1.5開關(guān)電源原理與應(yīng)用

－PC電源

一般有四路輸出，分別是+5V、-5V、+12V、-12V。原理：輸入電壓為AC220v，50Hz的交流電，先經(jīng)濾波，再由整流橋整流后變?yōu)?00V左右的高壓直流電，然后通過功率開關(guān)管的導(dǎo)通與截止將直流電壓變成連續(xù)的脈沖，再經(jīng)變壓器隔離降壓及輸出濾波（含儲能器件）后變?yōu)榈蛪旱闹绷麟?。開關(guān)管的導(dǎo)通與截止由PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制電路發(fā)出的驅(qū)動信號控制。PWM驅(qū)動電路在提供開關(guān)管驅(qū)動信號的同時，還要實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定的調(diào)節(jié)、對電源負(fù)載提供保護(hù)。為此設(shè)有檢測放大電路、過電流保護(hù)及過電壓保護(hù)等環(huán)節(jié)。通過自動調(diào)節(jié)開關(guān)管導(dǎo)通時間的比例（占空比）來實(shí)現(xiàn)。1.1.6開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動向

高頻、高可靠低耗、低噪聲抗干擾和模塊化電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路，走出有中國特色的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。1.2大功率電力電子器件

1.2.1全面認(rèn)識晶體管1.2.2大功率晶體管GTR1.2.3達(dá)林頓功率管1.2.4功率場效應(yīng)管MOSFET1.2.5絕緣柵雙極型功率管IGBT1.2.6可控硅1.2.7智能功率器件1.2.1全面認(rèn)識晶體管

（一）晶體管的結(jié)構(gòu)特性與工作原理（二）晶體管的分類按照頻率分類低頻/高頻/超高頻按照功率分類小功率/中小功率/大功率/達(dá)林頓管/復(fù)合對管等按照原理分類帶阻晶體管/光敏晶體管/磁敏晶體管等按照功能分類恒流管/互補(bǔ)對管/開關(guān)管/帶阻尼行輸出管/差分對管1.2.2大功率晶體管GTR

通常把集電極最大允許耗散功率在1W以上，或最大集電極電流在1A以上的三極管稱為大功率晶體管，其結(jié)構(gòu)和工作原理都和小功率晶體管非常相似。大功率晶體管通常采用共發(fā)射極接法，大功率晶體三極管的外形除體積比較大外，其外殼上都有安裝孔或安裝螺釘，便于將三極管安裝在外加的散熱器上。工作原理在電力電子技術(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)。GTR的參數(shù)①最高工作電壓Vmax②集電極最大允許電流IcM③集電極最大耗散功率PcM晶體管功耗的大小主要由集電極工作電壓和工作電流的乘積來決定，它將轉(zhuǎn)化為熱能使晶體管升溫，晶體管會因溫度過高而損壞。④最高工作結(jié)溫TJMGTR的驅(qū)動與保護(hù)

二次擊穿問題

二次擊穿是由于集電極電壓升高到一定值（未達(dá)到極限值）時，發(fā)生雪崩效應(yīng)造成的。照理，只要功耗不超過極限，管子是可以承受的，但是在實(shí)際使用中，出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，Ie進(jìn)一步劇增。由于管子結(jié)面的缺陷、結(jié)構(gòu)參數(shù)的不均勻，使局部電流密度劇增，形成惡性循環(huán)，使管子損壞。①對基極驅(qū)動電路的要求②集成化驅(qū)動①對基極驅(qū)動電路的要求在使GTR導(dǎo)通時，基極正向驅(qū)動電流應(yīng)有足夠陡的前沿，并有一定幅度的強(qiáng)制電流，以加速開通過程，減小開通損耗。GTR導(dǎo)通期間，在任何負(fù)載下，基極電流都應(yīng)使GTR處在臨界飽和狀態(tài)，這樣既可降低導(dǎo)通飽和壓降，又可縮短關(guān)斷時間。在使GTR關(guān)斷時，應(yīng)向基極提供足夠大的反向基極電流，以加快關(guān)斷速度，減小關(guān)段損耗。②集成化驅(qū)動集成化驅(qū)動電路克服了一般電路元件多、電路復(fù)雜、穩(wěn)定性差和使用不便的缺點(diǎn)，還增加了保護(hù)功能。如法國THOMSON公司為GTR專門設(shè)計的基極驅(qū)動芯片UAA4002。采用此芯片可以簡化基極驅(qū)動電路，提高基極驅(qū)動電路的集成度、可靠性、快速性。它把對GTR的完整保護(hù)和最優(yōu)驅(qū)動結(jié)合起來，使GTR運(yùn)行于自身可保護(hù)的準(zhǔn)飽和最佳狀態(tài)。1.2.3達(dá)林頓功率管

達(dá)林頓管就是兩個三極管接在一起，極性只認(rèn)前面的三極管。可以分為達(dá)林頓管和達(dá)林頓陣列。1.2.4功率場效應(yīng)管MOSFET

（一）MOSFET基本知識性能：自1976年開發(fā)出功率MOSFET以來，由于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，它的性能不斷提高：如高壓功率MOSFET其工作電壓可達(dá)1000V；低導(dǎo)通電阻MOSFET其阻值僅10mΩ；工作頻率范圍從直流到達(dá)數(shù)兆赫；保護(hù)措施越來越完善；并開發(fā)出各種貼片式功率MOSFET(如Siliconix最近開發(fā)的厚度為1.5mm“Little

Foot系列)。另外，價格也不斷降低，使應(yīng)用越來越廣泛，不少地方取代雙極型晶體管。應(yīng)用：功率MOSFET主要用于計算機(jī)外設(shè)(軟、硬驅(qū)動器、打印機(jī)、繪圖機(jī))、電源(AC／DC變換器、DC／DC變換器)、汽車電子、音響電路儀器、儀表等領(lǐng)域。

MOSFET較三極管的優(yōu)點(diǎn)大功率，高效率快速開關(guān)（150KHZ）較小的控制功率不存在二次損壞機(jī)制漏源極之間具有寄生箝位二極管其驅(qū)動方式是電壓柵極驅(qū)動Mosfet分類：

耗盡型：N溝道；P溝道；

增強(qiáng)型：N溝道；P溝道。MOSFET的防擊穿保護(hù)電路MOSFET特點(diǎn)：1．MOSFET是電壓控制型器件(雙極型是電流控制型器件)，因此在驅(qū)動大電流時無需推動級，電路較簡單；

2．輸入阻抗高，可達(dá)108Ω以上；

3．工作頻率范圍寬，開關(guān)速度高(開關(guān)時間為幾十納秒到幾百納秒)，開關(guān)損耗??；

4．有較優(yōu)良的線性區(qū)，并且MOSFET的輸入電容比雙極型的輸入電容小得多，所以它的交流輸入阻抗極高；噪聲也小，最合適制作Hi-Fi音響；

5．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。MOSFET的基本應(yīng)用電池反接保護(hù)電路觸摸調(diào)光電路甲類功率放大電路（二）功率MOSFET使用需要考慮的因素 功率MOSFET可以被看作接近理想的器件，沒有BJT的某些局限性，因此功率MOSFET比前者更受歡迎。但是，盡管功率MOSFET比BJT有所進(jìn)步，但在應(yīng)用時仍然需要特別注意其功率耗散管理、開關(guān)損失最小化和MOSFET門驅(qū)動的優(yōu)化。MOSFET實(shí)質(zhì)上有兩種工作模式，即開關(guān)模式或線性模式。漏源極間電壓漏電流雪崩現(xiàn)象—開關(guān)感性負(fù)載額定功率與散熱能力導(dǎo)通電阻電路布局—額外寄生效應(yīng)門驅(qū)動優(yōu)化（三）MOSFET與三極管性能比較及優(yōu)勢 （課外閱讀）1．擊穿電壓：

2．大電流：

3．驅(qū)動電壓：

4．驅(qū)動功率：

5．導(dǎo)通電阻受溫度影響：

6．硅的利用率：

7.開關(guān)速度：8．防靜電ESD:

9．抗干擾能力：

10．反向增益(hFC)：

1.2.5絕緣柵雙極型功率管IGBT

（一）簡介絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，因此，可以把其看作是MOS輸入的達(dá)林頓管。它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動簡單和快速的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點(diǎn)，因而，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在中大功率的開關(guān)電源裝置中，IGBT由于其控制驅(qū)動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點(diǎn)，已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開關(guān)電源裝置中，由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下，使得它容易損壞，另外，電源作為系統(tǒng)的前級，由于受電網(wǎng)波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應(yīng)力更大，故IGBT的可靠性直接關(guān)系到電源的可靠性。因而，在選擇IGBT時除了要作降額考慮外，對IGBT的保護(hù)設(shè)計也是電源設(shè)計時需要重點(diǎn)考慮的一個環(huán)節(jié)。

工作原理：IGBT等效電路（二）IGBT的驅(qū)動電路

1，分立元件組成的驅(qū)動電路2，由集成電路構(gòu)成的驅(qū)動電路

（三）IGBT的保護(hù)電路1，IGBT柵極的保護(hù)2，集電極與發(fā)射極間的過壓保護(hù)2.1直流過電壓2.2浪涌電壓的保護(hù)在選取IGBT時考慮設(shè)計裕量；在電路設(shè)計時調(diào)整IGBT驅(qū)動電路的Rg，使di/dt盡可能??；盡量將電解電容靠近IGBT安裝，以減小分布電感；根據(jù)情況加裝緩沖保護(hù)電路，旁路高頻浪涌電壓。緩沖保護(hù)電路3，集電極電流過流保護(hù)4，過熱保護(hù)一般情況下流過IGBT的電流較大，開關(guān)頻率較高，故而器件的損耗也比較大，如果熱量不能及時散掉，使得器件的結(jié)溫Tj超過Tjmax，則IGBT可能損壞。IGBT的功耗包括穩(wěn)態(tài)功耗和動態(tài)動耗，其動態(tài)功耗又包括開通功耗和關(guān)斷功耗。在進(jìn)行熱設(shè)計時，不僅要保證其在正常工作時能夠充分散熱，而且還要保證其在發(fā)生短時過載時，IGBT的結(jié)溫也不超過Tjmax。1.2.6可控硅

分類：單向可控硅雙向可控硅可關(guān)斷可控硅單向可控硅2P4M圖示：表7－1可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷條件1.2.7智能功率器件

目前，功率器件正朝著集成化、智能化和模塊化的方向發(fā)展。智能功率器件為機(jī)電一體化設(shè)備中弱電與強(qiáng)電的連接提供了理想的接口。介紹了智能功率器件的特點(diǎn)、產(chǎn)品分類、工作原理及典型應(yīng)用。所謂智能功率器件，就是把功率器件與傳感器、檢測和控制電路、保護(hù)電路及故障自診斷電路等集成為一體并具有功率輸出能力的新型器件。由MC33374T/TV構(gòu)成52W開關(guān)電源的電路H橋雙向直流電動機(jī)驅(qū)動電路各種功率器件的性能及應(yīng)用領(lǐng)域：1.3電路隔離抗干擾技術(shù)

1.3.1電子設(shè)備的電路隔離技術(shù)1.3.2電力設(shè)備中的隔離技術(shù)1.3.3光電耦合器及其應(yīng)用1.3.1電子設(shè)備的電路隔離技術(shù)1引言2模擬電路的隔離3數(shù)字電路的隔離4模擬電路與數(shù)字電路之間的隔離5結(jié)語1.3.1電子電氣設(shè)備的電路隔離技術(shù)

1引言電路隔離的主要目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達(dá)到抑制噪聲干擾的效果。在采用了電路隔離的措施以后，絕大多數(shù)電路都能夠取得良好的抑制噪聲的效果，使設(shè)備符合電磁兼容性的要求。電路隔離主要有：模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離、數(shù)字電路與模擬電路之間的隔離。所使用的隔離方法有：變壓器隔離法、脈沖變壓器隔離法、繼電器隔離法、光電耦合器隔離法、直流電壓隔離法、線性隔離放大器隔離法、光纖隔離法、A/D轉(zhuǎn)換器隔離法等。2模擬電路的隔離供電系統(tǒng)的隔離模擬信號測量系統(tǒng)的隔離模擬信號控制系統(tǒng)的隔離供電系統(tǒng)的隔離

交流供電系統(tǒng)的屏蔽隔離u2C=u1CC12/（C12＋C2E）u2C=〔u1CZE/（ZE＋1/jωC10）〕C2E/（C20＋C2E)〕供電系統(tǒng)的隔離

(a)交流側(cè)隔離(b)直流隔離直流電源系統(tǒng)的隔離模擬信號測量系統(tǒng)的隔離(a)互感器隔離電路(b)線性隔離放大器圖7－43模擬信號輸入隔離系統(tǒng)大電壓/大電流微電壓/微電流模擬信號控制系統(tǒng)的隔離如前所述，模擬信號控制系統(tǒng)的隔離與模擬信號測量系統(tǒng)的隔離類似，即交流信號一般采用變壓器隔離，直流信號一般采用直流電壓隔離器或線性隔離器隔離。3數(shù)字電路的隔離光電耦合器隔離脈沖變壓器隔離繼電器隔離光電耦合器隔離

光電耦合器電路脈沖變壓器隔離（a）脈沖變壓器(b)脈沖變壓器應(yīng)用于開關(guān)電源中繼電器隔離

繼電器隔離4模擬電路與數(shù)字電路之間的隔離(a)一點(diǎn)接地(b)單端隔離的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(c)雙端隔離的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5結(jié)語以上對電子電路的電氣隔離問題作出了概括性的論述，在產(chǎn)品的研制實(shí)踐中,還要對電子電氣設(shè)備的內(nèi)部噪聲及外部干擾進(jìn)行全面的分析，結(jié)合“接地問題”，“屏蔽問題”,選擇合理的隔離方式及其恰當(dāng)?shù)母綦x部位，進(jìn)行統(tǒng)一部署，才能設(shè)計出滿足電磁兼容性要求的合格產(chǎn)品，造福于社會。1.3.2電力設(shè)備中的隔離技術(shù)

隔離技術(shù)是電磁兼容性中的重要技術(shù)之一。下面將電磁兼容中的隔離技術(shù)分為磁電、光電、機(jī)電、聲電和浮地等幾種隔離方式加以敘述。磁電隔離技術(shù)隔離變壓器

脈沖變壓器測量變壓器

霍爾傳感器

光電隔離技術(shù)

光電耦合器

紅外遙控

光纜

機(jī)電隔離技術(shù)

有觸點(diǎn)電磁繼電器

機(jī)電隔離一般采用有觸點(diǎn)電磁繼電器來實(shí)現(xiàn)，即電磁繼電器的線圈接收信號，機(jī)械觸點(diǎn)發(fā)送信號。由于機(jī)械觸點(diǎn)分?jǐn)鄷r，阻抗很大，電容很小，從而阻止了電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾的傳輸。但是繼電器的線圈工作頻率較低，不適用于工作頻率較高的場合，另外還存在觸點(diǎn)通斷時的彈跳和火花干擾以及接觸電阻等缺點(diǎn)。聲電隔離技術(shù)

聲表面波濾波器

聲表面波濾波器目前主要應(yīng)用在電視和通訊中，作為帶通、帶阻濾波器、鑒頻器和振蕩器等等。

浮地技術(shù)

浮地，即該電路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接。其優(yōu)點(diǎn)是該電路不受大地電性能的影響。其缺點(diǎn)是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動和增加了對模擬電路的感應(yīng)干擾。

浮地可使功率地（強(qiáng)電地）和信號地（弱電地）之間的隔離電阻很大，所以能阻止共地阻抗電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。放大器的浮地技術(shù)

對于放大器而言，特別是微小輸入信號和高增益的放大器，在輸入端的任何微小的干擾信號都可能導(dǎo)致工作異常。因此，采用放大器的浮地技術(shù)，可以阻斷干擾信號的進(jìn)入，提高放大器的電磁兼容能力。浮地技術(shù)的注意事項

1）盡量提高浮地系統(tǒng)的對地絕緣電阻，從而有利于降低進(jìn)入浮地系統(tǒng)之中的共模干擾電流。

2）注意浮地系統(tǒng)對地存在的寄生電容，高頻干擾信號通過寄生電容仍然可能耦合到浮地系統(tǒng)之中。

3）浮地技術(shù)必須與屏蔽、隔離等電磁兼容性技術(shù)相互結(jié)合應(yīng)用，才能收到更好的預(yù)期效果。

4）采用浮地技術(shù)時，應(yīng)當(dāng)注意靜電和電壓反擊對設(shè)備和人身的危害。1.3.3光電耦合器及其應(yīng)用

普通和帶可控硅輸出的光電耦合器電路圖光敏雙向開關(guān)器件光檢測器和光耦開關(guān)光耦應(yīng)用單刀雙擲開關(guān)電路雙刀雙擲開關(guān)電路用光電耦合器組成的開關(guān)電路遙控用光電耦合器開關(guān)電路光電耦合器控制的雙穩(wěn)態(tài)輸出開關(guān)電路光電耦合開關(guān)的施密特電路光電耦合器TTL與HTL轉(zhuǎn)換電路利用光電耦合器的高壓穩(wěn)壓電路1.4接地與抗干擾技術(shù)

1.4.1接地的種類與含義1.4.2地線的作用1.4.3接地設(shè)計1.4.1接地的種類與含義

一、引言什么是地什么是地線和接地線（極）什么是接地二、電力電子設(shè)備中的接地方式1、安全接地2、防雷接地

3、工作接地數(shù)字地/模擬地/信號地/電源地/功率地4、屏蔽接地1.4.2地線的作用

地線：有一個良好的地線,并能正確安裝使用是很重要的。有人認(rèn)為,零線就是地線,接零就等于接地,可是如果用萬用表對零線和保護(hù)地線作一簡單的測試就可發(fā)現(xiàn),零線不是地線,因表上有電壓讀數(shù)。接地線：良好的接地材料要求在高次諧波區(qū)域也有足夠低的阻抗,回路的所有點(diǎn)上均能確保相同的基準(zhǔn)電位。為了確保這一基準(zhǔn)電位,要使用低阻抗金屬導(dǎo)體,這一導(dǎo)體可以考慮諸如板狀、網(wǎng)狀等。這里應(yīng)該注意的一點(diǎn)就是接地電流的高次諧波在金屬表面形成的表面效應(yīng)。接地極：此外,因處于高次諧波區(qū)域,還必須考慮接地極的有效長度。1.4.3接地設(shè)計

“四套法”接地系統(tǒng)“三套法”接地系統(tǒng)“直流地——金屬構(gòu)件地”接地系統(tǒng)“懸浮地”接地系統(tǒng)對于接地系統(tǒng)的設(shè)計,一般來說,要求較高的采用“四套法”要求不高的可采用“直流地———金屬構(gòu)件地”;周圍環(huán)境無強(qiáng)電磁干擾及雷電很少的地方,可用“三套法”;而“懸浮地”接地系統(tǒng)目前只有在宇宙飛船航天飛機(jī)艦艇上采用。電子電路的接地設(shè)計中的單