开关电源基础与应用第1章.ppt

第1章 开关电源基本原理,1.1 开关电源的组成与工作原理 1.2 开关电源主要类型 1.3 开关电源主要结构 1.4 开关电源辅助技术 1.5 开关器件的选择与驱动 1.6 整流电路 1.7 电源指标测试与电源管理 1.8 电磁兼容技术与噪声,1.1 开关电源的组成与工作原理1.1.1 开关电源工作原理开关电源的工作原理可以用图1-1进行说明。图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输入端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管。开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波就可得到稳定的直流输出电压Uo。,图1-1 开关电源的工作原理,定义脉冲占空比如下：,(1-1),式中，T表示开关S的开关重复周期；ton表示开关S在一个开关周期中的导通时间。开关电源直流输出电压Uo与输入电压Ui之间具有如下关系：Uo=UiD(1-2),1.1.2 开关电源的构成开关电源由以下四个基本环节组成(见图1-2)：(1)DC/DC变换器：用以进行功率变换，是开关电源的核心部分。DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。(2)驱动器：开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号放大、整形，以适应开关管的驱动要求。(3)信号源：产生控制信号，由它激或自激电路产生，可以是PWM信号，也可以是PFM信号或其他信号。(4)比较放大器：对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，达到稳定输出电压的目的。,图1-2 开关电源基本组成框图,1.1.3 开关电源的特点开关电源具有以下特点：(1)效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小、效率高。调整管的效率一般为80%90%，高的可达90%以上。(2)重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，所以电源的重量只是同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小。(3)稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在90270 V范围变化时，输出电压的变化在2%以下。合理设计电路还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。,(4)安全可靠。在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，所以当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保护功能可靠。(5)元件数值小。由于开关电源的工作频率高，一般在20kHz以上，所以滤波元件的数值可以大大减小。(6)功耗小。功率开关管工作在开关状态，其损耗小；电源温升低，不需要采用大面积散热器。采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。,1.2 开关电源主要类型1.2.1 控制方式1脉冲宽度调制式由开关电源输出直流电压表达式(1-2)可知，控制开关管的导通时间ton，可以调整输出电压Uo，达到输出稳压的目的。脉冲宽度调制(PWM)方式是采用恒频控制，即固定开关周期T，通过改变脉冲宽度ton来实现输出稳压。开关器件的开关频率f由自激或它激方式产生。,2脉冲频率调制式脉冲频率调制(PFM)方式是利用反馈来控制开关脉冲频率或开关脉冲周期，实现调节脉冲占空比D，达到输出稳压的目的。3脉冲调频调宽式这种控制方式是利用反馈控制回路，既控制脉冲宽度ton，又控制脉冲开关周期T，以实现调节脉冲占空比D，从而达到输出稳压的目的。,4其他方式若触发信号利用电源电路中的开关晶体管、高频脉冲变压器构成正反馈环路，完成自激振荡，使开关电源工作，则这种电源称为自激式开关电源。它激式开关电源需要外部振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。它激式电源大多数需要专用的PWM触发集成电路。,1.2.2 连接分类电源以功率开关管的连接方式分类，可分为单端正激开关电源、单端反激开关电源、半桥开关电源和全桥开关电源；以功率开关管与供电电源、储能电感的连接方式以及电压输出方式分类，可分为串联开关电源和并联开关电源。串联开关电源、并联开关电源、单端正激、单端反激、半桥及全桥开关电源的工作原理将在以后章节分别讨论。,1.2.3 输出取样方式取样电路是电源反馈电路的重要部分，取样方式对系统的稳定性有决定作用。取样方式是开关电源电路设计的重点工作之一。1直接取样电路图1-3为直接输出取样电路在开关电源中的应用实例。光电耦合器中三极管集电极电流IC的大小与发光二极管电流IF及光电耦合系数h成正比例关系，即IC=hIF(1-3),图1-3 直接输出取样电路,当开关电源的输出电压因输入电压升高或负载减轻而升高时，开关电源+B滤波电容C561两端升高的电压一路经取样电阻R555、R556取样，光电耦合器OC515的1脚电压升高，即发光二极管正极电位升高；另一路经取样电阻R552、RP551、R553取样，误差放大管VT553的基极电位升高，由于VT553发射极接有稳压管，其发射极电位不变，所以VT553加速导通，集电极电位下降，于是OC515内的发光二极管发光强度增大，OC515内的光电三极管内阻下降，脉宽调节电路的VT511、VT512相继导通，开关管VT513导通时间减小，使输出电压下降到正常值。,采用直接输出取样方式的开关电源安全性好，且具有便于空载检修、稳压反应速度快、瞬间响应时间短等优点。由误差取样电路与误差放大电路组成的三端误差取样放大器电路如图1-4所示。该电路不但简化了结构，而且提高了电路的可靠性。,图1-4 三端误差取样放大器电路,2间接取样电路图1-5是一个开关电源的间接输出取样电路。在开关变压器上专门设置有取样绕组(即、绕组)，取样绕组感应的脉冲电压经VD811整流，在滤波电容C815两端产生供取样的直流电压。由于取样绕组与次级绕组采用了紧耦合结构，所以滤波电容C815两端电压的高低就间接反映了开关电源输出电压的高低。间接输出取样方式的缺点是响应慢，当输出电压因输入电压等原因发生突变时，输出电压的变化需经开关变压器磁耦合才能反映到取样绕组两端，所以稳压的动态效果一般。,图1-5 间接输出取样电路,1.3 开关电源主要结构1串联型结构串联开关电源工作原理方框图如图1-6所示。功率开关晶体管VT串联在输入与输出之间，正常工作时，它在开关驱动控制脉冲的作用下周期性地在导通和截止之间交替转换，使输入与输出之间周期性地闭合与断开。输入不稳定的直流电压通过功率开关晶体管VT后输出为周期性脉冲电压，再经滤波后就可得到平滑的直流输出电压Uo。Uo与功率开关晶体管VT的脉冲占空比D有关，见式(1-2)。输入交流电压或负载电流的变化将引起输出直流电压的变化，通过输出取样电路将取样电压与基准电压相比较，误差电压通过误差放大器放大，去控制脉冲调宽电路的脉冲占空比D，就可达到稳定直流输出电压Uo的目的。,串联开关电源中的功率开关管VT串在输入电压Ui与输出电压Uo之间，因此对开关管耐压要求较低。但是由于输入电压和输出电压共用地线，故电源输入与输出间不隔离。,图1-6 串联开关电源原理图,2并联型结构并联开关电源工作原理方框图如图1-7所示。功率开关晶体管VT与输入电压、输出负载并联，输出电压为,(1-4),图1-7是一种输出升压型开关电源，电路中有一个储能电感，适当利用这个储能电感可将并联开关电源转变为广泛使用的变压器耦合并联开关电源。,图1-7 并联开关电源原理图,变压器耦合并联开关电源原理图如图1-8所示。,图1-8 变压器耦合并联开关电源原理图,功率开关晶体管VT与开关变压器初级绕组串联，连接在电源供电输入端，它在开关脉冲信号的控制下周期性地导通与截止。集电极输出的脉冲电压通过变压器耦合在次级得到脉冲电压，这个脉冲电压经整流滤波后得到直流输出电压Uo。经过取样电路将取样电压与基准电压UE进行比较，误差电压通过误差放大器放大后输出至功率开关晶体管VT，通过控制VT的导通与截止达到控制脉冲占空比的目的，从而稳定直流输出电压。由于采用变压器耦合，所以变压器的初、次级相互隔离，使初级电路地与次级电路地分开，做到次级电路地不带电，使用时很安全。同时由于变压器耦合，可以使用多组次级绕组，在次级得到多组直流输出电压。,3正激式结构正激式开关电源电路如图1-9所示，是一种采用变压器耦合的降压型开关稳压电源。加在变压器N1绕组上的脉冲电压振幅等于输入电压Ui，脉冲宽度为功率开关管VT导通时间ton的开关脉冲序列，变压器次级开关脉冲电压经二极管VD1整流变为直流。电源中功率开关管VT导通时变压器初级绕组励磁电流最大值为,(1-5),式中：LN1表示变压器初级绕组N1的电感量；D表示脉冲占空比；T表示脉冲开关周期。,图1-9 正激式开关电源电路,正激式开关电源的特点是：当初级的功率开关管VT导通时，电源输入端的能量由次级二极管VD1经输出电感L为负载供电；功率开关管VT断开时，由续流二极管VD2继续为负载供电，并由消磁绕组N3和消磁二极管VD3将初级绕组N1的励磁能量回馈到电源输入端。,4反激式结构反激式开关电源电路如图1-10所示。功率开关管VT导通时，输入端的电能以磁能的形式存储在变压器的初级绕组N1中，依据图中次级N2同名端标注，二极管VD1不导通，负载没有电流流过。功率开关管VT断开时，变压器次级绕组以输出电压Uo为负载供电，并对变压器消磁。反激式开关电源电路简单，输出电压Uo既可高于输入电压Ui，又可低于Ui，一般适用于输出功率为200W以下的开关电源中。,图1-10 反激式开关电源电路,5半桥型结构当要求电源输出功率较大时可采用半桥型开关电源，其工作原理和波形如图1-11所示。两个功率开关晶体管VT1和VT2在开关驱动脉冲的作用下，交替地导通与截止。当开关管VT1导通时，在输入电压Ui作用下，电流经VT1、变压器初级绕组N1和电容C2给变压器初级绕组N1励磁，同时经次级二极管VD1、绕组N2给负载供电。当开关管VT1截止、VT2导通时，输入电源经C1、变压器初级绕组N1、开关管VT2给变压器初级绕组N1励磁，同时经次级二极管VD2给负载供电。所以，电源通过功率开关管VT1、VT2交替给变压器初级绕组N1励磁并为负载供电。变压器初级的脉冲电压幅度为Ui/2。同样，电容C1、C2上的电压也分别为Ui/2。,图1-11 半桥型开关电源原理图和波形图,半桥型开关电源的自平衡能力强，不易使变压器由于VT1、VT2的导通时间不一致而产生磁饱和现象，导致功率开关管VT1、VT2损坏。当VT1、VT2导通时间不一致时，变压器初级N1绕组的励磁电流大小不一样，致使电容C1、C2上的电压不相等，励磁电流越大，则对应的电容器电压越小，从而起到自平衡对称作用。由于每个功率开关管上的电压只有输入电源电压Ui的一半，所以要输出同样的功率，每个功率开关管中流过的电流就要增大一倍。半桥型开关电源中需要避免功率开关管VT1、VT2的同时导通，需使VT1、VT2功率开关管的导通时间相互错开，相互错开的最小时间称为死区时间。,6全桥型结构全桥型开关电源工作原理图如图1-12所示。该电源由4个功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4组成桥式电路，由VT1和VT4、VT2和VT3分别组成两个导通回路。当VT2、VT3的触发控制信号有效时，VT1、VT4的触发控制信号无效。VT2、VT3导通时，输入电源Ui经VT2、变压器的初级绕组N1和开关VT3形成电流回路，加至变压器初级绕组的电压幅度为电源电压Ui，并经次级二极管VD1整流、滤波后输出，为负载供电。同理，当VT2、VT3关断，VT1、VT4导通时，输入电源Ui从与VT2、VT3导通时电流相反的方向为变压器初级绕组N1励磁，并通过次级绕组N2和整流二极管V2为负载供电，这样在次级得到如图1-12(b)中Up-p所示的脉冲波形。,图1-12 全桥型开关电源原理图和波形图,和半桥型开关电源相比，由于加在全桥型变压器初级绕组上的电压和电流比半桥开关电源的各大一倍，在同样的电源供电电压Ui下，全桥开关电源的输出功率比半桥开关电源大4倍。同样，在全桥开关电源中也存在4个功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4共态导通问题，这点也可以通过设置死区时间的方法来克服。,1.4 开关电源辅助技术1.4.1 多输出电源1主开关电源主开关电源的输出功率较副电源、行输出级二次电源的输出功率大。主开关电源主要为主负载电路提供110145V的直流电压。主开关电源将220V交流输入电压直接整流、滤波为300V左右的直流电压，经过开关稳压调整环节中的开关调整管、开关变压器、稳压控制电路、激励脉冲产生电路对300V左右的直流电压进行DC/DC开关变换，产生各种所需的稳定直流电压输出。主开关电源停止工作，则相应的功率放大级也将停止工作，主负载将失去直流供电。,2副电源副电源的主要作用是为微处理器等控制电路提供低电压(+5V)。由于负载小，副电源电路可采用简易开关电源或线性稳压电源。无论负载处于正常工作状态还是待机状态，副电源都处于连续工作状态。,3多电源电路的主要特点(1)负载均要求具有高可靠性，对电源的要求是除了提供较大的功率，还要求有较高的效率。(2)电源输入能适应110V或220V交流供电的需要。一般要求电源对交流输入电压的适应范围为90245V，并对50Hz及60Hz输入频率均能适应。(3)输出端与输入端隔离。输出取样反馈回路必须采用隔离元件进行电源初、次级的隔离，以提高设备的抗干扰性和安全性。(4)电源电路有良好的过压、过流、输出短路及复位功能。(5)可实现遥控待机功能，设计有副电源电路(待机电源)。,1.4.2 倍压/桥式整流切换为了保证负载能在较宽的交流输入电压范围(如在90245V)正常工作，需要倍压/桥式整流自动切换电路，使它在110V交流输入电压下工作在倍压整流方式，而在220V交流输入电压下工作在桥式整流方式，从而使电源在110V/220V两种交流供电情况下都能正常工作。倍压/桥式整流自动切换电路的原理图如图1-13所示。,图1-13 倍压/桥式整流自动切换电路,当输入220V交流电压时，通过电压检测电路使双向晶闸管VS截止，这时电容C1、C2相串联，整流电路为普通桥式整流工作方式，整流输出电压Uo为300V左右的直流电压。当交流输入电压为110V时，通过电压检测电路使双向晶闸管VS导通，整流电路工作在倍压整流方式。倍压整流的工作原理如下：在交流电压的正半周时，交流电经二极管VD1、电容C1、双向晶闸管VS形成回路，并给电容C1充电；在交流电压的负半周时，交流电经双向晶闸管VS、电容C2和二极管VD4形成回路，并给电容C2充电，输出电压Uo为电容C1、C2上电压之和，形成倍压整流。,1.4.3 微处理器控制1待机控制电路(一)如图1-14所示，微处理器在待机状态下输出的高电平使VT1饱和导通，VT2截止，将行振荡电路的供电电压切断，整机处于无声、无光的待机状态。为了降低待机状态下的整机功耗，微处理器还要使开关电源由正常振荡转变为低频弱振荡，使+B输出电压减小到正常值的1/2，但仍为微处理器控制电路提供+5V电压。这种待机控制电路的特点是整机必有一个电源，并且待机状态下整机功耗较小，所以使用较多。,图1-14 待机控制电路(一),2待机控制电路(二)如图1-15所示，微处理器在待机状态下输出的待机控制信号使主开关电源停止工作，从而使负载处于静止的待机状态。这种待机控制电路的特点是，必须有一个副开关电源，它为微处理器提供+5V电压。,图1-15 待机控制电路(二),3待机控制电路(三)如图1-16所示，微处理器在待机状态下输出的高电平使VT1饱和导通，继电器RY1绕组中有电流通过，绕组产生的电磁力使交流触点开关断开，将负载电源切断。在这种待机控制电路中，一旦进入待机状态后，微处理器也失去了+5V供电，无法再利用遥控器等使负载进入正常运行状态，所以这种待机控制电路又称做交流关机控制电路。,图1-16 待机控制电路(三),4待机控制电路(四)如图1-17所示，微处理器在待机状态下输出的低电平使VT1截止，继电器RY1线圈断电流，继电器开关断开，交流220V主开关电源被切断，于是电子设备处于无声、无光的待机状态。,图1-17 待机控制电路(四),5待机控制电路(五)如图1-18所示，微处理器在待机状态下输出的高电平使VT1饱和导通，将行驱动管VT2基极上的驱动脉冲由VT1的c-e极短路，使行扫描电路停止工作。这种待机控制电路中，微处理器所需的+5V供电电压和行输出所需的+B电压都由同一开关电源提供，省掉了副电源电路，但是开关电源在待机状态下仍正常工作，待机状态下整机的功耗约为10W。,图1-18 待机控制电路(五),1.4.4 防干扰技术防开机浪涌电流电路如图1-19所示。在设备开机瞬间，由于滤波电容C1上的初始电压为零，所以C1的起始充电电流很大。传统电路简单地用大功率电阻R1来限制开机浪涌电流，但是此电阻在负载进入正常工作状态后，仍串接在电路中，这会使整机功耗增大，同时也易引起整机温升。,图1-19 防开机浪涌电流电路,开关电源防开机浪涌电流电路有以下两种：(1)晶闸管控制电路。晶闸管控制的防开机浪涌电流控制电路如图1-20所示。由于开机瞬间浪涌电流很大，所以在电阻R1上的压降也很大，使VZD3击穿导通并引起VT1导通。VT1的c、e极导通使晶闸管VS2的触发极被短路，VS2处于截止态，开机浪涌电流全部从限流电阻R1中流过。当滤波电容C1充电结束，负载进入正常工作状态后，流经电阻R1的电流为正常工作电流，限流电阻R1两端的电压下降，VZD3和VT1恢复截止，晶闸管VS2的控制极经电阻R2获得触发电压，使晶闸管VS2导通，整机电流不再流经电阻R1，而经晶闸管VS2旁路，电阻R1不再消耗功率。,图1-20 晶闸管控制的防开机浪涌电流控制电路,(2)继电器控制电路。图1-21为采用继电器控制的防开机浪涌电流电路。开机瞬间开关电源还未正常工作，电容C2上无电压，VZD2和VT1均截止，继电器RY1绕组中无电流通过，RY1的触点开关断开，所以防开机浪涌电流电路作用。当开关电源正常工作后，C2上有正常电源电压，这时，VZD2、VT1导通，RY1绕组中有电流通过，继电器触点开关闭合将R1短路，电阻R1不再消耗功率。,图1-21 继电器控制的防开机浪涌电流电路,1电磁干扰开关电源的优点是效率高、体积小，但由于其始终工作在高频开关状态，所以会产生极大的高频谐波成分，而这些高频谐波成分辐射到空间，极易干扰其他设备正常工作。干扰有两方面的含义，一是开关电源本身产生的干扰信号对别的机器正常工作的影响；二是开关电源本身抗外界干扰，保证自身正常工作的能力，即所谓抗干扰性。,1)开关管的工作状态开关电源中的开关管在工作时会产生较大的脉冲电压和脉冲电流，而脉冲电压、电流中包含有许多高次谐波。同时，在开关管导通时，由于开关变压器漏感和输出整流二极管的恢复特性形成的电磁振荡，在二极管上会产生浪涌电压；在开关管断开时，变压器漏感也会产生浪涌电压，这些都将成为噪声干扰源。,2)二极管的恢复特性硅二极管进行高频整流时，由于存在结电容，正向电流所积蓄的电荷在加反向电压时不能马上消失。这种载流子积蓄效应使二极管流过反向电流，这段时间称做反向恢复时间。在反向恢复时间内，由于反向电压较大，会产生较大损耗。如果反向电流恢复时的电流上升率di/dt较大时，由于电感作用产生较大的尖峰电压，这就形成恢复噪声。恢复噪声既可通过吸收回路实现，也可通过谐振开关技术实现。恢复电路对提高开关电源的可靠性及减小干扰有很大的作用。肖特基二极管没有载流子积蓄效应，所以恢复噪声很小，在恢复电路中应用较多。,3)变压器变压器绕组中电流形成的磁通大部分通过高导磁率的磁芯，但仍会有少部分通过绕组与间隙辐射出去，成为所谓漏磁通，这些漏磁通将形成电磁感应干扰。4)整流滤波电容由于交流输入的开关电源在输入端接有整流滤波电路，使整流二极管的导通角很小，整流电流的峰值很大，这种脉冲状的二极管整流电流也会产生干扰。,2干扰的抑制方法1)抑制干扰发生源的电平干扰的来源为电流、电压急剧变化的部分，是由功率开关管、整流二极管和周围电路引起的。为此应尽量降低电流和电压波形的变化率。利用吸收电路可以降低浪涌电压，并减少开关变压器的漏感。,2)RC吸收回路 如图1-22、图1-23所示的RC、RCD吸收回路可以起到减少脉冲电流、电压变化率的效果，改善开关电路的工作条件，从而减少干扰，保护功率开关管。,图1-22 RC吸收回路 图1-23 RCD吸收回路,3)利用LC干扰抑制电路LC干扰抑制电路如图1-24所示，可以起到电源供电输入端与开关电源端干扰信号的双向抑制作用。图中的电抗器T的匝数比为1，同名端如图所示，是一种共模干扰抑制电感，它对电源输入端或开关电源端产生的共模干扰信号等效阻抗很大，从而起到共模干扰信号的抑制作用。,图1-24 LC干扰抑制电路,1.5 开关器件的选择与驱动1.5.1 开关器件的特征和类型1电力电子器件的特征与处理信号的电子元件相比，开关电源的开关器件具有以下特征：(1)最主要的参数是承受电功率的大小，即承受电压和电流的能力，处理电功率的能力从毫瓦级至兆瓦级，远大于普通信号电路中的电子器件。(2)电源用电子器件一般都工作在开关状态。导通时(通态)阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；断开时阻抗很大，接近于开路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定。电力电子器件的动态特性和参数，是其特性的重要方面，有时甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，可用理想开关来代替电子器件。,(3)电路中电源电子器件需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要驱动电路对控制电路的信号进行隔离放大。(4)在器件开通或关断的转换过程中产生的开通损耗和关断损耗总称开关损耗，而通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大，成为器件功率损耗的主要因素。为保证不发生因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏的问题，不仅在器件封装上要注意散热的设计，在其工作时还要安装散热器。,2电源电子器件的系统组成电源系统由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。(1)控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。附加的一些保护电路、检测电路也属于控制电路。(2)驱动电路位于主电路和控制电路之间，将大电压和大电流的主电路与小电压和小电流的控制电路进行电气隔离，而通过其他手段如光、磁等来传递信号。,(3)开关器件一般有三个端子，其中两个连接在主电路中，而第三端被称为控制端或称控制极。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。,3电源电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，可将其分为以下三类：(1)半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。晶闸管及其大部分派生器件均属于此类器件，器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。(2)全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断。例如，绝缘栅双极型晶体管IGBT，电力场效应晶体管MOSFET，门极可关断晶闸管GTO等。(3)不可控器件：不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。例如电力二极管等，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。,按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，可将其分为两类：(1)电流驱动型：通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制，如大功率晶体管GTR等。(2)电压驱动型：仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制，如IGBT等。电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件。,1.5.2 电力二极管1电力二极管的基本特性1)静态特性电力二极管的静态特性指其伏安特性，当电力二极管承受的正向电压达到一定值，即门槛电压UTO时，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。,2)开通过程电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经一段时间才接近稳态压降，如图1-25所示。其中，uF表示二极管压降，iF表示二极管正向电流，tfr为正向恢复时间。电流上升率越大，UFP越高。3)关断过程电力二极管经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。如图1-26所示，URP为最大反向电压，IRP为最大反向电流，trr为反向恢复时间(trr越小越好)。,图1-25 开通过程,图1-26 反向恢复过程中电流和电压波形,2电力二极管的主要类型(1)整流二极管：该类二极管一般用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路，其反向恢复时间较长，一般在5s以上，正向电流额定值和反向电压额定值很高，分别可达数千安和数千伏以上。(2)快恢复二极管(FRD)：指恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短的二极管，也称快速二极管。该类二极管的反向恢复时间短(可低于50ns)，正向压降也很低(0.9V左右)，但其反向耐压多在400V以下。超快恢复二极管的快速恢复时间甚至仅为2030ns。,(3)肖特基二极管：该管的反向恢复时间很短(1040ns)，正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。在反向耐压较低的情况下，肖特基二极管的正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，故效率较高。肖特基二极管当反向耐压提高时其正向压降也会高，因此多用于低压条件下。,1.5.3 电力场效应晶体管1电力场效应晶体管的特点电力场效应晶体管简称电力MOSFET，其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性好。但由于该管的电流容量小，耐压低，因此它一般用于功率不超过10kW的电源电子装置。,2电力MOSFET的结构和工作原理电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道，图1-27(a)所示为N沟道电力MOSFET的结构，图(b)为电力MOSFET的电气图形符号。电力MOSFET的工作原理是：在截止状态，漏、源极间加正电源，栅、源极间电压为零，P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏、源极之间无电流流过；在导通状态，即当UGS大于开启电压或阈值电压UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电。,电力MOSFET的开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是电力电子器件中最高的。由于电力MOSFET是场控器件，静态时几乎不需输入电流，但在开关过程中需对输入电容充、放电，故仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。因为电力MOSFET开关频率可达到100kHz，采用专用驱动芯片最为理想。IR2011、IR221系列均可工作在100kHz以上。同类型的高压板桥驱动IC有很完善的保护机制，可以很好地应用于半桥、全桥、三相全桥等拓扑结构。,图1-27 电力MOSFET的结构和电气图形符号,1.5.4 绝缘栅双极晶体管1IGBT的结构和工作原理IGBT为三端器件，分别为栅极G、集电极C和发射极E，如图1-28所示。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是场控器件，通断由栅、射极电压UGE决定。导通状态：UGE大于开启电压，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通；关断状态：栅、射极间施加反压或不加信号，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,图1-28 IGBT的结构和电气图形符号,2IGBT的特性和参数特点(1)开关速度高，开关损耗小。(2)相同电压和电流时，安全工作区大，且具有耐脉冲电流冲击的能力。(3)通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域。(4)输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。(5)与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力进一步提高，同时保持开关频率高的特点。,3IGBT驱动电路1)IGBT栅极驱动模块的选用IGBT栅极驱动模块EXB841、M57962L均可用于驱动1200V系列400A以内的IGBT模块，且具有过流检测及保护功能。2)驱动模块外围电路IGBT在关断时，管子的集电极、发射极之间产生的电压上升率du/dt高达30000V/s。过高的du/dt会产生较大的位移电流，并导致产生较大的集电极脉冲浪涌电流，很容易使IGBT发生动态擎住现象。为了避免IGBT发生这种误动作，必须在IGBT栅极加负偏压。,3)IGBT模块与滤波电容的连接IGBT的输入特性与MOSFET类似，输入阻抗较高。如果驱动电路失去电压，则IGBT的栅极失去负偏压，对发射极呈高阻态。此时一旦有干扰窜至IGBT的栅极，则IGBT模块的上、下两管易同时导通。如果IGBT模块直接与数千微法的滤波电容连接，那么滤波电容储存的能量会通过IGBT模块的上、下管直接释放，易导致IGBT模块损坏。因此大功率电源设计时应考虑加入控制电路，以使在开机时先接通控制、驱动部分电路的电源，后将IGBT模块与滤波电容连接。在关机时先将IGBT模块与滤波电容断开，后关断控制、驱动部分电路的电源。,4功率模块与功率集成电路功率模块将多个器件封装在一个模块中，以缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，这样做可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测和自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路(PIC)。智能功率模块(IPM)则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为开关变换电路的理想接口。,1.5.5 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT)是一种新型半导体开关器件，它将门极驱动电路与门极换流晶闸管(GCT)集成于一个整体。IGCT是基于GTO结构的电力半导体器件，不仅具有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降，而且具有与IGBT相同的开关性能，可以说是GTO和IGBT相互取长补短的结果，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适用于6kV和10kV的中压开关电路。IGCT在不串不并的情况下，二电平逆变器容量可达0.53MVA，三电平逆变器容量可达16MVA。若反向二极管分离，不与IGCT集成在一起，二电平逆变器容量可扩至4.5MVA，三电平容量扩至9MVA，现在已有这类器件构成的变频器系列产品。目前，IGCT已经商品化，IGCT产品的最高性能参数为4.5kV/4kA，最高研制水平为6kV/4kA。,1IGCT的结构与工作原理 图1-29所示为IGCT的符号，它与GTO相似，为四层三端器件，其导通原理与GTO一样，但关断原理与GTO完全不同。在IGCT的关断过程中，可瞬间从导通转到阻断状态，变成一个PNP晶体管，所以，它无外加du/dt限制；而GTO必须经过一个既非导通又非关断的中间不稳定状态进行转换，所以GTO需要很大的吸收电路来抑制重加电压的变化率du/dt。阻断状态下IGCT的等效电路可认为是一个基极开路的低增益PNP晶体管与门极电源的串联。IGCT可像IGBT一样无缓冲运行，无二次击穿，拖尾电流虽大但时间很短。,图1-29 IGCT符号,2IGCT的应用 现有的高压变频器中大多采用低压IGBT和高压IGBT。IGBT具有快速的开关性能，但在高压变频中其导电损耗大，而且需要许多IGBT复杂地串联在一起。相对低压IGBT来讲，高压IGBT串联的数量相对要少一些，但导电损耗却更高。元件总体数量的增加使变频器的可靠性降低，柜体尺寸增大，成本提高。因此新型高压、大电流变频调速器采用IGCT，可以实现快速、均衡换流和低损耗。由于IGCT像IGBT那样具有快速开关功能，像GTO那样导电损耗低，所以在高压、大电流各种应用领域中可靠性更高。与其他类型变频器的拓扑结构相比，采用电压源型逆变器的IGCT的结构更简单，效率更高。对于4.16kV的变频器，逆变器中需要24个高压IGBT，如使用低压IGBT，则需60个，而若采用IGCT则只需12个。,尽管IGCT变频器不需要限制du/dt的缓冲电路，但是其本身不能控制di/dt(这是IGCT的主要缺点)，所以为了限制短路电流上升率，在实际电路中常串入适当电抗。整套逆变器由11个元器件组成：6个IGCT(带集成反向二极管)，1个电抗，1个钳位二极管，1个钳位电容和1个电阻，一套门极驱动电源。一套3MVA的逆变器外形尺寸仅为780mm590mm333mm，其结构紧凑，元器件数少，可靠性高，成本低。,有效硅面积小、低损耗、快速开关等优点保证了IGCT能可靠、高效地用于300 kVA10MVA变流器，而不需要串联或并联。IGBT与IGCT相比，尽管前者具有一些优良的特性，如能实现di/dt和du/dt的有源控制、有源钳位，易于实现短路电流保护和有源保护等，但因存在着导通损耗高、硅有效面积利用率低、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，限制了其在高功率低频变流器中的实际应用。因此在大功率MCT问世以前，IGCT将成为普遍使用的高功率高电压器件。,1.5.6 缓冲电路1缓冲电路的作用缓冲电路也叫吸收电路，其作用就是抑制器件的内部过电压和du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。(1)关断缓冲电路，也称du/dt抑制电路，其作用是吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小器件的关断损耗。(2)开通缓冲电路，也称di/dt抑制电路，其作用是抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起可形成复合缓冲电路，如图1-30所示。,图1-30 缓冲电路,2缓冲电路中的元件设计C2和R2的取值可通过实验确定或参考工程手册，VD2必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/10，尽量减小线路电感，选用内部电感小的吸收电容，中小容量场合可只在直流侧设一个du/dt抑制电路，对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容。晶闸管在实用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压，关断时也没有较大的du/dt，一般采用RC吸收电路即可解决。,1.6 整 流 电 路1.6.1 恒功率整流普通的限流型整流器有恒压型整流器和恒流型整流器之分。在恒压型整流器中，其输出电压保持不变。而在恒流型整流器中，其输出电流保持不变，如果负载电流超过限流值，整流器输出电压将随电流的增加迅速下降，直至整流器过流而关断。在恒流型限流整流器中，其额定电流、限定电流和过流三个电流值相当接近。而恒功率整流器是在交流输入电压和直流输出电压的变化范围内均能给出额定功率。,恒功率整流器与普通限流型整流器的不同之处是它有三个不同的输出阶段，即在恒压阶段和恒流阶段中插入了一个恒功率阶段。恒压阶段和恒流阶段的工作情况与普通限流型整流器完全相同，恒功率阶段是普通限流型整流器所没有的，有了恒功率阶段便可使整流器输出功率保持不变。普通的限流型整流器的输出电流超过限定值时，输出电压会大幅度降低，不能保证输出功率不变。但在恒功率整流器中，随着输出电流超过限定值时，输出电压也会降低，但降低速度较慢，基本保持其输出功率不变，负载设备仍然可以正常工作。所以在采用恒功率整流器的开关电源的设计中，只需考虑电子设备的最大负荷和整流器的冗余，以确定开关电源的额定输出功率，也随之确定了输出电压和输出电流的调整范围。,1.6.2 倍流整流倍流整流器由高频变压器次级绕组、两个电感器、两个整流二极管和输出电容器组成。倍流整流器的特点是高频变压器次级绕组没有中心抽头，两个滤波电感器绕制在同一个磁芯上，其电感量相等。这样，流过变压器次级绕组和两个电感器的电流只是输出负载电流的一半，因此大大简