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1、编号：（ ）字 号本科生毕业设计宽输入范围开关电源设计汪光和 21040400电气工程及其自动化04级3班题目： 姓名： 学号： 班级： 二八年六月中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名：汪光和 学 号： 21040400 学 院： 应用技术学院 专 业： 电气工程及其自动化 设计题目：宽输入范围开关电源设计 专 题： 指导教师： 胡泳军 职 称： 副教授 2008年 6 月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 应用技术学院 专业年级 电气04 学生姓名汪光和 任务下达日期：2008 年 3 月 15 日毕业设计日期：2008 年 3 月 15 日 至 2008 年6 月 10 日毕业设计
2、题目：宽输入范围开关电源设计毕业设计专题题目： 毕业设计主要内容和要求：1主要内容：（1）掌握开关电源工作原理；（2）设计一个微机保护用开关电源,分析各模块的工作过程,确定器件参数；（3）完成PCB设计（原理图、印制板图）；（4）翻译电气自动化方面专业外文资料约3000字。2 要求：设计一个微机保护用开关电源，输入电压范围是85-265V，开关电源的输出为三路直流电源。第一路输出为额定电压+5V，额定电流2A；第二路输出为额定电压+12V，额定电流0.5A；第三路输出为额定电压-12V，额定电流0.5A。院长签字： 指导教师签字： 摘 要随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活关
3、系日益密切，而任何电子设备都离不开可靠的电源。进入90年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备的应用领域，如程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等。当今开关电源正向着集成化、智能化、绿色化的方向发展，高度集成、功能强大的单片开关电源代表着当今开关电源发展的主流方向。本文介绍了高频开关电源的概述、国内外发展状况与趋势、分类及应用、工作原理，还重点讲述了单端反激式变换器和单片开关电源芯片TOPSwitch-。TOPSwitch-系列芯片是Power Integration 公司生产的开关电源专用集成电路,它将脉宽调制电路与高压MOSFET 开关管及驱动电路等集成在一起,具备完善的保护功
4、能。使用该芯片设计的小功率开关电源,可大大减少外围电路,降低成本,提高可靠性。阐述了其内部结构和工作原理,给出几种应用于反激式功率变换电路的典型用法,并设计了一种基于TOP224Y三端离线式PWM集成芯片的反激式开关稳压电源;分析了TOP224Y的特性和工作原理,设计了一款功率22W,输出+5V、12V的单片开关电源,对系统输入整流滤波电路、高频变压器、箝位保护电路、输出整流滤波电路及反馈电路五个部分进行了详细的分析,并按照指标要求,进行了实际参数值计算、器件的选取与电路设计，该开关稳压电源效率高、纹波小、输出电压稳定,性能优良,适合于仪器仪表的控制用电。关键词：开关电源; TOPSwitch
5、-; 高压MOSFE开关管; 单片开关电源; 单端反激式; 高频变压器ABSTRACTWith the development of power electronic technology, the power electronic equipments has a increasingly close relation with our work and daily life .No electronic equipment can work without a reliable power. Since 1990s the switching power supply has been u
6、sed in all kinds of fields such as exchangers, communication, testing equipments, control equipments and so on. Nowadays, it is becoming more and more integrated, intelligent and green. The high integrated and powerful single-chip switching power supply will be the dominant trend in the development
7、of the switching power supply.The brief, the situation and trend of development, classification and application, and working principle of high frequency switching power supply are introduced in this paper. It has also told the single-end fly-back converter and single slice of switch power chip TOPSw
8、itch - instead especially.TOPSwitch - series intergrated circuits are produced especially for switching power supply by Power Integration Company ,which integrate PWM and high voltage MOSFET together , and have perfect protection function. Designing low power switching power supply with such integra
9、ted circuits can decrease parts count and cost, increase reliability. In this paper the internal construction and principle of TOPSwitch-are introduced, including several typical feedback circuits and a kind of practical electric circuit. A fly-back switching power supply based on TOP224Y is present
10、ed. Firstly, the principle and characteristics of this Single-chip switching power supply are analyzed. A single-chip switching power supply is designed according to the features of the chip which output power is 22W and output voltage are +5V,-12V and +12V. Second, the external circuits of system i
11、nclude five parts, these are input rectifier-filter circuit, high frequency transformer, clamp-protect circuit, output rectifier-filter circuit and feedback circuit. According to the design requirements, the detailed analysis of the five parts is presented, calculation of the values of the parameter
12、s and selection of the components are provided. At last, the power supplies have high efficiency, low ripple, stability output voltage and excellent electrical characteristics, and are used as control power supply of instruments and meters.Keywords：Switching power supply; TOPSwitch-；High voltage MOS
13、FET; Single chip switching power supply; Single-ended fly-back; High frequency transformer目 录1 绪论11.1开关电源概述11.2开关电源国内外发展状况与趋势21.3开关电源的工作原理31.4开关电源的分类41.5开关电源变换器的基本电路61.6开关电源的应用101.7开关电源中的功率开关器件101.8课题简介111.8.1所选课题的意义111.8.2本课题的研究内容、研究方法122 单片开关电源的工作原理和分类132.1单片开关电源的基本原理132.1.1单片开关电源的两种工作模式142.1.2单片开
14、关电源反馈电路的四种基本类型152.2单片开关电源的产品分类9162.2.1三端单片开关电源162.2.2 TinySwitch 系列四端开关电源192.2.3 MC33370系列五端单片开关电源202.3 TOPSwitch单片开关电源系列产品222.3.1 TOPSwitch 系列器件简介222.3.2 TOPSwitch产品分类、性能及结构特点232.4 TOPSwitch - 系列器件252.4.1 TOPSwitch- II系列单片开关电源的性能特点10252.4.2 TOPSwitch- II系列单片开关电源的工作原理272.5五端单片开关电源的原理与应用302.5.1 TOPSw
15、itch-FX系列芯片的性能特点302.5.2 TOPSwitch-FX的管脚功能和内部结构303 单片开关电源的系统设计333.1单片开关电源功率计算333.2 TOP224Y的主要性能特点和工作原理333.2.1 性能特点11333.2.2 工作原理12343.3开关电源电路的总体设计353.3.1 输入整流滤波电路的设计363.3.2高频变压器的设计373.3.3箝位保护电路的设计413.3.4输出整流滤波电路的设计14413.3.5反馈回路的设计15434 开关电源的PCB设计技术454.1 Protel99 SE原理图设计454.2 印刷电路板（PCB）设计464.3 PCB图基本设
16、计方法和原则474.3.1 PCB布局、布线设计474.3.2 印刷电路板图设计的基本原则要求494.3.3 印刷电路板图设计中应注意的问题505 毕业设计总结52参考文献53附录1：开关电源电路原理图54附录2：TOPSwitch-的内部结构图55附录3： 开关电源PCB板图56附录4：开关电源PCB板的3D图57翻译部分58英文原文58中文译文63致 谢701 绪论1.1开关电源概述二十世纪八十年代，国内高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干设备上得到应用。由于开关电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源和相控电源有显著减少，而且对整机多相指标有良好影响，因此它的应用得到了推广
17、。近年来许多领域，例如电力系统、邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多应用开关电源，取得了显著效益。究其原因，是新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件(简称五新)不断地出现并应用到开关电源的缘故。五新使开关电源更上一层搂，达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高(简称五高)。有了五高，开关电源就有更强的竞争实力，应用也更为扩大，反过来又遇到更多问题和更实际的要求。这些问题和要求可归纳为以下五个方面:(l)能否全面贯彻电磁兼容各项标准；(2)能否大规模稳定生产或快捷单件特殊生产；(3)能否组建大容量电源；(4)电气额定值能否更高
18、(如功率因数)或更低(如输出电压)；(5)能否使外形更加小型化、外形适应使用场所要求。这五个问题是开关电源能否在更广泛领域应用的关键，是五个挑战。(简称五挑战)把挑战看成开关电源发展的动力和机遇，一向是电源科技工作者的态度。以功率因数为例，AC-DC开关电源或其他电子仪器输入端产生功率因数下降问题，用什么办法来解决?毫无疑问，利用开关电源本身的工作原理来解决开关电源应用中产生的问题是最积极的态度。实践中，用DC-DC开关电源和有源功率因数校正的开关电源，(成本比单机增加20%):成功解决了这个问题。现在，又进一步发展成单级有功率因数校正的开关电源，(成本只增加5%);在三相升压式单开关整流器中
19、减少谐波方法，有人采用注入六次谐波调脉宽控制，抑制住输入电流的五次谐波，解决了电流谐波畸变率小于10%的要求。这样的事例，不断从近年发表的科研论文中反映出来。开关电源干扰技术及防止电网污染技术以引起国内外专家注意。在21世纪，分布式电源系统的组成将强调“系统集成，、“电力电子封装技术”等。现在新的器件(能低压工作、降压很小)陆续进入市场，因而可得到1V的低压输出和功率小到I0mW的开关电源、功率密度达5-6W/cm3，为便携装置微型化提供了条件。现在可以用软开关PWM技术、印刷电路、折叠绕组变压器，可以采用非晶纳米晶合金软磁材料的铁芯，小功率开关电源整机效率可达到90%，大功率电源可达到95%
20、左右。开关频率以20KHz为下限，几十、几百倍的提高。体积设备、重量越来越显著下降。外形也可以做成轻、薄、短、小。总之，电源再不是大、粗、笨的设备，而是精致、灵巧可设计成兼有“智慧”的装置了。二十世纪九十年代以来，美国、德国等西方国家新建电厂和变电站已全部采用高频开关电源，近几年来，国内开关电源技术已经有了长足的进展，理论、研究、生产、应用等已有相当的成果或规模，采用了有效的均流技术和软开关技术，如大家所熟悉的朝阳电源就是一种较为完善的开关电源，但是，现在的开关电源都是为邮电通讯系统设计的低电压的模块，象电力系统的操作电源所用的220V/110V的电源则研究较少，深圳华为公司的电源模块有用于电
21、力系统的智能型高频开关电源，质量不错，但是，它的三次和五次谐波较大，我们知道谐波对电网有危害作用，大量的谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波“污染”，一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网电压也发生畸变;另一方面，会造成电路故障，使用电设备损坏。例如线路和配电变压器过热;谐波电流会引起电网LC谐振，或高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流、过热而爆炸;在三相电路中，中线流过三相三次谐波电流的叠加，使中线过流而损坏。另外，因为它没有采用有源功率因数校正，功率因数较低，只达到0.9，如果采用有效的功率因数校正，功率因数可以达到0.99以上。1.2开关电源国内外发展
22、状况与趋势1955年美国罗耶发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫兹的开关电源。现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整工作在线性放大区。这种稳压电源的主要缺点是变换效率低，一般只有35%-60%；开关稳压电源的调整工作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达7
23、0%-95%。因此目前空间技术、计算机、通信、雷达、电视及家用电器中的稳压电源逐步被开关电源所取代。开关电源被誉为高效节能电源，它代表着当今稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主导产品1。高频开关电源自问世至今，已经历了近四十年的发展。高频化、小型化、模块化、智能化、环保化仍是21世纪开关电源的发展方向。低压大电流和高压大电流是开关电源发展的两大支路23。 目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口。他们已经逐步做到功能齐全，质量稳定，
24、并能实行全智能，无人值守，基本上接近国际先进水平的产品。但由于我国配套工业落后，有些元器件还得依赖进口。目前国外电信电源中实际应用最多的开关整流器是采用PWM技术的MOSFET开关整流器，开关整流器的发展趋势是向高频大功率智能化发展，现在澳大利亚，加拿大，日本等国家可生产200A的MOSFET开关整流器（模块）。此外采用谐振变换技术的48V/200A开关整流器也是目前典型的新一代大功率开关整流器产品45。开关电源的小型化、高频化受开关损耗的制约。开关频率越高，损耗越大，不仅使电源的效率降低，而且因温升增加，需要庞大的散热系统。以保证器件在规定的允许温度下可靠工作。功率开关器件工作频率的提高，只
25、是为开关电源的高频化提供基础。要实现电源的高频化还必须改进变换器的控制技术，以使开关损耗近似为零，即开关损耗与开关频率无关。软开关变换技术可以实现这一目的。软开关变换器控制技术是实现开关电源装置高频化、高效率最有发展和应用前景的变换器。它是在硬开关PWM变换器的基础上，附加一个谐振网络。谐振网络通常由电感器、电容器和功率开关管等元器件组成。谐振网络谐振工作使功率开关器件在零电压或零电流条件下开关。开通或关断时刻不出现电压、电流重叠现象，减小了开关器件的应力和损耗，同时也降低了开关过程中产生的di/dt 、dv/dt 和电磁干扰噪声。模块化、智能化、集成化一直是电力电子专家和工程师所追求并为之奋
26、斗的目标。电源实现模块化、集成化是提高可靠性、降低制造成本、缩短生产周期、提高使用性和可维修性的重要条件。集智能化、驱动控制、保护于一体的智能IGBT功率模块2000V/600A已成为商品。开关电源向集成化化方向发展将是未来的主要趋势，功率密度将越来越大，对工艺的要求也会越来越高。在半导体器件和磁性材料没有新的突破之前，重大的技术进展可能很难实现，技术创新的重点将集中在如何提高效率和减小重量。因此，工艺水平将会在电源制造中占的地位越来越高。另外，数字控制集成电路的应用也是将来开关电源发展的一个方向。这依附于DSP运行速度和抗干扰技术的不断提高。至于先进的控制方法，目前已经有模糊控制、嵌入式MC
27、U等只能控制方式移植到开关电源的控制，相信随着数字控制的普及，今后还会有一些新的控制理论运用到开关电源中来。1.3开关电源的工作原理开关稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式两种。在目前开发和使用的开关电源电路中，绝大多数为脉宽调制型。调宽式开关稳压电源的控制原理如图1.1所示。对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压Uo可由式(1.1)计算： (1.1)式中Um矩形脉冲最大电压值；T矩形脉冲周期；T1矩形脉冲宽度。当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄
28、，就可达到稳定电压的目的。图1.1 脉宽调制式开关电源控制原理图开关稳压电源的电路原理框图如图1.2所示。交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压通过功率转换电路进入高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。反馈控制电路为脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源专用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。图1.2 开关电源电路原理框图1.4开关电源的分类开关稳压电源的构成方法很多，其分类方法也
29、多得使人无所适从，下面介绍其中的几种分类方法6。一、按输出能量的形式分类（1）直流开关电源 其输出是高质量的直流电能。（2）交流开关电源 其输出是高质量的交流电能。二、按驱动方式分类（1）自激式开关电源 其借助于变换器自身的正反馈控制信号，实现开关自持周期性开关。开关管起着振荡器件和功率开关的作用。如单管振铃扼流圈变换器，即称RCC变换器；双管单变压器Royer电路；双管双变压器Jensen变换器电路。（2）它激式开关电源 其电源内部备有专门独立的振荡电路，与振荡器同步的控制信号驱动开关管。三、按能量转换过程的类型分类（1）直流-直流（DC-DC）变换器 它是将一种直流电转换成另一种或几种直流
30、电。DC-DC变换器是直流开关电源的核心部件，也是非隔离式或隔离式变换器直流电源的重要组成部分。（2）逆变器（DC-AC） 它是将直流电转换成交流电的开关变换器，有的称其为变流器，是交流输出开关电源和不间断电源的主要部件。（3）开关整流器（AC-DC） 它是将交流电转换成直流电能的一种电源装置，这种变换器其变换过程应该理解为交流-直流-交流-直流（AC-DC-AC-DC）。（4）交流-交流变频器（AC-AC） 它是将一种频率的交流电直接转换成另一种恒频或可变频率的交流电，或是将变频交流电直接转换成恒频交流电的变换装置。四、按输入与输出是否隔离分类（1）隔离式开关变换器 它是高频变压器将变换器的
31、一次侧与二次侧隔离。这种变换器结构主要有单端正激式变换器、单端反激式变换器、推挽变换器、半桥式变换器、全桥式变换器。（2）非隔离式开关变换器 它是在电气上输入输出不隔离的。输入与输出共用一个公共端。这种变换器结构主要有降压型变换器、升压型变换器、降压-升压变换器以及它们的组合变形电路，如Cuk变换器、 Zeta变换器、 Sepic变换器等。五、按功率开关管关断和开通工作条件分类（1）硬开关变换器 功率开关器件是在承受电压或电流应力的情况下接通或关断的。这样不但产生开关损耗，而且形成开关尖峰干扰噪声，需要附加屏蔽、滤波等抗噪声技术，才能满足高精度、高性能用电设备的要求。（2）软开关变换器 功率开
32、关器件是在不承受电压或电流应力的情况下接通或关断的；或是加于开关管上的电压为零，称零电压开关；或是流过开关管的电流为零，称零电流开关。因开关过程中无电压、电流重叠，开关损耗大大降低，而且开关噪声电压小，有利于开关变换器的高频化、小型化。六、开关电源按控制方式分类（1）脉冲宽度调制（PWM）式 它用调整脉冲宽度和控制占空比的方法来达到输出电压的稳定。（2）脉冲频率调制（PFM）式 它采用脉冲频率来改变脉冲占空比来控制输出电压的稳定。（3）PWM与PFM混合式 即前二者兼而有之的方式，既控制脉冲宽度，又改变脉冲频率，用综合技术来改变脉冲占空比和脉冲周期来控制输出电压的稳定。1.5开关电源变换器的基
33、本电路直流开关电源变换器按其输入与输出是否进行电气上隔离，可分为非隔离式变换器电路和隔离式变换器电路。两者除了均有变压功能外，后者还有输入电量和输出电量在电气上的隔离，以满足某些场合的需要。在非隔离式变换器中，本节将重点介绍降压型变换器、升压型变换器、电压极性反转型变换器。在隔离式变换器中，将叙述应用双极型晶体管作为开关且开关管自身起着振荡元器件作用的自激式变换器和他激式PWM变换器。1单端反激式变换器单端反激式变换器的典型电路如图1.3所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管V
34、D1处于截止状态，副边上没有电流通过，能量储存在高频变压器的初级绕组中。当开关管VT1截止时，变压器T副边上的电压极性颠倒，使初级绕组中存储的能量通过VD1整流和电容C滤波后向负载输出。图1.3 单端反激式变换器电路单端反激式开关变换器电路简单、所用元件少，输出与输入间有电气隔离，能方便的实现多路输出，开关管驱动简单，可通过改变高频变压器的原、副边绕组匝比使占空比保持在最佳范围内，且有较好的电压调整率。其输出功率为20100W。它也有其一定的缺点，如开关管截止期间所受反向电压较高，导通期间流过开关管的峰值电流较大。但这可以通过选用高耐压、大电流的高速功率器件，在输入和输出端加滤波电路等措施加以
35、解决。单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20200kHz之间。2单端正激式变换器单端正激式变换器的典型电路如图1.4所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时，VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感L储存能量；当开关管VT1截止时，电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器
36、向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50200W的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，因此这种电路的实际应用较少。图1.4 单端正激式变换器电路3自激式开关变换器自激式开关变换器的典型电路如图1.5所示。当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使VT1基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和。与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic开始减小，在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压，使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变
37、压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式变换器那样，由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。图1.5 自激式开关变换器电路自激式开关变换器中的开关管起着开关及振荡的双重作用，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输入和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。4推挽式变换器推挽式变换器的典型电路如图1.6所示。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线
38、的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器T次级绕组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100500W范围内。图1.6 推挽式变换器电路5降压式变换器降压式变换器的典型电路如图1.7所示。当开关管VT1导通时，二极管VD1截止，输入的整流电压经VT1和L向C充电，这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感L感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路
39、输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。图1.7 降压式变换器电路6升压式变换器升压式变换器的稳压电路如图1.8所示。当开关管VT1导通时，电感L储存能量。当开关管VT1截止时，电感L感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式变换器。图1.8 升压式变换器电路7反转式变换器电压极性反转式变换器的典型电路如图1.9所示。这种电路又称为升降压式反极性变换器。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。当开关管VT1导通时，电感L储存能量，二极管VD1截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供
40、电。当开关管VT1截止时，电感L中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容C充电。降压式、升压式、反转式变换器的高压输出电路与副边输出电路之间没有绝缘隔离，统称为斩波型直流变换器。图 1.9 电压极性反转式变换器电路1.6开关电源的应用开关电源是20世纪60年代电源历史上的一次革命，安装于各种家用电器、工业设备及军用电子装置中，同时作为赋能装置应用于各个领域。如：金属焊接与切割电源、表面处理工程、环境保护、激光、电力系统、通信领域、蓄电池充电、风能和太阳能发电、电动机调速、军事装备中的应用。1.7开关电源中的功率开关器件开关电源中无论何种结构的变换器，作为电
41、子开关的功率开关管是不能缺少的重要器件，要求其只工作在快速开通和快速关断两种状态，以减小转换过程中引起的损耗，同时要求通态正向压降小。以下介绍几种变换器中使用的功率半导体开关器件7。1 双极结型晶体管（BJT） 它是多数载流子与少数载流子共同参与导电的电流型驱动器件，有复合效应引发的存储时间问题，多用于小功率PWM变换器及自激开关电源中。而达林顿连接的双极结型晶体管GTR模块，具有高电压、大电流、绝缘良好等优点，用于功率较大的PWM变换器。2 场效应晶体管（FET） 它是利用多数载流子参与导电的器件。直流输入阻抗很高，交流阻抗与频率有关。它是电压型驱动控制器件，要求驱动功率小。在高频（比如10
42、0KHz）使用MOSFET比使用双极结型晶体管具有更多的好处，比如无载流子复合的存储时间问题、动作速度快、工作频率高、不存在二次击穿、具有正温度系数、多管并联可自动均流。缺点是导通压降大，漏源击穿电压大的管子导通电阻大，一般限制功率MOSFET在高反压开关电源中应用，电压和电流容限等级不大。MOSFET适用于高频中、小功率开关变换器的电子开关及同步整流。使用MOSFET时，驱动脉冲的幅度应控制在10V左右。这是因为大多数MOSFET的导通门槛电压在2-5V，又因栅源间氧化层击穿电压在20-30V。过高的脉冲幅度或信号振荡，有可能击穿栅源间的氧化层。为防止振荡，一般在靠近栅极串联一只小电阻，在栅
43、源之间接瞬态抑制二极管或稳压管，驱动电路至MOSFET栅极的引线越短越好，并尽量使用绞合线。3 绝缘栅双极型晶体管（IGBT） IGBT结构与MOSFET相似，只是多了一个P+层引出作为发射极。它兼有双极型晶体管和场效应晶体管的优点。控制时有MOSFET的特点：电压型控制器件、开通、关断特性好、速度快；导通时具有双极型晶体管的特点：电压、电流容限大，压降小。在高频开关电源中IGBT与MOSFET成为功率开关器件的主体。IGBT更适合于频率50KHz以下的中、大功率开关变换器，而MOSFET更适合于频率50KHz以上的中、小功率开关变换器。IGBT中的NPT（非穿通型）IGBT具有电压高、速度快
44、、损耗小、温度特性好、热阻小等特点，与PT（穿通型）IGBT相比有明显的应用优势。4 门极关断晶闸管（GTO） GTO在SCR晶闸管的基础上，增加了门极可关断功能，要求驱动功率大，门极驱动电路复杂。而且由于关断期间的不均匀性引发“挤流效应”，使GTO关断dv/dt限制在500-1000V/s，需要体积大而笨重、昂贵的吸收电路。GTO主要应用在低频（500Hz）的开关变换器大功率装置中。5 集成门极换流晶闸管（IGCT） IGCT芯片的基本图形和结构与常规的GTO类似，主要采用了特殊的环状门极。它与GTO相比具有良好的开通特性，不用缓冲电路即可实现可靠关断等优点，主要应用于高功率、高电压的低频（
45、1KHz左右）的变流器中。6 MOS门控晶闸管（MCT） MCT是在晶闸管的基础上再集成一对场效应MOS管。一个为P沟道场效应管，专控制MCT导通，称为ON-FET。另一个为N沟道场效应管，专控制MCT关断，称为OFF-FET。MCT充分利用晶闸管良好的通态特性及MOS管优良的开通和关断特性，驱动与MOSFET、IGBT相似。MCT具有低的正向导通压降，在电流密度相同的情况下，MCT的正向导通压降比MOSFET、GTR、IGBT要低。工作频率与阴极电流有关，电流小时工作频率基本不变，中等电流时工作频率随电流线性下降，大电流时工作频率随电流增大而急剧下降而失去开关能力。MCT在高压大功率变换器中
46、是有发展前途的开关器件，但达到GTO替代产品的水平及商业实用化还需要相当长的时间。7 静电感应晶体管（SIT） SIT也是一种门极可关断高电压、大电流高速开关器件，工作频率至少比GTO高一个数量级。控制功率范围与GTO相当。1.8课题简介1.8.1所选课题的意义电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源，因此，电源越来越受人们的重视。现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整工作在线性放大区。这种稳压电源的主要缺点是变换效率低，一般只有35%-60%；开关稳压电源的调整工作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达70%-95%。因此目前空间技术、计算机、通信、雷达、电视及家用电器中的稳压电源逐步被开关电源所取代。开关稳压电源
