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1、电力电子技术,项目三 开关电源制作与调试,项目描述,开关稳压电源简称开关电源（Switching Power Supply），是利用控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，由于它不需要沉重的电源变压器（用轻量高频变压器替代），是一种高效率、高可靠性、小型化、轻型化的稳压电源，是电子设备的主流电源。广泛应用于生活、生产、军事等各个领域。各种计算机设备、彩色电视机等家用电器等都大量采用了开关电源。,项目任务书,相关知识准备,30W开关电源,30W开关电源,知识讲授,开关器件,开关器件有许多，经常使用的是场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT，在小功率开关电源上
2、也使用大功率晶体管GTR，本实例中使用的是GTR。,1大功率晶体管GTR,(1)大功率晶体管的结构和工作原理,知识讲授,开关器件,1）基本结构 通常把集电极最大允许耗散功率在1W以上，或最大集电极电流在1A以上的三极管称为大功率晶体管，其结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。由三层半导体、两个PN结组成，有PNP和NPN两种结构，其电流由两种载流子（电子和空穴）的运动形成，所以称为双极型晶体管。,知识讲授,开关器件,图3-1（a）是NPN型功率晶体管的内部结构，电气图形符号如图（b）所示。大多数GTR是用三重扩散法制成的，或者是在集电极高掺杂的N+硅衬底上用外延生长法生长一层N漂移层，然后在
3、上面扩散P基区，接着扩散掺杂的N+发射区。,大功率晶体管通常采用共发射极接法，图3-1（c)给出了共发射极接法时的功率晶体管内部主要载流子流动示意图。图中，1为从基极注入的越过正向偏置发射结的空穴，2为与电子复合的空穴，3为因热骚动产生的载流子构成的集电结漏电流，4为越过集电极电流的电子，5为发射极电子流在基极中因复合而失去的电子。,知识讲授,开关器件,图3-1 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子流动(a)GTR的结构(b）电气图形符号(c）内部载流子的流动,知识讲授,开关器件,图3-2 常见大功率三极管外形,知识讲授,开关器件,2）工作原理 在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。晶
4、体管通常连接称共发射极电路，NPN型GTR通常工作在正偏（Ib0）时大电流导通；反偏（Ib0）时处于截止高电压状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关工作状态。,知识讲授,开关器件,(2)GTR的特性与主要参数1）GTR的基本特性,图3-3 GTR共发射极接法的输出特性,知识讲授,开关器件,图3-4 开关过程中ib和ic的波形（动态特性）,知识讲授,开关器件,图3-5 开关过程中ib和ic的波形（动态特性）,知识讲授,开关器件,2）GTR的参数 这里主要讲述GTR的极限参数，即最高工作电压、最大工作电流、最大耗散功率和最高工作结温等。最高工作电压GTR
5、上所施加的电压超过规定值时，就会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。BUcbo：发射极开路时，集电极和基极间的反向击穿电压。BUceo：基极开路时，集电极和发射极之间的击穿电压。,知识讲授,开关器件,BUcer：实际电路中，GTR的发射极和基极之间常接有电阻R，这时用BUcer表示集电极和发射极之间的击穿电压。BUces：当R为0，即发射极和基极短路，用BUces表示其击穿电压。BUcex：发射结反向偏置时，集电极和发射极之间的击穿电压。其中BUcboBUcexBUcesBUcerBUceo，实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。,知识讲授,开关
6、器件,集电极最大允许电流IcMGTR流过的电流过大，会使GTR参数劣化，性能将变得不稳定，尤其是发射极的集边效应可能导致GTR损坏。因此，必须规定集电极最大允许电流值。通常规定共发射极电流放大系数下降到规定值的1/21/3时，所对应的电流Ic为集电极最大允许电流，以IcM表示。实际使用时还要留有较大的安全余量，一般只能用到IcM值的一半或稍多些。,知识讲授,开关器件,集电极最大耗散功率PcM集电极最大耗散功率是在最高工作温度下允许的耗散功率，用PcM表示。它是GTR容量的重要标志。晶体管功耗的大小主要由集电极工作电压和工作电流的乘积来决定，它将转化为热能使晶体管升温，晶体管会因温度过高而损坏。
7、实际使用时，集电极允许耗散功率和散热条件与工作环境温度有关。所以在使用中应特别注意值IC不能过大，散热条件要好,知识讲授,开关器件,最高工作结温TJMGTR正常工作允许的最高结温，以TJM表示。GTR结温过高时，会导致热击穿而烧坏。,知识讲授,开关器件,(3)GTR的二次击穿和安全工作区,3-6 GTR安全工作区,知识讲授,开关器件,(4)GTR的驱动与保护1）GTR基极驱动电路对基极驱动电路的要求由于GTR主电路电压较高，控制电路电压较低，所以应实现主电路与控制电路间的电隔离。,知识讲授,开关器件,基极驱动电路图3-7是一个简单实用的GTR驱动电路。,3-7 实用的GTR驱动电路,知识讲授,
8、开关器件,集成化驱动,集成化驱动电路克服了一般电路元件多、电路复杂、稳定性差和使用不便的缺点，还增加了保护功能。如法国THOMSON公司为GTR专门设计的基极驱动芯片UAA4002。采用此芯片可以简化基极驱动电路，提高基极驱动电路的集成度、可靠性、快速性。它把对GTR的完整保护和最优驱动结合起来，使GTR运行于自身可保护的准饱和最佳状态。,知识讲授,开关器件,2）GTR的保护电路,3-8 GTR的缓冲电路,知识讲授,开关器件,功率场效应晶体管MOSFET:功率场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）简称MOSFET。与G
9、TR相比，功率MOSFET具有开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击穿现象等优点。它的缺点是电压还不能太高、电流容量也不能太大。所以目前只适用于小功率电力电子变流装置。,知识讲授,开关器件,（1）功率MOSFET的结构及工作原理1）结构,知识讲授,开关器件,几种功率场效应晶体管的外形,知识讲授,开关器件,2）工作原理,当D、S加正电压（漏极为正，源极为负），UGS=0时，P体区和N漏区的PN结反偏，D、S之间无电流通过；如果在G、S之间加一正电压UGS，由于栅极是绝缘的，所以不会有电流流过，但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS
10、大于某一电压UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。电压UT称开启电压或阀值电压，UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流越大。,知识讲授,开关器件,（2）功率MOSFET的特性与参数1）功率MOSFET的特性转移特性输出特性开关特性,知识讲授,开关器件,功率MOSFET的开关过程,（a）MOSFET开关特性的测试电路（b）波形,知识讲授,二、DC/DC变换电路,知识讲授,开关状态控制电路,1开关状态控制方式的种类开关电源中，开关器件开关状态的控制方式主要有占空比控制和幅度控制两大类。
11、（1）占空比控制方式 占空比控制又包括脉冲宽度控制和脉冲频率控制两大类。,知识讲授,开关状态控制电路,1)脉冲宽度控制 脉冲宽度控制是指开关工作频率(即开关周期T)固定的情况下直接通过改变导通时间(TON)来控制输出电压Uo大小的一种方式。因为改变开关导通时间TON就是改变开关控制电压UC的脉冲宽度，因此又称脉冲宽度调制(PWM)控制。2)脉冲频率控制 脉冲频率控制是指开关控制电压UC的脉冲宽度(即TON)不变的情况下，通过改变开关工作频率(改变单位时间的脉冲数，即改变T)而达到控制输出电压Uo大小的一种方式，又称脉冲频率调制(PFM)控制。,知识讲授,开关状态控制电路,（2）幅度控制方式 即
12、通过改变开关的输入电压Us的幅值而控制输出电压Uo大小的控制方式，但要配以滑动调节器。,知识讲授,开关状态控制电路,2PWM控制电路的基本构成和原理,知识讲授,开关状态控制电路,工作过程如下：输出开关管在锯齿波的起始点被导通。由于锯齿波电压比误差放大器的输出电压低，所以PWM比较器的输出较高，因为同步信号已在斜坡电压的起始点使倒相电路工作，所以脉冲倒相电路将这个高电位输出使V1导通，当斜坡电压比误差放大器的输出高时，PWM比较器的输出电压下降，通过脉冲倒相电路使V1截止，下一个斜坡周期则重复这个过程。,知识讲授,开关状态控制电路,3 PWM控制器集成芯片介绍,（1）SG1524/2524/35
13、24 系列PWM控制器,知识讲授,开关状态控制电路,SG1524工作波形,知识讲授,开关状态控制电路,SG3524的引脚连接,知识讲授,开关状态控制电路,（2）SG3525A PWM控制器SG3525A是SG3524的改进型，凡是利用SG1524/SG2524/SG3524的开关电源电路都可以用SG3525A来代替。应用时应注意两者的引脚连接的不同。,知识讲授,开关状态控制电路,SG3525A的内部原理图,知识讲授,开关状态控制电路,SG3525A的引脚连接,知识讲授,开关状态控制电路,（3）SG3525A的典型应用电路1）SG3525A驱动MOSFET管的推挽式驱动电路如下图所示。其输出幅度
14、和拉灌电流能力都适合于驱动功率MOSFET管。SG3525A的两个输出端交替输出驱动脉冲，控制两个MOSFET管交替导通。,知识讲授,开关状态控制电路,SG3525A驱动MOSFET管的推挽式驱动电路,知识讲授,开关状态控制电路,SG3525A驱动MOS管的半桥驱动电路,知识讲授,其他电路,1过电压保护电路过电压保护是一种对输出端子间过大电压进行负载保护的功能。一般方式是采用稳压管，下图是过电压保护电路的典型实例。,过电压保护电路,知识讲授,其他电路,2过电流保护电路过电流保护是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。,过电流保护电路,知识讲
15、授,其他电路,3软启动电路开关电源的输入电路一般采用整流和电容滤波电路。输入电源未接通时，滤波电容器上的初始电压为零。在输入电源接通的瞬间，滤波电容器快速充电，产生一个和大的冲击电流。,项目方案确定,1、分小组讨论，分析阐述各自计划和电路图确定方案，说明方案选择理由。,老师指导确定最终电路图方案。,项目方案确定,每组选派一位成员阐述电路安装调试方案。,项目计划制订,制订项目计划实施表,设计实施记录表,元器件清单,询价单,元器件测试记录表,调试记录表,维修记录表,项目实施计划表,项目实施,调试前的准备工作,当一个电路板焊接都完成后，在检查该电路板是否可以正常工作时，通常不要直接给电路板供电，而是要按下面的步骤进行检查，确保每一步都没有问题后在上电也不迟，以免造成不必要的危险。连线是否正确 电源接口是否有短路现象 元器件安装情况,制订调试方案单元电路调试(先调控制电路)整体调试测试性能指标,项目检查,教师及学生填写检查单。,项目检查单,撰写项目设计与制作报告,小组讨论，自我评述完成情况及发生的问题，小组共同给出提升方案和效率的建议,项目评估,小组准备汇报材料，小组成员以团队形式进行汇报老师对方案评价说明 整理相关资料，列表说明项目资料及资料来源，注明存档情况,成品上交资料备注。,项目评估,项目评价表,
