自激式开关电源设计(编辑修改稿)

自激式开关电源设计(编辑修改稿)内容摘要：

电压和电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰就会污染市电电网，影响临近的电子仪器及设备的正常工作。 随着开关稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点得到进一步克服，可以达到不妨碍一般的电子仪器、设备和家用电器正常工作的程度。 但是，在一些精密电子仪器中，由于开关稳压电源的这一缺点，却使它不能得到使用。 所以，克服稳压电源的这一缺点，进一步提高它的使用范围，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第三个问题。 客观上讲，开关电源的发展是非常快的，这时因为它具有其他电源所无法比拟的优势。 材料之新、用途之广，是它快速发展的主要动力。 但是，它离人们的要求、应用的价值还差 得很远，体积、重量、效率、抗干扰能洛阳理工学院毕业设计（论文） 12 力、电磁兼容性以及使用的安全性都不能说是十分完美。 目前要解决的问题有： (1) 器件问题。 电源控制集成度不高，这就影响了电源的稳定性和可靠性，同时对电源的体积和效率来说也是一个大问题。 (2) 材料问题。 开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管灯都很笨重，也是耗能的主要根源。 (3) 能源变换问题。 按照习惯，变换有这样几种形式： AC/DC 变换、DC/AC 变换以及 DC/DC 变换等。 实现这些变换都是以频率为基础，以改变电压为目的，工艺复杂，控制难度大，始终难以形成大规模生产。 (4) 软件问题。 开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化。 要做到“软开关”并实行程序化，更是有一定的困难。 要真正做到功率转换、功率因数改善、全程自动检测控制实现软件操作，目前还存在很大的差距。 (5) 生产工艺问题。 往往在试验室中能达到相关的技术标准，但在生产上会出现各种问题。 这些问题大多是焊接问题和元器件技术性能问题，还有生产工艺上的检测、老化、粘结、环境等方面的因素。 开关电源的发展趋势 未来的开关电源像一只茶杯的盖子：它的工作频高达 2~10MHz，效率达到 95%，功率密度为 3~6W/cm2，功率因数高达 ，长期使用完好，寿命在 80000h 以上。 这就是开关电源的发展趋势。 所谓高标准就是对未来开关电源的挑战：第一，能不能全面通容电磁兼容性的各项技术标准；第二，在企业里能不能大规模地、稳定地生产，或快捷地进行单项生产；第三，按照人们的需要，能不能组装或拼装大容量、高效率的电源；第四，能否使新的开关电源具有比运行中的电气额定值更高的功率因数、更低的输出电压（ 1~3V）、更大的输出电流（数百安）；第五，能不能实现更小的电源模块。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 13 第 2 章 自激式开关电源元器件的选用 无论那一种变换器，用的是那一种结构形式的开关电源，所使用的元器件都是开关晶体管、电阻、电容、电感及磁性材料等。 选用好元器件，是决定开关电源质量的关键。 往往设计的开关电源在试验室中式成功的，一到生产线上进行规模生产时，就会出现各种问题。 当然，有设计方面的，有工艺方面的，还有焊接方面的，但多数是元器件选用问题。 元器件本身质量的差异是影响开关电源质量的一个重要原因。 开关器件的特征： 同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征： (1) 能处理电功率的大小，即承受电压 和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。 (2) 开关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，电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。 (3) 开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关。 (4) 电路中的开关器件往往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 一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。 (5) 为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。 导通时，器件上有一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态漏电流流过；形成断态损耗时，在开关器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 14 开关晶体管 电力场效应管 MOSFET MOSFET 分 P 沟道耗尽型、 P 沟道增强型、 N 沟道耗尽型和 N 沟道增强型 4 种类型。 增强型 MOSFET 具有应用方便的“常闭”特性（即驱动信号为零时，输出电流等于零）。 在开关电源中，用作开关功率管的 MOSFET几乎全部都是 N 沟道增强型器件。 这时因为 MOSFET 是一种依靠多数载流子工作的单极型器件，不存在二次击穿和少数载流子的储存时间问题，所以具有较大的安全工作区、良好的散热稳定性和非常快的开关速度。 MOSFET 在大功率开关电源中用作开关，比双极型功率晶体管具有明显的优势。 所有类型的有源功率因数校正器都是为驱动功率 MOSFET 而设计的，所以说，用作开关的 MOSFET 是任何双极型功率晶体管所不能替代的。 (a) N 沟道内部结构断面示意图； (b) 电气图形符号 图 21 电力 MOSFET 的结构和电气图形符号 1. MOSFET 的主要特点 MOSFET 是一种依靠多数载流子工作的典型场控制器件。 由于它没有少数载流子的存储效应，所以它适用于 100~200MHz 的高频场合，从而可以采用小型化和超小型化的磁性元件和电容器。 MOSFET 具有负的电流温度系数，可以避免热不稳定性和二次击穿，适合在大功率和大电流条件下应用。 MOSFET 从驱动模式上来分，属于电压控制器件，驱动电路设计比较简单，驱动功率甚微，在启动或稳定工作条件下的峰值电流要比采用双极型功率晶体管小得多。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 15 MOSFET 中大多数集成有阻尼二极管，而双极型功率晶体管中大多没有内装阻尼二极管。 MOSFET 对系数的可靠性与安全性的影响并不像双极型晶体管那样重要。 MOSFET 的主要缺点是导通电阻（ RDS( ON)）较大，而且具有正温度系数，用在大电流开关状态时，导通损耗较大，开启门限电压 VGS(th)较高（一般为 2~4V），要求驱动变压器绕组的匝数比采用双极型晶体管多 1 倍以上。 2. MOSFET 的驱动电路 MOSFET 的驱动电路如图 22 和图 23 所示。 TRD W1D W2V TGDS 图 22 加速 TR 关断驱动电路 在图 22 中， NS 为脉冲变压器次级驱动绕组， R 是 MOSFET 的栅极限流电阻。 齐纳二极管 DW1， DW2 反向串接在一起，用于对 VT 的栅 — 漏极进行钳位，放置驱动电压 VGS 过高而使 VT 几串。 R 的阻值一般为60~200Ω。 尽管 MOSFET 的输入阻抗很高，但仍会产生充电电流。 R 值小，则开关速度高，只要栅极的驱动电压一撤销，就会立刻截止。 图 23 所示是加速漏 极电流跌落时间、有利于零功率控制的电路。 当MOSFET 的栅极驱动电压突然降到门限电压时， MOSFET 由导通突变为截止，三极管 BC557 加速了 ID 的跌落，为 MOSFET 起到加速作用。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 16 TR1 1 0 0V T1GDSM T D 5 N2 5 E2 5 TNSR21 KIDV DV T2B C 5 5 7 图 23 功率驱动电路 绝缘栅双极晶体管 IGBT 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）是一种大电流密度、高电压激励的场控制器件，是高压、高速新型大功率器件。 它的耐压能力为 600～ 1800V，电流容量为 100～ 400A，关断时间低至 ，在开关电源中作功率开关 用，具有 MOSFET 与之不可比拟的优点。 IGBT 的主要特点是： ① 电流密度大，是 MOSFET 的 10 倍以上。 ② 输入阻抗高，栅极驱动功率小，驱动电路简单。 ③ 低导通电阻。 IGBT 的导通电阻只有 MOSFET 的 10%。 ④ 击穿电压高，安全工作区大，在受到较大瞬态功率冲击时不会损坏。 ⑤ 开关速度快，关断时间短。 耐压为 1kV的 IGBT 的关断时间为 ，600V 的产品的关断时间仅为。 C 集 电 极G栅 极E 发 射 极G栅 极C ( D )集 电 极 ( 漏 极 ）E ( S )发 射 极 ( 源 极 ) 图 24 IGBT 的图形符号 洛阳理工学院毕业设计（论文） 17 上述这些特征克服了 MOSFET 的一些缺陷，即在大功率、高电压、大电流条件下工作时导通电阻大、器件发热严重、输出功率下降、电源效率低下的弊病。 有关 IGBT 的图形符号见图 24。 二极管 二极管在电子电路中用得较多，功能各异。 从结构上来分，有点接触型和面接触型二极管。 面接触型二极管的工作电流比较大，发热比较厉害，它的最高工作温度不允许超过 100℃。 按照功能来分，有快速恢复及超快速恢复二极管，有整流二极管、稳压二极管及开关二极管等。 以下介绍几种二极管的特点及检测方法。 开关二极管 开关管用在高速运行的电子 电路中，起信号传输作用，在模拟电路中起作钳位抑制作用。 高速开关硅二极管是高频开关电源中的一个主要器件，这种二极管具有良好的高频开关特性。 它的反向恢复时间 trr 只有几纳秒，而且体积小，价格低。 在开关电源的过压保护、反馈控制系统中常用到硅二极管，如 1N414 1N4448。 硅二极管的主要技术指标是： (1) 最高反向工作电压 VRM 和反向击穿电压 VBR：这两个参数越大越好。 (2) 最大管压降 VFM：小于。 (3) 最大工作电流 Id：大于 150mA。 (4) 反向恢复时间 trr：小于 10ns。 稳压二极管 稳压二极管又叫齐纳二极管（ Zener Diod），具有单向导电性，它工作在电压反向击穿状态。 当反向电压达到并超过稳定电压时，反向电流突然增大，而二极管两端的电压恒定，这就叫做稳压。 它在电子电路中用作过压保护、电平转换，也可用来提供基准电压。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 18 1．稳压二极管的分类 稳压二极管分低压和高压两种。 稳压值低于 40V 的叫做低压稳压二极管；高于 200V 的叫做高压稳压二极管。 现在市面上从 到 200V，各种型号规格齐全。 稳压管的直径一般只有 2mm，长度为 4mm。 它的稳压性能好，体积小，价格便宜。 稳 压二极管从材料上分为 N 型和 P 型两种。 选用稳压二极管的原则是：第一，注意稳定电压的标称值；第二，注意电压的温度系数。 2．稳压二极管的用途 稳压二极管具有以下几个作用：第一，对漏极和源极经行钳位保护；第二，起到加速开关管导通的作用；第三，在开关电源中常用高压稳压二极管代替瞬态电压抑制器 TVS 对初级回路产生的尖峰电压进行钳位；第四，在晶体管反馈回路中，常常在晶体管的发射极串联一只稳压管作电压负反馈，提高放大电路的稳定性。 3．稳压二极管的主要参数 稳压二极管的主要参数如下： ① 稳定电压 VZ。 设计人员根据需要选 用。 ② 稳定电流 IE。 ③ 温度系数 t。 温度越高，稳压误差越大。 快速恢复二极管及 超快速恢复二极管 快速恢复二极管（ Fast Recovery Diod）和超快速恢复二极管（ Superfast Recovery Diod， SRD）时很多电子设备中常用的器件，在开关电源中也经常用到。 这两种二极管具有开关特性好、耐压高、正向电流大、体积小等优点，在电子镇流器、不间断电源、变频电源、高频微波炉等设备中常用在整流、续流、限流等电路 中。 1．超快速恢复二极管的性能特点 ① 反向恢复时间 trr：通过二极管的电流由零点正向转反向后，再由反向转换到规定值的时间。 ② 平均整流电流 Id：这时选用二极管的又一个主要指标。 一般来说，选用管子的整流电流时设计输出电流的 3 倍以上。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 19 ③恢复和快速恢复二极管有 3 种结构，即单管、共阴对管和共阳对管。 所谓共阴、共阳是指两只二极管接法不同。 2．检测方法及选用原则 ① 检测方法：利用万用表的电阻档或数字万用表的二极管检测档，能够检查二极管的单向导电性，并测出正向导通压降；用兆欧表能测出反向击穿电压。 一般正向电阻 为 6 ，反向电阻为无穷大，可从读出的负载电压计算出正向导通压降。 ② 选用原则：超快速恢复二极管在开关电源中可作为阻塞二极管和次级输出电压的整流管。 超快速恢复二极管的反向恢复时间在 20～ 50ns 之间；整流电流 Id 为最大输出电流 IOM 的 3 倍以上，即 Id3IOM；最高反向工作电压 VRM 为最大反向峰值电压 V(BR)S 的 2 倍以上，即 VR。