开关电源技术总结

1 / 16 开关电源技术总结 开关电源原理总结 站长编著 第一部分：功率电子器件 第一节：功率电子器件及其应用要求 功率电子器件大量被应用于电源、伺服驱动、变频器、电机保护器等功率电子设备。这些设备都是自动化系统中必不可少的，因此，我们了解它们是必要的。 近年来，随着应用日益高速发展的需求，推动了功率电子器件的制造工艺的研究和发展，功率电子器件有了飞跃性的进步。器件的类型朝多元化发展，性能也越来越改善。大致来讲，功率器件的发展，体现在如下方面： 1 器件能够快速恢复，以满足越来越高的速度需要。以开关电源为例，采用双极型 晶体管时，速度可以到几十千赫；使用 MOSFET 和IGBT，可以到几百千赫；而采用了谐振技术的开关电源，则可以达到兆赫以上。 2 通态压降降低。这可以减少器件损耗，有利于提高速度，减小器件 体积。 3 电流控制能力增大。电流能力的增大和速度的提高是一对矛盾，目前最大电流控 2 / 16 制能力，特别是在电力设备方面，还没有器件能完全替代可控硅。 4 额定电压 ：耐压高。耐压和电流都是体现驱动能力的重要参数，特别对电力系统， 这显得非常重要。 5 温度与功耗。这是一个综合性的参数，它制约了电流能力、开关速度等能力的提 高。目前有两个方向解决这个问题，一是继续提高功率器件的品质，二是改进控制技术来降低器件功耗，比如谐振式开关电源。 总体来讲，从耐压、电流能力看，可控硅目前仍然是最高的，在某些特定场合，仍然要使用大电流、高耐压的可控硅。但一般的工业自动化场合，功率电子器件已越来越多地使用 MOSFET和 IGBT，特别是 IGBT获得了更多的使用，开始全面取代可控硅来做为新型的功率控制器件。 第二节：功率电子器件概览 一 整流二极管： 二极管是功率电子系统中不可或缺的器件，用于整流、续流等。目前比较多地使用如下三种选择： 1 高效快速恢复二极管。压降，适合小功率， 12V左右电源。 2 高效超快速二极管。，适合小功率， 12V 左右电源。 3 肖特基势垒整流二极管 SBD。，适合 5V等低压电3 / 16 源。缺点是其电阻和耐压的平方成正比，所以耐压低，反向漏电流较大，易热击穿。但速度比较快，通 态压降低。 目前 SBD的研究前沿，已经超过 1 万伏。 二大功率晶体管 GTR 分为： 单管形式。电流系数： 10-30。 双管形式 达林顿管。电流倍数： 100-1000。饱和压降大，速度慢。下图虚线部分即是达林顿管。 图 1-1：达林顿管应用 实际比较常用的是达林顿模块，它把 GTR、续流二极管、辅助电路做到一个模块内。在较早期的功率电子设备中，比较多地使用了这种器件。图 1-2 是这种器件的内部典型结构。 图 1-2：达林顿模块电路典型结构 两个二极管左侧是加速二极管，右侧为续流二极管。加速二极管的原理是引进了电流串联正反馈，达到加速的目的。 这种器件的制造水平是 1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz 左右。 三 可控硅 SCR 可控硅在大电流、高耐压场合还是必须的，但在常规工业控制的低压、中小电流控制中，已逐步被新型器件取代。 目前的研制水平在 12KV/8000A 左右。 由于可控硅4 / 16 换流电路复杂，逐步开发了门极关断晶闸管 GTO。制造水平达到 8KV/8KA，频率为 1KHz 左右。 无论是 SCR 还是 GTO，控制电路都过于复杂，特别是需要庞大的吸收电路。而且，速度低，因此限制了它的应用范围拓宽。 集成门极换流晶闸管 IGCT和 MOS关断晶闸管之类的器件在控制门极前使用了 MOS 栅，从而达到硬关断能力。 四 功率 MOSFET 又叫功率场效应管或者功率场控晶体管。 其特点是驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时，导通电阻与电压的平方成正比，因而提高耐压和降低高压阻抗困难。 适合低压 100V以下，是比较理想的器件。 目前的研 制水平在 1000V/65A 左右。商业化的产品达到 60V/200A/2MHz、 500V/50A/100KHz。是目前速度最快的功率器件。 五 IGBT 又叫绝缘栅双极型晶体管。 这种器件的特点是集 MOSFET 与 GTR的优点于一身。输入阻抗高，速度快，热稳定性好。通态电压低，耐压高，电流大。 目前这种器件的两个方向：一是朝大功率，二是朝高速度发展。大功率 IGBT模块达到 1200-1800A/1800-3300V5 / 16 的水平。速度在中等电压区域，可达到 150-180KHz。 它的电流密度比 MOSFET 大，芯片面积只有 MOSFET的 40%。但速度比 MOSFET低。 尽管电力电子器件发展过程远比我们现在描述的复杂，但是 MOSFET和 IGBT，特别是 IGBT已经成为现代功率电子器件的主流。因此，我们下面的重点也是这两种器件。 第三节：功率场效应管 MOSFET 功率场效应管又叫功率场控晶体管。 一原理： 半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料，供感兴趣的同事可以查阅。 实际上，功率场效应管也分结型、绝缘栅型。但通常指后者中的 MOS 管 ，即 MOSFET。 它又分为 N 沟道、 P沟道两种。器件符号如下： N 沟道 P 沟道 图 1-3： MOSFET 的图形符号 MOS器件的电极分别为栅极 G、漏极 D、源极 S。 和普通 MOS 管一样，它也有： 耗尽型：栅极电压为零时，即存在导电沟道。无论VGS正负都起控制作用。 增强型：需要正偏置栅极电压，才生成导电沟道。达到饱和前， VGS 正偏越大， IDS 越大。 一般使用的功率 MOSFET多数是 N沟道增强型。而且6 / 16 不同于一般小功率 MOS管 的横向导电结构，使用了垂直导电结构，从而提高了耐压、电流能力，因此又叫 VMOSFET。 二特点： 这种器件的特点是输入绝缘电阻大，栅极电流基本为零。 驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时，导通电阻与电压的平方成正比，因而提高耐压和降低高压阻抗困难。 适合低压 100V 以下，是比较理想的器件。 目前的研制水平在 1000V/65A 左右。 其速度可以达到几百 KHz，使用谐振技术可以达到兆级。 三参数与器件特性： 无载流子注入，速度取决于器件的电容 充放电时间，与工作温度关系不大，故热稳定性好。 转移特性： ID 随 UGS 变化的曲线，成为转移特性。从下图可以看到，随着 UGS的上升，跨导将越来越高。 IDUGS 图 1-4： MOSFET的转移特性 输出特性： 输出特性反应了漏极电流随 VDS变化的规律。 这个特性和 VGS又有关联。下图反映了这种规律。 图中，爬坡段是非饱和区，水平段为饱和区，靠近7 / 16 横轴附近为截止区，这点和 GTR 图 1-5： MOSFET的输出特性 VGS=0 时的饱和电流称为饱和漏电流 IDSS。 通态电阻 Ron： 通态电阻是器件的一个重要参数，决定了电路输出电压幅度和损耗。该参数随温度上升线性增加。而且 VGS 增加，通态电阻减小。 跨导： MOSFET的增益特性称为跨导。定义为： Gfs= ID/ VGS 显然，这个数值越大越好，它反映了管子的栅极控制能力。 栅极阈值电压 栅极阈值电压 VGS 是指开始有规定的漏极电流时的最低栅极电压。它具有负温度系数，结温每增加 45 度，阈值电压下降 10%。 电容 MOSFET 的一个明显特点是三个极间存在比较明显的寄生电容，这些电容对开关速度有一定影响。偏置电压高时，电容效应也加大，因此对高压电子系统会有一定影响。 有些资料给出栅极电荷特性图，可以用于估算电容的影响。以栅源极为例，其特性如下： 可以看到：器件开通延迟时间内，电 荷积聚较慢。随着电压增加，电荷快速上升，对应着管子开通时间。最后，当电压增加到一定程度后，电荷增8 / 16 加再次变慢，此时管子已经导通。 开关电源相关知识总结 一、 开 关 电 源 解 释 与 工 作 原理 . 3 二 、 电 路 组 成 框图 . 3 三、开关电源原理的疑惑 . 6 四 、 开 关 电 源 主 要 特点： . 6 五 、 高 频 开 关 电 源 的 系 统 参数 . 6 六、温度对通信开关电源性能和寿命的影响 . 8 七 、 冷 却 方 式 对 电 源 工 作 温 度 的 影响 .9 / 16 . 9 八、 通信电源散热的主要方法及优缺点 . 10 一、 开关电源解释与工作原理 开关电源就是通过控制电路控制开关管进行高速的导通与截止将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压！ 顾名思义其核心就是开关二字。开关三极管和开关变压器是开关电源的核心部件，通过自激式或他激式使开关管工作在饱和、截止状态，从而在开关变压器的副绕组上感应出高频电压，再经过整流、滤波和稳压后输出各种直流电压。开关三极管和开关变压器是开关电源的核心部件，其质量直接影响电源的好坏和使用寿命，尤其是开关三极管，工作在高反压状态 下，没有足够的保护电路，很容易击穿烧毁。开关管的品质直接决定了电源的稳定性，它也是电源中主要的发热元件，拆开电源后看到的主散热片上的两个晶体管就是开关管。 工作原理： 1.交流电源输入经整流滤波成直流 ; 2.通过高频 PWM信号控制开关管 ,将那个直流加 到开关变压器初级上 ; 3.开关变压器次级感应出高频电压 ,经整流滤波供10 / 16 给负载 ; 4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路 ,控制PWM占空比 ,以达到稳定输出的目的 . 二、电路组成框图 图 1 开关电源组成框图 开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。它们的功能是： 1.输入电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。在优质电源中一般都有两极EMI滤波电路。 第一级 EMI 电路：交流电源插座上焊接的是一级 EMI电源滤波器电路，这是一块独立的电路板，是交流电输入后所经过的第一组电路，这个由扼流圈和电容组成的低通网络能滤除电源线上的高频杂波和同相干 扰信号，同时也将电源内部的干扰信号屏蔽起来，构成了电源抗电磁干扰的第一道防线。 二级 EMI 电路：市电进入电源板后先通过电源保险丝，然后再次经过由电感和电容组成的第二道 EMI 电路以充分滤除高频杂波，然后再经过限流电阻进入高压整流滤波电路。保险丝能在电源功率太大或元件出现短路时熔断以保护11 / 16 电源内部的元件，而限流电阻含有金属氧化物成分，能限制瞬间的大电流，减少电源对内部元件的电流冲击。 2.输入整流滤波器：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。一般情况下，采用桥式全波整流；经过 EMI滤波后的市电，再经过全桥整流和电容滤波后就变成了高压的直流电。将输入端的交流电转变为脉冲直流电，目前有两种形式，一种是全桥就是把四个二极管封装在一起，一种是用 4个分立的二极管组成桥式整流电路，作用相同，效果也一样。 一般说来，在全桥附近应该有两个或更多的高大桶状元件，即高压电解电容，其作用是将脉动的直流电滤除交流成分而输出比较平稳的直流电。高压电解电容的使用与开关电路的设计有密切关系，其容量往往是以往电源评测时的焦点，但实际上它的容量和电源的功率毫无关系，不过增大它的容量会减小电源的纹波干扰 ，提高电源的电流输出质量。 3.开关变压器：是开关电源的关键部分之一。它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。影响高频开关变压器性能的因素包括铁氧体的效率、磁芯截面积的大小和磁隙的宽度，截面积过小的变压器容易产生磁饱和而无法输出较大的功率，各个绕组的匝数直接影响输出的电压，通常我 12 / 16 们无法具体的掌握这些参数，所以无法准确的判断变压器到底能输出多大的功率，只有通过电子负载机测量才能知道，另外，开关变压器的输出端虽然很多，但其中的某些输出端使用的却是相同的绕组 ，比如 +和 +5VDC 就是这样，所以当 +输出最大电流时 + 5VDC 就无法输出很大的电流了，所以我们不能将电源各个输出端的功率进行简单的累加。 4.输出整流滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。 经过高频开头变压器降压后的脉动电压同样要使用二极管和电容进行整流和滤波，只是此时整流时的工作频率很高，必须使用具有快速恢复功能的肖特基整流二极管，普通的整流二极管难当此任，而整流部分使用的电容也不能有太大的交流阻抗，否则就无法滤除其中的高频 交流成分，因此选择的电容不但容量要大，还要有较低的交流电阻才行，此外还能见到 1、 2 个体积硕大的带磁心的电感线圈，与滤波电容一起滤除高频的交流成分，保证输出纯净的直流电。 由于低压整流端需要输出很大的电流，所以整流二极管同样会产生大量的热量，这些二极管与前面的开关管都需要单独的散热片进行散热，电源中另一个散热片上所固定的就是这些元件。从这些元件输出的就是各种不同电压的输出电流了。 13 / 16 5.控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持 输出电压的稳定。 稳压电路通常是从电源输出端的输出电压取样出部分电压与标准电压作比较，比较出的差值经过放大后去驱动开关三极管，调节开关管的占空比，从而达到电压的稳定。 6.保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。 保护电路的作用是通过检测各端输出电压或电流的变化，当输出端发生短路、过压、过流、过载、欠压等到现象时，保护电路动作，切断开关管的激励信号，使开关管停振，输出电压和电流为零，起到保护作用 一开关电 源种类 1. 按激励方式划分 他激式开关电源：采用 IC实现，电路工作稳定、可靠和便于控制，一般用于大功率 和超大功率输出的场合 自激式开关电源：开关功率管和其他晶体管都工作在谐振状态，具有内部损耗小， 转换效率高，成本低的有点；但实现条件苛刻，工作可靠性差，不便于控制等缺点，一般用于小功率和中功率的场合 14 / 16 2. 按调制方式划分： 脉宽调制型：通过改变脉冲宽度来实现对输出电压的调节和控制，采用由取样电路、 耦合电路等 构成反馈闭环回路 脉频调制型：通过改变振荡器的振荡频率来实现调节和稳定输出电压的目的 混合型：重载时工作于脉宽调制，轻载或空载时工作于脉频调制 3. 按开关功率管划分 晶体管型：功率管饱和导通后，集 -射导通电阻很小，管子的开关损耗较小，缺点是 驱动功率与输出功率成正比，不易应用在大功率和超大功率输出的场合 晶闸管型：可直接接入工频电网，不需要整流，缺点是 EMI 污染太大 MOSFET 型：驱动功率小，可直接多管并联工作，应用于大功率输出的 场合 IGBT 型：晶体管饱和导通电阻小，驱动电流小的优点 4. 按储能电感的连接方式划分： 串联型：储能电感串联在输出端 并联型：储能电感并联在输出端 5. 按开关功率管