开关电源分析与设计B.ppt

一.开关电源分析与设计,1、开关电源的定义2、近况3、发展方向4、基本拓扑：Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk，sepic拓扑,Buck变换器,一、线路组成二、工作原理,三、电路各点波形,四：主要概念与关系式,在新的周期到来时，电感电流从0开始线性增加，这种工作方式称电感电流不连续的模式,一.线路组成,二.,Boost变换器,三.,四.,(1.2.29),Buck-Boost,一、线路组成,二、工作原理三、电路各点波形,四、主要概念与关系式,uk变换器,一、线路组成,二、工作原理,三、电路各点波形,(a)电感电流连续,（b）电感电流不连续,Cuk变换器稳态波形,四、主要概念与关系式,开关元件及驱动和PWM控制电路,MOSFETIGBTPWM控制集成电路的选择,MOSFET,一、功率场效应管(MOSFET)的主要参数,MOSFET符号，N型管和P型管,1漏源击穿电压BVDS2最大漏极电流Idmax3阀值电压VGS(th)（又称开启电压）4导通电阻RDS(ON)（简写为RON）5跨导（互导gm6最高工作频率fm,二、功率场效应管的静态特性,7导通时间ton和关断时间toff8极间电容三个极间电容与输入电容Ciss、输出电容Coss和反馈电容Crss关系如下式所示,VMOSFET的极间电容示意图,VMOSFET的输出特性曲线,1、输出特性(如上图),三、MOSFET的体内二极管,2、转移特性3、漏源间的导通电阻(RDS(ON)和开路电阻(RDS(ON)RDS(ON)指的是漏极与源极间导通时的电阻。如下图所示,VMOSFET转移特性,ID-VDS(低值)特性,使体内二极管无效的线路图,功率MOSFET寄生的二极管对动态影响图,四、一个开关周期典型波形,MOSFET的波形,下图示出典型的N沟道MOSFET在一个开关周期内栅极和漏极的波形,栅极驱动电压上的平台是由于漏源电压反向转换时通过密勒电容（Crss）被耦合到栅极引起的。在这期间，栅极驱动电流的波形上可以看到一个很大的脉冲。这个平台出现在电压比额定门槛电压稍高的时候，电压值为VTHID/gm。这个平台电压也可以从MOSFET的数据手册上提供的传递函数图上确定（见下图）。对于粗略的估计，可以用门槛电压来代替这个平台电压。MOSFET数据手册提供的曲线见下图。,典型的MOSFET数据手册上的曲线,这些电容导致MOSFET开关特性上的延时。驱动电路要求能驱动容性负载。首先要确定使栅极电压变化时所需的电荷，这可以从上图中与栅极电压工作点对应的值相减得到。从下列式子就可以计算开关延时。开通延时：COMS双极型晶体管开通延时上升时间,开通延时：COMS双极型晶体管关断延时下降时间,基于双极型器件的驱动电路比基于CMOS器件的驱动电路更可能提供MOSFET栅极所需要的电流脉冲。基于COMS器件的驱动电路工作起来更像是一个电流受限的输入输出源。开关速度是通过在驱动电路和栅极间串上一个电阻来控制的。在开关电源中，如果要求比较快的开关速度，建议不用大于27的电阻，因为它会使开关速度下阵，开关损耗明显增加。,五、功率场效应管的驱动问题,1、一般要求综上所述，使用MOSFET功率管比使用双极型晶体管可得到更多的好处。特别当器件用在高频时（一般在100kHz或更高），MOSFET的突出优点更会显现出来。所以一般MOSFET工作频率都很高，设计时必须采用一些预防措施，把高频时出现的问题，如寄生振荡等应于消除。在下图(1)示出带动一个电阻负载，共源极方式的MOSFET典型电路。MOSFET管工作在高频时，为了防止振荡，有两点必须注意。第一，尽可能减少MOSFET各端点的连线长度，特别是栅极引线。如果无法使引线缩短，则可按图(1)所示，靠近栅极处串联一个小电阻以便抑制寄生振荡。第二，由于MOSFET的输人阻抗高，驱动电源的阻抗必须比较低，以避免正反馈所引起的振荡。特别是，MOSFET的直流输人阻抗是非常高的，但它的交流输入阻抗是随频率而改变的。因此，MOSFET的驱动波形的上升和下降时间，与驱动脉冲发生器的阻抗有关。上升和下降时间，可按下式进行近似计算：式中trMOSFET驱动波形上升时间（us）；tfMOSFET驱动波形下降时间（us）；Rg脉冲驱动回路的电阻（）；CissMOSFET的输入电容（PF),由于对FET管控制实质是对输入电容Ciss的充、放电控制。所以驱动线路的负载为容性网络。由于电容上的电荷保持作用，驱动电路无需继续提供电流。为了快速开通提供充电电流是必要的，为此VG电源内阻要尽量小。电阻R2是为关断时提供放电回路的。按R2Rg选值。另一个重要的事情是：MOSFET的栅一源极间的硅氧化层的耐压是有限的如果实际的电压数值超过元件的额定值，就会被击穿，产生永久性的损坏。实际的栅一源电压最大值在2030V之间。值得指出即使实际电压为20，仍然要细致分析一下是否会出现由于寄生电感引起的电压快速上升的尖峰引起击穿MOSFET的硅氧化层问题。,(1)MOSFET作为开关工作在共源极的结构图,(2)用TTL器件驱动MOSFET,2、MOSFET的驱动电路(1)用TTL驱动MOSFET可以按图(b)所示，用TTL驱动MOSFET。但如果TTL中的一些晶体管，工作经线性区间达到饱和有一段较长时间使MOSFET的性能不可能达到最佳状态的时候，可如图(2)所示,在TTL器件与MOSFET之间加上Tr1、Tr2，可减少开关的上升和下降时间。这些晶体管要有较大的增益和较宽的频带。这个电路可以很好地对栅极电容充电。例如，在TTL与MOSFET之间Tr1产生足够的开通和关断米勒效应所要求的电流。下面的公式可以用来计算晶体管Tr1导通时的电流（充电电流）IC为：假设栅极到漏极电容有相同放电时间，即trtf，则放电电流Idis由下式决定：为了计算在每一个缓冲电路晶体管所耗散的功率P，可用下式：,2、其他MOSFET驱动电路,(a),(b),(c),(d),(e),MOSFET驱动电路(a)无源开通（b）无源关断(c)双极型图腾柱驱动(d)MOS图腾柱驱动(e)变压器隔离驱动,IGBT,一、IGBT结构与工作原理,IGBT等效电路及符号,二、IGBT的静态工作特性,IGBT的伏安特性,IGBT的转移特性,IGBT的开关特性,三、IGBT的动态特性,IGBT开通、关断的动态特性示意图,IGBT动态时间参数典型值,四、IGBT的栅极驱动及其方法,IGBT栅极参数与性能关系表,1、直接驱动法,有正