电力电子器件介绍

电力电子器件,二极管,电力MOSFET,绝缘栅双极型晶体管IGBT,MOSFET及IGBT的驱动和保护,功率模块及功率集成电路,电力电子器件种类,2.1二极管（输入整流、高频逆变整流、缓冲电路等）,2.1.1结构和工作原理,开关电源中应用的二极管除电压、电流等参数与电子电路中的二极管有较大差别外，其基本结构和工作原理是相同的，都是由半导体PN结构成。（多子、少子、扩散、漂移、空间电荷区（也称耗尽层、阻挡层或势垒区）,正向导通状态：当PN结外加正向电压，即外加电压的正端接P区、负端接N区时，外加电场方向与内电场方向相反，内电场被削弱，使得多子的扩散运动大于少子的漂移运动，而在外电路上形成自P区至N区的电流，该电流被称为正向电流，由于电导调制效应，正向PN结在流过较大正向电流时的压降很低，表现为正向导通状态。,反向截止状态：当PN结外加反向电压，外加电场方向与内电场方向相同，使空间电荷区加宽，少子的漂移运动大于多子的扩散运动，产生自N区至P区的电流，该电流被称为反向电流。由于少子的浓度很小，因此此时的PN结表现为高阻态。,击穿：当PN结承受反向电压时，随着反向电压的升高，空间电荷区的宽度及电场强度的峰值均随之增加，当电场强度超过一定限度时，就会击穿。PN结的电击穿有两种形式:雪崩击穿（低参杂、高反压、共价键）和齐纳击穿（高参杂、低反压、PN结薄）。反向击穿发生时，只要外电路中采取了措施，将反向电流限制在一定范围内，保证PN结的耗散功率不超过允许值，PN结仍可恢复正常。如果超过了允许的耗散功率。就会导致PN结温度过高而烧毁，这种现象称为热击穿。,2.1.2主要参数,二极管静态特性：当二极管承受的正向电压大于门槛电压UTO，正向电流才开始明显增加，转为正向导通状态。导通时的正向电流IF由外电路决定。UF为正向压降。当二极管施加反向电压时，只有少数载流子引起的微小漏电流，其数值基本上不随电压而变化。当反向电压超过一定数值后，二极管的反向电流迅速增大，产生雪崩击穿。,二极管,1.正向平均电流IF(AV)：在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。（降额）快恢复二极管经常用占空比为一定数值（0.5）的方波电流的平均值标注二极管的额定电流。,2.反向重复峰值电压URRM：是指对二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是雪崩击穿电压的2/3。,3.正向压降UF：在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流对所对应的正向压降。（普通整流二极管压降低于快恢复二极管，具有负温度系数，温度上升压降略低）,4.反向恢复电流IRP及反向恢复时间trr,当给处于导通状态的二极管施加反向电压时，二极管不能立即转为截止状态，只有当存储电荷完全复合后，二极管才呈现高阻状态，这一过程称为二极管的反向恢复过程。,反向恢复时间定义为从电流下降为零至反向电流衰减至反向恢复电流峰值25%的时间。,主要类型：,1.普通二极管：普通二极管又称为整流二极管，多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5微秒以上。其正向压降低，正向电流定额和反向电压可以达到很高，分别可达几千安和几千伏以上。,二极管,2.快恢复二极管：（FastRecoveryDiodeFRD）反向恢复过程很短的二极管（5us以下），也简称为快速二极管。工艺上多采用了掺金措施，结构上有的采用PN型结构，有的采用PiN结构。其正向压降高于普通二极管（1到2V），反向耐压多在1200V以下。从性能上，可分为快恢复和超快恢回复两个等级。前者反向恢复时间长，后者则在100ns以下，甚至达到20到30ns。,3.肖特基二极管(SchottkyDiodes)：在金属（例如铅）和半导体（N型硅片）的接触面上，用已形成的肖特基来阻挡反向电压。与以PN结为基础的二极管相比，肖特基二极管具有正向压降低(0.3-0.6V)、反向恢复时间很短(10到40ns)的优点。缺点在于反向耐压较低，一般低于150V，而且反向漏电流较大，所以肖特基二极管多用于低电压大电流和开关二极管场合。,以其发明人肖特基博士（Schottky）命名的！,如何看二极管手册,2.2电力MOSFET,2.2.1结构和工作原理,电力MOSFET按导电沟道可以分为P沟道和N沟道。应用最多的是绝缘栅N沟道增强型，属于单极性晶体管。结构大多采用垂直导电结构，以提高器件的耐压和耐电流能力。现在应用最多的是具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET。,电力MOSFET由多个小MOSFET元胞组成，不同厂家设计的元胞形状和排列方式不同。IR公司生产的具有六边形元胞结构，西门子公司采用正方形单元。图2-6a是N沟道增强型VDMOSFET中一个元胞的内部结构图，图2-6b为电力MOSFET的电气图形符号。,UGS=0,UDS=VS，P和N-形成的PN结反偏，无电流UGSUT,栅极下P区表面电子浓度超过空穴，P型变N型，形成反型层，PN结消失，形成N沟道导电通路。,特点,全控型,开关速度最快,驱动功率小，驱动电路简单,栅极电压控制漏极电流,多子导电、无少子导电所需的存储时间问题,电力MOSFET,输出特性：,以栅源电压UGS为参考量，反映漏极电流ID与漏极电压UDS间关系的曲线族称为MOSFET的输出特性,转移特性:,漏极电流ID和栅源电压UGS的关系反映了输入控制电压与输出电流的关系，称为MOSFET的转移特性,电力MOSFET开关过程,开通过程中，输入电容影响，uGS呈指数上升，当uGS开启电压时，MOSFET开始导通，iD随着uGS上升而增加。当uGS达到UGSP后，MOSFET进入饱和区，此时虽uGS继续升高，但iD不再变化。,关段时，输入电容影响，uGS呈指数下降，当uGS低于uGSP时，iD开始下降，直至uGS低于开启电压，iD下降到0。,PSIMMOSFET,开通延迟时间td(on),上升时间tr,开通时间,从uGS开始上升至MOSFET开始导通的时间,uGS从uT上升到UGSP的时间段,关断时间,关断延迟时间td(off),下降时间,从uGS开始下降至MOSFET开始关段的时间,uGS从uGSP下降到到uGS20V？时将导致绝缘层击穿，因此在焊接、驱动等方面须注意。,5.跨导Gfs在规定的工作点下，MOSFET转移特性曲线的斜率为该器件的跨导，即,6.极间电容MOSFET的三个电极之间分别为存在极间电容CGS、CGD、CDS。,漏源极短路时的输入电容Ciss=CGS+CGD,反向转移电容Crss=CGD,共源极输出电容Coss=CGD+CDS,厂商提供,栅源间电压驱动，阻抗很高，但存在输入电容Ciss，高频使用时，驱动电路的内阻应很低，且具有一定的驱动电流能力。,如何看MOSFET手册,！MOSFET只靠多数载流子导电，不存在少子存储效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是常用电力电子器件中最高的。由于电力MOSFET结构所致，漏源间形成一个寄生的反并联二极管，使漏极电压UDS为负时呈现导通状态。它与MOSFET构成一个不可分割的整体，这样虽然在许多作用简化了电路，减少了器件数量，但由于本体二极管的反向恢复时间较长，在高频应用时，必须注意其影响。,2.3绝缘栅双极型晶体管（IGBT）,2.3.1结构和工作原理,电力MOSFET具有驱动方便、开关速度快等优点，但导通后呈电阻性质，在电流较大时的压降较高，而且器件的容量较小，仅能适用于小功率装置。大功率晶体管（GTR）的饱和压降低、容量大，但电流驱动，驱动功率较大，开关速度低。绝缘栅双极型晶体管是把MOSFET与GTR复合而成，除具有MOSFET的电压驱动、驱动功率小的特点，同时具有GTR饱和压降低和可耐高电压和大电流等一系列优点，开关频率虽低于MOSFET，但高于GTR。,绝缘栅双极型晶体管（IGBT）,转移特性：IGBT集电极电流IC与栅射电压UGE间的关系,当栅射电压高于开启电压UGE（th）时，IGBT开始导通，UGE（th）一般为2到6V。,输出特性：集电极电流IC与栅射电压UGE、集射电压UCE之间的关系,开通过程中，集射极电压UCE的下降过程分为陡降阶段tfv1和缓降阶段tfv2.前者是由MOSFET迅速导通形成，后者由于MOSFET的栅漏电容增加，而且IGBT中的PNP晶体管由放大状态转入饱和导通状态也需要一个过程，因此电压下降较慢。,开通延迟时间td(on),上升时间tr,开通时间,从驱动电压UGE上升至其幅值的10%到集电极电流IC上升至稳态值的10%的时间,IC从10%稳态值上升至90%稳态值的时间,集电极电流IC的下降过程也分为陡降阶段tfi1和缓降阶段tfi2，前者也是由于MOSFET快速关断所形成的，后者则是由于N基区中的少子复合缓慢造成，此阶段的电流又称为拖尾电流。,关断时间,关断延迟时间td(off),下降时间,从驱动电压UGE下降至其幅值的90%到集电极电流IC下降为稳态值的90%的时间,IC从稳态值的90%下降至10%的时间,2.3.2IGBT主要参数,2.最大集电极电流包括在一定的壳温下额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。不同生产商产品的标称电流通常为壳温25度或80度条件下的额定直流电流IC。,1.最大集射极间电压UCES该参数决定了器件的最高工作电压，这是由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定的;,3.最大集电极功耗PCM在一定壳温下，IGBT允许的最大功耗，该功耗将随壳温升高而下降。,4.栅射极间电压UGES与MOSFET相似，当|UGE|20V？，将导致绝缘层击穿。,6.跨导Gfs在规定的工作点下，IGBT转移特性曲线的斜率为该器件的跨导。,7.极间电容IGBT的三个电极之间也存在极间电容，一般厂商提供的输入电容Cies、输出电容Coes和反向转移电压Cres。它们的公式与MOSFET的相似。,5.集射极间饱和压降UCE(sat)它是栅射极间施加一定电压，在一定的结温及集电极电流条件下，集射极间的饱和通态压降。此压降在集电极电流较小时，呈负温度系数;在电流较大时，为正温度系数。,如何看IGBT手册,2.4MOSFET及IGBT的驱动和保护,2.4.1MOSFET及IGBT的驱动,驱动电路的基本任务：1）将控制电路发出的信号转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间、可以使其开通或关断的信号。2）电气隔离及电力电子器件的保护等功能。3）电气隔离是实现主电路及控制电路间电量的隔离，可以减少主电路开关噪声对控制电路的影响，并提高控制电路的安全性。一般采用光隔离或磁隔离来实现。驱动电路对电力电子装置的运行效率、可靠性、安全性具有重要的影响！,MOSFET及IGBT均为电压驱动型器件，其静态输入电阻很大，驱动功率小。栅源间、栅射间存在输入电容，器件高频通断时，电容频繁充放电，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小，且具有一定的驱动功率。,1.MOSFET的驱动,使MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取1015V。,施加反向电压可减小关断时间，保证器件可靠关断，反向电压一般为015V。,在栅极驱动回路中，通常需串入一个低值电阻，以减小寄生振荡，其阻值随被驱动器件电流额定值的增大而减小，该电阻阻值一般由厂家使用手册给出。,光耦隔离驱动电路开关频率高时，驱动信号有延迟需一组独立的驱动电源,该电路不需要独立的驱动电源，延时较小，但输出驱动波形不易控制，输出脉冲的宽度不能大范围内调节，而且输出宽脉冲时，脉冲变压器容易饱和，使其体积增大，因此主要应用于开关频率较高的电路。,采用脉冲变压器进行电气隔离的MOSFET驱动电路。,IR公司生产的IR21xx系列高压浮动MOS栅极驱动集成电路，该集成电路将驱动一个高压侧和一个低压侧MOSFET所需的绝大部分功能集成在一个封装内，依据自举原理工作，驱动高压侧和低压侧两个元件时，不需独立驱动电源，电路简化，开关速度快，驱动波形理想。,IR2110,IR2110芯片有两个独立的输入输出通道，隔离电压为500V，驱动脉冲最大延迟时间为10ns，门极驱动电压为10-20V;电源电压5-12V；逻辑输入端采用施密特触发器，以提高抗干扰能力和接受缓慢上升的输入信号；在电压过低时，有自关断等保护功能。,MOSFET驱动,2.IGBT驱动,IGBT的输入特性与MOSFET基本相同，驱动电路的结构和特点也极为相似。使IGBT开通的驱动电压略高于MOSFET，一般取15V。器件关断时，对器件反压，以保证器件可靠关断，负驱动电压一般取-5到-15V。,小功率IGBT，可以采用IR2110等集成驱动器进行驱动。大功率IGBT，多采用具有保护功能的专用混合集成驱动器，常用的有三菱电机公司的M579XX系列和富士电机公司的EXB系列。,M57962L、M57959L、EXB840841850851,M57962L,混合集成电路驱动器内部都具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时，能够迅速响应慢速关断IGBT，以避免过高的关断尖峰电压，同时向控制电路发出故障信号。,故障检测,故障指示,2.4.2MOSFET及IGBT的保护,设置压敏电阻、过电流保护电路等实现由电源、负载等外因所引起的过电压、过电流保护。,缓冲电路又称为吸收电路，分布电容、电感存在，主要用于抑制器件在开关过程中产生的过电压、过电流，限制du/dt和di/dt，并减小器件的开关损耗。,缓冲电路可分为关断缓冲电路（du/dt抑制电路）和开通缓冲电路（di/dt抑制电路）。,关断缓冲电路,充放电型RCD缓冲电路，在开关器件两端并联由电阻、电容和二极管组成的缓冲电路。当开关器件关断时，负载电流经VDS、CS流通，由于负载电流对CS充电，使其电压逐渐上升，从而抑制了器件两端的电压上升率，负载线由A经过D到达C。缓冲电路不仅降低了器件的关断损耗，而且抑制了可能出现在器件两端的尖峰电压。,充放电型RCD及RC缓冲电路，能限制可能出现在器件两端尖峰电压，降低器件关断损耗，但缓冲电路中电阻的功耗较高，因此主要应用于中小容量的电路。放电阻止型RCD缓冲电路的损耗小，但仅能对高于电源电压的尖峰电压进行抑制，不能降低器件的开关损耗。,MOSFET及IGBT的保护,RC缓冲电路主要用于小容量器件；放电阻止型RC-D缓冲电路用于中或大容量器件。,PSIMIGBT-snubberx,IGBT的保护,模块两端直接接入一个高频无感电容对直流电压进行钳位，以抑制由于直流母线分布电感引起的器件两端的尖峰电压。适用于中、小容量。,二极管VDS将阻止可能出现的振荡，电容器上的过剩电荷通过吸收电阻逐渐放电。缺点是，由于存在吸收二极管，使整个缓冲电路的杂散电感增加。,交叉RCD钳位电路适合于大电流的应用场合，可以有效地限制器件模块两端出现过冲电压。,将多个电力电子器件封装在一个模块中，可以减少装置体积，简化布局、布线，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，简化对保护和缓冲电路的要求。Powermodule(PM)orpowerintegratedmodules(PIM),2.5功率模块及功率集成电路,功率模块中的全控型器件多为IGBT，模块内部电路一般由以下一个或几个部分组成：单相或三相桥式逆变电路、单相或三相二极管桥式整流电路、NTC温度传感器等。,将IGBT及其辅助器件与驱动和保护电路集成在一起，则智能功率模块IPM。IPM主要有四种结构形式：单管、双管、六合一和七合一封装。,将IGBT、辅助器件、驱动和保护电路集成在一起，称为intelligentpowermodule(IPM)。进一步简化硬件电路，减小体积，提高可靠性。四种结构形式：单管封装、双管封装、六合一封装和七合一封装。,智能功率模块,IPM模块内置保护功能有：控制电源欠电压锁定、过热保护、过电流保护、短路保护。如果IPM模块中有一种保护电路动作，IGBT栅驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号。,功率集成电路,将电力电子器件与逻辑、控制等信息电子电路制作在同一芯片上，则称为功率集成电路PIC。功率集成电路分为两类：高压集成电路，简称HVIC，它是横向高压电力电子器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成；智能功率模块，简称SPIC，它是电力电子器件与控制电路、保护电路以及传感器等电路的多功能集成。TOPswitch单片开关电源是典型的功率集成电路，由美国PI公司于1994年开始制作。将功率MOSFET、PWM控制器、电压基准、误差放大器和过流、过热保护等电路集成在一起。3脚封装。,TOPswitch电源举例(4W),自重起动频率1.2Hz,第3章无源元件,电感及变压器,电容器,3.1电容器,3.1.1电容器的主要参数,2.额定工作电压：是指在正常条件下，能连续工作而不被击穿所加在电容器上的最高直流电压或交流电压有效值。,1.标称容量：是标注在器件上的名义电容量，实际的电容量有可能大于或小于标称电容量，允许误差通常为5%到20%。,主电路中，电容器主要用于电源滤波、开关器件尖峰吸收、隔离及功率因数补偿等。,3.允许工作温度：是指不会引起电容器特性指标下降的最高温度与最低温度之间的范围。,4.等效串联电阻RESR：是由电容器的引脚电阻以及电容器极化损耗、电离损耗的等效电阻相串联构成的。,5.等效串联电感LESL：是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的。,电容器,6.电容器的绝缘电阻和时间常数直流电压加于电容器上，电容器会产生漏电流，两者的比值称为电容器的绝缘电阻。,小容量电容器（0.1uF)电容器用时间常数表示，其定义为电容器绝缘电阻和其电容量的乘积。,7.电容器的损耗由于介质的极化损耗、电离损耗以及金属极板电阻损耗等，使电容器工作时发热，特别是高频工作时，更为严重。电容器的损耗即为等效串联电阻的功耗。电容器的损耗通常以损耗角的正切来表示。,8.最大纹波电流由于等效串联电阻的存在，使电容器流过交流电流时产生损耗而发热，从而造成电容器温度升高，影响其寿命。电容器可承受的最大功耗取决于电容器的外形、散热条件以及允许的温升，由此其允许的最大纹波电流也相应确定下来。,电解电容器是以金属极板上的一层极薄的氧化膜作为介质，金属极片为电容器的正极，负极为固体或液体电解质。由于氧化膜介质具有单向导电性的特点，电解电容器有极性。用于输入整流滤波及输出滤波。主要有铝电解、铌电解、钽电解电容器三种。由于钽电解、铌电解电容器价格高，且耐压低，在开关电源中应用的绝大多数为铝电解电容器。,3.1.2电解电容器,1.电解电容器的外形,电容器,铝电解电容器,钽电解电容器,2.电路设计及电容器选用时应注意的问题,(1)频率特性一般的电解电容器的高频特性较差，f0仅为几十千赫，阻抗特性与温度密切相关。,对于频率较高的场合，如开关电源的输出滤波电路，在电路设计时，需要充分考虑电容器的阻抗及温度特性，才能获得满意的滤波效果。温度每升高10度，电解电容寿命将缩短一半。,（2）纹波电流电容器所流过的纹波电流是电容器发热的主要因素。电解电容器所允许的纹波电流值与电容器允许的最高温度、工作温度及纹波电流频率均有关。,（3）使用电压电解电容器有极性，不能对其施加反向电压，并应保证电容器所承受的直流电压与交流电压峰值之和不高于电容器额定电压。,电容器,在将电容器串联使用时，应在电容器两端并联均压电阻。,由于电容器的漏电流会引起发热，而电容器的漏电流随着电压的升高而迅速增大，在使用中，如果能适当降低工作电压，则可以降低电容器的失效率，延长其寿命。,在电力电子设备中，一般对电容器都要降压使用，将其长期工作电压选为额定电压的85%到90%。,（4）安装及贮存方法在安装时，不应承受过大的外部应力，焊接时间也不能过长。在工作时，电容器将会因损耗而发热，在结构布局时，应考虑有利于其散热。电容器的安全气阀不得朝下。高压大容量电解电容器，储存时宜将正负极短接，以稳定其性能。电容器长期存放后，会出现漏电流增大现象，应给电容器施加一定时间的额定电压进行电老化处理，其漏电流将会逐渐缩小至正常值。,3.1.3有机薄膜电容器,有机薄膜电容器在开关电源主电路中，主要用于谐振电容、开关器件尖峰电压吸收、高频滤波等电路中。,有机薄膜电容器根据介质不同，又可分为聚酯薄膜、聚乙烯、聚丙烯、塑料薄膜(涤纶)电容等。,常用的有机薄膜电容器有：聚酯薄膜、金属化聚酯薄膜、聚丙烯、金属化聚丙烯电容器。,聚酯薄膜电容器一般采用阻燃塑料外壳，或聚酯压敏胶带包裹环氧树脂封装，单向或轴向引出。聚酯薄膜电容器性能稳定，电容量随频率及温度的变化均小于5%，介质损耗因数通常均小于0.01.,聚丙烯电容器性能稳定，外形与聚酯薄膜电容器相似，它具有更低的介质损耗因数，更加适合于高频大电流场合，但聚丙烯电容器体积较大。,金属化聚丙烯及聚酯薄膜电容器是在介质上真空蒸发一层金属层作为电极，因此具有体积较小、重量轻、容量大等特点。,金属化聚酯薄膜电容器,涤纶电容器,聚丙烯电容器,3.1.4瓷介电容器,瓷介电容器是把电容器陶瓷薄片夹在银电极中间，外面用涂料封装而成。瓷介电容器具有成本低、损耗小、电容量稳定等特点。主要用于开关器件尖峰电压吸收、高频滤波、共模干扰抑制等电路中。,瓷介电容器按工作电压可分为低压瓷介电容器及高压瓷介电容器。按照介质损耗情况，又可分为型和型。型瓷介电容器的介质损耗因数比较小，电容量对温度、频率等稳定性较高，但容量较小,常称为高频瓷介电容器。型瓷介电容器的主要特点为体积小、电容量大，但电容量对温度、频率稳定性相对较差，介质损耗因数较大，常用于低频电路，称为低频瓷介电容器。,纹波(ripple)的定义,由于直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的，不可避免地在直流稳定量中带有一定的交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。纹波的表示方法可以用有效值或峰值来表示，可用绝对量，也可用相对量表示。例如一个电源工作在稳压状态，其输出为100V/5A，测得纹波电压的有效值为10mV，这10mV就是纹波的绝对量，而相对量即纹波系数=纹波电压/输出电压=10mv/100V=0.01%，即等于万分之一。,额定纹波电流又称为最大允许纹波电流定义为：在最高温度工作温度条件下电容器最大所能承受的交流纹波电流有效值。并且指定的纹波为标准频率（一般为100Hz/120Hz）的正弦波。纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数。,最大纹波电压在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波（包括噪声）的绝对值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。纹波电压系数：在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值与输出直流电压之比。纹波电压抑制比：在规定的纹波频率（例如50HZ）下，输入电压中的纹波电压与输出电压中的纹波电压之比。,纹波电压测量一般使用交流毫伏表，因为交流毫伏表只对交流电压响应，并且灵敏度比较高，可测量很小的交流电压，而纹波往往是比较小的交流电压。若没有交流毫伏表，也可使用示波器来测量。将示波器的输入设置为交流耦合，调整幅值增益，使波形大小合适，读出电压值，可估算出纹波电压的大小。,噪声不同于纹波。纹波是出现在输出端子间的一种与输入频率和开关频率同步的成分，用峰-峰（peaktopeak）值表示，一般在输出电压的0.5%以下；噪声是出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分，也用峰-峰（peaktopeak）值表示，一般在输出电压的1%左右。纹波噪声是二者的合成，用峰-峰（peaktopeak）值表示，一般在输出电压的2%以下。,纹波(ripple)与谐波的比较,谐波是一定频率的电压或电流作用于非线性负载时，会产生不同于原频率的其它频率的正弦电压或电流的现象。纹波是指在直流电压或电流中，叠加在直流稳定量上的交流分量。它们之间有联系。如电源上附加的纹波在用电器上很容易产生各频率的谐波；电源中各频率谐波的存在无疑导致电源中纹波成分的增加。,纹波害处1）易在用电器上产生谐波，而谐波会产生较多的危害；2）降低了电源的效率；3）较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用电器；4）会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作；5）会带来噪音干扰，使图像设备、音响设备不能正常工作。,谐波主要危害1）使电网中发生谐振而造成过电流或过电压而引发事故；2）增加附加损耗，降低发电、输电及用电设备的效率和设备利用率；3）使电气设备（如旋转电机、电容器、变压器等）运行不正常，加速绝缘老化，从而缩短使用寿命；4）使继电保护、自动装置、计算机系统及许多用电设备运转不正常或不能正常动作或操作；5）使测量和计量仪器、仪表不能正确指示或计量；6）干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备。,3.2电感及变压器,3.2.1常用的软磁材料,磁性材料，按矫顽力大小，可分为软磁材料和永磁材料。软磁材料是指矫顽力小，容易磁化的磁性材料。软磁材料是电感及变压器等电磁元件的重要组成部分。,衡量软磁材料主要指标:饱和磁通密度、损耗、相对磁导率及温度特性等。饱和磁通密度及损耗最为重要。软磁材料的饱和磁通密度主要由材料本身所决定。材料的损耗包括涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗，除了与材料的电阻率、宽度和厚度等材料本身的参数有关外，还随着工作频率f和工作磁通密度Bm提高而迅速增大。,常用的软磁材料,硅钢片使用最早的软磁材料之一，稳定性好，磁通密度高，成本低，是在工频和中频范围内使用量最大的软磁材料。现在新型的硅钢片，其使用范围已经扩展到20kHz以上。开关电源中，多用于输入、输出直流滤波电感和工频电源变压器。软磁铁氧体是一种非金属磁性材料，一般由铁、锰、镁、铜等金属氧化物粉末按一定比例混合压制成形，然后在高温下烧结而成。由于它具有电阻率高、涡流损耗小的特点，现已成为在中、高频电磁元件中使用的最主要软磁材料。饱和磁通密度较低，温度特性较差，多用于10kHz-1MHz场合。,低损耗、高饱和磁通密度是目标,非晶及超微晶合金非晶合金是将铁磁性元素，例如铁、钴、镍或它们的组合，与硅、硼、碳等混合，在融化状态下经急速冷却后而形成。铁心形状受限，只能做成环形、矩形等。1）铁基非晶合金饱和磁通密度高，可达1.4-1.7T、损耗低（为硅钢片的1/31/5）、价格便宜、10KHz以下。多用于中频变压器、大功率电感等。2）铁镍基非晶合金磁性较弱（1T以下），价格较高，但磁导率较高，可用作高要求的中低频变压器铁心。,3）钴基非晶合金磁性较弱（1T以下），价格很高，但磁导率极高，工作频率可达200KHz，用于军工的变压器和电感。4）铁基纳米晶合金（超微晶合金）磁饱和密度1.2-1.4T，价格较贵，损耗、磁饱和密度及相对磁导率都优于铁氧体，在10-100KHz范围可取代铁氧体。硬度高，不易冲压，只能卷绕。,磁粉心属于一种铁心结构，由几类材料复合而成的复合型铁心。常见的磁粉心有铁镍钼磁粉心、铁镍磁粉心、铁硅铝磁粉心和铁磁粉心。磁饱和密度0.61.2T，相对磁导率低，主要用作环形的滤波电感。,3.2.2电感,1.电感的主要参数,电感L:线圈产生的磁链与电流的比值,1）电感值通常指正常工作状态下的数值，一般测量仪器所测得的数值与正常工作状态时的电感值会存在一定的差异。采用加入气隙后的高磁导率材料为铁心时，在铁心磁通密度接近饱和值之前，非线性特性不十分明显，基本上可以认为电感为常数。采用磁粉心为铁心时，非线性特性十分显著，电感量随着工作电流的增加而显著下降。,2）额定电流电感电流有效值直接关系到绕组的发热量，电感电流最大值则主要影响铁心最大工作磁通密度。加入气隙后的高磁导率材料为铁心时，可近似认为铁心中的磁通密度与电流成正比。对于采用磁粉心的电感，由于其非线性明显，可以通过产品的特性曲线确定最高工作磁通密度。3）最高工作温度与绕组绝缘等级和铁心材料最高工作温度相关。过高温度破坏绝缘及铁心饱和磁通密度下降。,