第2章_器件_2(开关电源)

1、2.11 电容器电容器 应用：应用：噪声抑制、尖峰电压吸收、滤波噪声抑制、尖峰电压吸收、滤波、隔隔直及功率因数补偿直及功率因数补偿 类型：有机膜电容器、云母电容器、纸介电类型：有机膜电容器、云母电容器、纸介电容器、陶瓷电容器及电解电容器容器、陶瓷电容器及电解电容器 开关电源主电路中常用电容器的特性要求及开关电源主电路中常用电容器的特性要求及选择方法选择方法2.11.1 电容器的主要参数电容器的主要参数 1标称容量：标注在器件上的名义电容量，实标称容量：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，际的电容量有可能大于或小于标称电容量，允许误差通常为允许误差通常为520。2额

2、定工作电压：指电容器在电路中使用时，额定工作电压：指电容器在电路中使用时，在正常工作条件下，能连续工作而不被击穿在正常工作条件下，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所加在电容器上的最高直流电压或交流电压有效值。有效值。3.允许工作温度：指不会引起电容器特性指标允许工作温度：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。下降的最高温度与最低温度之间的范围。“实际实际”电容器模型电容器模型 电容器还存在许多寄生电容器还存在许多寄生参数参数 ，对电容器的特，对电容器的特性产生很大影响性产生很大影响 主要为等效串联电阻主要为等效串联电阻RESR、等效串联电感、等效

3、串联电感LESL及绝缘电阻及绝缘电阻RL 4等效串联电阻等效串联电阻RESR：由电容器的引脚电阻：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以及电容器极化损耗、电离损耗的等效电阻相串联构成的。串联构成的。 5等效串联电感等效串联电感LESL：由电容器的引脚电感：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。与电容器两个极板的等效电感串联构成的。 6绝缘电阻和时间常数：直流电压加于电容绝缘电阻和时间常数：直流电压加于电容器上，会产生漏电流，两者的比值称为电容器器上，会产生漏电流，两者的比值称为电容器的绝缘电阻。的绝缘电阻。 一般小容量电容器一般小容量电容器(小于小于0.

4、1mF)用绝缘电阻用绝缘电阻表示，大容量表示，大容量(大于大于0.1mF)电容器用时间常数电容器用时间常数表示表示;定义为绝缘电阻和电容量的乘积。定义为绝缘电阻和电容量的乘积。 电解电容器的绝缘性能最差，经常直接用漏电解电容器的绝缘性能最差，经常直接用漏电流表示其绝缘性能。电流表示其绝缘性能。 7电容器的损耗：由于介质的极化损耗、电电容器的损耗：由于介质的极化损耗、电离损耗以及金属极板电阻的损耗等，使电容器离损耗以及金属极板电阻的损耗等，使电容器工作时发热，特别是在高频工作时，更为严重。工作时发热，特别是在高频工作时，更为严重。电容器的损耗为等效串联电阻的功耗。通常以电容器的损耗为等效串联电阻

5、的功耗。通常以损耗角的正切来表示，即损耗角的正切来表示，即tand= CRESR。 8最大纹波电流：等效串联电阻的存在，使最大纹波电流：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，造成电容器流过交流电流时产生损耗而发热，造成电容器温度升高，影响其寿命。可承受的最大电容器温度升高，影响其寿命。可承受的最大功耗取决于外形、散热条件以及允许的温升，功耗取决于外形、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。由此其允许的最大纹波电流也相应确定下来。 2.11.2 电解电容器电解电容器 用途：在开关电源主电路中，用于输入整流滤用途：在开关电源主电路中，用于输入整流滤波及

6、输出滤波。波及输出滤波。 种类：铝电解、钽电解、铌电解电容器。后两种类：铝电解、钽电解、铌电解电容器。后两种价格高、耐压低，开关电源中以铝电解电容种价格高、耐压低，开关电源中以铝电解电容器为主。器为主。1电解电容器的结构电解电容器的结构 结构：有极性，正极为金属极板，负极为固体结构：有极性，正极为金属极板，负极为固体或液体电解质，介质为极薄的具有单向导电性或液体电解质，介质为极薄的具有单向导电性的氧化膜。的氧化膜。 外形：圆柱形，正负引脚外形：圆柱形，正负引脚 注意正负极的正确连接注意正负极的正确连接2电路设计及电容器选用的注意问题电路设计及电容器选用的注意问题 (1)频率特性：频率特性： 高

7、频特性差，高频特性差，使用范围几十使用范围几十千赫兹。千赫兹。 注意阻抗与频注意阻抗与频率及温度的关率及温度的关系特性系特性 (2) 纹波电流纹波电流 发热的主要因素。允许的纹波电流值与允许的最发热的主要因素。允许的纹波电流值与允许的最高温度、工作温度及纹波电流频率均有关。高温度、工作温度及纹波电流频率均有关。 允许的纹波电流随着温度的升高而降低，随着频允许的纹波电流随着温度的升高而降低，随着频率的上升而增加。率的上升而增加。 一般温度每升高一般温度每升高10，电解电容的寿命就将缩短，电解电容的寿命就将缩短一半一半 。 核算后决定方案，根据手册选择等效串联电阻的核算后决定方案，根据手册选择等效

8、串联电阻的电容器电容器 (3) 使用电压使用电压 注意电压的极性注意电压的极性 最大电压不高于额定电压最大电压不高于额定电压 串联使用时，应并联均压电阻串联使用时，应并联均压电阻 降压使用，减小漏电流引起的发热，延长寿命；降压使用，减小漏电流引起的发热，延长寿命；85%90% 的额定电压的额定电压 (4) 安装及贮存方法安装及贮存方法 安装时不应承受过大的外部应力，焊接时安装时不应承受过大的外部应力，焊接时间不能过长。间不能过长。 结构布局要有利于散热结构布局要有利于散热 安全气阀不得朝下安全气阀不得朝下 高压大容量的电解电容器，贮存时将正负高压大容量的电解电容器，贮存时将正负极短接极短接 长

9、期存放后，漏电流增大，再使用前施加长期存放后，漏电流增大，再使用前施加一定时间的额定电压进行电老化，使漏电一定时间的额定电压进行电老化，使漏电流逐渐减小至正常值。流逐渐减小至正常值。 2.11.3 有机薄膜电容器有机薄膜电容器 用途：谐振电容、开关器件尖峰电压吸收、高频用途：谐振电容、开关器件尖峰电压吸收、高频滤波等滤波等 种类：聚酯薄膜、聚乙烯、聚丙烯、塑料薄膜种类：聚酯薄膜、聚乙烯、聚丙烯、塑料薄膜(涤涤纶纶)电容电容 特点：电容稳定、损耗小、绝缘电阻高及脉冲电特点：电容稳定、损耗小、绝缘电阻高及脉冲电流容量大流容量大 结构：有机介质，阻燃塑料外壳，或聚酯压敏胶结构：有机介质，阻燃塑料外壳

10、，或聚酯压敏胶带包裹环氧树脂封装，单向或轴向引出。带包裹环氧树脂封装，单向或轴向引出。 无感电容：吸收无感电容：吸收du/dt很高的尖峰电压很高的尖峰电压2.11.4 瓷介电容器瓷介电容器 用途：开关器件尖峰电压吸收、高频滤波、共用途：开关器件尖峰电压吸收、高频滤波、共模干扰抑制模干扰抑制 种类：按工作电压为低压（种类：按工作电压为低压（500V以下）、高压；以下）、高压；按介质损耗为按介质损耗为I型和型和型型 I型型 ：介质损耗因数小于：介质损耗因数小于0.01；温度、频率的稳；温度、频率的稳定性高；高频瓷介定性高；高频瓷介 ；容量小；国产型号为；容量小；国产型号为CC； 型型 ：介质损耗因

11、数大于：介质损耗因数大于0.01；温度、频率的；温度、频率的稳定性差；低频瓷介稳定性差；低频瓷介 ；体积小、容量大；国产；体积小、容量大；国产型号为型号为CT； 结构：结构：陶瓷薄片夹在银电极中间，用涂料封装陶瓷薄片夹在银电极中间，用涂料封装而成而成 开关电源：高压开关电源：高压型瓷介电容器型瓷介电容器 2.12 电感及变压器电感及变压器 2.12.1 常用的软磁材料常用的软磁材料 分类：软磁材料和永磁分类：软磁材料和永磁( (硬磁硬磁) )材料材料 开关电源中电感与变压器使用：软磁材料开关电源中电感与变压器使用：软磁材料 主要参数：主要参数：饱和磁通密度饱和磁通密度、损耗损耗、相对磁导率、相

12、对磁导率及温度特性及温度特性 损耗：涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗，受电损耗：涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗，受电阻率、宽度、厚度、工作频率和工作磁通密度阻率、宽度、厚度、工作频率和工作磁通密度的影响的影响 硅钢片、软磁铁氧体、非晶及超微晶合金、磁硅钢片、软磁铁氧体、非晶及超微晶合金、磁粉心粉心 1硅钢片硅钢片 特点：稳定性好，磁通密度高，成本低，工频特点：稳定性好，磁通密度高，成本低，工频和中频，最高可达和中频，最高可达20kHz 参数：常用厚度为参数：常用厚度为0.35mm，高频时损耗较高，高频时损耗较高 ；0.15mm 的损耗小，但制造工艺复杂、价格高的损耗小，但制造工艺复杂、价格高 用途：

13、输入、输出直流滤波电感及工频电源变用途：输入、输出直流滤波电感及工频电源变压器。压器。 铁芯结构：叠片式和卷绕式铁芯结构：叠片式和卷绕式 叠片式铁心叠片式铁心 硅钢带剪切成硅钢带剪切成 I、CI、EI或或EE形，形，叠装而成叠装而成 结构：两柱式、结构：两柱式、三柱式三柱式 卷绕式铁心卷绕式铁心 硅钢带剪切成需要的硅钢带剪切成需要的宽度后，卷绕成环形、宽度后，卷绕成环形、单框形、双框形；变单框形、双框形；变压器励磁电流较小，压器励磁电流较小，线圈绕制较为复杂线圈绕制较为复杂 采用采用CD和和XD形铁心，形铁心，绕圈绕制较容易绕圈绕制较容易 2软磁铁氧体软磁铁氧体 非金属磁性材料：铁、锰、镁、非

14、金属磁性材料：铁、锰、镁、铜等金属氧化物粉末混合压制、铜等金属氧化物粉末混合压制、高温烧结高温烧结 特点：电阻率高；涡流损耗小；特点：电阻率高；涡流损耗小；温度特性较差温度特性较差 ；大型铁氧体不；大型铁氧体不易加工，易破碎易加工，易破碎 ，功率受限制；，功率受限制；饱和磁通密度低饱和磁通密度低 （0.5T） 用途：中、高频电磁元件用途：中、高频电磁元件 结构：形式较多，常用的有结构：形式较多，常用的有EE形、形、U形、形、PQ形及环形形及环形3非晶及超微晶合金非晶及超微晶合金 将铁磁性元素将铁磁性元素( (铁、钻、镍或其组合铁、钻、镍或其组合) )与其与其他物质他物质( (硅、硼、碳等硅、硼

15、、碳等) )混合，在熔化状态混合，在熔化状态下经急速冷却后将合金熔体凝固而形成下经急速冷却后将合金熔体凝固而形成 类型：铁基非晶合金类型：铁基非晶合金 、铁镍基非晶合金、铁镍基非晶合金 、钴基非晶合金钴基非晶合金 、铁基纳米晶合金、铁基纳米晶合金( (超微晶超微晶合金合金) ) （1 1）铁基非晶合金）铁基非晶合金 主要元素：铁、硅、硼、碳、磷等主要元素：铁、硅、硼、碳、磷等 特点：饱和磁通密度高特点：饱和磁通密度高(1.41.7T)、损耗低、损耗低(硅硅钢片的钢片的1/31/5)、价格便宜、价格便宜 最适合替代硅钢片用于中低频变压器的铁心最适合替代硅钢片用于中低频变压器的铁心(10kHz以下

16、以下)，大功率电感、电抗器，大功率电感、电抗器(2) 铁镍基非晶合金铁镍基非晶合金 主要元素：铁、镍、硅、硼、磷等主要元素：铁、镍、硅、硼、磷等 特点：饱和磁通密度较低（特点：饱和磁通密度较低（1T以下）、价格较以下）、价格较贵，但磁导率比较高贵，但磁导率比较高 可以代替硅钢片，用作高要求的中低频变压器可以代替硅钢片，用作高要求的中低频变压器铁心。铁心。 (3) 钴基非晶合金钴基非晶合金 主要元素：钴和硅、硼等，主要元素：钴和硅、硼等， 特点：磁性较弱饱和磁通密度较低特点：磁性较弱饱和磁通密度较低 (1T以下以下) 、价、价格很贵，但磁导率极高，工作频率可达格很贵，但磁导率极高，工作频率可达2

17、00kHz 一般用于要求严格的军工电源中的变压器、电感一般用于要求严格的军工电源中的变压器、电感等，替代铁氧体。等，替代铁氧体。 (4) 铁基纳米晶合金铁基纳米晶合金(超微晶合金超微晶合金) 主要元素：铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等主要元素：铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等 其中铜和铌是获得纳米晶结构必不可少的元素。其中铜和铌是获得纳米晶结构必不可少的元素。它们首先被制成非晶带材，然后经过适当退火，它们首先被制成非晶带材，然后经过适当退火，形成微晶和非晶的混合组织。形成微晶和非晶的混合组织。 特点：饱和磁通密度为特点：饱和磁通密度为1.21.4T，其他性能与，其他性能与钴基非晶合金相似，但价格低

18、于钴基非晶合金。钴基非晶合金相似，但价格低于钴基非晶合金。 在在10100kHz频率范围应用内可取代铁氧体。频率范围应用内可取代铁氧体。 优点：电阻率高，相对磁导率高优点：电阻率高，相对磁导率高(达达104105)；损耗低，是优良的软磁材料损耗低，是优良的软磁材料 缺点：使用温度不能超过缺点：使用温度不能超过150；较脆，需要；较脆，需要专用的保护盒，或树脂把铁心封装；专用的保护盒，或树脂把铁心封装；硬度高，硬度高，不易冲压，只能卷绕不易冲压，只能卷绕 铁心的形状：仅限于环形、跑道形、矩形等铁心的形状：仅限于环形、跑道形、矩形等4磁粉心磁粉心 复合型铁心：铁磁材料与非导磁材料粉末复合而复合型铁

19、心：铁磁材料与非导磁材料粉末复合而成；铁镍钼磁粉心、铁镍磁粉心、铁硅铝磁粉心成；铁镍钼磁粉心、铁镍磁粉心、铁硅铝磁粉心和铁磁粉心和铁磁粉心 特点：损耗略高于铁氧体，其中铁镍钼磁粉心损特点：损耗略高于铁氧体，其中铁镍钼磁粉心损耗最低，铁磁粉心损耗最高，其他两种居中；铁耗最低，铁磁粉心损耗最高，其他两种居中；铁镍钼磁粉心最贵，铁磁粉心价格最低；饱和磁通镍钼磁粉心最贵，铁磁粉心价格最低；饱和磁通密度为密度为0.61.2T；在较高磁场强度下不饱和，相；在较高磁场强度下不饱和，相对磁导率较低（对磁导率较低（20300 ） 滤波电感，结构以环形为主滤波电感，结构以环形为主 2.12.2 电感电感 电感的主

20、要结构：环形、电感的主要结构：环形、E形、形、C形形 铁心材料：铁心材料：硅钢片、铁氧体和非晶等高磁导率材料硅钢片、铁氧体和非晶等高磁导率材料（防止磁饱和，铁心中插入气隙（防止磁饱和，铁心中插入气隙 ）；）；磁粉心（选择磁导率防止铁心饱和磁粉心（选择磁导率防止铁心饱和 ）1电感的主要参数电感的主要参数 电感量：有气隙的高磁导率材料铁心磁通密度接电感量：有气隙的高磁导率材料铁心磁通密度接近饱和值前，视电感为常数近饱和值前，视电感为常数；磁粉心磁粉心 的铁心的铁心电感电感量随着工作电流增加而显著下降。量随着工作电流增加而显著下降。 额定电流：有效值绕组的发热；最大值铁心额定电流：有效值绕组的发热；

21、最大值铁心最大工作磁通密度；有气隙的高磁导率材料铁心，最大工作磁通密度；有气隙的高磁导率材料铁心，最大磁通密度最大磁通密度Bm与电流最大值与电流最大值im成正比；成正比；磁粉心磁粉心 的铁心，由的铁心，由特性曲线确定特性曲线确定Bm 。 最高工作温度：最高工作温度：与绕组的绝缘等级以及铁心材料与绕组的绝缘等级以及铁心材料最高工作温度有关最高工作温度有关；发热的根本原因是绕组的铜发热的根本原因是绕组的铜损及铁心的铁损。需要核算。损及铁心的铁损。需要核算。 2电感的计算方法电感的计算方法 设计前的准备工作：设计前的准备工作：(1)确定电感的电感量、电流的有效值及峰值确定电感的电感量、电流的有效值及

22、峰值(2)确定电感的最大工作磁通密度确定电感的最大工作磁通密度Bm (3)选择铁心的结构形式及导线的电流密度选择铁心的结构形式及导线的电流密度 72410(/)eFeFeaNALllAP法：法： AP=AeAw法，法，即用铁心的截面积即用铁心的截面积Ae和窗口截面和窗口截面积积Aw的乘积来确定该铁心的容量的乘积来确定该铁心的容量 eNBANLiimemL iAN BwcN IAkjmpewmcLi IAA AB k j设计步骤：设计步骤： 计算计算Ap值，对照产值，对照产品手册选择品手册选择Ap值大值大于计算结果的铁心于计算结果的铁心型号，确定型号，确定Ae值值 确定绕组匝数确定绕组匝数 计算气隙长度计算气隙长度 计算电感损耗，并计算电感损耗，并核算其温升核算其温升 mmeLiNB A72410eaN AlL2.12.3 变压器变压器 参数：一次、二次额定电压及电流，工作频率，参数：一次、二次额定电压及电流，工作频率，电压比，额定功率，漏感及最高工作温度等电压比，额定功率，漏感及最高工作温度等 特点：电压是周期性的非正弦波，通常为高频特点：电压是周期性的非正弦波，通常为高频脉冲波脉冲波 注意变压器绕组电压伏秒积的数值对铁心磁通注意变压器绕组电压伏秒积的数值对铁心磁通密度变化量密度变化量B的影响。防止过大的的影响。防止过大的B，进，进入饱和区，且产生