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开关三极管

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按电路工作象限又可分为一象限、二、三四

发布时间:2019-05-30

  。图1所示的开关电源基本形式即是串联型开关电源,其特点是开关调整管VT与负载R1串联。因 此,开关管和续流二极管的耐压要求较低。且滤波电容在开关管导通和截止时均有电流,故滤波性能好, 输出电压叽的纹波系数小;要求储能电感铁心截面积也较小。其缺点为:输出直流电压与电网电压之间没 有隔离变压器,即所谓“热底盘”,不够安全;若开关管内部短路,则全部输入电压直接加到负载上,会 引起负载过压或过流,损坏元件。因此输出端一般需加稳压管加以保护。

  并联型。并联型开关稳压电源基本电路如图2所示,其工作波形与串联电路基本相同,因开关管VT与 负载RL并联而称为并联型。此外,二极管YD通常称为脉冲整流管,C为滤波电容。

  当开关管基极输人开关控制脉冲时,开关管周期性地导通与截止。当开关管饱和导通时,输入电压Ui加 在储能电感L两端。此时电感中的电流线性上升,二极管VD反偏而截止,电感L储存能量,此时负载RL所需 的电流由前一段时间电容上所充的电压供给。当开关管截止时,VD导通,通过电感上的电流线性下降,感 应电压为左负右正,输入电压Ui和电感L上的感应电压同极性串联,电源输人Ui和电感L所释放的能量同时 给负载RL提供电流,并向电容C充电。同样,达到动态平衡时,电感L在开关管饱和时增加的电流量(能量 )与开关管截止时减小的电流量(能量)相等,即电感上能量保持一个恒量,故

  可见,并联型开关稳压电源同样可通过控制来稳定或调整输出电压,同时还可以看出,由于<1,这 种并联型开关电源属于升压型电源,开关管所承受的最大反向电压Uce max=Uo(>Ui)。而图1所示的串 联型开关电源属降压型电源,开关管所承受的最大反向电压Uce max=Ui。

  脉冲变压器耦合(并联)型。变压器耦合(并联)型开关电源(自激式)基本电路如图3所示。开关器 件可以是双极型晶体管,也可以是场效应管,T为开关(脉冲)变压器,VD为脉冲整流二极管,C为滤波电 容,RL为负载。这里脉冲变压器的初级绕组起储能电感作用,脉冲变压器通过电感耦合传输能量,可使输 入端与稳压输出端之间互相隔离,实现机壳(底板)不带电,同时还可便利地得到多种直流电压,给制作 和维修带来方便,因此,大多数彩电都采用变压器耦合型开关电源。

  如果将脉冲变压器视为初、次级匝数比为n:1的理想变压器,把次级参数等效至初级,可画成图2所示并联型的电路形式,只是用nUo代替图2中的Uo。对图3电路,可得

  由于n>1,变压器型开关电源一般均为降压输出。开关电源中开关管所承受的最大脉冲电压为Uce max=Ui+nUo。

  开关电源一般有三种工作模式:频率、脉冲宽度固定模式,频率固定、脉冲宽度可变模式,频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源,或DC/DC电压变换;后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外,开关电源输出电压也有三种工作方式:直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样,前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源,或DC/DC电压变换;后两种工作方式多用于开关稳压电源。

  开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类,DC/DC变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化;AC/DC的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

  DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种,一是脉宽调制方式Ts不变,改变ton(通用),二是频率调制方式,ton不变,改变Ts(易产生干扰)。其具体的电路由以下几类:

  A、Buck电路降压斩波器,其输出平均电压U0小于输入电压Ui,极性相同。

  B、Boost电路升压斩波器,其输出平均电压U0大于输入电压Ui,极性相同。

  C、Buck-Boost电路降压或升压斩波器,其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui,极性相反,电感传输。

  D、Cuk电路降压或升压斩波器,其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui,极性相反,电容传输。

  当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃,美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3,效率为(80~90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为(200~300)kHz,功率密度已达到27W/cm3,采用同步整流器(MOS?FET代替肖特基二极管),使整个电路效率提高到90%。

  AC/DC变换是将交流变换为直流,其功率流向可以是双向的,功率流由电源流向负载的称为“整流”,功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电,因必须经整流、滤波,因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的,同时因遇到安全标准(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、、FCC、CSA),交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件,这样就限制AC/DC电源体积的小型化,另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作,使得解决EMC电磁兼容问题难度加大,也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求,由于同样的原因,高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大,限制了AC/DC变换器模块化的进程,因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。

  AC/DC变换按电路的接线方式可分为,半波电路、全波电路。按电源相数可分为,单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。

  变压器耦合(并联)型开关电源的优点是:①通过附加一个次级绕组间接取样的办法或采用光耦合器实 现电源隔离,使主电源电路与交流电网隔离,即所谓“冷底盘”电路;②若开关管内部短路,不会引起负 载的过压或过流;③容许辅助电源负载与主电源负载无关。即不接主电源负载,辅助电源仍可从主电源中 得到。其缺点是:①对开关管和续流二极管的耐压要求高;②输出电压纹波系数较高;③要求储能电感量 较大。

  按开关器件的激励方式,可分为自激式和他激式开关电源。自激式开关电源不需专设振荡电路,用开关 调整管兼做振荡管,只需设置正反馈电路使电路起振工作,因而电路比较简单。

  开关稳压电源的输出与开关管的导通时间有关,即决定于开关脉冲的占空比,稳压控制也就是通过调 制开关脉冲的占空比来实现的,控制方式有脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)两种。脉冲宽度 控制(调宽)式开关电源稳压电路在通过改变开关脉冲宽度(控制开关管导通时间)来稳定输出电压的过 程中,开关管的工作频率不改变。脉冲频率控制(调频)式开关电源在稳压控制过程中,改变开关脉冲的 占空比的同时,开关管的工作频率也随着发生变化,故称之为调频-调宽式稳压电源。

  PWM方式和PFM方式的调制波形分别如图4(a)、(b)所示,tp表示脉冲宽度(即功率开关管的导通时间 tON),T代表周期,从中很容易看出二者的区别。但它们也有共同之处:①均采用时间比率控制(TRC)的 稳压原理,无论改变tp还是T,最终调节的都是脉冲占空比。尽管采用的方式不同,但控制目标一致,可 谓殊途同归。②当负载由轻变重,或者输入电压从高变低时,分别通过增加脉宽、升高频率的方法,使输 出电压保持稳定。

  混合调制方式是指脉冲宽度与开关频率均不固定,彼此都能改变的方式,它属于PWM和PFM的混合方式。由于莎p和r均可单独调节,因此占空比调节范围最宽,适合制作供实验室使用并可宽范围调节的开关电源。

  按开关管的连接和工作方式分类,开关稳压电源可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式4种。单端式仅用一个开关晶体管,推挽式或半桥式采用两个开关晶体管,全桥式则采用4个开关晶体管。目前彩色电视机、显示器、打印机、传真机等开关稳压电源常采用单端式,而微机开关电源均采用半桥式。

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