高壓高頻開關(guān)電源分析(張翔)

1、 研究生課程考試答題冊(cè)得 分：學(xué) 號(hào) 姓 名 考試科目 現(xiàn)代電源變換技術(shù)考時(shí)日期 2010.1.8 西北工業(yè)大學(xué)研究生院第一章 引言1 概述廣義地講, 電源變換就是通過電子線路或其它手段使已有的某一頻率、某一電壓的電源成為所需的頻率和電壓的電源所進(jìn)行的變換。它包括（1）DC一AC變換將一種直流電壓變換為另一種直流電壓;(2)AC一DC變換將交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?(3)DC一AC變換將直流電壓變?yōu)樗璧慕涣麟妷?(4)AC一AC變換將一種頻率的交流電壓變?yōu)榱硪环N頻率的交流電壓。目前, 電源變換大多采用電力電子技術(shù)。電源變換技術(shù)的發(fā)展, 是以現(xiàn)代微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展為前提的, 是依托現(xiàn)代

2、的電力電子器件及推陳出新的電子線路, 伴隨日益提高的生產(chǎn)應(yīng)用需求而發(fā)展的。由于新型的電力電子器件不斷涌現(xiàn), 不斷成熟, 加之新型的脈寬調(diào)制電路、雙零開關(guān)諧振電路的不斷完善, 新型電源變換技術(shù)獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。相應(yīng)地, 新型電源變換裝置正在向大功率、小體積、高頻率、高可靠性和模塊化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。2 開關(guān)電源文獻(xiàn)綜述2.1 歷史發(fā)展1955年美國羅耶（GH.Roger)發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開端；1957年美國人查賽（Jensen)發(fā)明了自激式推挽雙變壓器；1964年美國科學(xué)家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開關(guān)電源的設(shè)想，這對(duì)電源向體積

3、和重量的下降獲得了一條根本的途徑；到了1969年由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件改善，終于做成了25千赫的開關(guān)電源。2.2 目前現(xiàn)狀目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。目前市場上出售的開關(guān)電源中采用雙極性晶體管制成的100kHz、用MOSFET制成的500kHz電源，雖已實(shí)用化，但其頻率有待進(jìn)一步提高。要提高開關(guān)頻率，就要減少開關(guān)損耗，而要減少開關(guān)損耗，就需要有高速開關(guān)元器件。然而，開關(guān)速度提高后，會(huì)受電路中分布電感和電容或二極管中存儲(chǔ)

4、電荷的影響而產(chǎn)生浪涌或噪聲。這樣，不僅會(huì)影響周圍電子設(shè)備，還會(huì)大大降低電源本身的可靠性。其中，為防止隨開關(guān)從開啟-關(guān)閉，所發(fā)生的電壓浪涌，可采用R-C或L-C緩沖器；而對(duì)由二極管存儲(chǔ)電荷所致的電流浪涌可采用非晶態(tài)等磁芯制成的磁緩沖器。不過，對(duì)1MHz以上的高頻，要采用諧振電路，以使開關(guān)上的電壓或通過開關(guān)的電流呈正弦波，這樣既可減少開關(guān)損耗，同時(shí)也可控制浪涌的發(fā)生。這種開關(guān)方式稱為諧振式開關(guān)。目前對(duì)這種開關(guān)電源的研究很活躍，因?yàn)椴捎眠@種方式不需要大幅度提高開關(guān)速度就可以在理論上把開關(guān)損耗降到零，而且噪聲也小，可望成為開關(guān)電源高頻化的一種主要方式。當(dāng)前，世界上許多國家都在致力于數(shù)兆Hz的變換器的實(shí)

5、用化研究。2.2.1可關(guān)斷晶閘管（GTO）GTO是一種可以借助負(fù)的門極電流脈沖關(guān)斷的晶閘管, 它除具有普通晶閘管耐壓高、電流大、耐浪涌能力強(qiáng)、造價(jià)便宜等優(yōu)點(diǎn)外， 還具有自關(guān)斷能力，且工作頻率較高，控制線路較簡單。進(jìn)入80年代后， 它在高電壓、大電流應(yīng)用方面取得了很大的進(jìn)步。2.2.2電力晶體管（GTR）GTR是一種大功率、高反壓的巨型晶體管,，它具有開關(guān)時(shí)間短、飽和壓降低等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛用于交流電機(jī)調(diào)速和中頻電源等裝置中。2.2.3靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）它是一種在柵極上加反向偏壓即處于阻斷狀態(tài), 除去反向偏壓即處于導(dǎo)通狀態(tài)的常開器件。它具有動(dòng)態(tài)特性均勻、導(dǎo)通電阻小、正向壓降低、開關(guān)速度

6、快、開關(guān)損耗低、耐量大等優(yōu)點(diǎn)。2.2.4功率場控晶體管(Power MOSFET)它是一種單極型的電壓控制器件, 具有輸入阻抗高、控制方便、熱穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、開關(guān)速度快、無二次擊穿等優(yōu)點(diǎn)。靜電感應(yīng)晶體管(SIT)它是一種具有非飽和輸出特性的器件，既可以工作在開關(guān)狀態(tài)，也可工作在放大狀態(tài)。它具有工作頻率高、輸出功率大、失真小、輸入阻抗高、開關(guān)特性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。絕緣門極晶體管（IGBT）它集MOSFET電壓激勵(lì)和達(dá)林頓功率管大電流、正向飽和壓降低的特性于一體, 具有工作頻率高、可靠性高、開關(guān)損耗低、脈沖拖尾電流低、工作安全區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)， 應(yīng)用在電機(jī)控制、50kHz以上的中頻電源、各

7、種開關(guān)電源以及其它要求高速度、低損耗的領(lǐng)域。晶閘管(MTC)MTC是晶閘管與MOSFET相結(jié)合的產(chǎn)物，主導(dǎo)元件是SCR，控制元件是MOSFET。MCT具有高電壓、大電流、低通態(tài)壓降、高電流密度、高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率和高開關(guān)速度、高dv/dt與di/dt耐量等優(yōu)點(diǎn),是一種很理想的電子開關(guān)器件，是目前人們?cè)u(píng)價(jià)最高的一種混合器件。功率集成電路(PIC)它是功率器件與驅(qū)動(dòng)電路、控制電路以及保護(hù)電路的集成，它將成為機(jī)與電的關(guān)鍵接口和機(jī)電一體化的關(guān)鍵部件，PIC 的發(fā)展和應(yīng)用將使電力電子技術(shù)進(jìn)入智能化時(shí)代。目前，以IPM等為代表的第三代智能功率模塊正在大規(guī)模地占領(lǐng)市場。2.3未來發(fā)展趨勢模塊化是開關(guān)電源

8、發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)針對(duì)開關(guān)電源運(yùn)行噪聲大的缺點(diǎn)，若單獨(dú)追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問題，故仍需在這一領(lǐng)域開展大量的工作，以使得該項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)用化。電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路，走出有中國特色的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。 第二章 高頻高壓開關(guān)電源的工作原理分析2.1推動(dòng)高頻高壓開關(guān)電源發(fā)展的主要技術(shù)2.1.1功率半導(dǎo)體器件 20世紀(jì)90年代，用在

9、電力電子變換的功率半導(dǎo)體器件91有許多新的進(jìn)展，如:(1)功率MOSFET和IGBT已完全取代功率晶體管(GTR)和中小電流的晶閘管，使實(shí)際開關(guān)電源高頻化有了可能。超快恢復(fù)二極管和MOSFET同步整流技術(shù)的開發(fā)，也為研制高效率的開關(guān)電源創(chuàng)造了條件。(2)功率半導(dǎo)體器件的水平超過預(yù)測，電壓、電流額定值分別達(dá)到:IGBT，330OV，1200A和25O0V，1800A;PowerMOSFET，500V，24OA;GCT(Gate eommutatedTurn一offThyristor)4.skv，3kA;二極管，s000V，4000A。(3)功率半導(dǎo)體器件的晶片理想材料是碳化硅，已作出25mm，4

10、0mm晶片，并試制出一批碳化硅器件樣品。如肖特基二極管，175OV，70n1A，正向壓降VF一1.3V。但是SIC器件要達(dá)到實(shí)用化，還需要一定時(shí)間。碳化硅(SIC)是功率半導(dǎo)體器件晶片的理想材料，其優(yōu)點(diǎn)是禁帶寬、工作溫度高(可達(dá)600)、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電阻小、導(dǎo)熱性能好、漏電流極小、PN結(jié)耐壓高等，有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導(dǎo)體器件。(4)20世紀(jì)80年代，將功率器件與驅(qū)動(dòng)、智能控制、保護(hù)、邏輯電路等集成封裝，稱為智能功率模塊(IPM)或智能功率集成電路。IPM工作電壓可高達(dá)15V;環(huán)境溫度達(dá)+125。 20世紀(jì)90年代，隨著大規(guī)模分布電源系統(tǒng)的發(fā)展，將IPM的設(shè)計(jì)觀念推廣到更大容量、

11、更高電壓的集成電力電子電路，并提高了集成度，稱為集成電力電子模塊(IPEM)。將功率器件與電路、控制，以及檢測、執(zhí)行元件集成封裝，得到標(biāo)準(zhǔn)的、可制造的模塊，既可用于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，也可用于專用、特殊設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)是可高效為用戶提供產(chǎn)品，顯著降低成本，提高可靠性。2.1.2軟開關(guān)技術(shù)PWM開關(guān)電源按硬開關(guān)模式工作，開關(guān)過程中，開關(guān)器件的電壓和電流波形有交疊，因而開關(guān)損耗大。PWM開關(guān)電源高頻化可以縮小體積重量，但頻率越高，開關(guān)損耗越大，為此必須研究開關(guān)電壓和電流波形不交疊的技術(shù)，即所謂零電壓開關(guān)(ZVS)和零電流開關(guān)(ZCS)技術(shù)，或稱軟開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)技術(shù)的開發(fā)和利用提高了開關(guān)電源的效率。1994年2月

12、，IEEE電力電子學(xué)會(huì)組織會(huì)議曾指出，高功率密度DC一DC零電壓開關(guān)變換器與開關(guān)器件性能、無源器件性能、封裝技術(shù)等有很大的關(guān)系。并預(yù)測不久，在保證可靠性增加一倍的基礎(chǔ)上，功率變換器成本將降低一半，功率密度可提高一倍。現(xiàn)在，有的開關(guān)變換器產(chǎn)品已達(dá)到這一目標(biāo)。由于DC/DC變換電路中的功率開關(guān)管不是理想器件，在開通時(shí)開關(guān)管的電壓不是立即下降到零，而是有一個(gè)下降過程，同時(shí)它的電流也不是立即上升到負(fù)載電流，有一個(gè)上升時(shí)間。在這段時(shí)間里，電流和電壓有一個(gè)交疊區(qū)，產(chǎn)生損耗，我們稱之為開通損耗（Turn-on Loss）。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管的電壓不是立即上升到電源電壓，電流也不是立即下降到零，同樣存在交

13、疊區(qū)，產(chǎn)生損耗，我們稱之為關(guān)斷損耗（Turn-off Loss）4。因此在開關(guān)管工作時(shí)要產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗，我們統(tǒng)稱為開關(guān)損耗（Switching Loss）。在一定條件下，開關(guān)管在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的開關(guān)損耗是恒定的，變換器總的開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，開關(guān)頻率越高，總的開關(guān)損耗越大，變換器的效率就越低。開關(guān)損耗的存在限制了變換器的開關(guān)頻率的提高，從而限制了變換器的小型化和輕量化。開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生高和，從而產(chǎn)生電磁干擾EMI問題。并且如果不改善開關(guān)管的開關(guān)條件，其開關(guān)軌跡很可能超過安全工作區(qū)，導(dǎo)致開關(guān)管損壞。所謂“軟開關(guān)”通常是指功率器件工作在零電壓開關(guān)ZVS（Zero Vo

14、ltage Switching）模式或零電流ZCS（Zero Current Switching）模式5。軟開關(guān)技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是通過電感L和電容C的諧振，使開關(guān)器件中的電流或兩端電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然流過零時(shí)，使器件關(guān)斷；當(dāng)電壓下降到零時(shí)，使器件導(dǎo)通。功率器件在零電壓或電流條件下完成導(dǎo)通與關(guān)斷過程，將使功率器件的開關(guān)損耗理論上為零，從而提高變換器的工作頻率，減小變換器的體積和重量。圖21給出了硬開關(guān)和軟開關(guān)的電壓與電流波形示意圖，可以對(duì)比分析。由于為了解決硬開關(guān)全橋變換帶來的一系列負(fù)面影響，我們采用合適的軟開關(guān)技術(shù)來進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。圖21 開關(guān)管的硬開關(guān)和軟開關(guān)的理想波形2.1.

15、3控制技術(shù)由于開關(guān)變換器的強(qiáng)非線性，以及它具有離散和變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、負(fù)載性質(zhì)的多樣性，主電器的性能必須滿足負(fù)載大范圍變化，所以這些使開關(guān)變換器的控制問題和控制器的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。一些新的控制方法，如自適應(yīng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、以及各種調(diào)制策略在開關(guān)電源中的應(yīng)用，已引起人們的注意。電流型控制及多環(huán)控制已在開關(guān)電源中得到較廣的應(yīng)用;電荷控制、一周期控制、Hco控制、DSP控制技術(shù)的開發(fā)及相應(yīng)專用集成控制芯片的控制，使開關(guān)電源動(dòng)態(tài)性能有很大提高，電路也大幅度簡化。2.1.4有源功率因數(shù)校正技術(shù)由于輸入端有整流器件和濾波電容，許多整流電源供電的電子設(shè)備使電網(wǎng)側(cè)(輸入端)功率因數(shù)僅為0.65。用有源功率

16、因數(shù)校正技術(shù)(簡稱APFC)可提高到0.95一0.99，既治理了電網(wǎng)的“諧波”污染，又提高了電源的整體效率。另外還有高頻磁元件、飽和電感的應(yīng)用、分布電源、電源智能化技術(shù)、開關(guān)電源的EMI與EMC等技術(shù)都推動(dòng)開關(guān)電源的發(fā)展。2.2高頻高壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)的基本原理2.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件，通過周期性間斷工作，控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖2.2所示，其中DC/DC變換器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，它是開關(guān)電源的核心部分，此外還有起動(dòng)、過流與過壓保護(hù)、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路(Rl、RZ)檢測輸出電壓變化，與基準(zhǔn)電壓Ur比較，誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬

17、調(diào)制 (PWM)電路，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制功率器件的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。圖2.3是一種電路實(shí)現(xiàn)形式。DC/DC變換器有多種電路形式，常用的有工作波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準(zhǔn)正弦波的諧振型變換對(duì)于串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源，輸出對(duì)輸入的瞬態(tài)響應(yīng)特性主要由調(diào)整管的頻率特性決定但對(duì)于開關(guān)型穩(wěn)壓電源輸入的瞬態(tài)變化比較多地表現(xiàn)在輸出端提高開關(guān)頻率的同時(shí)，由于反饋放大器的頻率特性得到改善，開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)問題也能得到改善。負(fù)載變化瞬態(tài)響應(yīng)主要由輸出端LC濾波器特性決定，所以可以利用提高開關(guān)頻率、降低輸出濾波器LC乘積的方法來改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。高頻高壓開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)有多種(1)按驅(qū)

18、動(dòng)方式分，有自勵(lì)式和他勵(lì)式。(2)按DC/DC變換器的工作方式分：單端正勵(lì)式和反勵(lì)式、推挽式半橋式、全橋式等；降壓型、升壓型和升降壓型等(3)按電路組成分，有諧振型和非諧振型。(4)按控制方式分：脈沖寬度調(diào)制(PWM)式；脈沖頻率調(diào)制(PFM)式；PWM與PFM混合式。(5)按電源是否隔離和反饋控制信號(hào)禍合方式分，有隔離式、非隔離式和變壓器藕合式、光電禍合式等。高頻高壓開關(guān)電源系統(tǒng)原理框圖如圖2.4所示。高壓電源的輸入信號(hào)賴自220V的交流市電，經(jīng)整流濾波后與PWM脈沖調(diào)制器的輸出信號(hào)一起驅(qū)動(dòng)高頻變壓器，通過高頻變壓器得到的高壓電源再經(jīng)整流濾波后，輸出直流高壓。輸出反饋信號(hào)經(jīng)光電隔離后反饋給脈

19、沖調(diào)制器，通過與脈沖調(diào)制器中誤差放大器的基準(zhǔn)電壓比較，控制脈沖調(diào)制器的輸出占空比，以調(diào)節(jié)輸出電壓。2.2.2高頻高壓開關(guān)電源的組成高頻高壓開關(guān)電源通過MOSFET或IGBT的高頻工作，開關(guān)頻率一般控制在50一100kHz范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。高頻開關(guān)電源主要由以下幾個(gè)部分組成(l)主電路從交流電網(wǎng)輸入、直流輸出的全過程，包括以下幾個(gè)部分。輸入濾波器其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時(shí)也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。整流與濾波將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級(jí)變換。逆變將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。輸出

20、整流與濾波根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。(2)控制電路一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達(dá)到輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對(duì)整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)措施。(3)檢測電路除了提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀表數(shù)據(jù)。(4)輔助電源為控制電路和保護(hù)電路提供滿足一定技術(shù)要求的直流電源，以保證它們工作穩(wěn)定可靠。輔助電源可以是獨(dú)立的，也可以由開關(guān)電源本身產(chǎn)生。2.3開關(guān)變換器高頻高壓開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)己實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均己成熟和標(biāo)準(zhǔn)化

21、，并己得到用戶的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。2.3.1DC/DC變換DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調(diào)制方式，ton不變，改變Ts(易產(chǎn)生干擾)。其具體的電路由以下幾類。 (1)Buck電路降壓斬波器，其輸出平均電壓Uo小于輸入電壓Ui，極性相同。 (2)Boost電路升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于輸入電壓Ui，極性相同。(3)Buck一Boost電路降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓UO大于或小于輸入電壓U

22、i，極性相反，電感傳輸。(4)Cuk電路降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓U，極性相反，電容傳輸。當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國VICOR公司設(shè)計(jì)制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應(yīng)的功率密度為(6、2、10、17)w/em3，效率為(50一90)o，o。日本NemieLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列，其開關(guān)頻率為(200一300)kHz，功率密度己達(dá)到27W幾m，采用同步整流器(Mos一FE代替肖特基二極管)，是整個(gè)電路效率提高到90%。2.4控制方式開關(guān)K以一

23、定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開，在開關(guān)K接通時(shí)，輸入電源E通過開關(guān)K和濾波電路提供給負(fù)載RL，在整個(gè)開關(guān)接通期間，電源E向負(fù)載提供能量;當(dāng)開關(guān)K斷開時(shí)，輸入電源E便中斷了能量的提供。可見，輸入電源向負(fù)載提供能量是斷續(xù)的，為使負(fù)載能得到連續(xù)的能量提供，開關(guān)穩(wěn)壓電源必須要有一套儲(chǔ)能裝置，在開關(guān)接通時(shí)將一部份能量儲(chǔ)存起來，在開關(guān)斷開時(shí)，向負(fù)載釋放。改變接通時(shí)間TON和工作周期T的比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱為“時(shí)間比率控制”TRC。按TRC控制原理，有三種方式:(l)脈沖寬度調(diào)制PWM開關(guān)周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。(2)脈沖頻率調(diào)制PFM導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)工作頻

24、率來改變占空比的方式。(3)混合調(diào)制導(dǎo)通脈沖寬度和開關(guān)工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的混合。PWM脈寬調(diào)制，是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變周期來控制其輸出頻率。而輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調(diào)制周期來實(shí)現(xiàn)。這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個(gè)作用配合一致，且于中間直流環(huán)節(jié)無關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動(dòng)態(tài)性能。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大大改善。利用PWM逆變器能夠抑制或消除低次諧波。加上使用自關(guān)斷器件，開關(guān)頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波。脈寬調(diào)制(PWM)控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)

25、行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次斜波諧波少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率，采用現(xiàn)有的器件和電路技術(shù)，一般可使PWM開關(guān)電源工作在幾十kHz至于百kHz的開關(guān)頻率，電源裝置在重量、效率、可靠性、價(jià)格和外形尺寸方面可認(rèn)為是最佳的，適合于中、大功率的應(yīng)用場合。而且，采用一般的PWM調(diào)制方式，對(duì)元器件的要求也不會(huì)太高，很適合于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高性價(jià)比。脈沖寬度調(diào)制(PWM)變換器就是通過重復(fù)通/斷開關(guān)工作方式把一

26、種直流電壓(電流)變換為高頻方波電壓(電流)，再經(jīng)過整流平波后變?yōu)榱硪环N直流電壓輸出。PWM變換器有功率開關(guān)管、整流二極管及濾波電路等元器件組成。輸入輸出間需要進(jìn)行電氣隔離時(shí)，可采用變壓器進(jìn)行隔離和升降壓。PWM變換器的工作原理如圖2.5所示。由于開關(guān)工作頻率的提高，濾波電感L，變壓器T等磁性元件以及濾波電容C等都可以小型化。對(duì)于PWM變換器，加在開關(guān)管S兩端的電壓Us及通過S的電流i、的波形近似為方波，如圖2.6所示 對(duì)于這種變換器，有兩種工作方式。一種是保持開關(guān)工作周期Ts不變，控制開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton。的脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式，另一種是保持導(dǎo)通時(shí)間ton不變，改變開關(guān)工作周期Ts的脈沖

27、頻率調(diào)制(PFM)方式。對(duì)于這種變換器，有兩種工作方式。一種是保持開關(guān)工作周期Ts不變，控制開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton。的脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式，另一種是保持導(dǎo)通時(shí)間ton不變，改變開關(guān)工作周期Ts的脈沖頻率調(diào)制(PFM)方式。2.6 MOS 管模型參數(shù)提取電路仿真是集成電路設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，電路仿真結(jié)果的精度雖然受仿真工具的約束，但電路中器件模型參數(shù)的精度往往是影響電路模擬精度的首要因素。2.6.1 閾值電壓VT0 和飽和區(qū)跨導(dǎo)KS遠(yuǎn)小于1 令 因此可以得到MOS 管的閾值電壓VT0 和飽和區(qū)跨導(dǎo)KS 如下 線性區(qū)跨導(dǎo)KLMOS 管模型在線性區(qū)的方程式如式令 溝道長度調(diào)制系數(shù) 體效應(yīng)系數(shù)因此先求

28、得不同VSB 時(shí)的VT，由圖2.7 中擬合曲線可以計(jì)算得到不同VSB 時(shí)的閾值電壓VTVSB(V)VT(V)010 0.51.20.2541.01.5 0.4591.51.5 0.6372.01.790.795表2.1根據(jù)表2.1 擬合得2.7 本章小結(jié)本章介紹了高頻高壓開關(guān)電源的基本工作原理；總結(jié)了開關(guān)電源中常用的開關(guān)變換器；介紹了開關(guān)電壓的控制方式，采用功率MOSET管。第3章高頻高壓開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)高頻高壓開關(guān)電源的主電路框圖如圖3.1所示。交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、橋式整流濾波得到300V直流電壓，通過功率變換電路得到160V直流電壓，通過全橋驅(qū)動(dòng)電路將160V直流電壓轉(zhuǎn)換成160V交

29、流電壓，再經(jīng)高頻變壓器隔離變換，輸出高頻交流電壓，最后經(jīng)過輸出整流濾波電路，將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓。3.1 交流輸入濾波及輸入橋式整流濾波電路開關(guān)電源的高速開關(guān)瞬態(tài)往往會(huì)產(chǎn)生很高的射頻分量，從而污染交流饋電線路，交流電源能傳遞電氣噪聲和電磁輻射，導(dǎo)致開關(guān)電源中的瞬變?cè)佥椛浜蛡鬟f到其它負(fù)載。電源輸入濾波主要由工頻低通濾波器和共模扼制元件組成，封閉在磁屏蔽盒內(nèi)且可靠接地。電源輸入濾波又稱電磁干擾(EMl)或射頻干擾濾波器。3.2軟啟動(dòng)電路高頻高壓開關(guān)電源的輸入端一般接有輸入濾波器。在開機(jī)瞬間，濾波電容器會(huì)流過很大的浪涌電流，這個(gè)浪涌電流可以為正常輸入電流的數(shù)倍。這樣大

30、的浪涌電流，重者往往會(huì)導(dǎo)致輸入熔斷器燒斷或合閘開關(guān)的觸點(diǎn)燒壞，整流橋過流損壞，并使輸入保險(xiǎn)絲熔斷;輕者也會(huì)使空氣開關(guān)產(chǎn)生打火現(xiàn)象，合不上閘。另外，浪涌電流也會(huì)損害電容器，使之壽命縮短，過早損壞。為此，要設(shè)置防止浪涌電流的軟啟動(dòng)電路，如圖3.2所示，以保證開關(guān)電源正常而可靠地運(yùn)行。圖3.2采用繼電器Kl和限流電阻R2構(gòu)成軟啟動(dòng)電路。在輸入EMI濾波器的輸出斷接入一個(gè)限流電阻R2，通過這個(gè)限流電阻來對(duì)電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過多的功率，以致影響開關(guān)電源的正常工作，而在開機(jī)暫態(tài)過程結(jié)束后，用一個(gè)繼電器Kl自動(dòng)短接它，使直流電源直接對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器供電，這種電路稱之謂直流開關(guān)電源的“軟啟動(dòng)”電路

31、。3.3功率變換電路及其驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路是主電路和控制電路之間的接口，良好的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義。驅(qū)動(dòng)電路的作用是將單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)功率器件。確定功率器件的種類及其型號(hào)后，可根據(jù)功率器件工作模式選擇其合適的驅(qū)動(dòng)電路，包括驅(qū)動(dòng)電源、隔離裝置、隔離變壓器、邏輯門電路等等。開關(guān)元件選用功率MOS管24N4OE，其工作頻率可提高到200kHz以上，具有開關(guān)速度快、易并聯(lián)、所需驅(qū)動(dòng)功率低等優(yōu)點(diǎn)。SG3525是用于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET。SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入

32、端直接用流過輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。SG3525根據(jù)變壓器副邊反饋的電壓信號(hào)調(diào)整輸出信號(hào)的占空比。由于主電路采用雙端正激式，門極信號(hào)需要隔離，因而SG3525輸出端接于變壓器TZ原邊兩端，兩個(gè)副邊分別驅(qū)動(dòng)開關(guān)管柵極。3.3.1PWM控制器SG3525PwM集成控制器通常分為電壓型控制器和電流型控制器兩種。電壓型控制器只有電壓反饋控制，可滿足穩(wěn)定輸出電壓的要求，電流型控制器增加了電流反饋

33、控制，除了穩(wěn)定輸出電壓外，還有以下優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)流過開關(guān)管的電流達(dá)到給定值時(shí)，開關(guān)管自動(dòng)關(guān)斷；自動(dòng)消除工頻輸入電壓經(jīng)整流后的紋波電壓，在開關(guān)電源輸出端，300Hz以下的紋波電壓很低，因此可減小輸出濾波電容的容量；多臺(tái)開關(guān)電源并聯(lián)工作時(shí)，PWM開關(guān)控制器具有內(nèi)在的均流能力；具有更快的負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖3.3SG3525的引腳圖和內(nèi)部框圖 引腳1為誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號(hào)。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端(引腳9)相連，可構(gòu)成跟隨器。引腳2為誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號(hào)。根據(jù)需要，在該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端(引腳9)之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以

34、構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。引腳3為振蕩器外接同步信號(hào)輸入端。該端接外部同步脈沖信號(hào)可實(shí)現(xiàn)與外電路同步。 引腳4為振蕩器輸出端。引腳5為振蕩器定時(shí)電容接入端。引肚p6為振蕩器定時(shí)電阻接入端。引腳7為振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構(gòu)成放電回路。引腳8為軟啟動(dòng)電容接入端。該端通常接一只的軟啟動(dòng)電容。引腳9為PWM比較器補(bǔ)償信號(hào)輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。引腳10為外部關(guān)斷信號(hào)輸入端。該端接高電平時(shí)控制器輸出被禁止。該端可與保護(hù)電路相連，用于實(shí)現(xiàn)限流控制，以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。引腳11為輸出端A。引腳11和引腳1

35、4是兩路互補(bǔ)輸出端。引腳12為信號(hào)地。弓!腳13為輸出級(jí)偏置電壓接入端。引腳14為輸出端B。引腳14和引腳11是兩路互補(bǔ)輸出端。引腳15為偏置電源接入端，接SG3525的工作電源+lSV。引腳16為基準(zhǔn)電源輸出端。該端可輸出溫度穩(wěn)定性極好的基準(zhǔn)電壓。SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3.4所示，主要有基準(zhǔn)電源、振蕩器、誤差放大器、PWM比較器和鎖存器、觸發(fā)器、或非門電路和圖騰輸出電路等幾大部分組成。SG3525在第一代脈寬調(diào)制芯片SG3524的基礎(chǔ)上作了較大的改進(jìn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。電路中設(shè)置了欠電壓鎖定和限流關(guān)斷電路為了防止在欠電壓狀態(tài)下(<8V)時(shí)有效地使輸出保持在關(guān)斷狀態(tài)，電路中設(shè)

36、置了欠電壓封鎖電路，當(dāng)U>2.5V時(shí)，欠電壓封鎖電路就開始工作，其上限值為8V，但在電路達(dá)到8V前，電路各部分已進(jìn)入正常工作狀態(tài)，而當(dāng)從8V下降到7.5V時(shí)，鎖定電路又開始恢復(fù)工作，其中有O.8V的回差電壓，用于消除鉗位電路在閥值點(diǎn)處的振蕩。在鎖定電路工作期間，輸出一高電平，加至組合邏輯門電路的輸入端，以封鎖PWM的脈沖信號(hào)。SG3525沒有電流限制放大器，它采用了關(guān)斷控制電路來進(jìn)行限流控制，其中包括逐個(gè)脈沖的電流限制和輸出電流的限流控制，只要將信號(hào)加于ro腳就能實(shí)現(xiàn)限流控制。另外ro腳也可提供各種程序控制的需要。改進(jìn)了振蕩電路主要是將時(shí)基電容的放電電路與充電電源分開，單獨(dú)設(shè)立引腳7，C

37、放電通過外接電阻R來實(shí)現(xiàn)，改變R即可改變C的放電時(shí)間常數(shù)，從而也改變了死區(qū)時(shí)間，而C的充電是由R規(guī)定的內(nèi)部電流源決定的。輸出電路的改進(jìn)SG3525輸出級(jí)采用了圖騰柱輸出電路，它能使輸出管更快地關(guān)斷，V1由達(dá)林頓管組成，最大驅(qū)動(dòng)能力為100mA，V2作為開關(guān)器件，在其導(dǎo)通時(shí)可以迅速把外接MOS管柵極上的電荷從它的集電極泄放至地，最大吸收電流為50mA。振蕩器通過外接時(shí)基電容和電阻產(chǎn)生鋸齒波振蕩，同時(shí)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)，該信號(hào)的脈沖寬度與鋸齒波的下降沿相對(duì)應(yīng)。時(shí)鐘脈沖作為由T觸發(fā)器組成的分相器的觸發(fā)信號(hào)，用來產(chǎn)生誤差為180°的一對(duì)方波信號(hào)，誤差放大器是一個(gè)雙級(jí)差分放大器，經(jīng)差分放大的信號(hào)與振蕩器輸出的鋸齒波電壓，加至PWM比較器的輸入端，比較器輸出的調(diào)制信號(hào)經(jīng)鎖存后作為或非門電路的輸入信號(hào)，或非門電路的輸出即為圖騰柱電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)SG3525的工作原理SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)電源，微調(diào)至1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)同步，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。在引腳5和引腳7之間加入一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動(dòng)電路，因此只需要一個(gè)外接定時(shí)電容。SG