《斬波開關(guān)技術(shù)》課件

斬波開關(guān)技術(shù)斬波開關(guān)技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域的開關(guān)技術(shù)，通過對直流電源進(jìn)行脈沖調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對直流電能的控制。課程介紹11.概述本課程介紹斬波開關(guān)技術(shù)，主要用于理解開關(guān)電源工作原理。22.目標(biāo)掌握開關(guān)電源基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法以及效率優(yōu)化技術(shù)。33.內(nèi)容包括斬波開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)知識、常見變換器類型、設(shè)計(jì)步驟、控制方法、應(yīng)用案例等。44.適用人群對電源設(shè)計(jì)感興趣的工程師、學(xué)生以及相關(guān)技術(shù)人員。開關(guān)電源的發(fā)展歷程1現(xiàn)代開關(guān)電源高效率，高功率密度2線性電源體積大，效率低3電子管電源體積龐大，效率更低開關(guān)電源技術(shù)從早期電子管電源的笨重和低效，逐漸發(fā)展到現(xiàn)代高效率、高功率密度的開關(guān)電源。線性電源的出現(xiàn)，提升了效率，但仍存在體積較大、效率較低的缺點(diǎn)?，F(xiàn)代開關(guān)電源采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，大幅提高了效率和功率密度，成為目前主流的電源技術(shù)。開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概述開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指開關(guān)電源的電路連接方式，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場景。常見的開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括反激式、正激式、推挽式、全橋式、LLC共振式等，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在工作原理、效率、成本、體積等方面各不相同。電磁干擾及抑制技術(shù)EMI抑制技術(shù)EMI抑制技術(shù)包括濾波、屏蔽和接地技術(shù)，這些技術(shù)可以有效降低電磁干擾。EMC測試進(jìn)行EMC測試可以評估開關(guān)電源的電磁兼容性，確保其符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。電源變壓器設(shè)計(jì)1確定變壓器參數(shù)輸入電壓、輸出電壓、功率、頻率等。2選擇磁芯材料鐵芯、鐵氧體、硅鋼片等，取決于工作頻率和功率。3繞制線圈選擇合適的線徑，確保電流容量和絕緣性能。4封裝和測試根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的封裝方式，并進(jìn)行性能測試。電源變壓器是開關(guān)電源的核心部件之一，將交流電壓轉(zhuǎn)換成所需的直流電壓。設(shè)計(jì)變壓器需根據(jù)具體應(yīng)用場景選擇合適的參數(shù)，包括輸入電壓、輸出電壓、功率和頻率等。反激式變換器拓?fù)浞醇な阶儞Q器是一種常見的開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是工作原理簡單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)。主要應(yīng)用于低功率場合，例如手機(jī)充電器、電腦電源等。反激式變換器工作原理工作原理當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓通過開關(guān)管加到初級繞組，初級繞組產(chǎn)生磁場，能量存儲在磁芯中。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，初級繞組電流突然中斷，磁場能量被釋放，并通過次級繞組傳遞到負(fù)載。能量傳遞反激式變換器利用變壓器將能量從初級繞組傳遞到次級繞組，再傳遞到負(fù)載。其工作原理類似于變壓器，但它通過開關(guān)管控制能量傳遞。工作模式反激式變換器通常采用連續(xù)電流模式，即初級繞組電流在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷期間都保持連續(xù)。它還支持間斷電流模式，在低負(fù)載情況下初級繞組電流可能中斷。電壓轉(zhuǎn)換由于初級和次級繞組匝數(shù)比不同，反激式變換器可實(shí)現(xiàn)電壓升壓或降壓的功能。其電壓轉(zhuǎn)換比等于初級和次級繞組匝數(shù)比。反激式變換器設(shè)計(jì)步驟1確定輸出電壓和電流根據(jù)負(fù)載需求，確定所需的輸出電壓和電流大小。確定輸出電壓后，可計(jì)算出變換器的工作電壓范圍。2選擇開關(guān)頻率選擇合適的開關(guān)頻率，需要考慮效率、電磁干擾、成本等因素。一般來說，開關(guān)頻率越高，效率越低，但體積更小。3計(jì)算變壓器匝數(shù)比根據(jù)輸入電壓、輸出電壓和開關(guān)頻率，計(jì)算出變壓器初級和次級繞組的匝數(shù)比，以確保變換器正常工作。4選擇合適的元器件根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇合適的開關(guān)管、二極管、電感、電容等元器件，并考慮其額定電流、電壓和功率等參數(shù)。5進(jìn)行電路仿真使用仿真軟件對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否符合預(yù)期，并優(yōu)化電路參數(shù)。6搭建電路并測試搭建實(shí)際電路，并進(jìn)行測試，驗(yàn)證電路功能是否正常，并調(diào)整參數(shù)，提高效率和可靠性。正激式變換器拓?fù)浠窘Y(jié)構(gòu)正激式變換器使用一個(gè)開關(guān)器件和一個(gè)變壓器將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓。工作原理當(dāng)開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓通過變壓器傳送到輸出端，當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，輸出電壓通過二極管釋放能量。應(yīng)用場景正激式變換器廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備，包括筆記本電腦、手機(jī)充電器和電源適配器。正激式變換器工作原理1開關(guān)導(dǎo)通輸入電壓加到變壓器初級繞組，電流流過初級繞組，能量儲存在變壓器磁芯2開關(guān)斷開初級繞組電流迅速下降，變壓器磁芯釋放能量，在次級繞組感應(yīng)出電壓3整流濾波次級繞組電壓經(jīng)整流濾波后輸出直流電壓正激式變換器利用開關(guān)管的導(dǎo)通和斷開來控制能量的傳輸，實(shí)現(xiàn)直流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)換。通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比可以控制輸出電壓的大小。正激式變換器設(shè)計(jì)步驟1確定參數(shù)功率、電壓、電流2選擇元件變壓器、電容、電感3計(jì)算參數(shù)變壓器匝數(shù)、電容大小4仿真驗(yàn)證軟件模擬電路運(yùn)行5實(shí)物調(diào)試實(shí)際測試，調(diào)整參數(shù)正激式變換器設(shè)計(jì)步驟包括參數(shù)確定、元件選擇、參數(shù)計(jì)算、仿真驗(yàn)證以及實(shí)物調(diào)試等步驟。首先，需要確定變換器的功率、電壓和電流等參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)選擇合適的變壓器、電容、電感等元件。其次，根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算變壓器匝數(shù)、電容大小等參數(shù)。然后，使用仿真軟件進(jìn)行模擬運(yùn)行，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。最后，進(jìn)行實(shí)物調(diào)試，測試實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整參數(shù)。推挽式變換器拓?fù)渫仆焓阶儞Q器是一種常用的開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩個(gè)功率晶體管交替導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的升降。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有較高的效率、較低的開關(guān)損耗和較小的輸出紋波等優(yōu)點(diǎn)。推挽式變換器工作原理1工作原理推挽式變換器利用兩個(gè)功率開關(guān)器件，交替工作，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，然后通過變壓器進(jìn)行升壓或降壓，最后通過整流濾波，輸出穩(wěn)定的直流電壓。2工作模式推挽式變換器主要包含兩種工作模式：導(dǎo)通模式和關(guān)斷模式。在導(dǎo)通模式下，兩個(gè)開關(guān)器件交替導(dǎo)通，將直流電壓加到變壓器初級繞組，產(chǎn)生交流電壓。3優(yōu)點(diǎn)推挽式變換器具有電流雙向流動，降低電流紋波，提高效率，降低開關(guān)損耗等優(yōu)點(diǎn)。推挽式變換器設(shè)計(jì)步驟確定基本參數(shù)首先，確定輸入電壓范圍、輸出電壓、輸出電流、開關(guān)頻率等關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)會影響到功率器件的選擇、變壓器設(shè)計(jì)等。選擇功率器件根據(jù)輸入電壓范圍、輸出電流和開關(guān)頻率等因素，選擇合適的功率器件，例如MOSFET或IGBT，以確保器件的承受能力和效率。設(shè)計(jì)變壓器設(shè)計(jì)變壓器是推挽式變換器設(shè)計(jì)中的核心步驟，需要根據(jù)功率器件的性能，負(fù)載情況和工作頻率等因素進(jìn)行計(jì)算，并選擇合適的磁芯材料和線圈匝數(shù)。設(shè)計(jì)驅(qū)動電路驅(qū)動電路負(fù)責(zé)控制功率器件的開關(guān)，需要根據(jù)所選功率器件的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保開關(guān)速度和驅(qū)動能力。設(shè)計(jì)控制電路控制電路負(fù)責(zé)控制變換器的輸出電壓，需要根據(jù)負(fù)載變化情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保輸出電壓穩(wěn)定。測試和調(diào)試完成設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行實(shí)物測試和調(diào)試，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否符合預(yù)期，并進(jìn)行必要的優(yōu)化。全橋式變換器拓?fù)淙珮蚴阶儞Q器是開關(guān)電源中常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。它使用四個(gè)開關(guān)器件，分別連接到電源的正負(fù)極和輸出的正負(fù)極。通過控制四個(gè)開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，可以實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)。全橋式變換器具有較高的效率和功率密度，常用于高功率應(yīng)用場合。其結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，但需要四個(gè)開關(guān)器件，成本相對較高。全橋式變換器工作原理工作原理全橋式變換器利用四個(gè)開關(guān)器件，將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，再通過變壓器將交流電壓升降壓至目標(biāo)電壓，最終經(jīng)整流濾波得到直流輸出。開關(guān)切換四個(gè)開關(guān)器件交替導(dǎo)通和關(guān)斷，使變壓器原邊產(chǎn)生脈沖電流，通過變壓器耦合到副邊，產(chǎn)生交流電壓。整流濾波副邊交流電壓經(jīng)過整流橋整流，再經(jīng)過濾波電容濾波，得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。控制方式全橋式變換器通常采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制，通過調(diào)節(jié)開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間來控制輸出電壓。全橋式變換器設(shè)計(jì)步驟1確定功率規(guī)格輸出電壓、電流、功率等2選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)全橋式拓?fù)?選擇開關(guān)器件功率MOSFET4設(shè)計(jì)磁性元件變壓器、電感全橋式變換器設(shè)計(jì)步驟需要考慮多種因素，包括功率規(guī)格、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、開關(guān)器件、磁性元件等。設(shè)計(jì)過程中，需要進(jìn)行必要的計(jì)算和仿真，確保變換器能夠滿足設(shè)計(jì)要求。LLC共振式變換器拓?fù)銵LC共振式變換器是一種新型的開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。LLC共振式變換器主要由功率開關(guān)管、諧振電感、諧振電容、輸出整流器、控制電路等組成。其工作原理是利用諧振回路的特性，使功率開關(guān)管在諧振頻率附近工作，從而實(shí)現(xiàn)高效率、低EMI的電源轉(zhuǎn)換。LLC共振式變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：效率高、EMI性能好、工作頻率高、功率密度大、控制簡單、易于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)等。因此，LLC共振式變換器廣泛應(yīng)用于各種電源系統(tǒng)中，例如，筆記本電腦電源、服務(wù)器電源、LED照明電源等。LLC共振式變換器工作原理LLC共振式變換器是一種常用的開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它利用諧振電路來實(shí)現(xiàn)高效率、低EMI的能量轉(zhuǎn)換。1諧振諧振網(wǎng)絡(luò)由電感和電容組成，在特定頻率下產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。2開關(guān)開關(guān)管控制電流在諧振網(wǎng)絡(luò)中流動，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。3反饋反饋回路監(jiān)測輸出電壓，控制開關(guān)管的工作周期，保持輸出電壓穩(wěn)定。LLC共振式變換器設(shè)計(jì)步驟1確定基本參數(shù)輸入電壓、輸出電壓、輸出功率、工作頻率等參數(shù)。2選擇元器件根據(jù)參數(shù)選擇合適的MOSFET、變壓器、電容、電感等。3進(jìn)行仿真使用仿真軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理。4制作原型根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作原型電路，并進(jìn)行測試。5調(diào)整優(yōu)化根據(jù)測試結(jié)果，調(diào)整參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)。斬波電路損耗分析開關(guān)損耗開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷會產(chǎn)生能量損耗，主要包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)線損耗電流流經(jīng)導(dǎo)線時(shí)會產(chǎn)生熱損耗，可以通過選擇合適的導(dǎo)線截面積來降低損耗。磁芯損耗磁芯材料的磁滯和渦流損耗會影響效率，選擇合適的磁芯材料可以降低損耗。電容損耗電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)會導(dǎo)致能量損耗，選擇低ESR電容可以提高效率。半橋斬波電路半橋斬波電路圖半橋斬波電路包含兩個(gè)開關(guān)器件，通過控制開關(guān)的通斷狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對直流電壓的調(diào)節(jié)。半橋斬波電路工作原理圖當(dāng)一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)開關(guān)斷開，反之亦然。通過控制開關(guān)的通斷時(shí)間比例，可以控制輸出電壓的大小。全橋斬波電路全橋斬波電路采用四個(gè)開關(guān)器件，將直流電壓轉(zhuǎn)換為可控的直流電壓或交流電壓，可以實(shí)現(xiàn)雙向功率流動。全橋斬波電路具有高效率、高功率密度、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力電子、電機(jī)驅(qū)動等領(lǐng)域。效率優(yōu)化設(shè)計(jì)方法降低開關(guān)損耗選擇低導(dǎo)通電阻和低開關(guān)損耗的功率器件，例如MOSFET和IGBT。減小傳導(dǎo)損耗優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，例如使用高效率的電感和電容，以及降低電流路徑的電阻。優(yōu)化控制策略采用先進(jìn)的控制算法，例如脈寬調(diào)制（PWM）和電流模式控制，以提高效率。提高器件工作頻率提高開關(guān)頻率可以降低變壓器尺寸，從而降低磁芯損耗和銅損耗。電源控制技術(shù)電壓控制通過調(diào)節(jié)開關(guān)占空比，控制輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值，保證電路正常工作。電流控制限制輸出電流，防止電路過載，保護(hù)電源和負(fù)載。溫度控制監(jiān)控電源溫度，避免過熱，延長電源使用壽命。保護(hù)功能包括過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、短路保護(hù)等，保障電源安全運(yùn)行。功率半導(dǎo)體器件選型功率MOSFET功率MOSFET廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源中，具有低導(dǎo)通電阻、快速開關(guān)速度、高電流容量等優(yōu)點(diǎn)。選型需考慮額定電壓、電流、導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度、封裝等因素。IGBTIGBT是絕緣柵雙極型晶體管，兼具M(jìn)OSFET和BJT的優(yōu)點(diǎn)，適用于高功率、高電壓的應(yīng)用。選型需考慮額定電壓、電流、開關(guān)速度、驅(qū)動方式、封裝等因素。應(yīng)用案例分享斬波開關(guān)技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如，醫(yī)療設(shè)備中的電源模塊常采用斬波開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效率、高可靠性的供電方案。除此之外，斬波開關(guān)技術(shù)還應(yīng)用于其他領(lǐng)域，例如數(shù)據(jù)中心、電動汽車、太陽能發(fā)電等。常見問題解答Q:如何選擇合適的斬波開關(guān)技術(shù)？A:應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，例如功率等級、電壓范圍、效率要求等，選擇合適的斬波開關(guān)技術(shù)。Q:如何降低斬波電路的損耗？A:選擇低損耗器件，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，例如采用軟開關(guān)技術(shù)、降低開關(guān)頻率等方法。Q: