开关电源讲解与习题.doc

课题四 开关电源开关电源是一种高效率、高可靠性、小型化、轻型化的稳压电源，是电子设备的主流电源。广泛应用于生活、生产、军事等各个领域。各种计算机设备、彩色电视机等家用电器等都大量采用了开关电源。本课题介绍了开关电源的相关知识：开关器件（电力晶体管、电力场效应晶体管）、DC/DC变换电路、开关状态控制电路以及软开关技术。一、本课题学习目标与要求1掌握开关电源主要器件（大功率晶体管GTR、功率场效应晶体管MOSFET）的工作原理和特性。2掌握DC/DC变换电路的基本概念和工作原理。3了解PWM控制电路的基本组成和工作原理。4熟悉PWM控制器集成芯片。5了解软开关的基本概念。二、主要概念提示及难点释疑1电力晶体管在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。晶体管通常连接称共发射极电路，NPN型GTR通常工作在正偏（Ib0）时大电流导通；反偏（Ib0）时处于截止高电压状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关工作状态。2电力场效应晶体管当D、S加正电压（漏极为正，源极为负），UGS=0时， D、S之间无电流通过；如果在G、S之间加一正电压UGS，当UGS大于某一电压UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。电压UT称开启电压或阀值电压，UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流越大。3DC/DC变换电路DC/DC变换电路是将一种直流电源变换为另一种直流电源的电力电子装置。常见的DC/DC变换电路有非隔离型电路、隔离型电路和软开关电路。（1）降压斩波电路降压斩波电路是一种输出电压的平均值低于输入直流电压的电路。输出电压平均值为式中k为斩波器的占空比（2）升压斩波电路升压斩波电路的输出电压总是高于输入电压。输出电压平均值为 （3）升降压斩波电路升降压斩波电路可以得到高于或低于输入电压的输出电压。输出电压为：上式中，若改变占空比k，则输出电压既可高于电源电压，也可能低于电源电压。由此可知，当0k1/2时，斩波器输出电压低于直流电源输入，此时为降压斩波器；当1/2k1时，斩波器输出电压高于直流电源输入，此时为升压斩波器。（4）正激电路在输出滤波电感电流连续的情况下如果输出电感电路电流不连续，输出电压将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，。（5）反激电路当工作于电流连续模式时，反激电路不应工作于负载开路状态。（6）半桥电路当滤波电感L的电流连续时，有如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式中的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下，。（7）全桥电路当滤波电感L的电流连续时，有如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式中的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下，。（8）推挽电路当滤波电感L的电流连续时，有如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式中的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下，。4开关状态控制电路开关状态的控制方式主要有占空比控制和幅度控制两大类。占空比控制又包括脉冲宽度控制和脉冲频率控制两大类。目前，集成开关电源大多采用PWM控制方式。5软开关技术在原有硬开关电路的基础上增加一个很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助网络，在开关过程前后引入谐振过程，使开关开通前电压先降为零，这样就可以消除开程中电压、电流重叠的现象，降低、甚至消除开关损耗和开关噪声，这种电路称为软开关电路。具有这样开关过程的开关称为软开关。三、学习方法1对比法。电力晶体管和电力场效应晶体管的学习要对照模拟电子技术中所学的晶体管和场效应管，其结构、工作原理、特性以及参数都类似。2讨论分析法：读者要学习与他人讨论分析问题，并了解其他读者的学习方法和学习收获，提高学习效率。四、典型题解析例4-1 降压式斩波电路，输入电压为27V10%，输出电压为15V，求占空比变化范围；解：降压斩波电路输出电压，则，则，则 例4-2 升压式斩波电路，输入电压为27V10%，输出电压为45V，输出功率为750W，效率为95%，若等效电阻为R=0.05。（1） 求最大占空比；（2） 如果要求输出60V，是否可能？为什么？解：输入电流的平均值为设Ii为理想的常值，则（1）当取最小值时，k为最大值（2）如果要求输出电压60V，此时占空比为理论上说明此电路是可以输出60V电压的。 例4-3 有一降压斩波电路，U=120V，负载电阻R=6，开关周期性通断，通30s，断20s，忽略开关导通压降，电感L足够大。试求：（1） 负载电流及负载上的功率。（2） 若要求负载电流在4A时仍能维持，则电感L最小应取多大？解：依据题意，开关通断周期T=50s占空比（1） 负载电压的平均值负载电流的平均值负载功率的平均值（2）设占空比不变，当负载电流为4A时，处于临界连续状态，则电感量L为五、自我检测题1.填空题1）请在正确的空格内标出下面元件的简称：电力晶体管 ；功率场效应晶体管 ；2）为了减小变流电路的开、关损耗，通常让元件工作在软开关状态，软开关电路种类很多，但归纳起来可分为 与 两大类。3）电力场效应晶体管的图形符号是 ；电力晶体管的图形符号是 ；4）直流斩波电路在改变负载的直流电压时，常用的控制有 、 、 三种。5）直流斩波电路按照输入电压与输出电压的高低变化来分类有 斩波电路； 斩波电路； 斩波电路。6）功率开关管的损耗包括两方面，一方面是 ；另一方面是 。7）大功率晶体管产生二次击穿的条件有 、 和 。8）开关型DC/DC变换电路的3个基本元件是 、 和 。2判断题1）电力晶体管属电流驱动型开关管，而电力场效应晶体管则属电压驱动型开关管。（ ）2）在GTR的驱动电路设计中，为了使GTR快速导通，应尽可能使基极驱动电流大些。 （ ）3选择题1）下列元器件中， 属于不控型， 属于全控型， 属于半控型。A、普通晶闸管 B、整流二极管 C、电力晶体管 D、电力场效应晶体管E、双向晶闸管 F、可关断晶闸管 G、绝缘栅双极型晶体管2）下列器件中， 最适合用在小功率、高开关频率的变换电路中。A、GTR B、IGBT C、MOSFET D、GTO3）下列器件中，属于电流控制型器件的是 ，属于电压控制型器件的是 。A、普通晶闸管 B、电力场效应晶体管 C、电力晶体管 D、绝缘栅双极型晶体管4分析题根据下图简述升压斩波电路的基本工作原理。（图中设：电感L、与电容C足够大）5计算题在图示升压斩波电路中，已知E=50V，负载电阻R=20，L值和C值极大，采用脉宽调制控制方式，当T=40s，ton=25s时，计算输出电压平均值U0，输出电流平均值I0。六、自我检测题答案1.填空题1）GTR MOSFET2）零电压电路，零电流电路3）4）等频调宽控制；等宽调频控制；脉宽与频率同时控制 5）降压；升压；升降压6）导通损耗、开关过程中损耗7）大电流、高电压、持续时间长8）功率开关管、电感、电容2判断题1） 2）3选择题1）B、CDFG、AE 2）C 3）AC、BD4分析题1）当V处于通态时，电源E向电感L充电，设充电电流为I1，L值很大，I1基本恒定，同时电容C向负载供电，C很大，使电容器电压U0基本不变，设V处于通态的时间为ton，在ton时间内，电感L上积蓄的能量为EI1ton；当V处于断态时，E与L同时向电容充电，并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为toff，在toff时间内L释放的能量为（U0-E）I1toff，在一周期内L积蓄的能量与释放的能量相等。可求得： 分析不难看出该斩波电路是升压斩波电路。5计算题1）U0=133.3V；I0=6.67A；