《电力电子技术》课题四__开关电源.doc

课题四 开关电源 ? 【学习目标】： 完成本课题的学习后，能够： 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．熟悉PC主机开关电源典型故障现象及检修方法 ? 【课题描述】：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。图4-1是常见的PC主机开关电源。 图4-1 PC主机开关电源 PC主机开关电源的基本作用就是将交流电网的电能转换为适合各个配件使用的低压直流电供给整机使用。一般有四路输出，分别是+5V、-5V、+12V、-12V。 图4－2为PC主机开关电源电路原理图。 ? ? ? ? ? ? ? ? 电路的原理框图如图4-3所示，输入电压为AC220v，50Hz的交流电，经过滤波，再由整流桥整流后变为300V左右的高压直流电，然后通过功率开关管的导通与截止将直流电压变成连续的脉冲，再经变压器隔离降压及输出滤波后变为低压的直流电。开关管的导通与截止由PWM（脉冲宽度调制）控制电路发出的驱动信号控制。 PWM驱动电路在提供开关管驱动信号的同时，还要实现输出电压稳定的调节、对电源负载提供保护。为此设有检测放大电路、过电流保护及过电压保护等环节。通过自动调节开关管导通时间的比例（占空比）来实现。 由高压直流到低压多路直流的电路称DC/DC变换，是开关电源的核心技术。 图4-3 开关电源的原理框图 本课题通过对开关管、DC/DC变换电路的分析使学生能够理解开关电源的工作原理，进而掌握开关器件和DC/DC变换电路的原理及其在其它方面的应用。 ? 【相关知识点】： 一、开关器件 开关器件有许多，经常使用的是场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT，在小功率开关电源上也使用大功率晶体管GTR，本实例中使用的是GTR。本课题中介绍GTR和MOSFET两种开关器件，IGBT在课题六中介绍。 1．大功率晶体管GTR (1)大功率晶体管的结构和工作原理 1）基本结构 通常把集电极最大允许耗散功率在1W以上，或最大集电极电流在1A以上的三极管称为大功率晶体管，其结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。由三层半导体、两个PN结组成，有PNP和NPN两种结构，其电流由两种载流子（电子和空穴）的运动形成，所以称为双极型晶体管。 图4-4（a）是NPN型功率晶体管的内部结构，电气图形符号如图（b）所示。大多数GTR是用三重扩散法制成的，或者是在集电极高掺杂的N+硅衬底上用外延生长法生长一层N漂移层，然后在上面扩散P基区，接着扩散掺杂的N+发射区。 图4-4 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子流动 (a)GTR的结构 (b）电气图形符号 (c）内部载流子的流动 大功率晶体管通常采用共发射极接法，图4-4（c)给出了共发射极接法时的功率晶体管内部主要载流子流动示意图。图中，1为从基极注入的越过正向偏置发射结的空穴，2为与电子复合的空穴，3为因热骚动产生的载流子构成的集电结漏电流，4为越过集电极电流的电子，5为发射极电子流在基极中因复合而失去的电子。 一些常见大功率晶体三极管的外形如图4-5所示。从图可见，大功率晶体三极管的外形除体积比较大外，其外壳上都有安装孔或安装螺钉，便于将三极管安装在外加的散热器上。因为对大功率三极管来讲，单靠外壳散热是远远不够的。例如，50W的硅低频大功率晶体三极管，如果不加散热器工作，其最大允许耗散功率仅为2—3W。 图4-5 常见大功率三极管外形 2）工作原理 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)GTR的特性与主要参数 1）GTR的基本特性 ①静态特性 共发射极接法时，GTR的典型输出特性如图4-6，可分为3个工作区： 截止区。在截止区内，Ib≤0，Ube≤0，Ubc＜0，集电极只有漏电流流过。 放大区。Ib＞0，Ube＞0，Ubc＜0，Ic =βIb。 饱和区。，Ube＞0，Ubc＞0。Ics是集电极饱和电流，其值由外电路决定。两个PN结都为正向偏置是饱和的特征。饱和时集电极、发射极间的管压降Uces很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，如Ib继续增加，则为过饱和。用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低Uces和减小导通时的损耗。 图4-6 GTR共发射极接法的输出特性 ②动态特性 动态特性描述GTR