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1、电力电子技术电力电子技术项目三项目三 开关电源制作与调试开关电源制作与调试项目描述项目描述开关稳压电源简称开关电源（开关稳压电源简称开关电源（Switching Switching Power SupplyPower Supply），是利用控制开关晶体），是利用控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，由于它不需要沉重出电压的一种电源，由于它不需要沉重的电源变压器（用轻量高频变压器替代）的电源变压器（用轻量高频变压器替代），是一种高效率、高可靠性、小型化、，是一种高效率、高可靠性、小型化、轻型化的稳压电源，是电子设备的主流轻型化的稳压电源
2、，是电子设备的主流电源。广泛应用于生活、生产、军事等电源。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。机等家用电器等都大量采用了开关电源。项目任务书项目任务书相关知识准备相关知识准备30W开关电源30W开关电源知识讲授知识讲授开开关关器器件件 开关器件有许多，经常使用的是场效应晶开关器件有许多，经常使用的是场效应晶体管体管MOSFETMOSFET、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管IGBTIGBT，在小，在小功率开关电源上也使用大功率晶体管功率开关电源上也使用大功率晶体管GTRGTR，本，本实例中使用的
3、是实例中使用的是GTRGTR。1大功率晶体管大功率晶体管GTR(1)(1)大功率晶体管的结构和工作原理大功率晶体管的结构和工作原理知识讲授知识讲授开开关关器器件件1 1）基本结构）基本结构 通常把集电极最大允许耗散功率通常把集电极最大允许耗散功率在在1W1W以上，或最大集电极电流在以上，或最大集电极电流在1A1A以上的以上的三极管称为大功率晶体管，其结构和工作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。由三层原理都和小功率晶体管非常相似。由三层半导体、两个半导体、两个PNPN结组成，有结组成，有PNPPNP和和NPNNPN两种两种结构，其电流由两种载流子（电子和空穴）结构
4、，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。的运动形成，所以称为双极型晶体管。知识讲授知识讲授开开关关器器件件 图3-1（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。大功率晶体管通常采用共发射极接法，图3-1（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、，5为发射极电子流在基极中因复合而失去的电子。知识讲授知识讲授开开关关器器件件图图3-1 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子流动的结构、电气图形符号和内部载流子流动(a)GTR的结构的结构 (b）电气图形符号）电气图形符号 (c）内部载流子的流）内部载流子的流动动知识讲授知识讲授开开关关器器件件图图3-2 常见大功率三极管外形常见大功率三极管外形知识讲授知识讲授开开关关器器件件2 2）工作原理）工作原理 在电力电子技术中，在电力电子技术中，GTRGTR主要工作主要工作在开关状态。晶体管通常连接称共发射极电在开关状态。晶体管通常连接称共发射极电路，路，NPNNPN型型GTRGTR通常工作在正
6、偏（通常工作在正偏（I Ib b00）时大电）时大电流导通；反偏（流导通；反偏（I Ib b0 BUBUcexcex BUBUcesces BUBUcercer BUBUceoceo，实际使，实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比用时，为确保安全，最高工作电压要比BUBUceoceo低低得多。得多。知识讲授知识讲授开开关关器器件件集电极最大允许电流集电极最大允许电流I IcMcMGTRGTR流过的电流过大，会使流过的电流过大，会使GTRGTR参数劣化，性能将变参数劣化，性能将变得不稳定，尤其是发射极的集边效应可能导致得不稳定，尤其是发射极的集边效应可能导致GTRGTR损坏。因此，必须规定集电
7、极最大允许电流值。通损坏。因此，必须规定集电极最大允许电流值。通常规定共发射极电流放大系数下降到规定值的常规定共发射极电流放大系数下降到规定值的1/21/21/31/3时，所对应的电流时，所对应的电流I Ic c为集电极最大允许电流，为集电极最大允许电流，以以I IcMcM表示。实际使用时还要留有较大的安全余量，表示。实际使用时还要留有较大的安全余量，一般只能用到一般只能用到IcMIcM值的一半或稍多些。值的一半或稍多些。知识讲授知识讲授开开关关器器件件集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率P PcMcM集电极最大耗散功率是在最高工作温度下允许的集电极最大耗散功率是在最高工作温度下允许的耗散功率
8、，用耗散功率，用P PcMcM表示。它是表示。它是GTRGTR容量的重要标志。容量的重要标志。晶体管功耗的大小主要由集电极工作电压和工作晶体管功耗的大小主要由集电极工作电压和工作电流的乘积来决定，它将转化为热能使晶体管升电流的乘积来决定，它将转化为热能使晶体管升温，晶体管会因温度过高而损坏。实际使用时，温，晶体管会因温度过高而损坏。实际使用时，集电极允许耗散功率和散热条件与工作环境温度集电极允许耗散功率和散热条件与工作环境温度有关。所以在使用中应特别注意值有关。所以在使用中应特别注意值I IC C不能过大，不能过大，散热条件要好散热条件要好知识讲授知识讲授开开关关器器件件最高工作结温最高工作结
9、温T TJMJMGTRGTR正常工作允许的最高结温，正常工作允许的最高结温，以以T TJMJM表示。表示。GTRGTR结温过高时，会结温过高时，会导致热击穿而烧坏。导致热击穿而烧坏。知识讲授知识讲授开开关关器器件件(3)GTR的二次击穿和安全工作区的二次击穿和安全工作区3-6 GTR安全工作安全工作区区知识讲授知识讲授开开关关器器件件(4)GTR(4)GTR的驱动与保护的驱动与保护1 1）GTRGTR基极驱动电路基极驱动电路对基极驱动电路的要求对基极驱动电路的要求由于由于GTRGTR主电路电压较高，控制主电路电压较高，控制电路电压较低，所以应实现主电电路电压较低，所以应实现主电路与控制电路间的
10、电隔离。路与控制电路间的电隔离。知识讲授知识讲授开开关关器器件件基极驱动电路基极驱动电路图图3-73-7是一个简单实用的是一个简单实用的GTRGTR驱动电路。驱动电路。3-7 实用的实用的GTR驱动电路驱动电路知识讲授知识讲授开开关关器器件件集成化驱动集成化驱动集成化驱动电路克服了一般电路元件多、电路复杂、集成化驱动电路克服了一般电路元件多、电路复杂、稳定性差和使用不便的缺点，还增加了保护功能。稳定性差和使用不便的缺点，还增加了保护功能。如法国如法国THOMSONTHOMSON公司为公司为GTRGTR专门设计的基极驱动芯片专门设计的基极驱动芯片UAA4002UAA4002。采用此芯片可以简化基
11、极驱动电路，提高。采用此芯片可以简化基极驱动电路，提高基极驱动电路的集成度、可靠性、快速性。它把对基极驱动电路的集成度、可靠性、快速性。它把对GTRGTR的完整保护和最优驱动结合起来，使的完整保护和最优驱动结合起来，使GTRGTR运行于运行于自身可保护的准饱和最佳状态。自身可保护的准饱和最佳状态。知识讲授知识讲授开开关关器器件件2）GTR的保护电路的保护电路3-8 GTR的缓冲电路的缓冲电路知识讲授知识讲授开开关关器器件件功率场效应晶体管功率场效应晶体管MOSFET:功率场效应晶体管（功率场效应晶体管（Metal Oxide Metal Oxide Semiconductor Field Ef
12、fect TransistorSemiconductor Field Effect Transistor）简称简称MOSFETMOSFET。与。与GTRGTR相比，功率相比，功率MOSFETMOSFET具有开具有开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击穿现象等优点。它的缺点是电压还不能太高、穿现象等优点。它的缺点是电压还不能太高、电流容量也不能太大。所以目前只适用于小电流容量也不能太大。所以目前只适用于小功率电力电子变流装置。功率电力电子变流装置。知识讲授知识讲授开开关关器器件件（1）功率）功率MOSFET的结构及工作原理的结构及工作原理1）结构）结构知识
13、讲授知识讲授开开关关器器件件几几种种功功率率场场效效应应晶晶体体管管的的外外形形 知识讲授知识讲授开开关关器器件件2）工作原理）工作原理当当D D、S S加正电压（漏极为正，源极为负），加正电压（漏极为正，源极为负），U UGS=0GS=0时，时，P P体体区和区和N N漏区的漏区的PNPN结反偏，结反偏，D D、S S之间无电流通过；如果在之间无电流通过；如果在G G、S S之间加一正电压之间加一正电压U UGSGS，由于栅极是绝缘的，所以不会有电，由于栅极是绝缘的，所以不会有电流流过，但栅极的正电压会将其下面流流过，但栅极的正电压会将其下面P P区中的空穴推开，区中的空穴推开，而将而将P
14、P区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P P区表面。区表面。当当U UGSGS大于某一电压大于某一电压U UT T时，栅极下时，栅极下P P区表面的电子浓度将超区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使过空穴浓度，从而使P P型半导体反型成型半导体反型成N N型半导体而成为反型半导体而成为反型层，该反型层形成型层，该反型层形成N N沟道而使沟道而使PNPN结结J1J1消失，漏极和源极消失，漏极和源极导电。电压导电。电压U UT T称开启电压或阀值电压，称开启电压或阀值电压，U UGSGS超过超过U UT T越多，越多，导电能力越强，漏极电流越大。导电能力越强，漏
15、极电流越大。知识讲授知识讲授开开关关器器件件（2）功率）功率MOSFET的特性与参数的特性与参数1）功率）功率MOSFET的特性的特性转移特性转移特性输出特性输出特性开关特性开关特性知识讲授知识讲授开开关关器器件件功率功率MOSFET的开关过程的开关过程（a）MOSFET开关特性的测试电路开关特性的测试电路 （b）波形）波形知识讲授知识讲授二、二、DC/DCDC/DC变换电路变换电路知识讲授知识讲授开关开关状态状态控制控制电路电路1开关状态控制方式的种类开关电源中，开关器件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。（1）占空比控制方式 占空比控制又包括脉冲宽度控制和脉冲频率控制两大类
16、。知识讲授知识讲授开关开关状态状态控制控制电路电路1)脉冲宽度控制 脉冲宽度控制是指开关工作频率(即开关周期T)固定的情况下直接通过改变导通时间(TON)来控制输出电压Uo大小的一种方式。因为改变开关导通时间TON就是改变开关控制电压UC的脉冲宽度，因此又称脉冲宽度调制(PWM)控制。2)脉冲频率控制 脉冲频率控制是指开关控制电压UC的脉冲宽度(即TON)不变的情况下，通过改变开关工作频率(改变单位时间的脉冲数，即改变T)而达到控制输出电压Uo大小的一种方式，又称脉冲频率调制(PFM)控制。知识讲授知识讲授开关开关状态状态控制控制电路电路（2）幅度控制方式）幅度控制方式 即通过改变开关的即通过
17、改变开关的输入电压输入电压Us的幅值而控制输出电压的幅值而控制输出电压Uo大大小的控制方式，但要配以滑动调节器。小的控制方式，但要配以滑动调节器。知识讲授知识讲授开关开关状态状态控制控制电路电路2PWM控制电路的基本构成和原理控制电路的基本构成和原理知识讲授知识讲授开关开关状态状态控制控制电路电路工作过程如下：工作过程如下：输出开关管在锯齿波的起始输出开关管在锯齿波的起始点被导通。由于锯齿波电压比误差放大器的点被导通。由于锯齿波电压比误差放大器的输出电压低，所以输出电压低，所以PWMPWM比较器的输出较高，因比较器的输出较高，因为同步信号已在斜坡电压的起始点使倒相电为同步信号已在斜坡电压的起始
18、点使倒相电路工作，所以脉冲倒相电路将这个高电位输路工作，所以脉冲倒相电路将这个高电位输出使出使V1V1导通，当斜坡电压比误差放大器的输导通，当斜坡电压比误差放大器的输出高时，出高时，PWMPWM比较器的输出电压下降，通过脉比较器的输出电压下降，通过脉冲倒相电路使冲倒相电路使V1V1截止，下一个斜坡周期则重截止，下一个斜坡周期则重复这个过程。复这个过程。知识讲授知识讲授开关开关状态状态控制控制电路电路3 PWM控制器集成芯片介绍控制器集成芯片介绍（1）SG1524/2524/3524 系列系列PWM控控制器制器知识讲授知识讲授开关开关状态状态控制控制电路电路SG1524工作波形工作波形 知识讲授
19、知识讲授开关开关状态状态控制控制电路电路引脚号引脚号 功功 能能 引脚号引脚号 功功 能能 1 1ININ误差放大器误差放大器反向输入反向输入9 9COMPCOMP频率补偿频率补偿2 2ININ误差放大器误差放大器同向输入同向输入1010SDSD关断控制关断控制3 3OSCOSC振荡器输出振荡器输出1111V1CV1C输出晶体管输出晶体管A A的集电极的集电极4 4CLCL限流比较器限流比较器的同相输入的同相输入1212V1EV1E输出晶体管输出晶体管A A的发射极的发射极5 5CLCL限流比较器限流比较器的同相输入的同相输入1313V2CV2C输出晶体管输出晶体管B B的集电极的集电极6 6
20、RTRT定时电阻定时电阻1414V2EV2E输出晶体管输出晶体管B B的发射极的发射极7 7CTCT定时电容器定时电容器1515UiUi输入电压输入电压8 8GNDGND地地1616URUR基准电压基准电压SG3524的引脚连接的引脚连接知识讲授知识讲授开关开关状态状态控制控制电路电路（2）SG3525A PWM控制器控制器SG3525A是是SG3524的改进型，凡是利用的改进型，凡是利用SG1524/SG2524/SG3524的开关电源电路都的开关电源电路都可以用可以用SG3525A来代替。应用时应注意两者来代替。应用时应注意两者的引脚连接的不同。的引脚连接的不同。知识讲授知识讲授开关开关状
21、态状态控制控制电路电路SG3525A的内部原理图的内部原理图知识讲授知识讲授开关开关状态状态控制控制电路电路引脚号引脚号功功 能能引脚号引脚号功功 能能1IN误差放大器反误差放大器反向输入向输入9COMP频率补偿频率补偿2IN误差放大器同误差放大器同向输入向输入10SD关断控制关断控制3SYNC同步同步11OUTA输出输出A4OUTosc振荡器输出振荡器输出12GND地地5CT定时电容器定时电容器13VC集电极电压集电极电压6RT定时电阻定时电阻14OUTB输出输出B7DIS放电放电15Ui输入电压输入电压8SS软启动软启动16UREF基准电压基准电压SG3525A的引脚连接的引脚连接知识讲授
22、知识讲授开关开关状态状态控制控制电路电路（3）SG3525A的典型应用电路的典型应用电路1）SG3525A驱动驱动MOSFET管的推挽式驱动管的推挽式驱动电路如下图所示。其输出幅度和拉灌电流能电路如下图所示。其输出幅度和拉灌电流能力都适合于驱动功率力都适合于驱动功率MOSFET管。管。SG3525A的两个输出端交替输出驱动脉冲，的两个输出端交替输出驱动脉冲，控制两个控制两个MOSFET管交替导通。管交替导通。知识讲授知识讲授开关开关状态状态控制控制电路电路SG3525A驱动驱动MOSFET管的推挽式驱动电路管的推挽式驱动电路知识讲授知识讲授开关开关状态状态控制控制电路电路SG3525A驱动驱动
23、MOS管的半桥驱动电路管的半桥驱动电路知识讲授知识讲授其他其他电路电路1过电压保护电路过电压保护电路过电压保护是一种对输出过电压保护是一种对输出端子间过大电压进行负载端子间过大电压进行负载保护的功能。一般方式是保护的功能。一般方式是采用稳压管，下图是过电采用稳压管，下图是过电压保护电路的典型实例。压保护电路的典型实例。过电压保护电路过电压保护电路知识讲授知识讲授其他其他电路电路2过电流保护电路过电流保护电路过电流保护是一种电源负载保护功能，以避免过电流保护是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。电流对
24、电源和负载的损坏。过电流过电流保护电保护电路路知识讲授知识讲授其他其他电路电路3软启动电路软启动电路开关电源的输入电路一般采用整流和电开关电源的输入电路一般采用整流和电容滤波电路。输入电源未接通时，滤波容滤波电路。输入电源未接通时，滤波电容器上的初始电压为零。在输入电源电容器上的初始电压为零。在输入电源接通的瞬间，滤波电容器快速充电，产接通的瞬间，滤波电容器快速充电，产生一个和大的冲击电流。生一个和大的冲击电流。项目方案确定项目方案确定1、分小组讨论，分析阐述各自计划和电路图确定方案，说明方案选择理由。项目名称项目名称计划和方案阐述：计划和方案阐述：选选择择理理由由电路模块优点缺点成本估算方案
25、一主电路控制电路方案二主电路控制电路u老师指导确定最终老师指导确定最终电路图方案。电路图方案。项目方案确定项目方案确定u每组选派一位每组选派一位成员阐述电路安成员阐述电路安装调试方案。装调试方案。维修记录表维修记录表调试记录表调试记录表元器件测试记录表元器件测试记录表询价单询价单元器件清单元器件清单项目计划制订项目计划制订制订项目计制订项目计划实施表划实施表设计实施记录表设计实施记录表元器件清单元器件清单询价单询价单元器件测试记录表元器件测试记录表调试记录表调试记录表维修记录表维修记录表项目实施计划表项目实施计划表项目实施项目实施 采购元器件采购元器件1 电路板制作电路板制作2 电路焊接电路焊
26、接3 电路调试电路调试4 故障维修故障维修5 采购元器件采购元器件1 电路板制作电路板制作2 电路焊接电路焊接3 电路调试电路调试4u调试前的准备工作调试前的准备工作 当一个电路板焊接都完成后，在检查该电路板当一个电路板焊接都完成后，在检查该电路板是否可以正常工作时，通常不要直接给电路板是否可以正常工作时，通常不要直接给电路板供电，而是要按下面的步骤进行检查，确保每供电，而是要按下面的步骤进行检查，确保每一步都没有问题后在上电也不迟，以免造成不一步都没有问题后在上电也不迟，以免造成不必要的危险。必要的危险。连线是否正确连线是否正确 电源接口是否有短路现象电源接口是否有短路现象 元器件安装情况元
27、器件安装情况 u制订调试方案制订调试方案u单元电路调试单元电路调试(先调控制电路先调控制电路)u整体调试整体调试u测试性能指标测试性能指标项目检查项目检查u教师及学生填写检查单。教师及学生填写检查单。项目检查单项目检查单u撰写项目设计与撰写项目设计与制作报告制作报告 u小组讨论，自我评述完成情况及发生小组讨论，自我评述完成情况及发生的问题，小组共同给出提升方案和效率的问题，小组共同给出提升方案和效率的建议的建议 项目评估项目评估项目名称项目名称项目完成情况项目完成情况存在的问题存在的问题改进的方法改进的方法u小组准备汇报材料，小组准备汇报材料，小组成员以团队形式进行汇报小组成员以团队形式进行汇报u老师对方案评价说明老师对方案评价说明 u整理相关资料，列表说明项目资料及资整理相关资料，列表说明项目资料及资料来源，注明存档情况料来源，注明存档情况 u成品上交资料备注。成品上交资料备注。项目评估项目评估项目评价表项目评价表