开关电源试题总结
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开关电源的特点
体积小、重量轻、效率高、可靠性高
优点:开关电源的输入端直接将交流电整流变成直流电,再在高频振荡电路的作用下,用开关管控制电流的通断,形成高频脉冲电流。在电感(高频变压器)的帮助下,输出稳定的低压直流电。由于变压器的磁芯大小与他的工作频率的平方成反比,频率越高铁心越小。这样就可以大大减小变压器,使电源减轻重量和体积。电源的效率比线性电源高很多,节省了能源。
缺点:电路复杂,维修困难,对电路的污染严重。电源噪声大,不适合用于某些低噪声电路。节约能源,节省原材料, 稳压范围宽,可靠安全,滤波容量小
开关电源分类
1. 按控制方式分:脉冲宽度调制,脉冲频率调制,两种方式混合。
2. 按是否使用工频变压器分:低压开关稳压,高压开关稳压。
3. 按激励方式分:自激式,他激式。
4. 按开关调整管的种类分:双极型三极管,MOS场效应管和可控硅开关管等。
开关电源按不同方式分类如下:
按储能电感在电路中所处的位置分为串联型、并联型、脉冲变压器耦合并联型。
按开关电路形式分为单端式、推挽式、半桥式、全桥式。
按开关器件的启动方式分为他激式、自激式。
按开关变压器的激励方式分为正激式、反激式。
按稳压控制形式分为脉宽调制式、频率调制式、调宽调频混合式。
按开关器件类型分为晶体管型、场效应管型、晶闸管型、集成电路型。
按输出输入之间的联系方式分为隔离式、非隔离式。
DC/DC变换通过控制开关通、断时间的比例,用电抗器与电容器上的储能对开关波形进行微分平滑处理,从而更有效地调整脉冲的宽度及频率。
从输入、输出有无变压器隔离来说,DC/DC变换分为有变压器隔离和无变压器隔离两类。每一类有6种拓朴,即:降压式(Buck)、升压式(Boost)、升压-降压式(Buck-Boost)、串联式(Cuk)、并联式(Sepic)以及塞达式(Zata)。
开关电源工作原理框图
开关电源与铁心变压器以及其他形式的电源比较起来具有的优点
一是节能,开关电源效率一般在85%-95%,铁心变压器的效率只有70%或者更低。
二是体积小,重量轻。三是开关电源具有各种保护功能,不易损坏。
四是改变输出电流、电压比较容易,且稳定、可靠。
五是可以设计出各种具有特殊功能的电源,以满足人们的需要
半桥型变换器特性:
优点:1)高频利用率高,原边绕组在正负半周均工作。2)截止开关管极间承受的电压低,等于Ui。3)抗不平衡能力强。
缺点:1)输出功率小,与输出电流I0相同的推挽式电路相比,输出功率小一半。
2)原边绕组上的电压是电容C1和C2的端电压,放电过程中电压逐渐减小,因此输出脉冲电压的顶部呈倾斜状态。
全桥型变换器特性:
优点:1)保持有半桥变换器中开关管截止时承受电压低的特点。2)具有推挽型电路输出电压高、输出功率大的优点。因此全桥电路在DC/DC变换器中应用较多。
缺点:所用功率开关管较多,驱动电路复杂。
推挽式变换器特性:
优点:1)输出功率较大,导通期间高频变压器原边两绕组的总电压是两倍输入电源电压2Ui,整流电压幅值为Ui/n。2)驱动电路简单,两个开关管的发射极相连,驱动电路无需隔离绝缘,从而简化了驱动电路。
缺点:1)会因磁心饱和出现集电极电流尖峰而导致晶体管损坏。这主要由于两个开关管特性不一致,单向偏磁。2)高频变压器利用率差,原边每个绕组只工作一半时间。
3)对功率开关管的耐压要求高。
RCC变换器
RCC变换器是节流式阻尼变换器,是一种自激式振荡电路,它的工作频率随着输入电压的高低和输出电流的大小而变化,因此,在高功率,大电流场合,它的工作不很稳定,只适用于50W以下的小功率场合。MOSFET的主要特点:
MOSFET的主要特点
MOSFET是一种依靠多数载流子工作的典型场控制器件。它适应于100~200MHz的高频场合。
MOSFET具有负的电流温度系数,可以避免热不稳定性和二次击穿,适合在大功率和大电流条件下应用。
在驱动模式上,属于电压控制型器件,驱动电路设计比较简单,驱动功率很小。
MOSFET中大多数集成有阻尼二极管,而双极型功率晶体管中大多没有内装阻尼二极管。
MOSFET对系统的可靠性与安全性的影响并不象双极型功率晶体管那样重要。
但其结构简单、成本低、调试容易,因此,有一定的应用价值。
MOSFET的主要缺点:
导通电阻(RDS(on))较大,而且具有正温度系数,用在大电流开关状态时,导通损耗较大,开启门限电压VGS(th)较高(一般为2~4V),要求驱动变压器绕组的匝数比采用双极型晶体管多1倍以上
IGBT的主要特点:
(1) 电流密度大,是MOSFET的10倍以上。(2) 输入阻抗高,栅极驱动功率小,驱动电路简单。(3) 低导通电阻,IGBT的导通电阻只有MOSFET的10%。(4) 击穿电压高,安全工作区大,在受到较大瞬态功率冲击时不会损坏。(5) 开关速度快,关断时间短。耐压为1kV 的IGBT的关断时间为1.2μs,600V级的产品的关断时间仅为0.2 μs。
软磁铁氧体磁芯
软磁铁氧体材料常用在高频变压器、电感整流器、脉冲变压器等电路中,在开关电源中是一种非常重要的元件。
软磁铁氧体材料主要有:锰锌软磁铁氧体、镍锌软磁铁氧体。特点:在高频下具有高磁导率、高电阻率、低损耗。新型磁性材料:超微晶合金、钴基非晶态、坡莫合金等
磁性材料的基本特性
磁场强度(H)与磁感应强度(B)居里温度Tc 初始磁导率µi 剩余磁感应强度Br 矫顽力Hc
二极管
从结构上来分,有点接触型和面接触型。
按功能来分,有快速恢复及超快速恢复二极管、整流二极管、稳压二极管及开关二极管等。
开关二极管在开关电源的过压保护、反馈控制系统经常用到。主要是硅二极管,如1N4148、1N4448等。
稳压二极管又叫齐纳二极管(Zener Diod)
快速恢复二极管(Fast Recovery Diod)和超快速恢复二极管(Superfast Recovery Diod,SRD)这两种二极管具有开关特性好、耐压高、正向电流大、体积小等优点。
热敏电阻
热敏电阻是由锰钴镍的氧化物烧结成的半导体陶瓷制成的,具有负温度系数,随着温度的升高,其电阻值降低。热敏电阻在开关电源中起过温保护和软启动的作用。
硬开关与软开关