功率开关器件文章（功率开关原理）

本文目录一览：

• 1、可调开关电源原理 一种大功率可调开关电源的设计方案
• 2、SCR.GTO.GTR功率MOSFET。IGBT的各自优缺点
• 3、12v开关电源电路图及原理？
• 4、为什么要采用电气隔离的方式驱动大功率负载？

可调开关电源原理 一种大功率可调开关电源的设计方案

一种大功率可调开关电源的设计方案[图] ( 2012/3/29 13:21 )

1.引言

开关电源作为线性稳压电源的一种替代物出现，其应用与实现日益成熟。而集成化技术使电子设备向小型化、智能化方向发展，新型电子设备要求开关电源有更小的体积和更低的噪声干扰，以便实现集成一体化。对中小功率开关电源来说是实现单片集成化，但在大功率应用领域，因其功率损耗过大，很难做成单片集成，不得不根据其拓扑结构在保证电源各项参数的同时尽量缩小系统体积。

2.典型开关电源设计

开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM,Pulse Width Modulation）控制IC（Integrated Circuit）和功率器件（功率MOSFET 或IGBT）构成，且符合三个条件：开关（器件工作在开关非线性状态）、高频（器件工作在高频非接近上频的低频）和直流（电源输出是直流旅穗而不是交流）。

2.1 控制IC

以MC33060 为例介绍控制IC。

MC33060 是由安森美（ON Semi）半导体公司生产的一种性能优良的电压驱动型脉宽调制器件，采用固定频率的单端输咐辩出，能工作在-40℃至85℃。其内部结构如图1 所示[1],主要特征如下：

1） 集成了全部的脉宽调制电路；

2） 内置线性锯齿波振荡器，外置元件仅一个电阻一个电容；

3） 内置误差放大器；

4） 内置 5V 参考拆简卜电压，1.5%的精度；

5） 可调整死区控制；

6） 内置晶体管提供200mA 的驱动能力；

7） 欠压锁定保护；

图1 MC33060 内部结构图

其工作原理简述：MC33060 是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如（2-1）式：

输出脉冲的宽度是通过电容CT 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率管Q1 的输出受控于或非门，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间输出才有效。

当控制信号增大时，输出脉冲的宽度将减小，具体时序参见如下图2.

图 2 MC33060 时序图

控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV 的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%,即输出驱动的最大占空比为96%.当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0-3.3V）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V 变化到3.5V 时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V 到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行"或"运算，正是这种电路结构，放

大器只需最小的输出即可支配控制回路。

2.2 DC/DC 电源拓扑

DC/DC 电源拓扑一般分为三类：降压、升压和升降压。此处以降压拓扑介绍，简化效果图如下图3 所示。输出与输入同极性，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构简单。

图 3 Bulk 降压斩波电路

在开关管导通时间ton,输入电源给负载和电感供电；开关管断开期间toff,电感中存储的能量通过二极管组成续流回路，保证输出的连续。负载电压满足如下关系式（2-2）：

2.3 典型电路与参数设计

典型电路如下图4 所示。

图 4 MC33060 的降压斩波电路

MC33060 作为主控芯片控制开关管的导通与截止，由其内部结构功能可知，在MC33060内部有一个+5V 参考电压，通常用作两路比较器的反相参考电压，设计中1 脚和2 脚的比较器用来作为输出电压反馈，13 脚和14 脚的比较器用来检测开关管的电流是否过流。电路中2 脚通过一个反相电路接参考电压，降压输出反馈经一同相电路接MC33060 的1 脚。当电路处于工作状态时，1 脚和2 脚电压就会相互比较，根据两者的差值来调整输出波形脉宽，达到控制和稳定输出的目的。

电路中过流保护采用0.1 欧姆额定功率为1W 的功率电阻作为采样电阻，在电流过流点，采样电阻上的电压为0.1V.14 脚用作采样点，因此13 脚的参考电压由Vref 分压设定为0.15V,相比0.1V 留有一定余地。当采样电压高于设定值时，MC33060 将自动保护，关闭PWM 输出。保护点还和3 脚的控制信号有关，根据对该脚的功能分析，选择积分反馈电路，使得降压电路在空载或满载时，Comp 脚的电压始终在正常范围（0.5V-3.5V）之内。

输出 PWM 波形的频率由管脚5 的电容和管脚6 的电阻值来确定，降压电路采用25KHz的波形频率，选择CT 值为1nF 电容，RT 为47K 的普通电阻达到设计要求。

3.本系统设计

本设计采用的是DC（Direct Current）/DC 转换电路中的降压型拓扑结构。输入为220VAC和0-10V 可调直流电压，输出为0-180V 可调，最大输出电流能达8A,系统组成

框图如下图5 所示。在大功率开关电源设计中，为防止在启动时的高浪涌电流冲击，常采用软启动电路，本设计不重点介绍。

图 5 系统组成框图

3.1 整流滤波电路

采用全桥整流电路，如下图6 所示。输出电流要求最大达到8A,考虑功率损耗和一定的余量，选择10A 的方桥KBPC3510 和10A 的保险管。整流后的电压达310V,采用两个250V/100uF 电容作滤波处理。图中开关S1 和电阻R1 并联为"软启动"部分，此处未作详细讲解，详细软启动设计见各种开关电源软启动设计。

图 6 整流电路。

3.2 控制IC 与输入电路

MC33060 控制电路和输入调节电路分别如下图7 和图8 所示，选MC33060 为控制IC,其外围器件选择此处不再赘述，参考典型电路设计中参数选择部分。其中比较器1 作电压采样，比较器2 作电流采样。输入可调电压经分压跟随后送入比较器的负向端作为参考电压控制电源输出大小。

图 7 MC33060 控制电路

图 8 输入调节电路

3.3 反相延时驱动电路

反相延时驱动电路如下图8 所示。电路中驱动芯片采用了美国International Rectifier（IR）公司的IR2110.它不仅包括基本的开关单元和驱动电路，还具有与外电路结合的保护控制功能。其悬浮沟道的设计使其可以驱动工作在母线电压不高于600V 的开关管，其内部具有欠压保护功能，与外电路结合，可以方便地设计出过电流，过电压保护，因此不需要额外的过压、欠压、过流等保护电路，简化了电路的设计。

图 8 反相延时驱动电路

该芯片为而输出高压栅极驱动器，14 脚双列直插，驱动信号延时为ns 级，开关频率可从几十赫兹到几百千赫兹。IR2110 具有二路输入信号和二路输出信号，其中二路输出信号中的一路具有电平转换功能，可直接驱动高压侧的功率器件。该驱动器可与主电路共地运行，且只需一路控制电源，克服了常规驱动器需要多路隔离电源的缺点，大大简化了硬件设计。IR2110 就简易真值图如下图9 所示。

图 9 IR2110 简易真值图。

IR2110 有2 个输出驱动器，其信号取自输入信号发生器，发生器提供2 个输出，低侧的驱动信号直接取自信号发生器LO,而高侧驱动信号HO 则必须通过电平转换方能用于高侧输出驱动器。本系统中驱动双管需一片IR2110 即可。

因驱动双管，且双管不能同时导通，控制IC 输出只有一路信号，则在控制IC 输出和驱动之间需加入反相延时电路，将控制IC 输出的一路PWM 经同相和反相比较器后，经电阻R29 和R30 的上拉分别对电容C12、C13 充电产生延时，使得两路PWM 具有对称互补性且具有一定的死区间隔，保证主回路中两开关管不会同时导通。在电路中HIN 和LIN 标号端得到的波形图如下图10 所示。

图 10 反相后驱动波形

3.4 主回路与输出采样

主回路如图 11 所示，采用半桥开关电路。

图 11 主回路

根据整流后的电压和输入电流参数，选择IRF840 为高频开关管，其最大耐压VDS 为500V,最大能承受的导通电流ID 为8A,满足设计要求。工作在高频工作状态的续流二极管一般选用快恢复的二极管，此处选择HFA25TB60,能承受600V 的反向压降，最大导通电流为25A,且恢复时间仅为35ns.输出部分通过两个电阻分压至电压采样电路，如下图12 所示。

图 12 电压采样电路

3.5 过流保护电路

过流保护电路如下图13 所示。

图 13 过流检测电路。

在主回路的上端串联一个0.33 欧姆10W 的功率电阻作为采样电阻，当电流过大时，光耦中光敏三极管导通，检测电路输出高电平到IR2110 的SD 端，由于SD 是低电平有效、高电平关断点，因此电流过大时能很好地保护电路。且如前所述，IR2110 自身带有各种保护电路，故外围的电流电压保护电路可以大大简化。

4. 总结

本设计给出了在非隔离拓扑下一种设计大功率开关电源的方法，电路结构简单。在主回路中采用半桥电路替代传统的单管开关电路，在上管关闭时，下管的开通能更好地保证输出续流的稳定性，且保证功率的输出。文中并未给出电感量的计算方法，因不是讨论重点，可根据电路中输出电流、电压和开关管的RDS（MOSFET 管漏极和源极导通电阻）等参数来计算，实际中应留有一定的余量值。系统运行基本稳定，可考虑应用于工业电源设计中。

SCR.GTO.GTR功率MOSFET。IGBT的各自优缺点

上述提到的器件都属于功率开关器件。若按参与导电的载流子是一种还是两种，可分为单极器件和双极器件。

其中属于双极器件的有：SCR、GTO、GTR以及IGBT；单极器件的是功率MOSFET。SCR是可控硅整流器，也叫晶闸管，主要用在类似于二极管的领域，其与二极管不同的是，正向工作时，可通过门极电流来触发导通。

而不像是二极管过了导通电压就能直接导通，但其关断不能通过门极关断，而是将敬坦配电流减小至某个值以下，或是直接的换向关断。GTO是Gate Turn-off Thyristor， 为门极可关断晶闸管，即可以信粗通过控制门极关断晶闸管。

GTR应该是Giant Transistor，为巨型晶体管，导通工作时要求发射结集亮指电结均正偏，与普通BJT工作类似。以上的器件主要用于大电流，高压，低频场合。

而功率MOSFET由于是单极型器件，电流处理能力相对较弱，但由于其在开关过程中，没有载流子存储的建立与抽取，其频率特性好，用于高频低压领域。

而IGBT，为Insulated Gate Bipolar Transistor，是绝缘栅双极场效应管，为电压控制电流，栅控器件，其工作频率比普通的双极器件高，电流处理能力比MOSFET要强，一般用于中高频中高压领域。

扩展资料：

GTO既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。

GTO的容量及使用寿命均超过GTR，只是工作频率比GTR低。目前，GTO已达到3000A、4500V的容量。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。

单管GTR饱和压降VCES低，开关速度稍快，但是电流增益β小，电流容量小，驱动功率大，用于较小容量的逆变电路。

MOSFET优点：热稳定性好、安全工作区大。缺点：击穿电压低，工作电流小。

IGBT是MOSFET和GTR（功率晶管）相结合的产物。特点：击穿电压可达1200V，集电极最大饱和电流已超过1500A。由IGBT作为逆变器件的变频器的容量达250kVA以上，工作频率可达20kHz。

12v开关电源电路图及原理？

本文介绍的开关电源，输出电压从0～12V、电流从0～5000A连续可调，满载输出功率为60kW。由于采用了ZVT软开关等技术，同时采用了较好的散热结构，该电源的各项指标都满足了用户的要求。

12v开关电源其实是能够有效地维持输出电压稳定的一种电源。那么如果开关电源的电压不稳定将会影响到设备的正常运行，我们要怎么把电压调到适合的位置，12v开关电源怎么调电压，我们可以先看下12v开关电源电路图讲解，这样就会明白12v开关电源怎么调电压，一起学习吧！

主电路的拓扑结构

鉴于如此大功率的输出，高频逆变部分采用以IGBT为功率开关器件的全桥拓扑结构，整个主电路如图1所示，包括：工频三相交流电输入、二极管整流桥、EMI滤波器、滤波电感电容、高频全桥逆变器、高频变压器、输出整流环节、输出LC滤波器等。

隔直电容Cb是用来平衡变压器伏秒值，防止偏磁的。考虑到效率的问题，谐振电感LS只利用了变压器本身的漏感。因为如果该电感太大，将会导致过高的关断电压尖峰，这对开关管极为塌告粗不利，同时也会增大关断损耗。另一方面，还会造成严重的占空比丢失，引起开关器件的电流峰值增高，使得系统的性能降低。

控制电路的设计

由于在本电源中使用的开关元件的过载承受能力有限，必须对输出电流进行限制，因此，控制电路采用电压电流双环结构(内环为电流环，外环为电压环)，调节器均为PID。图8为控制电路的原理框图。加入电流内环后，不仅可以对输出电流加以限制，并且可以提高输出的动态响应，有利于减小输出电压的纹波。

在实际的控制电路中采用了稳压、稳流自动转换方式。图9为稳压稳流自动转换电路。开关电源原理是：稳流工作时，电压环饱和，电压环输出大于电流给定，从而电压环不起作用，只有电流环工作；在稳压工作时，电压环退饱和，电流给定大于电压环的输出，电流给定运算放大器饱和，电流给定不起作用，电压环及电流环同时工作，此时的友渗控制器为双环结构。这种控制方式使得输出电压、输出电流均限制在给定范围内，具体的工作方式由给定电压、给定电流及负载三者决定。

由于本电源的容量为60kW，为了提高效率、减小体积、提高可靠性，因此，采用软开关技术。高频全桥逆变器的控制方式为移相FB-ZVS控制方式它利用变压器的漏感及管子的寄生电容谐振来实现ZVS。控制芯片采用Unitrode公司生产的UC3875N。通过移相控制，超前桥臂在全负载范围内实现了零电压软开关，滞后桥臂在75%以上的负载范围内实现了零电压软开关。图2为滞后桥臂IGBT的驱动电压和集射极电压波形，可以看出实现了零电压开通。

12v开关电源电路图讲解

1、市电经D1整流及C1滤波后得到约300V的直流电压加在变压器的①脚(L1的上端)，同时此电压经R1给V1加上偏置后后使其微微导通，有电流流过L1，同时反馈线圈L2的上端(变压器的③脚)形成正电压，此电压经C4、R3反馈给V1，使其更导通，乃至饱和，最后随反馈电流的减小，V1迅速退出饱和并截止，如此循环形成振荡，在次级线圈L3上感应出所需的输出电压。

2、L2是反馈线圈，同时也与D4、D3、C3一起组成稳压电路。当线圈L3经D6整流后在C5上的电压升高后，同时也表现为L2经D4整流后在C3负极上的电压更低，当低至约为稳压管D3(9V)的稳压值时D3导通，使V1有基极短路到地，关断V1，最终使输出电压降低。

3、电路中R4、D5、V2组成过流保护电路。当某些原因引起V1的工作电流大太时，R4上产生的电压互感器经D5加至V2基极，V2导通，V1基极电压下降，使V1电流减小。D3的稳压值理论为9V+0.5~0.7V，在实际应用时，若要改变输出电压，只要更换不同稳压值的D3即可，稳压值越小，输出电压越低，反之则越高。

总结

该电源装置中，使用移相全桥软开关技术，使得功率器件实现零电压软开关，减小了开关损耗及开关噪声，提高了效率；设计并使用了一种新颖的高频功率变压器，通过调整单个变压器的原边电压使输出整流二极管实现自动均流；设计并使用了容性功率母排，减小了系统中的振荡，减小了功率母排的发热。控制电路中采用了稳压稳流自动转换方案，实现了输出稳压稳流的自动切换，提高了电源的可靠性及团镇输出的动态响应，减小了输出电压的纹波。

实验取得了令人满意的结果，其中功率因数可达0.92，满载效率为87%，输出电压纹波小于25mV。不仅如此，各项指标都达到甚至超过了用户要求，而且通过了有关部门的技术鉴定，现已批量投入生产。

为什么要采用电气隔离的方式驱动大功率负载？

大功率负载,相对控制器来喊汪说,电压要高的多.控制器芯片电源一般5V,现在的DSP很多用3V.而通用的低压交流电,一般为220V-380V.所以,必须用电气隔离方式驱动,才能保证控制器不被损坏.另大功率负载能产生强磁场,控制器和负载电气隔离不郑吵仔共地,使控制器能有效的防止干扰信号碰御进入控制器,防止误动.

关键词：电阻 开关器件 电容 控制IC 功率开关器件 一个电阻