第1章 开关电源的基础知识
1.7 开关器件
开关器件(即开关电源的电子器件)的特性及其驱动是开关电源电路中关键 的问题。
1.7.1 开关器件概述
1. 开关器件的特征
同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征： (1) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要 的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处 理信息的电子器件。 (2) 开关器件一般都工作在开关状态，导通时(通态)阻抗很小，接近于
压降获得稳定的输出电压。（功率管工作在线性放大状态）
开关稳压电源—通过调整功率管的导通（或截止）时间获得稳定的输出 电压。（功率管工作在饱和导通状态）
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一、串联稳压电源
线性串联稳压电源的原理图如图1所示：
二、表面处理工程
三、在环境保护中的应用 四、在激光中的应用
五、在电力系统中的应用
六、在通信领域中的应用（ PC电源：输出电压为：12V/14A， -12V/0.5A，
5V/18A，3.3V/14A ；笔记本适配器：输入100-240Vac，50-60Hz，输出
20V/3.25A,不间断电源(UPS) ）
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◆开关电源的优点：
(1） 功耗小、 效率高。
开关管中的开关器件交替工作在导通—截止—导通的开关状态，转
换速度快， 这使得功率损耗小，电源的效率可以大幅度提高，可达90 ％～95％。 (2） 体积小、重量轻。 开关电源效率高， 损耗小，可以省去较大体积的散热器； 用起隔 离作用的高频变压器取代工频变压器，可大大减小体积，降低重量；因 为开关频率高，输出滤波电容的容量和体积也可大为减小。
一、使用性能要求
1、高的可靠性 平均无故障时间（MTBF）>3000h
2、高的安全性 3、好的可维修性 平均故障维修时间（MTTR） 4、高的功率密度（单位体积的功率容量及单位质量的功率 容量）
5、高性价比、低使用维修费用
6、环境适宜性要求
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二、电气性能参数
1、 输入电压变化范围：当稳压电源的输入电压发生变化时，使输出电 压保持不变的输入电压变化范围。目前开关电源的输入电压变化范围已 做到90~270 V，可以省去许多电器中的110 V/220 V转换开关。 2、源电压功率因数（PF或 ） 一般功率因数PF≥0.8
制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是 开关器件的驱动电路。 (5) 为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不 仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。
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2.开关电源系统的组成
开关电源系统由控制电路、 驱动电路和以开关器件为
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二、开关稳压电源
◆基本组成如图2所示：
交流输入
EMI 滤波器
整流 滤波
变换 电路
高频 变压器
整流 滤波器
直流输出
控制 驱动
取样比 较放大
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◆开关稳压电源的原理图如图所示：
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◆主电路的工作原理为：50 Hz单相交流220 V电压或三相交流220
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3. 开关器件的分类
开关器件按其能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类： (1) 半控型器件——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断， 晶闸管及其大部分派生器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决 定。 (2) 全控型器件——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又 称自关断器件，如绝缘栅双极晶体管IGBT、 电力场效应晶体管 MOSFET、 门极可关断晶闸管GTO。 (3) 不可控器件——不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱 动电路。如电力二极管(Power Diode)只有两个端子，它的通和断是由其 在主电路中承受的电压和电流决定的。
V/380 V电压首先经EMI防电磁干扰的电源滤波器滤波（这种滤波器主要 滤除电源的高次谐波），直接整流滤波（不经过工频变压器降压，滤波
电路主要滤除整流后的低频脉动谐波），获得一直流电压；然后再将此
直流电压经变换电路变换为数十或数百千赫的高频方波或准方波电压， 通过高频变压器隔离并降压（或升压）后，再经高频整流、滤波电路， 最后输出直流电压。 ◆控制电路的工作原理是：电源接上负载后，通过取样电路获得其输 出电压，将此电压与基准电压做比较后，将其误差值放大，用于控制驱 动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，使输出电压升高（或降 低），以获得一稳定的输出电压。
第1章
开关电源的基础知识
1.1 开关稳压电源和线性串联稳压电源 1.2 开关电源的分类
1.4 开关电源的应用及发展
1.3 对开关电源的基本要求 1.7 开关电源中的功率器件
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1.1 开关稳压电源和线性串联稳压电源
1.1.1 电源的定义（电源犹如人体的心脏，是所有电设备的动力）
短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于
断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。
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(3) 开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一
位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际 开关。
(4) 电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控
4. 山特电子有限公司（）
5. 宝威电源有限公司（) 6. 爱立信电源（Ericsson DC-DC power）
7. 科索电源（)
据统计，在珠三角（深圳、东莞、广州、中山、佛山等），有1000多 家公司生产电源。
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3、效率η：电源输出功率Po与输入功率Pi的比值。这个比值越高，开关
电源的体积越小，同时可靠性也越高。目前开关电源的效率可达到90％
以上。
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4、 输出电压调节范围：由于电源的输出电压只和基准电压与输出取样
电路的元器件参数有关，因此，输出电压调节范围反映在线性电源上是 稳压调整管集电极电流的变化范围，反映在开关电源上是开关调整管脉
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☆ 5.按电路的输出稳压控制方式分类
(1)脉冲宽度调制(PWM)式
(2)脉冲频率调制(PFM)式
(3)脉冲调频调宽式三种 6. 按功率开关管关断和开通工作条件分类 (1)硬开关变换器 (2)软开关变换器
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1.4 开关电源的应用
一、金属焊接与切割电源
冲占空比D的变化范围。
5、 输出电压稳定性：输出电压随负载变化而变化的特性，这个变化量 越小越好。它主要和反馈调节回路的增益及频响特性有关。反馈调节回 路增益越高，基准电压UE越稳定，输出电压Uo的稳定性就越好。 6、 输出功率Po：电源能输出给负载的最大功率，它和负载功率有关。 为了保证电源安全，要求输出功率有20％～50％的裕量。 7、电气保护：输入过电压、欠电压保护，输出过电压、欠电压保护， 输出过电流保护。 8、功率器件过热保护
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(3） 稳压范围宽。
开关电源的输出电压由占空比来调节，输入电压的变化可以通过占 空比的大小来补偿。这样，在工频电网电压变化较大时， 它仍能保证
有较稳定的输出电压。
(4） 电路形式灵活多样。 设计者可以发挥各种类型电路的特长， 设计出能满足不同应用场合 的开关电源。
核心的主电路组成。
控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电 路去控制主电路中开关器件的通或断来完成整个系统的功能。 开关电源系统中需要有检测电路。广义上往往其他驱动 电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说开 关电源系统是由主电路和控制电路组成的。
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主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的开关
◆开关电源的缺点：
主要是存在开关噪声干扰，开关器件工作在开关状态，它产生的交流电 压和电流会通过电路中的其它元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，此外，
这些干扰还会串入工频电网，使电网附近的其它电子仪器、设备和家用
电器受到干扰。因此，设计开关电源时，必须采取合理的措施来抑制其 本身产生的干扰。
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技术员
测试员（工程部/设计 部、QA品质认证等）
工程师
助理工程师
应用工程师/FAE工程 师（著名芯片管理公 司）/市场开拓工程师 高级 工程师
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著名电源厂家
1. 艾默生网络能源有限公司 （Emerson network power）
2. 雅达电源/腾讯亚太电子（） 3. 台达电子有限公司（deltaww. ）
器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路 连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，驱动电路与 控制信号的连接处，或者主电路与检测电路的连接处，一般 需要进行电气隔离，而通过其他手段如光、 磁等来传递信 号。 由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而开关器件一 般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流 的能力却要差一些，因此必须在主电路和控制电路中附加一 些保护电路，以保证开关器件和整个电源系统正常、 可靠 运行。
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电力系统
柔性交流输电FACTS
高压直流装置HVDC
SVC
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电子装置用电源
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电子装置
程控交换机
微型计算机
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