开关电路的原理及分析

1、湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书 2015届毕业设计说明书课题名称：开关电路的原理及分析所在学院 铁道牵引与动力学院 班 级 动车134班 姓 名 雷涛 学 号 22 指导老师 邓小木 完成日期 毕业设计评分标准与答辩记录班级学号姓名总得分课题名称考核项目及分值考核内容分值评分标准得分设计过程20选题的应用性。工艺性。综合性。先进性。和经济性。查阅文献资料。参考书。使用工具书的能力。55432分析和解决问题方面的能力，创造性，独立工作能力。55432工作态度与遵守纪律情况。1010864设计结果40文字的简洁性。通畅性，条理性与逻辑性。1010864论据正确充分。分析计算准确。使用公式与引用

2、数据的正确性。1010864完成设计任务，贯彻国家标准，图样。数据表格。说明书质量。1010864设计方案比较选择的正确合理性，设计理念。设计方法。设计思路方面的独到性和创新性。1010864答辩情况40阐述课题的设计思路。主要依据。结论。体会和改进意见。1010864回答问题的准确性。敏锐性。全面性，语言表达能力，逻辑条理性。3030241812指导老师评价指导教师签名答辩记录与答辩评价答辩教师签名2015届毕业设计任务书一、 课题名称：开关电路的原理及分析二、 指导教师：邓小木三、 设计内容与要求1、 课题概述2、 设计内容及要求3、 设计原始资料4、 设计课题的特点与目的5、 设计成果四

3、、 设计参考书XXXXX中国铁道出版社主编XXXXX五、 设计说明书要求1、 封面2、 内容摘要(200400字左右，中英文3、 目录4、 正文（设计方案比较与选择，设计方案原理。计算。分析。论证，设计结果的说明及特点）5、 结束语6、 附录(参考文献。图纸。材料清单等六、 毕业设计进程安排七、 毕业设计答辩及论文要求1、 毕业设计答辩要求答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文。专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务。目的和意义，所采用的原始资料或参考文献。设计的基本内容和主要方法。成果结论和评价。答辩小组

4、质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论。知识。设计与计算方法。实验方法。测试方法，鉴别学生独立工作能力。创新能力。2、 毕业设计论文要求文字要求:说明书要求打印(除图纸外，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。图纸要求:按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。曲线图表要求：所有曲线。图表。线路图。程序框图。示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。摘要开关电路技术利用开关管和PWM（PulseWidthModulatioon）控制电路的导通和关断。介绍了开关电路的原理，重点介

5、绍了软开关电路，并对其中的重点电路的特点做出了分析。关键词：开关电路；硬开关；软开关ABSTRACTUsingZVSPWM(PulseWidthModulatioon)switchingcircuittechnologycontroltheturn-onandturn-offcircuit.Introducetheprincipleofswitchingcircuits,focusingonsoftswitchingcircuit,andoneofthekeycharacteristicsofcircuitanalysis.Keyword:switch;hardswitchingsoftswi

6、tching.目录第一章 绪论81.1 开关电路的原理81.2 开关电路的分类81.3本文主要内容8第2章 硬开关电路92.1 硬开关电路的特点92.2 硬开关电路的工作原理92.3三极管开关电路92.3.1电流放大92.32偏置电路102.3.3开关作用102.3.4工作状态11第3章 软开关电路123.1 软开关电路的特点123.2软开关电路的工作原理12第4章 软开关电路的种类及几种典型软开关电路1441 准谐振型电路1442零开关PWM电路1543零转换PWM电路15第5章 基于ADG726的开关电路系统175.1ADG726简介175.2电路设计17第6章 开关电路的测试2061 固

7、体开关电路的测试方法206.2机电开关电路的测试方法216.3机电开关节点通断的随机性216.4随机性测试信号的选取21第一章 绪论电力电子技术是电子学的一个新型应用领域，其特征是用功率电子开关处理电力的控制与变换；常用的控制方法是斩波控制方式的脉冲宽度调制（PWM）技术。但在通常电力变换器电路中，全控型功率电子器件在 PWM 控制下进行开关换流，会出现硬开关效应：在开关过渡期间，电压或电流会出现高变化率的脉冲峰，同时两者波形有很大交叠区。因此，硬开关必然产生电路损耗大、电磁干扰严重、可靠性降低等缺陷；而且这种缺陷在较高频率下更严重。解决硬开关缺陷的有效方法是附加上软开关电路。1.1 开关电路

8、的原理开关电路的原理是由开关管和PWM（PulseWidthModulatioon）控制芯片构成振荡电路，产生高频脉冲。将高压整流滤波电路产生的高压直流电变成高频脉冲直流电，送到主变压器降压，变成低频脉冲直流电。1.2 开关电路的分类所谓软开关是与硬开关相对应的,硬开关是在控制电路的开通和关断过程中，电压和电流的变化剧烈，产生较大的开关损耗和开关噪声，开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰，影响周边电子设备的工作,软开关中又有几种典型类型下文中会详细叙述。1.2 开关电路的发展趋势 现代电力电子装置的发展趋势 小型化,轻量化对效率和电磁兼容性也有更高

9、的要求。 电力电子装置高频化 滤波器,变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化轻量化。 开关损耗增加，电磁干扰增大。 软开关技术 降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。1.3本文主要内容本文主要目标是研究分析两大类开关电路的原理硬开关电路及软开关电路。第2章 硬开关电路2.1 硬开关电路的特点 开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。 电压，电流变化很快，波形出现明显的过冲，导致开关噪声。2.2 硬开关电路的工作原理由于开关管不是理想器件，在开通时开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间里，电流和电压有一个交

10、叠区，产生损耗，称之为开通损耗。当开关管关断时，开关管的电压不是立即从零上升到电源电压，而是有个上升时间，同时它的电流也不是立即下降到零，也有一个下降时间。在这段时间里，电压和电流也有一个交叠区，产生损耗，称之为关断损耗。因此在关断管工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗。图表2.1 硬开关电路图表2.2 硬开关的电压和电流波形硬开关过程-开通（ABC）：首先在高压VT=VD下，iT从0I0（AB），然后在大电流iT=I0下VT从VD0(BC，因此开通损耗Pon=VTiT大。图表2.3 开关轨迹关断（CBA）：首先在大电流iT=I0下VT从0VD（CB），然后在高压VT=VD下，iT

11、从I00（BA），因此Poff=VTiT大。2.3三极管开关电路三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。分成NPN和PNP两种。我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。2.3.1电流放大下面的分析仅对于NPN型硅三极管。如上图所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流 Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源 能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，

12、会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变 化量的倍，即电流变化被放大了倍，所以我们把叫做三极管的放大倍数（一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射 极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式 U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。图表2.4三极管开关电路2.32偏置电路三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因。首先是由于三极

13、管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压 大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比 0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。如果我们事先在三极管的基极上加上一 个合适的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小 信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。另一个原因就是输出信号范围的

14、要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的 信号放大，而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了）。而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极 电流就可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。2.3.3开关作用下面说说三极管的饱和情况。像上面那样的图，因为受到电阻 Rc的限制（Rc是固定值，那么最大电流为U/Rc，其中U为电源电压），集电极电流是不能无限增加下去的。当基极电流的增大，不能使集电极电流继续增大 时，三极管就进入了饱和状态。一般判断三极管是否饱和的准则是：Ib*Ic。进入饱和状态之后，

15、三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为 一个开关闭合了。这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：当基极电流为0时，三极管集电极电流为0（这叫做三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很 大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。如果三极管主要工作在截止和饱和状态，那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。2.3.4工作状态如果我们在上面这个图中，将电阻Rc换成一个灯泡，那么当基极电流为0时，集电极电流为0，灯泡灭。如果基极电流比较大时（大于流过灯泡的电流除以三极管 的放大倍数 ），三极管就饱和，相当于开关闭合，灯泡就亮了。由于控制电流只需要比灯泡电流的分之一大一点就行了，所以就可以用一个

16、小电流来控制一个大电流的通 断。如果基极电流从0慢慢增加，那么灯泡的亮度也会随着增加（在三极管未饱和之前）。对于PNP型三极管，分析方法类似，不同的地方就是电流方向跟NPN的刚好相反，因此发射极上面那个箭头方向也反了过来变成朝里的了。第3章 软开关电路电力电子装置中，滤波电感、电容和变压器等磁性元件的体积和重量往往占很大比例。从“电路”和“电机学”的相关知识中可以知道，提高开关频率可以减小滤波器的参数，并使变压器小型化，从而有效地降低装置的体积和重量，电力电子装置小型化、轻量化最直接的途径是电路的高频化。因此高频化成为电力电子学追求的目标。但是，传统的开关器件工作在硬开关状态，在提高开关频率的

17、同时，开关损耗和电磁干扰(EMI)也随之增加，电路效率严重下降，所以简单地提高开关频率显然是不行的。目前，解决此类问题的常用方法是采用“软开关技术”。3.1 软开关电路的特点 开关器件在（近似）零电压和/或在（近似）零电流下开通与关断。 就电路拓扑而言，软开关拓扑是在硬开关电路的基础上加入谐振电感和电容形成谐振，为开关器件创造零电压和零电流条件。 消除电压。电流的重叠，降低开关损耗和开关噪声。3.2软开关电路的工作原理 在开关管开通时，使其电流保持在零。或者限制电流的上升率，从而减小电流与电压的交叠区，这就是所谓的零电流开通；在开关管开通前，使其电压下降到零，这就是所谓的零电压开通。 在开关关

18、断前，使其电流减小到零，这就是所谓的零电流关断；在开关关断以前，使其电压保持在零，或者限制电压上升率，从而减小电流与电压的交叠区，这就是所谓的零电压关断。图表3。1 软开关的电压和电流波形 有LC缓冲器的软开关过程图表3.2有LC复合缓冲的软开关电路 开通（AQEC）：首先在iT=0的情况下，vT从VDVQ，再在VD=VQVD下从0Io，最后在iT=Io情况下vT从VQ0因此PonPon。图表3.3缓冲软开关的开关轨迹 关断（CAPA）首先在vT。iT乘积不大的情况下从C点A点，此后从A点P点A点都是在iT=0下过渡的，因此有了L。C以后软关断损耗Poff小。 软开关过程 开通（AOC）：使开

19、关管的两端电压降到零A点O点，然后两端电流在上升O点C点；图表3.4缓冲软开关的开关轨迹 关断（COA）使开关管的两端电流降到零C点O点，然后两端电压在上升O点A点；第4章 软开关电路的种类及几种典型软开关电路新型的软开关电路根据发展历程可分成三类：一类是以谐振技术为代表的准谐振电路，一般采用变频控制(PFM)；第二类是零开关电路；第三类是零转换电路。第二类和第三类一般采用脉冲宽度控制(PWM)。图表4.1软硬开关路及波形对比41 准谐振型电路图表4.2准谐振 电路的基本开关单元准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。准谐振电路可以分为零电压开关准谐振电路，零电流开关准谐振电

20、路，零电压开关多谐振电路。图4.2所示为准谐振电路的基本开关单元。图4.1(b所示为零电压开关准谐振电路及工作波形。电路中所增加的谐振电感Lr和谐振电容c与电路中的滤波电容c和滤波电感L相比要小得多。当软开关电路中s关断后，谐振电感Lf和谐振电容c发生谐振，电路中电压或电流的波形类似于正弦半波。开关s两端的电压在开通前就已经降为了零。从图4.1(b可以看出谐振的引入使得电路的开关损耗和开关躁声都大大下降，但也带来一些负面问题：谐振电压峰值高，要求电力电子器件的耐压必须提高；而谐振电流的有效值很大，电路中存在大量的无功功率的交换，导致电路导通损耗加大；谐振周期随输入电压。负载变化而变化。42零开

21、关PWM电路图表4.3零电压开关和零电流开关PWM电路基本开关单元图表4.4 ZCSPWM 电路及波形图这类电路中引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后，零开关PWM电路可分为零电压开关PWM电路(ZVS-PWM和零电流开关PWM(ZCsPwM。图4.3所示为零电压开关和零电流开关PWM电路基本开关单元。其中5为主开关，。S2为辅助开关。图4.4所示为ZCS-PWM电路及波形图，为了使主开关S零电流关断，又引入了辅助开关S。主开关S首先开通，通过开关S的电流逐渐增加至输入电流值，此时二极管VD。VD关断，电容C反向充电至；辅助开关5开通后，电容C与厶谐振，当电容Cr两端

22、电压降至零时，二极管VD导通，电容C与电感L小厶谐振至二极管VD。VD开通，两开关S。S实现ZCS关断。此电路可以使开关S。S。实现了ZCS关断，但两开关是硬开通，电容C与电感L电容C与电感厶。厶的谐振回路要通过输出端，会增大输出端的电压波动。从图4.4可以看出，零开关电路同谐振电路相比有很多明显优势：电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。43零转换PWM电路这类软开关电路仍然采用辅助开关控制谐振的开始时刻，谐振电路是与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小，电路在很宽的输入电压范围内从零负载到满

23、载都能工作在软开关状态。电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。此类电路可分为零电压转换PWM(ZVTPwM和零电流转换PwM(ZCTPwM。如图4.5所示为零电压转换和零电流转换PWM电路的基本开关单元。图表4.6 ZVT-PWM 电路及波形 图图表4.5零电压转换和零电流转换PWM电路基本开关单元图4.6所示电路为ZVT-PWM电路及波形图。主开关5关断后，其寄生电容C被恒流充电至输出电压o，为辅助开关5。提供ZVZCS关断，此时二极管VD。及VD导通；开关5关断后，电感厶与开关5寄生电容G发生谐振至开关5z两端电压等于o，二极管VD。导通；当流过电感厶的电流减少至

24、零时，电感厶与开关5。5的寄生电容C小C谐振，谐振结束时，开关5和5两端电压与流过两开关的电流均为零，开关5和S实现了ZV-ZCS开通。此电路使开关。实现ZVZCS开通，S实现了ZVS关断，二极管的反向恢复得到抑制，开关电压电流应力较小电路结构简单。但电感厶始终有电流流过，导致电流中环流较大，增大通态损耗_6。第5章 基于ADG726的开关电路系统5.1ADG726简介ADG726是双路差分16通道的多路复用选择器，可以作为32路使用，其供电方式比较灵活，阻抗小，体积小，采用轨对轨开关电压操作，TTLCMOS兼容输入接口，开关时间为30ns1。表格5.1ADG726真值表(X=DontCare

25、)ADG726的内部逻辑结构如图5.1，通道选择主要依靠使能信号。写有效。两路片选及4位地址线，其真值图表如表5.12。5.2电路设计图表5.1ADG726内部结构在设计时应考虑ADG726的开关电容。电容在整个电路中起到滤波作用，但不能过大，否则会形成积分电路，改变输入的信号特征3。下面结合图5.2所示电路给予具体说明。以图5.2为例，VDD与VSS可以按照ADG726的使用协议说明上操作，同时GND接电源地。使能信号。读写信号。片选信号以及地址信号按照图5.2的真值表中的说明设置即可。图表5.2 DG726电路示例输入电路中，R13与尺l5是输入信号调理电阻，C164与c165为输入信号滤

26、波电容，在输入信号中，以第一路信号的第一通道为例，ADG726在不断地切换，将会产生很多脉冲，这些脉冲在旁路滤波电容上会形成一个积分电路，在这种情况下，推荐的电容为串联的20pF。在输出电路中，c166为输出信号滤波电容，推荐值为35pF以下，否则会形成积分电路，影响后续电路的信号处理。R93是这些积分电路的泄流电阻，因为有电容滤波，则必会形成积分电路，则这个电阻会首先进行放电，泄露掉输入电路与输出电路中的电量，以减少对下一通道的信号干扰。如图5.2所示，在开关未导通时，电压分压在R13与R15的节点处，电压为：Vout=VinR15R15。R13开关导通后，电压输出为DA节点处，电压为：Vo

27、ut=Vin(R15/R93/(R15/R93。R13式中：Vout为输出电压；Vin为输入电压：R15/R93表示R15与R932个电阻并联。从式中可知，电阻对该电路主要进行分压作用，但是在信号调理时不可避免地进行了电容滤波处理，所以就产生了电路的充放电，导致发生了一些问题。下面就这些问题进行定量分析。5.3电路具体分析通过对ADG726开关外围电路的电阻。电容参数做出定量分析，确定元件的参数范围和分析参数变化给电路带来的影响，来增强电路的灵活性，为工程中技术人员电路分析提供参考。这里依次分析输入电容变化，输出电容变化，以及输入输出电阻变化对输出信号的影响。如图5.2所示电路，只加入了第一路

28、电路，在模拟仿真时为了达到分析效果，另外加了3路电路分压支路，图5.3是参数(电容为20pF如图5.2一样的情况下，在不同的输入电压下进行的仿真图4。图表5.4无电容效果图图表5.3正常反真图TEMl0的周期性来检验激光谐振腔长的变化。通过理论分析可知，激光谐振腔长产生微小变化，出射光的模式也随之改变，这种变化具有周期性，腔长每变化激光波长的四分之一，模式也就周而复始的出现一次。笔者实验利用HeNa激光器，腔长变化1582nm，激光器的谐振模式就变化一个周期，因此腔长定位精度可以达到nm级别。未控制激光谐振腔长前出射光模式图形如图5.5。从图5.5中可以看出：前后2个周期中各模式间距参差不齐，前面1个周期模式间距小，而后1个周期模式间距大。表明在前1个周期与后1个周期，因为温度差异或者振动引起腔长微小变化，使出射光频率不稳定。图表5.5来控制谐振腔长采集图像如图5.6所示，控制谐振腔长后出射光模式图形，后前后2个周期中各模式之间间距几乎相等。这说明在整个压电陶瓷的伸长范围内，激光谐振腔长伸长速度比较均匀，激光器出射频率稳定均匀。证明基于压电陶瓷的激光谐振腔长控制技术是成功的。图表5.6制谐振腔