电力电子学概论 - 电源组件简介

在该部分中，我们将讨论所有电源设计所需的 常见元件。 我们可以将这些确认为四个主要组件、电感器、 电容器、二极管和 MOSFET。 所有功率转换器 均大部分采用磁场处理能源存储和转换。 这能够采用变压器或电感器形式。 电感器是以磁场形式 存储电能的无源元件 并抵御电流变化。 电感器的作用类似于直流电压 短路，以及高频开路。 开关模式电源依据稳态电感 原则进行电源转换。 有关详情，稍后继续。 在电源设计中，有多个值得 注意的电感器事项。 最重要的是电感值。 电感值可以是 具有极高开关频率的数十纳亨范围转换器， 至极低频率转换器中的 毫亨范围。 常见电源设计实践建议 应将电感值大小调节为 产生约占总负载电流 20% 至 40% 的 纹波电流。 直流电额定电流是电感器在稳态下 可处理的电流量。 通常，对于会因绕组中存在寄生电阻而 导致电感器温度升高 30 摄氏度的直流电流， 将指定额定电流。 另一方面，饱和电流 是使电感值下降 30% 的电流。 这是一个棘手的规格，因为电感器 传递三角波电流。 所以，需要将波峰保留在饱和电流 限值内。 如果超过饱和电流， 电感将接近零， 导致电感器类似于短路。 DCR 是直流电阻，它将纳入 直流电额定电流。 该数字将使设计器 能够计算电感器中的直流损失。 磁损是在开关周期和涡流中磁核内部 因磁能变化而引起的能量损失， 其中涡流是磁核材料中由随时间变化的 磁通量感应产生的。 最后，饱和度剖面由 磁芯材料所定义。 某些材料，如铁粉磁芯， 使磁感能够随着电感器电流提高 而逐渐下降。 其他类如铁等材料具有硬饱和电流， 这类材料中感应会快速下降至小比例的 零安培电感。 所有电源包含有关 其输入和输出的电容器。 电容器是以电场形式 存储能量的无源元件， 并抵御电压变化。 电容器的作用类似于直流电压下的开路， 以及高频下的短路。 电容器的主要功能是在电源应用中 提供交流电流滤波以及电压 保持。 在电源设计中，有多个值得 注意的电容器事项。 考虑电容值十分关键， 主要原因有两点。 首先，在控制开关关闭时， 随着电感器中的能量减少， 电容器将保持输出电压。 因此，电源纹波的量 与输出电容的量直接相关。 第二，当负载电流或电源 从轻负载突变为重负载时， 电容器必须支持额外电流， 同时电感器中的电流斜升。 此现象的常见示例是当您启动洗衣机和干衣机时， 您家里的灯光会暂时变暗。 直流额定电压指定可施加在 电容端子上的最大电压。 多类电容器，包括钽和铝 电解质，都会在超过此额定电流时 严重受损。 注意在瞬变事件 期间也会出现电压偏移。 直流偏移是陶瓷电容器中的常见注意事项。 当陶瓷电容器上的电压增大时， 该陶瓷电容器提供的有效电容量会 下降。 ESR 和 ESL 是与电容器串联的 寄生元件。 ESL 限制电容中电流的变化速度， 且在瞬态响应中具有有限因素。 ESR 还影响瞬变事件造成 IR 下降的 压降。 此外，ESR 还限制设备的 RMS 额定电流。 随着 RMS 电流上升使 I 的平方乘以 R 的 结果上升，造成电容器损失。 最后，介电材料和产品寿命 是重要的考虑因素。 超过操作小时数造成的电容器故障 是消费电子品中最常见的 故障机制之一。 二极管是用于整流的双端子设备， 且常用于交流对直流以及直流对直流电源。 它的作用如同单通阀的电子版本， 使电流朝一个方向流过， 并阻止电流朝相反方向流动。 要经过电流，图中 A 端表示的二极管 必须处于高于阴级的电势， 如图中 C 端所示。 当发生此事时，此开关已关闭， 且电流会从 A 移至 C。 电流导致电压从阳极降至阴极 并可处于约 300 毫伏至 1.2 伏级别。 这称作正向电压。 正向电压乘以正向电流 将决定二极管中的功率耗散。 必须注意确保该组件的功率损耗 不会超过该额定值。 要开启开关，将从阴极至阳极 应用反向电压。 存在多个不同类型的二极管，包括 P-N、肖特基以及齐纳二极管。 其使用特定于应用类型。 重要的二极管特性，包括正向电压、 额定电流、逆向电压以及逆向恢复， 均是在您设计中要考虑的几个因素。 金属氧化物半导体场效应晶体管， 或简称为 MOSFET，是三端设备， 具有漏极、栅极以及源极端子。 MOSFET 到目前为止是数字和模拟电路中 最常见的晶体管， 替代了曾经最流行的面结型晶体管或者说 BJT。 电源使用 MOSFET 处理开关电压和电流 并可作为控制开关 和同步整流器。 这两类 MOSFET是 N 通道和 P 通道 设备。 当存在大于 MOSFET阈值电压的 从栅极至源极的正电压时， N 通道器件会启用。 当出现此情况时，漏极与源极相连， 并使电流能够流动。 P 通道设备具有与相反朝向 相似的操作。 PFET 需要从栅极至源极的负电压， 在此情况下，也就是低于阈值电压， 用于连接漏极和源极端子。 一个 NFET 和 PFET 的有趣特性是 在漏极和源极端子之间都存在 体二极管。 如果任一器件的阳极上电势 均比阴级高， 电流将流动，而无论是否超过栅极至源极 阈值。 但是，当栅极已充电 且渠道活跃后，开启状态特性 具有电阻性，通道的正向压降 将小于二极管的正向压降。 因此，大多数电流将流过该通道。 在 MOSFET 的选择中，存在许多折衷和设计考虑因素， 包括价格、尺寸和性能。 性能特性，例如额定电压、 导通阻抗、栅极电荷以及输出电容， 是必须考虑的