1、湖南鐵道職業技術學院畢業設計說明書 2015屆畢業設計說明書課題名稱：開關電路的原理及分析所在學院 鐵道牽引與動力學院 班 級 動車134班 姓 名 雷濤 學 號 22 指導老師 鄧小木 完成日期 畢業設計評分標準與答辯記錄班級學號姓名總得分課題名稱考核項目及分值考核內容分值評分標準得分設計過程20選題的應用性。工藝性。綜合性。先進性。和經濟性。查閱文獻資料。參考書。使用工具書的能力。55432分析和解決問題方面的能力，創造性，獨立工作能力。55432工作態度與遵守紀律情況。1010864設計結果40文字的簡潔性。通暢性，條理性與邏輯性。1010864論據正確充分。分析計算準確。使用公式與引用

2、數據的正確性。1010864完成設計任務，貫徹國家標準，圖樣。數據表格。說明書質量。1010864設計方案比較選擇的正確合理性，設計理念。設計方法。設計思路方面的獨到性和創新性。1010864答辯情況40闡述課題的設計思路。主要依據。結論。體會和改進意見。1010864回答問題的準確性。敏銳性。全面性，語言表達能力，邏輯條理性。3030241812指導老師評價指導教師簽名答辯記錄與答辯評價答辯教師簽名2015屆畢業設計任務書一、 課題名稱：開關電路的原理及分析二、 指導教師：鄧小木三、 設計內容與要求1、 課題概述2、 設計內容及要求3、 設計原始資料4、 設計課題的特點與目的5、 設計成果四

3、、 設計參考書XXXXX中國鐵道出版社主編XXXXX五、 設計說明書要求1、 封面2、 內容摘要(200400字左右，中英文3、 目錄4、 正文（設計方案比較與選擇，設計方案原理。計算。分析。論證，設計結果的說明及特點）5、 結束語6、 附錄(參考文獻。圖紙。材料清單等六、 畢業設計進程安排七、 畢業設計答辯及論文要求1、 畢業設計答辯要求答辯前三天，每個學生應按時將畢業設計說明書或畢業論文。專題報告等必要資料交指導教師審閱，由指導教師寫出審閱意見。學生答辯時對自述部分應寫出書面提綱，內容包括課題的任務。目的和意義，所采用的原始資料或參考文獻。設計的基本內容和主要方法。成果結論和評價。答辯小組

4、質詢課題的關鍵問題，質詢與課題密切相關的基本理論。知識。設計與計算方法。實驗方法。測試方法，鑒別學生獨立工作能力。創新能力。2、 畢業設計論文要求文字要求:說明書要求打印(除圖紙外，不能手寫。文字通順，語言流暢，排版合理，無錯別字，不允許抄襲。圖紙要求:按工程制圖標準制圖，圖面整潔，布局合理，線條粗細均勻，圓弧連接光滑，尺寸標注規范，文字注釋必須使用工程字書寫。曲線圖表要求：所有曲線。圖表。線路圖。程序框圖。示意圖等不準用徒手畫，必須按國家規定的標準或工程要求繪制。摘要開關電路技術利用開關管和PWM（PulseWidthModulatioon）控制電路的導通和關斷。介紹了開關電路的原理，重點介

5、紹了軟開關電路，并對其中的重點電路的特點做出了分析。關鍵詞：開關電路；硬開關；軟開關ABSTRACTUsingZVSPWM(PulseWidthModulatioon)switchingcircuittechnologycontroltheturn-onandturn-offcircuit.Introducetheprincipleofswitchingcircuits,focusingonsoftswitchingcircuit,andoneofthekeycharacteristicsofcircuitanalysis.Keyword:switch;hardswitchingsoftswi

6、tching.目錄第一章 緒論81.1 開關電路的原理81.2 開關電路的分類81.3本文主要內容8第2章 硬開關電路92.1 硬開關電路的特點92.2 硬開關電路的工作原理92.3三極管開關電路92.3.1電流放大92.32偏置電路102.3.3開關作用102.3.4工作狀態11第3章 軟開關電路123.1 軟開關電路的特點123.2軟開關電路的工作原理12第4章 軟開關電路的種類及幾種典型軟開關電路1441 準諧振型電路1442零開關PWM電路1543零轉換PWM電路15第5章 基于ADG726的開關電路系統175.1ADG726簡介175.2電路設計17第6章 開關電路的測試2061 固

7、體開關電路的測試方法206.2機電開關電路的測試方法216.3機電開關節點通斷的隨機性216.4隨機性測試信號的選取21第一章 緒論電力電子技術是電子學的一個新型應用領域，其特征是用功率電子開關處理電力的控制與變換；常用的控制方法是斬波控制方式的脈沖寬度調制（PWM）技術。但在通常電力變換器電路中，全控型功率電子器件在 PWM 控制下進行開關換流，會出現硬開關效應：在開關過渡期間，電壓或電流會出現高變化率的脈沖峰，同時兩者波形有很大交疊區。因此，硬開關必然產生電路損耗大、電磁干擾嚴重、可靠性降低等缺陷；而且這種缺陷在較高頻率下更嚴重。解決硬開關缺陷的有效方法是附加上軟開關電路。1.1 開關電路

8、的原理開關電路的原理是由開關管和PWM（PulseWidthModulatioon）控制芯片構成振蕩電路，產生高頻脈沖。將高壓整流濾波電路產生的高壓直流電變成高頻脈沖直流電，送到主變壓器降壓，變成低頻脈沖直流電。1.2 開關電路的分類所謂軟開關是與硬開關相對應的,硬開關是在控制電路的開通和關斷過程中，電壓和電流的變化劇烈，產生較大的開關損耗和開關噪聲，開關損耗隨著開關頻率的提高而增加，使電路效率下降；開關噪聲給電路帶來嚴重的電磁干擾，影響周邊電子設備的工作,軟開關中又有幾種典型類型下文中會詳細敘述。1.2 開關電路的發展趨勢Ø 現代電力電子裝置的發展趨勢² 小型化,輕量化對

9、效率和電磁兼容性也有更高的要求。Ø 電力電子裝置高頻化² 濾波器,變壓器體積和重量減小，電力電子裝置小型化輕量化。² 開關損耗增加，電磁干擾增大。Ø 軟開關技術² 降低開關損耗和開關噪聲。² 進一步提高開關頻率。1.3本文主要內容本文主要目標是研究分析兩大類開關電路的原理硬開關電路及軟開關電路。第2章 硬開關電路2.1 硬開關電路的特點² 開關過程中電壓和電流均不為零，出現了重疊。² 電壓，電流變化很快，波形出現明顯的過沖，導致開關噪聲。2.2 硬開關電路的工作原理由于開關管不是理想器件，在開通時開關管的電壓不是立

10、即下降到零，而是有一個下降時間，同時它的電流也不是立即上升到負載電流，也有一個上升時間。在這段時間里，電流和電壓有一個交疊區，產生損耗，稱之為開通損耗。當開關管關斷時，開關管的電壓不是立即從零上升到電源電壓，而是有個上升時間，同時它的電流也不是立即下降到零，也有一個下降時間。在這段時間里，電壓和電流也有一個交疊區，產生損耗，稱之為關斷損耗。因此在關斷管工作時，要產生開通損耗和關斷損耗，統稱為開關損耗。圖表2.1 硬開關電路圖表2.2 硬開關的電壓和電流波形硬開關過程-開通（ABC）：首先在高壓VT=VD下，iT從0I0（AB），然后在大電流iT=I0下VT從VD0(BC，因此開通損耗Pon=V

11、TiT大。圖表2.3 開關軌跡關斷（CBA）：首先在大電流iT=I0下VT從0VD（CB），然后在高壓VT=VD下，iT從I00（BA），因此Poff=VTiT大。2.3三極管開關電路三極管是電流放大器件，有三個極，分別叫做集電極C，基極B，發射極E。分成NPN和PNP兩種。我們僅以NPN三極管的共發射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。2.3.1電流放大下面的分析僅對于NPN型硅三極管。如上圖所示，我們把從基極B流至發射極E的電流叫做基極電流Ib；把從集電極C流至發射極E的電流叫做集電極電流 Ic。這兩個電流的方向都是流出發射極的，所以發射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向。

12、三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制（假設電源 能夠提供給集電極足夠大的電流的話），并且基極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關系：集電極電流的變化量是基極電流變 化量的倍，即電流變化被放大了倍，所以我們把叫做三極管的放大倍數（一般遠大于1，例如幾十，幾百）。如果我們將一個變化的小信號加到基極跟發射 極之間，這就會引起基極電流Ib的變化，Ib的變化被放大后，導致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過一個電阻R的，那么根據電壓計算公式 U=R*I 可以算得，這電阻上電壓就會發生很大的變化。我們將這個電阻上的電壓取出來，就得到了放大后的電壓信號了。圖表

13、2.4三極管開關電路2.32偏置電路三極管在實際的放大電路中使用時，還需要加合適的偏置電路。這有幾個原因。首先是由于三極管BE結的非線性（相當于一個二極管），基極電流必須在輸入電壓 大到一定程度后才能產生（對于硅管，常取0.7V）。當基極與發射極之間的電壓小于0.7V時，基極電流就可以認為是0。但實際中要放大的信號往往遠比 0.7V要小，如果不加偏置的話，這么小的信號就不足以引起基極電流的改變（因為小于0.7V時，基極電流都是0）。如果我們事先在三極管的基極上加上一 個合適的電流（叫做偏置電流，上圖中那個電阻Rb就是用來提供這個電流的，所以它被叫做基極偏置電阻），那么當一個小信號跟這個偏置電流

14、疊加在一起時，小 信號就會導致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會被放大并在集電極上輸出。另一個原因就是輸出信號范圍的要求，如果沒有加偏置，那么只有對那些增加的 信號放大，而對減小的信號無效（因為沒有偏置時集電極電流為0，不能再減小了）。而加上偏置，事先讓集電極有一定的電流，當輸入的基極電流變小時，集電極 電流就可以減小；當輸入的基極電流增大時，集電極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。2.3.3開關作用下面說說三極管的飽和情況。像上面那樣的圖，因為受到電阻 Rc的限制（Rc是固定值，那么最大電流為U/Rc，其中U為電源電壓），集電極電流是不能無限增加下去的。當基極電流的增

15、大，不能使集電極電流繼續增大 時，三極管就進入了飽和狀態。一般判斷三極管是否飽和的準則是：Ib*Ic。進入飽和狀態之后，三極管的集電極跟發射極之間的電壓將很小，可以理解為 一個開關閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當作開關使用：當基極電流為0時，三極管集電極電流為0（這叫做三極管截止），相當于開關斷開；當基極電流很 大，以至于三極管飽和時，相當于開關閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態，那么這樣的三極管我們一般把它叫做開關管。2.3.4工作狀態如果我們在上面這個圖中，將電阻Rc換成一個燈泡，那么當基極電流為0時，集電極電流為0，燈泡滅。如果基極電流比較大時（大于流過燈泡的電流除以三極管 的放

16、大倍數 ），三極管就飽和，相當于開關閉合，燈泡就亮了。由于控制電流只需要比燈泡電流的分之一大一點就行了，所以就可以用一個小電流來控制一個大電流的通 斷。如果基極電流從0慢慢增加，那么燈泡的亮度也會隨著增加（在三極管未飽和之前）。對于PNP型三極管，分析方法類似，不同的地方就是電流方向跟NPN的剛好相反，因此發射極上面那個箭頭方向也反了過來變成朝里的了。第3章 軟開關電路電力電子裝置中，濾波電感、電容和變壓器等磁性元件的體積和重量往往占很大比例。從“電路”和“電機學”的相關知識中可以知道，提高開關頻率可以減小濾波器的參數，并使變壓器小型化，從而有效地降低裝置的體積和重量，電力電子裝置小型化、輕量

17、化最直接的途徑是電路的高頻化。因此高頻化成為電力電子學追求的目標。但是，傳統的開關器件工作在硬開關狀態，在提高開關頻率的同時，開關損耗和電磁干擾(EMI)也隨之增加，電路效率嚴重下降，所以簡單地提高開關頻率顯然是不行的。目前，解決此類問題的常用方法是采用“軟開關技術”。3.1 軟開關電路的特點² 開關器件在（近似）零電壓和/或在（近似）零電流下開通與關斷。² 就電路拓撲而言，軟開關拓撲是在硬開關電路的基礎上加入諧振電感和電容形成諧振，為開關器件創造零電壓和零電流條件。² 消除電壓。電流的重疊，降低開關損耗和開關噪聲。3.2軟開關電路的工作原理 在開關管開通時，使其

18、電流保持在零。或者限制電流的上升率，從而減小電流與電壓的交疊區，這就是所謂的零電流開通；在開關管開通前，使其電壓下降到零，這就是所謂的零電壓開通。 在開關關斷前，使其電流減小到零，這就是所謂的零電流關斷；在開關關斷以前，使其電壓保持在零，或者限制電壓上升率，從而減小電流與電壓的交疊區，這就是所謂的零電壓關斷。圖表3。1 軟開關的電壓和電流波形Ø 有LC緩沖器的軟開關過程圖表3.2有LC復合緩沖的軟開關電路 開通（AQEC）：首先在iT=0的情況下，vT從VDVQ，再在VD=VQ<VD下從0Io，最后在iT=Io情況下vT從VQ0因此Pon<Pon。圖表3.3緩沖軟開關的開

19、關軌跡 關斷（CAPA）首先在vT。iT乘積不大的情況下從C點A點，此后從A點P點A點都是在iT=0下過渡的，因此有了L。C以后軟關斷損耗Poff小。Ø 軟開關過程 開通（AOC）：使開關管的兩端電壓降到零A點O點，然后兩端電流在上升O點C點；圖表3.4緩沖軟開關的開關軌跡 關斷（COA）使開關管的兩端電流降到零C點O點，然后兩端電壓在上升O點A點；第4章 軟開關電路的種類及幾種典型軟開關電路新型的軟開關電路根據發展歷程可分成三類：一類是以諧振技術為代表的準諧振電路，一般采用變頻控制(PFM)；第二類是零開關電路；第三類是零轉換電路。第二類和第三類一般采用脈沖寬度控制(PWM)。圖表

20、4.1軟硬開關路及波形對比41 準諧振型電路圖表4.2準諧振 電路的基本開關單元準諧振電路中電壓或電流的波形為正弦半波，因此稱之為準諧振。準諧振電路可以分為零電壓開關準諧振電路，零電流開關準諧振電路，零電壓開關多諧振電路。圖4.2所示為準諧振電路的基本開關單元。圖4.1(b所示為零電壓開關準諧振電路及工作波形。電路中所增加的諧振電感Lr和諧振電容c與電路中的濾波電容c和濾波電感L相比要小得多。當軟開關電路中s關斷后，諧振電感Lf和諧振電容c發生諧振，電路中電壓或電流的波形類似于正弦半波。開關s兩端的電壓在開通前就已經降為了零。從圖4.1(b可以看出諧振的引入使得電路的開關損耗和開關躁聲都大大下

21、降，但也帶來一些負面問題：諧振電壓峰值高，要求電力電子器件的耐壓必須提高；而諧振電流的有效值很大，電路中存在大量的無功功率的交換，導致電路導通損耗加大；諧振周期隨輸入電壓。負載變化而變化。42零開關PWM電路圖表4.3零電壓開關和零電流開關PWM電路基本開關單元圖表4.4 ZCSPWM 電路及波形圖這類電路中引入了輔助開關來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發生于開關過程前后，零開關PWM電路可分為零電壓開關PWM電路(ZVS-PWM和零電流開關PWM(ZCsPwM。圖4.3所示為零電壓開關和零電流開關PWM電路基本開關單元。其中5為主開關，。S2為輔助開關。圖4.4所示為ZCS-PWM電路及波形圖

22、，為了使主開關S零電流關斷，又引入了輔助開關S。主開關S首先開通，通過開關S的電流逐漸增加至輸入電流值，此時二極管VD。VD關斷，電容C反向充電至；輔助開關5開通后，電容C與厶諧振，當電容Cr兩端電壓降至零時，二極管VD導通，電容C與電感L小厶諧振至二極管VD。VD開通，兩開關S。S實現ZCS關斷。此電路可以使開關S。S。實現了ZCS關斷，但兩開關是硬開通，電容C與電感L電容C與電感厶。厶的諧振回路要通過輸出端，會增大輸出端的電壓波動。從圖4.4可以看出，零開關電路同諧振電路相比有很多明顯優勢：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關頻率固定的P

23、WM控制方式。43零轉換PWM電路這類軟開關電路仍然采用輔助開關控制諧振的開始時刻，諧振電路是與主開關并聯的，因此輸入電壓和負載電流對電路的諧振過程影響很小，電路在很寬的輸入電壓范圍內從零負載到滿載都能工作在軟開關狀態。電路中無功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進一步提高。此類電路可分為零電壓轉換PWM(ZVTPwM和零電流轉換PwM(ZCTPwM。如圖4.5所示為零電壓轉換和零電流轉換PWM電路的基本開關單元。圖表4.6 ZVT-PWM 電路及波形 圖圖表4.5零電壓轉換和零電流轉換PWM電路基本開關單元圖4.6所示電路為ZVT-PWM電路及波形圖。主開關5關斷后，其寄生電容C被恒

24、流充電至輸出電壓o，為輔助開關5。提供ZVZCS關斷，此時二極管VD。及VD導通；開關5關斷后，電感厶與開關5寄生電容G發生諧振至開關5z兩端電壓等于o，二極管VD。導通；當流過電感厶的電流減少至零時，電感厶與開關5。5的寄生電容C小C諧振，諧振結束時，開關5和5兩端電壓與流過兩開關的電流均為零，開關5和S實現了ZV-ZCS開通。此電路使開關。實現ZVZCS開通，S實現了ZVS關斷，二極管的反向恢復得到抑制，開關電壓電流應力較小電路結構簡單。但電感厶始終有電流流過，導致電流中環流較大，增大通態損耗_6。第5章 基于ADG726的開關電路系統5.1ADG726簡介ADG726是雙路差分16通道的

25、多路復用選擇器，可以作為32路使用，其供電方式比較靈活，阻抗小，體積小，采用軌對軌開關電壓操作，TTLCMOS兼容輸入接口，開關時間為30ns1。表格5.1ADG726真值表(X=DontCare)ADG726的內部邏輯結構如圖5.1，通道選擇主要依靠使能信號。寫有效。兩路片選及4位地址線，其真值圖表如表5.12。5.2電路設計圖表5.1ADG726內部結構在設計時應考慮ADG726的開關電容。電容在整個電路中起到濾波作用，但不能過大，否則會形成積分電路，改變輸入的信號特征3。下面結合圖5.2所示電路給予具體說明。以圖5.2為例，VDD與VSS可以按照ADG726的使用協議說明上操作，同時GN

26、D接電源地。使能信號。讀寫信號。片選信號以及地址信號按照圖5.2的真值表中的說明設置即可。圖表5.2 DG726電路示例輸入電路中，R13與尺l5是輸入信號調理電阻，C164與c165為輸入信號濾波電容，在輸入信號中，以第一路信號的第一通道為例，ADG726在不斷地切換，將會產生很多脈沖，這些脈沖在旁路濾波電容上會形成一個積分電路，在這種情況下，推薦的電容為串聯的20pF。在輸出電路中，c166為輸出信號濾波電容，推薦值為35pF以下，否則會形成積分電路，影響后續電路的信號處理。R93是這些積分電路的泄流電阻，因為有電容濾波，則必會形成積分電路，則這個電阻會首先進行放電，泄露掉輸入電路與輸出電

27、路中的電量，以減少對下一通道的信號干擾。如圖5.2所示，在開關未導通時，電壓分壓在R13與R15的節點處，電壓為：Vout=Vin×R15R15。R13開關導通后，電壓輸出為DA節點處，電壓為：Vout=Vin×(R15/R93/(R15/R93。R13式中：Vout為輸出電壓；Vin為輸入電壓：R15/R93表示R15與R932個電阻并聯。從式中可知，電阻對該電路主要進行分壓作用，但是在信號調理時不可避免地進行了電容濾波處理，所以就產生了電路的充放電，導致發生了一些問題。下面就這些問題進行定量分析。5.3電路具體分析通過對ADG726開關外圍電路的電阻。電容參數做出定量分

28、析，確定元件的參數范圍和分析參數變化給電路帶來的影響，來增強電路的靈活性，為工程中技術人員電路分析提供參考。這里依次分析輸入電容變化，輸出電容變化，以及輸入輸出電阻變化對輸出信號的影響。如圖5.2所示電路，只加入了第一路電路，在模擬仿真時為了達到分析效果，另外加了3路電路分壓支路，圖5.3是參數(電容為20pF如圖5.2一樣的情況下，在不同的輸入電壓下進行的仿真圖4。圖表5.4無電容效果圖圖表5.3正常反真圖TEMl0的周期性來檢驗激光諧振腔長的變化。通過理論分析可知，激光諧振腔長產生微小變化，出射光的模式也隨之改變，這種變化具有周期性，腔長每變化激光波長的四分之一，模式也就周而復始的出現一次

29、。筆者實驗利用HeNa激光器，腔長變化1582nm，激光器的諧振模式就變化一個周期，因此腔長定位精度可以達到nm級別。未控制激光諧振腔長前出射光模式圖形如圖5.5。從圖5.5中可以看出：前后2個周期中各模式間距參差不齊，前面1個周期模式間距小，而后1個周期模式間距大。表明在前1個周期與后1個周期，因為溫度差異或者振動引起腔長微小變化，使出射光頻率不穩定。圖表5.5來控制諧振腔長采集圖像如圖5.6所示，控制諧振腔長后出射光模式圖形，后前后2個周期中各模式之間間距幾乎相等。這說明在整個壓電陶瓷的伸長范圍內，激光諧振腔長伸長速度比較均勻，激光器出射頻率穩定均勻。證明基于壓電陶瓷的激光諧振腔長控制技術是成功