开关电源的原理与设计精选(九篇)

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第1篇：开关电源的原理与设计范文

关键词： 双语教学 独立学院 英语专业

目前国内就业形势十分严峻，由于现代大学生缺乏创新能力及应用能力，因此在求职时碰到了前所未有的困难，独立学院学生面临的就业压力更大。为了缓解这种压力，许多独立学院英语专业开设了双语课程，认为通过将英语与其他学科，例如经济管理专业的课程内容相结合，既能提高学生英语能力又能了解其他专业知识，以便就业时更具有竞争力。笔者根据所在学院英语专业开设双语教学提出一些建议，与同仁共同探讨。

一、双语教学

所谓双语教学，即用非母语进行部分或全部非语言学科的教学。双语教学的概念来自于美国，当时的背景意图是想借用这种教学方法，使外来移民及其后裔能很快地学会英语，融入美国社会，以便更好地生活与工作。在国外，对双语教学的界定为：将学生的外语或第二语言，通过教学环境的熏陶，经过若干阶段的训练，使之能代替或接近母语表达的水平。[1]而包括我国在内的不少亚洲国家和地区正在探索试验的双语教学，一般是指用英语进行学科教学的一种体系。

二、双语教学模式

双语教学主要有以下三种模式[2][3]：（1）全外语型（沉浸式）双语教学。用外语讲授教学内容，本族语不用于教学之中，甚至学校也不使用本族语，以便学生沉浸于弱势语言之中。（2）混合式双语教学。使用外文教材，中英文交替讲授。（3）半外语型。使用外语教材，中文讲授。

三、独立学院实行双语教学的问题

独立学院培养的人才应既是专业人才，又具备较高的文化素质和较强的能力，也就是“一专多能”。“一专”要求学生在基础理论、基本知识和基本技能方面打下扎实的基础，具备以后从事职业活动所需要的知识和能力。“多能”使得许多独立学院英语专业开设双语课程，以此拓宽专业口径，提高综合能力。

对独立学院学生采取双语授课，笔者认为开始就完全用英文授课显然是不太可能的。因为学生的英文水平参差不齐，师生需要一个相互熟悉的过程，所以，不可避免地要经过一段磨合时期。笔者所在独立学院曾招聘外籍教师在英语专业高年级教授市场营销课程。由于学生对于市场营销课程的基本概念都是一知半解，同时独立学院英语专业学生学习自主性较弱，没有在课外主动阅读大量相关内容书籍，从学生反馈来看效果并不好。经过一段时间的探索，学院在英语及经济管理系培养了一批双语教师，教学方法主要是混合法双语教学。英语专业教师教学主要以语言学习为主，有时也兼顾知识学习，而非英语专业教师几乎完全以理论知识为主，很少顾及语言的学习。所有教师的教学手段相对单一，这无形中增加了课程的学习难度，使其更加枯燥，学生难以接受。

四、独立学院实行双语教学的建议

（一）教学方法

由于独立学院英语专业学生的英文水平参差不齐，师生需要一个相互熟悉的过程，因此双语教学应由简入难，循序渐进，先从概念、词汇入手，慢慢过渡到中英文交互使用，最后条件成熟时，再完全采用英文授课。

（二）师资力量

教师授课能力和学生接受能力的高低是双语教学成败的关键。教师要做好双语教学，不仅需要扎实的专业素养、较高的英语水平，更重要的是要将二者很好地结合起来，真正用外语思维开展教学。学校一方面要注重遴选优秀教师开展双语教学，另一方面要注重对现有师资进行培训。如聘请有丰富教学经验的外籍教师开展暑假强化培训班，对教师进行听、说专项训练，在语音语调的规范化、课堂组织用语的积累、教学方法的多样化等方面进行强化训练，提高教师的英语语言交流能力和使用英语进行教学的能力。同时聘请国外专家直接面向相应课程组织教师系统讲授课程，分析解读原版教材，帮助教师加强对原版教材的理解和把握，探求适合双语教学的教学方法。

（三）教材选用

英文原版教材虽是原汁原味，但对学生来说有的太昂贵，有的很难理解。笔者所在学院曾根据外教的要求选用英语原版教材，为了减少学生负担，就将要学的内容复印下来。但由于学生没有任何其他专业基础，很多俗语也不懂，因此教材完全看不懂。笔者认为，选用一本中文教材，同时复印英文原版教材相应的章节发给学生，这样，学生就可以对照着看，从而更好地理解英文内容，并通过文字了解中外教材编写体例的不同、思维方式的差异及文化的差异。

五、结语

如何顺应社会就业形势的发展，培养复合型人才是现代许多独立学院研究的一大课题。独立学院英语专业的双语教学尚处于初始阶段，没有太多成功的经验可以借鉴，其教学模式需要在实践中不断摸索，走出一条符合三本院校特点和发展规律的道路。随着中国对外开放程度的加深和教育国际化速度的加快，双语教学在优质英文教材的可获得性、双语教师水平的提高等方面会有所完善，今后会向全英教学过渡，培养出素质更高的应用型人才，为经济社会的发展作出更大的贡献。

参考文献：

[1]王旭东.关于“双语教学”的思考[DB/OL].中国教育和科研计算机网.

第2篇：开关电源的原理与设计范文

关键词：继电保护装置；工作原理；故障分析；验证

本文从开关电源的原理入手，以测试的角度，对两种有故障的电源模块通过试验再现其故障现象，并分析了其故障原因，最后对改进后的开关电源进行了对比验证。

1开关电源工作原理

用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一形态，用闭环控制稳定输出，并有保护环节的模块，叫做开关电源。

高压交流电进入电源，首先经滤波器滤波，再经全桥整流电路，将高压交流电整流为高压直流电；然后由开关电路将高压直流电调制为高压脉动直流；随后把得到的脉动直流电，送到高频开关变压器进行降压，最后经低压滤波电路进行整流和滤波就得到了适合装置使用的低压直流电。

电源工作原理框图如图1所示。

图1开关电源原理图

2故障现象分析

由于继电保护用开关电源功能要求较多，需考虑时序、保护等因素，因此开关电源设计中的故障风险较高。另外供电保护装置又较民用电器工作条件苛刻，影响继电保护开关电源的安全运行。本文着重分析了两种因设计缺陷而造成故障的开关电源。

2.1输入电源波动，开关电源停止工作

1）故障现象：外部输入电源瞬时性故障，随后输入电压恢复正常，开关电源停止工作一直无输出电压，需手动断电、上电才能恢复。

2）故障再现：用继电保护试验仪，控制输入电压中断时间，通过便携式波形记录仪记录输入电压和输出电压的变化。控制输入电压中断时间长短，发现输出存在如下三种情况：

a）输入电源中断一段时间（约100～200ms）后恢复，此后输入电压恢复正常，开关电源不能恢复工作。（此过程为故障情况），具体时序图见图2所示。

图2输入电源中断一段时间后恢复

b）输入电压长时中断（大于250ms）后恢复，+5V、+24V输出电压均消失，此过程与开关电源的正常启动过程相同。具体时序图见图3所示。

c）输入电压短暂中断（小于70ms）后恢复，+5V输出电压未消失，而+24V输出电压也未消失，对开关电源正常工作没有影响。具体时序图见图4所示。输入电压消失时间短暂，由于输出电压未出现欠压过程，电源欠压保护也不会动作。

图3输入电源长时中断后恢复

图4输入电源短时中断后恢复

3）故障分析：要分析此故障，应先了解该开关电源的正常启动逻辑和输出电压保护逻辑。

输入工作电压，输出电压+5V主回路建立，然后由于输出电压时序要求，经延时约50ms，+24V输出电压建立。

输出电压欠压保护逻辑为：当输出电压任何一路降到20％Un以下时，欠压保护动作，且不能自恢复。

更改逻辑前，因输入电压快速通断而引起的电源欠压保护误动作，其根本原因是延时电路没有依据输入电压的变化及时复位，使得上电时的假欠压信号得不到屏蔽，从而产生误动作，如图2所示。

4)解决措施：采取的措施是在保护环节上增加输入电压检测电路，并在延时电容上并接一个电子开关，只要输入电压低于定值（开关电源停止工作前的值），该电子开关便闭合，延时电路复位，若输入电压重新上升至该设定值，给保护电路供电的延时电路重新开始延时，电源重启动时的假欠压信号被屏蔽，彻底解决了由于输入电压快速波动所产生的电源误保护。从而避免了图2的情况，直接快速进入重新上电逻辑，此时的输出电压建立过程见图3所示。逻辑回路见图5所示。

图5增加放电回路后原理图

5)试验验证：用继电保护试验仪状态序列模拟输入电源中断，用便携式波形记录仪记录输出电压随输入电压的变化波形。调整输入电压中断时间，发现调整后的电源仅出现b）、c）两种情况，不再出现a）即故障情况。

2.2启动电流过大，导致供电电源过载告警

1）故障现象：电源模块稳态工作电压为220V，额定功率为20.8W，额定输出时输入电流约为130mA。当开关电源输入电压缓慢增大时，导致输入电流激增，引起供电电源过载告警。

2）故障分析：经查发现输入电压为60V时，电源启动，此时启动瞬态电流约为200mA，稳态电流为600mA，启动时稳态电流和瞬态电流将为600±200mA，造成输出电流激增。而由于条件限制，此电源模块的供电电源输出仅为500mA，因此造成供电电源过载。

由于开关电源工作需要一定的功率，设计中由于未考虑到电源启动时，输出回路的启动需要一定的功率，而启动电压比较低，所以功率的突增，必然带来开关电源启动瞬态电流的激增，电流的激增对供电电源有较大的冲击。

3）解决措施：启动需要的功率一定，如果要减小启动电流，可以考虑增加启动电压的门槛。将开关电源的启动电压提高到130～140V。

4）试验验证：调整开关电源的启动电压后，通过试验仪模拟输入电压缓慢启动。当开关电源在满载情况下，试验中缓慢上升输入电压（上升速率5V/s或10V/s），从0～130V启动，启动时稳态电流降低到200～220mA，稳态电流大约为200±100mA，因而启动时稳态电流和瞬态电流将为400±100mA，启动电流较改进前减小300mA，不会对供电电源造成太大的冲击。可有效避免输入电压瞬间降低时，给整个供电回路造成较大的电流冲击。

3结束语

从以上问题分析可知，开关电源设计时，需要关注电能变换的各个环节，开关电源的输出电压建立和消失时序和电源的保护功能，是紧密联系的，当其中的某一环节存在缺陷时，开关电源就不能正常工作。因此在开关电源设计前，应重点进行两种工作：

1)考虑诸如此类的问题，如启动功率一定时，启动电压门槛过低，会产生输出电流瞬态突增的现象。

第3篇：开关电源的原理与设计范文

关键词： 开关电源；数字控制；单片机

中图分类号：TM44 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0210075－01

0 引言

直流稳压电源已广泛地应用于许多工业领域中。在工业生产中（如电焊、电镀或直流电机的调速等），需要用到大量的电压可调的直流电源，他们一般都要求有可以方便的调节电压输出的直流供电电源。目前，由于开关电源效率高，小型化等优点，传统的线性稳压电源、晶闸管稳压电源逐步被直流开关稳压电源所取代。开关电源主要的控制方式是采用脉宽调制集成电路输出PWM脉冲，采用模拟PID调节器进行脉宽调制，这种控制方式，存在一定的误差，而且电路比较复杂。本文设计了一种以ST公司的高性能单片机μpsd3354为控制核心的输出电压大范围连续可调的功率开关电源，由单片机直接产生PWM波，对开关电源的主电路执行数字控制，电路简单，功能强大。

1 功率直流电源系统原理与整体设计

1.1 系统原理。本功率直流电源系统由开关电源的主电路和控制电路两部分组成，主电路主要处理电能，控制电路主要处理电信号，采用负反馈构成一个自动控制系统。开关电源采用PWM控制方式，通过给定量和反馈量的比较得到偏差，并通过数字PID调节器控制PWM输出，从而控制开关电源的输出。

1.2 系统整体设计。系统硬件部分由输入输出整流滤波电路、功率变换部分、驱动电路、单片机系统和辅助电路等几部分组成。

当50Hz、220V的交流电经电网滤波器消除来自电网的干扰，然后进入到输入整流滤波器进行整流滤波，变换成直流电压信号。该直流信号通过功率变换电路转化成高频交流信号，高频交流信号再经输出整流滤波电路转化成直流电压输出。控制电路采用PWM脉宽调制方式，由单片机产生的脉宽可调的PWM控制信号经驱动电路处理后，驱动功率变换电路工作。 利用单片机高速ADC转换通道定时采集输出电压，并与期望值比较，根据其误差进行PID调节。电压采集电路实现了直流电压V0的采集，并使其与A/D转换器的模拟输入电压范围匹配，在开关电源发生过压、过流和短路故障时，保护电路对电源和负载起保护作用。辅助电源为控制电路、驱动电路等提供直流电源。

2 开关电源主电路设计

开关电源主电路是用来完成DC-AC-DC的转换，系统主电路采用全桥型DC-DC变换器，本系统采用的功率开关器件是EUPEC公司的BSM 50GB120DN2系列的IGBT模块，每个模块是一个半桥结构，故在全桥系统中，需要两个模块。每个模块内嵌入一个快速续流二极管。

3 控制电路硬件设计

3.1 控制电路结构框图。功率直流电源的控制电路采用ST 公司的μpsd3354单片机为核心。控制电路主要完成如下功能：电压采集、A/D转换、闭环调节、PWM信号产生，IGBT驱动与保护、键盘输入和输出电压显示等功能。控制电路主要包括：单片机系统、电压采集电路、IGBT驱动电路和键盘、显示电路等。系统通过PWM输出控制功率转换开关的导通与关断时间，完成对输出电压的稳定控制，通过A/D转换完成对开关电源输出电压的采样，同时采用电压闭环控制，开关电源工作时，根据期望值与电压反馈值的偏差，由单片机实现对PWM占空比进行PID调节。

3.2 IGBT驱动电路设计。为了精确控制开关电路的电压输出，本系统采用脉宽调制方式调节开关管的工作状态。根据电压控制算法（可采用改进的PID控制算法）设置单片机产生不同占空比的方波信号，经过光电耦合器控制开关器件，调整电路输出设定的电压值。要使IGBT正常工作，合适的驱动是至关重要的。驱动电路的任务是将控制电路发出的信号转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间、可以使其开通或关断的信号。同时驱动电路通常还具有电气隔离及电力电子器件的保护等功能。

3.3 传感器输入通道与A/D转换。系统通过电压传感器采集电压信号，经过A/D转换被单片机接收。本系统采用CHV系列霍尔电压传感器采集电压，采用μpsd3354单片机内部的A/D转换器进行模数转换，线路连接简单，精度最大为5mV。基本能满足控制要求。

3.4 键盘和显示电路。功率直流电源的键盘和显示电路部分都装在操作面板上，由单片机控制。本系统采用自制4×4矩阵键盘，以单片机的PB4～PB7做输出线，PB0～PB3做输入线。显示部分采用动态数码显示，以专用的数码管显示驱动芯片MAX7219进行驱动。

4 系统软件设计

系统软件主要由主程序和中断服务程序组成，主要用来实现以下功能：键盘扫描、数码显示、A/D转换、数字PID调节和PWM波形产生等。键盘扫描和数码显示这里不作介绍，本设计主要是采用软件方式来实现功率直流电源的数字控制。

4.1 主程序设计。主流程在完成各种变量和I/O初始化后，可以输入期望电压值并存入寄存器，当按下启动按钮后，启动电源系统，这里设定启动时，使PWM输出占空比为最小值，即0.1％。启动后，调用A/D转换子程序并读入键值，将反馈电压值与给定电压值相比较后，调用PID调节运算，更新驱动波形的占空比，然后调用PWM产生子程序输出PWM信号，并通过显示子程序显示输出电压。

4.2 A/D转换部分子程序。直接利用单片机10位ADC口，A/D转换部分程序比较简单，程序只要完成如下功能：选择模拟输入通道，并预制分频数；配置控制寄存器ACON；读取A/D转换后的数值，返还ADTA0、ADTA1中的数据。

4.3 PID调节子程序。PID调节由单片机来实现，单片机对给定信号与反馈信号相减得到的误差来计算调整量，用以控制开关的占空比。算法中，做了一点修正，当偏差与积分符号相反时，积分清零。因为若符号相反，说明积分项起了反作用，故把积分项清零。

5 结束语

本系统将开关电源与单片机系统结合起来，设计了一种输出电压连续可调的功率开关电源。该电源精度高，电路简单，操作灵活，具有良好的应用前景。单片机控制直流电源符合电力电子新技术产品向“四化”方向发展的要求，即应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化。

参考文献：

[1]PressmanA，开关电源设计二版[M].王志强译，北京：电子工业出版社，2005.

第4篇：开关电源的原理与设计范文

关键词：直流开关电源 控制电路 TOP247YN 电路

中图分类号：TN86 文献标识码：A

引言

目前，各种各样的开关电源以其小巧的体积、较高的功率密度和高效率正越来越得到广泛的应用。伴随着电力系统自动化程度的提高，特别是其保护装置的微机化，通讯装置的程控化，对电源的体积和效率的要求也在不断提高。可以说，适应各类开关电源的控制集成电路功能正在不断完善，集成化水平不断提高，外接原件也是越来越少。开关电源的研制生产正在日趋简化，成本也日益下降，而且集成控制芯片种类也越来越多。

针对开关电源，其中的控制电路部分发挥着很大作用，对于一个电路是否能够输出一个稳定的直流电压，反馈环节就显得尤为重要。如今，在直流开关电源中，大都采用PWM控制方式来调整占空比从而进一步来调整输出电压[1]。在开关电源中，控制电路通常都是采用集成控制芯片来加以控制。

在本文设计中，考虑到小型、高效的设计初衷，控制电路部分决定采用集成化程度较高的单片开关电源芯片TOP247YN，通过它可把MOSFET和PWM控制电路较好地集成在一起，这样可使得芯片电路更简单而实用，从而使得设计出的开关电源更加小型化。

1、 TOP247Y的基本工作原理及主要工作过程

在本文设计中采用的TOP247Y就是属于第四代开关器件。

其主要工作原理是：TOP247Y控制芯片是利用反馈电流IC来通过调节占空比D，从而达到稳定输出电压的目的，属于PWM控制类型中的PWM型电流反馈模式。当输出电压升高时，经过光耦反馈电路使得IC增加，则占空比将减小，从而达到稳压的目的[3]。反之亦然。

TOP247Y控制芯片内部主要工作过程：在启动的过程中，当滤波后的直流高电压加在D管脚时，MOSFET起初处于关断状态，在开关高压电流源连接在D管脚和C管脚之间，C管脚的电容被充电。当C管脚的电压VC达到5.8V左右时，控制电路被激活并开始软启动。在10ms左右的时间内，软启动电路使MOSFET的占空比从零逐渐上升到最大值。如果在软启动末期，没有内部的反馈和电流回路加载管脚C上，高电压电流源将转向，C管脚在控制回路之间通过放电来维持驱动电流。

芯片自身消耗的过电流是通过内部电阻RE转到S脚。这个电流是通过内部电阻RE控制MOSFT的占空比来提供闭合回路的调节。这个调节器有一个有限的低输出电阻ZC，可设定误差放大器的增益，被用在主要的控制回路。在控制回路中，动态变化的电阻ZC以及内部的C管脚电容可以设定主极点。当出现错误的情况时，如开环或输出短路时，可以阻止内部电流进入C引脚。

C引脚的电容开始放电到4.8V，在4.8V时，自动重启被激活，使得输出MOSFET关断，把控制回路钳位在一个低电流的模式。在高电压电流源打开，有继续给电容充电。内部带迟滞电源欠压比较器通过使高电压电流源通断来保持VC的电压在4.8V到5.8V的区域内。

2、开关电源芯片的电路选择

TOP系列的控制芯片的控制引脚C的电路基本类似，在本文设计中，C6选择0.1uF。电容C7选择47uF/10V的低成本电解电容。而串联电阻R8选择为6.8Ω/0.25W的电阻。■

参考文献

[1] 沙占友. 新型单片开关电源的设计与应用[M] . 北京：电子工业出版社， 2001.

[2] 杨 旭，裴云庆，王兆安. 开关电源技术[M] . 北京： 机械工业出版社， 2002.

第5篇：开关电源的原理与设计范文

关键词：开关电源；TOP249Y；脉宽调制；TOPSwitch

1引言

随着PWM技术的不断发展和完善，开关电源得到了广泛的应用，以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构，但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。美国功率集成公司POWERIntegrationInc开发的TOPSwitch系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题，该系列芯片将自启动电路、功率开关管、PWM控制电路及保护电路等集成在一起，从而提高了电源的效率，简化了开关电源的设计和新产品的开发，使开关电源发展到一个新的时代。文中介绍了一种用TOPSwitch的第三代产品TOP249Y开发变频器用多路输出开关电源的设计方法。

2TOP249Y引脚功能和内部结构

2．1TOP249Y的管脚功能

TOP249Y采用TO－220－7C封装形式，其外形如图1所示。它有六个管脚，依次为控制端C、线路检测端L、极限电源设定端X、源极S、开关频率选择端F和漏极D。各管脚的具体功能如下：

控制端C：误差放大电路和反馈电流的输入端。在正常工作时，利用控制电流IC的大小可调节占空比，并可由内部并联调整器提供内部偏流。系统关闭时，利用该端可激发输入电流，同时该端也是旁路、自动重启和补偿电容的连接点。

线路检测端L：输入电压的欠压与过压检测端，同时具有远程遥控功能。TOP249Y的欠压电流IUV为50μA，过压电流Iav为225μA。若L端与输入端接入的电阻R1为1MΩ，则欠压保护值为50VDC，过压保护值为225VDC。

极限电流设定端X：外部电流设定调整端。若在X端与源极之间接入不同的电阻，则开关电流可限定在不同的数值，随着接入电阻阻值的增大，开关允许流过的电流将变小。

源极S：连接内部MOSFET的源极，是初级电路的公共点和电源回流基准点。

开关频率选择端F：当F端接到源极时，其开关频率为132kHz，而当F端接到控制端时，其开关频率变为原频率的一半，即66kHz。

漏极D：连接内部MOSFET的漏极，在启动时可通过内部高压开关电流提供内部偏置电流。

2．2TOP249Y的内部结构

TOP249Y的内部工作原理框图如图2所示，该电路主要由控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器／误差放大器、脉宽调制器（PWM）、门驱动级和输出级、过流保护电路、过热保护电路、关断／自动重起动电路及高压电流源等部分组成。

3基于TOP249Y的开关电源设计

笔者利用TOP249Y设计了一种新型多路输出开关电源，其三路输出分别为5V／10A、12．5V／4A、7V／10A，电路原理如图3所示。该电源设计的要求为：输入电压范围为交流110V～240V，输出总功率为180W。由此可见，选择TOP249Y能够满足要求。

3．1控制电路设计

该电路将X与S端短接可将TOP249Y的极限电流设置为内部最大值；而将F端与S端短接可将TOP249Y设为全频工作方式，开关频率为132kHz。

图2

在线路检测端L与直流输入Ui端连接一2MΩ的电阻R1可进行线路检测，由于TOP249Y的欠压电流IUV为50μA，过压电流Iav为225μA，因此其欠压保护工作电压为100V，过压保护工作电压为450V，即TOP249Y在本电路中的直流电压范围为100～450V，一旦超出了该电压范围，TOP249Y将自动关闭。

3．2稳压反馈电路设计

反馈回路的形式由输出电压的精度决定，本电源采用“光耦＋TL431”，它可以将输出电压变化控制在±1％以内，反馈电压由5V／12A输出端取样。电压反馈信号U0通过电阻分压器R9、R11获得取样电压后，将与TL431中的2．5V基准电压进行比较并输出误差电压，然后通过光耦改变TOP249Y的控制端电流IC，再通过改变占空比来调节输出电压U0使其保持不变。光耦的另一作用是对冷地和热地进行隔离。反馈绕组的输出电压经D2、C2整流滤波后，可给光耦中的接收管提供电压。R4、C4构成的尖峰电压经滤波后可使偏置电压即使在负载较重时，也能保持稳定，调节电阻R6可改变输出电压的大小。

3．3高频变压器设计

由于该电源的输出功率较大，因此高频变压器的漏感应尽量小，一般应选用能够满足132kHz开关频率的锰锌铁氧体，为便于绕制，磁芯形状可选用EI或EE型，变压器的初、次级绕组应相间绕制。

高频变压器的设计由于要考虑大量的相互关联变量，因此计算较为复杂，为减轻设计者的工作量，美国功率公司为TOPSwitch开关电源的高频变压器设计制作了一套EXCEL电子表格，设计者可以方便地应用电子表格设计高频变压器。

3．4次级输出电路设计

输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成。整流二极管选用肖特基二极管可降低损耗并消除输出电压的纹波，但肖特基二极管应加上功率较大的散热器；电容器一般应选择低ESR等效串联阻抗的电容。为提高输出电压的滤波效果，滤除开关所产生的噪声，在整流滤波环节的后面通常应再加一级LCC滤波环节。

3．5保护电路设计

本电源除了电源控制电路TOP249Y本身所具备的欠压、过压、过热、过流等保护措施外，其控制电路也应有一定的保护措施。用D3、R12、Q1可构成一个5．5V的过压检测保护电路。这样，当5V输出电压超过5．5V时，D3击穿使Q1导通，从而使光耦电流增大，进而增大了控制电路TOP249Y的控制端电流IC，最后通过内部调节即可使输出电压下降到安全值。

图3

为防止在开关周期内，TOP249Y关断时漏感产生的尖峰电压使TOP249Y损坏，电路中设计了由箝压齐纳管VR1、阻断二极管D1、电容C5、电阻R2、R3组成的缓冲保护网络。该网络在正常工作时，VR1上的损耗很小，漏磁能量主要由R2和R3承担；而在启动或过载时，VR1即会限制内部MOSFET的漏极电压，以使其总是处于700V以下。

4电源性能测试及结果分析

根据以上设计方法，笔者对采用TOP249Y设计的多路输出开关电源的性能进行了测试。实测结果表明，该电源工作在满载状态时，电源工作的最大占空比约为0．4，电源的效率约为90％，纹波电压控制、电压调节精度及电源工作效率都超过了以往采用控制电路与功率开关管相分立的拓扑结构形式的开关电源。

第6篇：开关电源的原理与设计范文

关键词：开关电源；高频变压器；电容效应

一、开关电源及其中的高频变压器

所谓开关电源是利用现代电力电子技术，控制快关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。通常开关电源是由脉冲宽度调制控制IC和MOSFET构成的。它具有造型小、应用方便、重量轻、效率高、危险性低等特点，促使其已经广泛的应用于各种电子设备中，成为当下这个雄心时代中电子领域不可或缺的一种电源方式。目前开关电源主要分为两大类，即微型低功率开关电源和反转式串联开关电源。

（1）微型低功率开关电源。它的出现正好满足人们对开关电源微型化、高效化、方便等方面的需求，这是得微型低功率开关电源快速的代替变压器而广泛的应用于各种电子设备中。

（2）反转式串联开关电源。它所输出的电压是负电压，并且能够像负载输出电流，这是一般串联式开关所无法企及的。另外，相对于一般串联式开关电源来说，他所输出的电流小于一般串联式开关电源的一倍，能够有效的节约电量的使用，实现长时间供电。

高频变压器是工作频率超过中频（10kHz）的电源变压器。它是开关电源最主要的组成部分，直接决定快关电源的应用效果。在开关电源中高频变压器主要的工作原理是当初级线圈游交流电流通过时磁芯产生交流磁通，促使次级线圈中感应出电压，再向外传输。

二、开关电源高频变压器电容效应建模与分析

高频变压器作为开关电源的重要组成部分，其能够促使开关电源具有良好应用性的同时也会给开关电源带来一定的影响，阻碍开关电源进一步高频化和高密度化。针对此种情况，需要从磁性元件着手，合理而有效的设计及磁性元件，降低其磁性干扰程度。高频变压器中分布的电容对开关电源的磁性干扰程度较大，却没有得到很好的处理，依旧应用传统的模型。以下笔者就开关电源高频变压器电容效应建模与分析进行探讨。

1.现有变压器模型分析

在当下，广泛应用于开关电源中的变压器模型主要是含有3个集总电容，也就是原边绕组电容、副边绕组杂散电容以及原边和副边绕组间的杂散电容所构成的模型（如图一所示）。此变压器模型中的原边和副边所具有的电场耦合能力是干扰开关电源的关键。就开关电源的电磁干扰分析结果来看，变频器原边和副边电容能够形成共模干扰噪音，作用于变频器运用过程中，进而影响开关电源。

2.共模端口有效电容

在进行开关电源高频变压器电容效应建模前，明确共模端口有效这一问题，对于合理的。有效的构建电容效应模型是非常必要的。由于变压器中所分布的电容是共模电流传输主要参数，要想准确的掌握共模端口有效电容，就以此为突破口展开详细的分析。就现有变压器模型来看，变压器共模端口有效电容是有变压器两个端口网路参数构成的，也就是噪音源施加在变压器一端，共模噪音电流会经过线圈作用到另一端的电源上。共模噪音源在传输噪音电流的过程中在经过线圈时会作用到变压器的副边绕组杂散电容上，进而使噪音电流通过杂散电容，在变压器中传输。这也就意味着变压器会产生噪音电压，而高频变压器属于开关电源的一部分，开关电源在噪音电压的影响下受到严重的干扰。

3.开关电源高频变压器电容效应建模

以上对于现下所应用的变压器模型及其共模端口有效电容了解后，可以将其作为构建新电容效应模型的依据。要想构建有效的高频变压电容效应模型主要的问题是如何抑制共模噪音，针对此问题最佳的解决办法是有效的将能量端口有效电容与共模有效电容都转化为原边电压的有效电容，充分的运用原边绕组电容进行电流的传输，避免噪音电流通副边绕组杂散电容，而最终干扰开关电源。通过此种方式构建的变压器电容模型（如图二所示）需要进行共模噪音测试，确定共模噪音不会干扰到开关电源才能够正式的将变压器电容效应模型应用到开关电源中。结束语：

在当下这个信息时代中，电子领域已经越来越重要，各种电子设备广泛的应用为提高我国的经济水平做出巨大贡献。开关电源是各种电子设备不可或缺的一部分，其具有型小、高效率等特点，应用在各种电子设备中占用的空间小，但作用大，能够有效的应用于设备中。但是，目前开关电源效率进一步提升受阻，主要是开关电源中高频变压器能够进行磁性干扰，抑制开关电源的高频化。本文就高频变压器中分布电容影响开关电源高频化这一因素进行分析，确定高频变压器中电容效应模型不佳是产生磁性干扰的原因，进而详细的探究高频变压器电容效应建模，希望能够对于提高开关电容的应用性有所帮助。

参考文献：

[1]陈崇森，皮佑国.一种交流伺服系统的多输出辅助开关电源设计[J].电源技术应用，2007（11）.

[2]张伟.大型变压器绕组漏磁场与短路特性的研究[D].华北电力大学，2011.

[3]司怀吉，崔占忠，张彦梅.电磁感应引信探测原理研究[J].北京理工大学学报，2005（01）.

第7篇：开关电源的原理与设计范文

关键词 开关电源；热分析；ANSYS；热设计

中图分类号TN86 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）47-0034-02

0 引言

开关电源被广泛的应用于国防军事，工业自动化，家用电气等领域的电子系统中。随着开关电源逐步向小型化、高频化、高功率密度发展，用户对开关电源的可靠性设计提出了更高的要求。温升是影响开关电源可靠性的关键性因素，如何将热量高效快速的导出，成为电源工程师的首要任务[1]。热设计的好坏直接影响着开关电源的可靠性和寿命，因而热设计是开关电源可靠性设计的重要环节。

本文以一个工作于密闭电源盒的开关电源为例，利用有限元软件ANSYS对开关电源进行热设计，来提高整个开关电源的散热性能，使得开关电源的主要发热器件的温度控制在允许的范围内，保证开关电源安全可靠的运行。

1 开关电源的热分析

本文中开关电源为反激式，具有有源功率因数校正(APFC)环节，主要发热元件有开关管，整流二极管，大功率电阻，变压器与电感等[2]。

首先利用ANSYS分析工作在空气中开关电源的温度分布情况。

1.1 仿真边界条件和载荷说明

1）环境温度：25℃；

2）对流系数：6W/m・K；

3）载荷：器件的生热率（P为器件的发热功率，V是器件等效热源的体积）。

1.2 模型的简化处理

1）对于简化线圈模型来说，由于线圈在实际中是由一圈一圈的漆包线绕制的，而且这样的绕线也不规则，在模型建立中使用单一圆柱体来代替多圈的导体；

2）芯片热源等效为长方体。

1.3 网格模型

模型中有些部分的尺寸微小，如MOSFET的等效热源，尺寸为13.8×8×0.2mm3。选用ANSYS软件中的SOLIDTO单元．通过设置MSHKEY和MSHAPE两个选项，完成对单元形状的控制。在建立网格处理不规则体的时候，特别是连接处理后的非六面体的情况，采用退化的四面体单元进行网格划分，可以通过设定ESIZE，LESIZE的大小来决定单元网格的大小，则模型网格单元数目为324532。

1.4 仿真结果分析

表1中是工作在空气中开关电源的温度分布情况。利用红外热像仪测得的温度，与仿真的温度值对照，相对误差较小，具有很好的准确性。实际上，此开关电源工作在一个封闭的电源盒内，内部的空气流动速度很慢，在理想状态下，认为内部空气处于绝热状态，几乎不导热。因而各器件的实际工作时温度会更高。因此。为保证开关电源安全可靠的运行。必须采取有效的散热措施，迅速的将电源盘内部的热量导出，降低主要热源的温度。

2 开关电源的热设计分析

如何寻找低热阻通路来将热最迅速导出是设计开关电源热设计的关键问题，因为只有开关电源器件的结点温度降低后，这样才能避免高温而导致开关电源可靠性下降的问题。此开关电源工作在一个封闭的电源盘内，由于工作环境特殊，不允许加风扇，只能采取自然散热的措施。其热设计的内容包括电源盘的内部热设汁和电源盘的外部热设计。

通过设计将开关电源的前后级MOSFET，后级二级管，整流桥的温度控制在60℃以内，变压器的温度低于65℃。

2.1 电源盒的内部热设计

开关电源的电源盒内部热设计主要是调整器件布局和改变内部介质。

1）电路布局的热设计

密封电源盘内热源的主要散热途径有以下几个方面：首先，通过热源经盒内介质向壳体传导的热量，可以通过对流和辐射在壳体的表面将热量发散到大气中；其次，通过盒体内部的介质可以把热量传递到其他部件上，这样就可以形成温度的叠加效应。

所以，在设计过程中，在考虑不影响电路性能的情况下，应该使得发热部件尽可能分散，且在电路板边缘分布，另外，固定在电源盒的导热铝板应该与其相连。电路板的后边缘则应该放置前后级MOSFET和整流桥，与电源盒的侧壁相连靠的是2mm的导热铝板；而电路板的前侧边缘放置后级二极管，同样，电源盒的侧壁相连靠的是同样厚度表2是开关电源电路靠局调整前后的温度对照表，通过表2可以得出如下结论：

首先，可以看出前后级的MOSFET、整流桥和后级二极管温度都有明显的降低变化，其主要的原因是因为由于低热阻通路-导热铝板的存在，使得电路布局为这些器件与外壳之间存在这样一种合理的通路，这样就可以使得器件产生的热量传导到电源盒体，从而温度梯度也得以降低。

其次，对于变压器来说，温度变化很小。通过内部空气传导到电源盒的变压器的热量，在加上空气的热阻很大的原因，这样可以认为在密闭条件较好的情况下的绝热状态。同时，最高结点温度和环境温度梯度也很大，这样来说对于变压器温度没有明显的降低。

变压器的温度变化很小。这是因为变压器的热量主要通过内部空气传导到电源盒，而空气的热阻很大，在密闭条件很好的情况下，可以认为处于绝热状态。变压器的最高结点温度与环境的温度梯度很大，导致温度没有明显的降低。所以尽管电路布局的调整改善了开关电源的温度分布情况， 有些器件的还存在较高的温度梯度，无法满足安全可靠运行的要求。

2）电源盒内部介质的热设计

热量主要以传导方式由内部器件传到电源盒，这一点可以从前面的电源盒内热源的散热途径获得，经过对流换热的方式散发到空气中。根据传导散热的原理，内部介质的导热系数可以看做是影响电源盒内部温度梯度的主要因素，其中，由于介质的导热系数与内部热源的温度梯度成反比的原因，说明了质的导热系数越大，内部器件的温度梯度就越小，热源的结点温度就越低。

根据开关电源主要器件温度与内部介质的导热系数的关系曲线可以得出如下的结论：

（1）器件的温度和内部介质导热系数变化成反比，并且基本上所有器件最终趋于同一温度。

（2）变压器的温度曲线存在一定区别，表现在介质导热系数为1.2 W/m・K时有一定的上升，这可能是因为变压器的温度低于其他热源的温度，但是需要注意热量具有从温度高的流向温度低物体的规律，这样由于变压器温度相对较低时，当存在其他热源的影响，变压器温度也是可以理解的。

2.2 电源盒的外部热设计

电源盒的壁厚和壳体表面肋片的设计构成了电源盒的外部热设计，需要注意，其表面的散热方式为对流和辐射，这样，根据流散热的原理，表面散热面积则是影响散热的主要因素，其中，电源盒的表面散热面积与外壳肋片的高度影响直接相关。

开关电源的传导散热主要受到电源盒的壁厚的影响，同时，电源盒表面的对流散热则受到外壳的肋片高度影响。因此，对于多热源的封闭盒体来说，在限定电源盒尺的条件下，外壳的肋片高度对于散热的影响一般大于壁厚的影响，所以对于封闭盒体来说，主要的散热形式为表面的对流散热，这样能有效的散发热量，降低盒体内部器件的结点温度。

所以根据上述结果分析可知，对于电源热设计中需要采用内部灌胶，而对于主要发热器件来说则需要通过导热铝板与电源盒外壳相连，同时采取电源盒外壳加肋片的综合散热措施，这样可以有效控制开关电源温度，达到预定目标，从而满足设计要求。

3 结论

本文开共电源因其工作环境的要求，限制了散热措施的选择。在只能采取自然散热措施，且功耗很大，电源盒的尺寸和重量受到严格限制的条件下，分别对电路板和电源盒的结构进行了热设计，寻找一种有效的散热措施，降低了主要器件的温度，提高开关电源的可靠性，延长了寿命。

参考文献

第8篇：开关电源的原理与设计范文

关键词：PWMSG3524控制器

引言

开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰（EMD）源，它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度。若把这种电源直接用于数字设备，则设备产生的EMI信号会变得更加强烈和复杂。

本文从开关电源的工作原理出发，探讨抑制传导干扰的EMI滤波器的设计以及对辐射EMI的抑制。

1开关电源产生EMI的机理

数字设备中的逻辑关系是用脉冲信号来表示的。为便于分析，把这种脉冲信号适当简化，用图1所示的脉冲串表示。根据傅里叶级数展开的方法，可用式（1）计算出信号所有各次谐波的电平。

式中：An为脉冲中第n次谐波的电平；

Vo为脉冲的电平；

T为脉冲串的周期；

tw为脉冲宽度；

tr为脉冲的上升时间和下降时间。

开关电源具有各式各样的电路形式，但它们的核心部分都是一个高电压、大电流的受控脉冲信号源。假定某PWM开关电源脉冲信号的主要参数为：Vo=500V，T=2×10－5s，tw=10－5s，tr=0.4×10－6s，则其谐波电平如图2所示。

图2中开关电源内脉冲信号产生的谐波电平，对于其他电子设备来说即是EMI信号，这些谐波电平可以从对电源线的传导干扰（频率范围为0.15～30MHz）和电场辐射干扰（频率范围为30～1000MHz）的测量中反映出来。

在图2中，基波电平约160dBμV，500MHz约30dBμV，所以，要把开关电源的EMI电平都控制在标准规定的限值内，是有一定难度的。

2开关电源EMI滤波器的电路设计

当开关电源的谐波电平在低频段（频率范围0.15～30MHz）表现在电源线上时，称之为传导干扰。要抑制传导干扰相对比较容易，只要使用适当的EMI滤波器，就能将其在电源线上的EMI信号电平抑制在相关标准规定的限值内。

要使EMI滤波器对EMI信号有最佳的衰减性能，则滤波器阻抗应与电源阻抗失配，失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插入损耗特性就越好。也就是说，如果噪音源内阻是低阻抗的，则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗（如电感量很大的串联电感）；如果噪音源内阻是高阻抗的，则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗（如容量很大的并联电容）。这个原则也是设计抑制开关电源EMI滤波器必须遵循的。

几乎所有设备的传导干扰都包含共模噪音和差模噪音，开关电源也不例外。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的；而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。通常，线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路，如图3所示。

图中：差模抑制电容Cx1，Cx20.1～0.47μF；

差模抑制电感L1，L2100～130μH；

共模抑制电容Cy1，Cy2<10000pF；

共模抑制电感L15～25mH。

设计时，必须使共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率明显低于开关电源的工作频率，一般要低于10kHz，即

在实际使用中，由于设备所产生的共模和差模的成分不一样，可适当增加或减少滤波元件。具体电路的调整一般要经过EMI试验后才能有满意的结果，安装滤波电路时一定要保证接地良好，并且输入端和输出端要良好隔离，否则，起不到滤波的效果。

开关电源所产生的干扰以共模干扰为主，在设计滤波电路时可尝试去掉差模电感，再增加一级共模滤波电感。常采用如图4所示的滤波电路，可使开关电源的传导干扰下降了近30dB，比CISOR22标准的限值低了近6dB以上。

还有一个设计原则是不要过于追求滤波效果而造成成本过高，只要达到EMC标准的限值要求并有一定的余量（一般可控制在6dB左右）即可。

3辐射EMI的抑制措施

如前所述，开关电源是一个很强的骚扰源，它来源于开关器件的高频通断和输出整流二极管反向恢复。很强的电磁骚扰信号通过空间辐射和电源线的传导而干扰邻近的敏感设备。除了功率开关管和高频整流二极管外，产生辐射干扰的主要元器件还有脉冲变压器及滤波电感等。

虽然，功率开关管的快速通断给开关电源带来了更高的效益，但是，也带来了更强的高频辐射。要降低辐射干扰，可应用电压缓冲电路，如在开关管两端并联RCD缓冲电路，或电流缓冲电路，如在开关管的集电极上串联20～80μH的电感。电感在功率开关管导通时能避免集电极电流突然增大，同时也可以减少整流电路中冲击电流的影响。

功率开关管的集电极是一个强干扰源，开关管的散热片应接到开关管的发射极上，以确保集电极与散热片之间由于分布电容而产生的电流流入主电路中。为减少散热片和机壳的分布电容，散热片应尽量远离机壳，如有条件的话，可采用有屏蔽措施的开关管散热片。

整流二极管应采用恢复电荷小，且反向恢复时间短的，如肖特基管，最好是选用反向恢复呈软特性的。另外在肖特基管两端套磁珠和并联RC吸收网络均可减少干扰，电阻、电容的取值可为几Ω和数千pF，电容引线应尽可能短，以减少引线电感。实际使用中一般采用具有软恢复特性的整流二极管，并在二极管两端并接小电容来消除电路的寄生振荡。

负载电流越大，续流结束时流经整流二极管的电流也越大，二极管反向恢复的时间也越长，则尖峰电流的影响也越大。采用多个整流二极管并联来分担负载电流，可以降低短路尖峰电流的影响。

开关电源必须屏蔽，采用模块式全密封结构，建议用1mm以上厚度的镀锌钢板，屏蔽层必须良好接地。在高频脉冲变压器初、次级之间加一屏蔽层并接地，可以抑制干扰的电场耦合。将高频脉冲变压器、输出滤波电感等磁性元件加上屏蔽罩，可以将磁力线限制在磁阻小的屏蔽体内。

根据以上设计思路，对辐射干扰超过标准限值20dB左右的某开关电源，采用了一些在实验室容易实现的措施，进行了如下的改进：

——在所有整流二极管两端并470pF电容；

——在开关管G极的输入端并50pF电容，与原有的39Ω电阻形成一RC低通滤波器；

——在各输出滤波电容（电解电容）上并一0.01μF电容；

——在整流二极管管脚上套一小磁珠；

——改善屏蔽体的接地。

经过上述改进后，该电源就可以通过辐射干扰测试的限值要求。

第9篇：开关电源的原理与设计范文

关键词：开关电源；UC3842；双入多出

开关电源是基于电力电子技术，通过控制开关管通断的占空比产生一定幅值的电压，再利用变压器、稳压芯片等器件实现要求电压的稳定输出。开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、通讯设备、电力设备、数码产品等领域。为了解决上述问题，本文介绍了一种基于UC3842的双入多出开关电源，直流、交流双模输入，7路直流输出。

1 开关电源工作基本原理

根据开关电源的结构可知，其工作基本原理为：输入端接入220V工频交流电，经输入滤波和整流滤波，转化为高压直流电，通过开关电路和高频变压器将电压转化成低压脉冲，最后经整流滤波输出直流电压。电路中存在双重反馈，即电压反馈和电流反馈。输出电压对控制电路进行反馈，据此控制电路来调节开关管的占空比；保护电路中的电流反馈信号与误差放大器的输出电平相比较，用于控制锁存器，保护电路安全。通过电压电流的双重反馈控制，可达到较为稳定的电压输出。

2 双入多出开关电源工作原理

本文介绍的开关电源共4个模块：供电输入模块，变压器模块，整流稳压模块。输入为220V市电或400V高压直流电，输出+5V，-5V，+18V， +15V，-15V，共5种电压值，7路输出。

2.1 供电输入模块

我们可将供电输入模块一路输入端设为220V的工频交流电。D1，D2，D3，D4，构成整流电路，再通过C1及C2滤波电容，输出310V直流电压。二路最大输入为400V高压直流电。保险管F1起过流保护作用，当电流超过5A，保险管断开，系统停止工作，保护电路及人身安全。

2.2 变压器模块

变压器模块是利用高频耦合变压器将高频交变开关脉冲传递到副边，再通过副边电路输出要求的稳定直流电压。本系统中采用的反激式变压器具有以下作用：

（1）将原边电压转化为所需电压输出；

（2）增加多个副边绕组，提供多路输出；

（3）变压器隔离，保障了系统与使用者的安全。

系统上电后，芯片输出驱动MOS管导通时，变压器原边电压上正下负，当驱动脉冲为低电平，Q1截止，启动状态电压消失后，反激式变压器释放能量，原边电势为上负下正。在能量释放过程中，反激式变压器辅助绕组，即引脚1和2，产生感应脉冲，经二极管D7进行半波整流，然后通过C26、C27 滤波，在启动后向UC3842供电，D5，C11，R3及C21，D6，R4 与原边绕组构成初级漏感吸收回路，吸收变压器放能时的漏感，防止瞬间电流过大烧坏变压器。

2.3 整流稳压模块

本系统的两路输出整流稳压模块。开关管关断时，副边回路导通，电压通过二极管D8，D9与电容C3，C7形成的半波整流电路，后接电解电容C5，C8 滤波，然后通过稳压芯片LM7818CT与LM7905CT，得到输出+18V，-5V。模块中C4、C6、C9、C10 更好的滤除谐波，保证电压稳定。

其余5路输出与上述原理相同，在此不作介绍。

3 结语

本文介绍了基于UC3842的具有直流、交流两种模式输入，七路直流电压输出的反激式开关电源。其利用脉宽调制技术得到的电压输出安全稳定，易于控制，且成本低廉，能够广泛应用于各种设备和复杂实验。

参考文献：

[1]童朝南，韩建军.采用UC3844的反激式开关电源反馈回路的改进与设计[J].电子技术应用，2008（06）：74-77.

[2]王全保.电子变压器手册[M].沈阳：辽宁科技技术出版社，1998（08）.

[3]张兴.电力电子技术[M].科技出版社，2013.