开关电源外围元器件选择与检测 沙占友,庞志锋 9787508386829 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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沙占友，庞志锋 著

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出版社： 中国电力出版社

ISBN：9787508386829

商品编码：29298145600

包装：平装

出版时间：2009-05-01

基本信息

书名：开关电源外围元器件选择与检测

定价：23.00元

作者：沙占友,庞志锋

出版社：中国电力出版社

出版日期：2009-05-01

ISBN：9787508386829

字数：

页码：349

版次：1

装帧：平装

开本：32开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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《开关电源外围元器件选择与检测》内容丰富，深入浅出，通俗易懂。具有科学性、先进性与很高的实用价值，可供电子和电气工程技术人员，仪器仪表及家电维修人员，大专院校师生及电子爱好者阅读。目前开关电源正向集成化、智能化、模块化的方向发展。正确选择与检测外围元器件，是设计、制作集成开关电源的基础和保证。《开关电源外围元器件选择与检测》从实用角度出发，全面、系统、深入地阐述了开关电源各种外围元器件的工作原理、在开关电源中的典型应用、选择方法、检测技巧及测量注意事项。其中，既有基础类元件，也有大量的新型电子元器件。此外，还详细介绍了常用检测仪器仪表的选择及使用注意事项。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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《功率电子器件应用与设计指南》 内容概要： 本书致力于深入探讨功率电子器件在现代电子系统中的应用、选择与优化设计。聚焦于推动电子产品向更高效率、更小体积、更低成本发展的核心技术，本书系统阐述了各类关键功率半导体器件的物理原理、特性参数、选型依据以及在不同应用场景下的设计考量。 第一章：功率电子器件概述与发展趋势 本章将为读者构建一个全面认识功率电子器件的宏观视角。首先，我们将回顾功率电子技术的发展历程，从早期的硅晶体管到如今的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等第三代半导体材料，深入剖析技术进步背后的驱动力，包括对能源效率的需求、小型化和高性能化的挑战。 接着，我们将对几种主要的功率电子器件进行分类介绍，包括： 二极管家族： 从基础的整流二极管，到肖特基二极管（Si、SiC、GaN），再到快速恢复二极管（FRD），阐述它们在续流、钳位等方面的作用，以及不同类型二极管在耐压、电流、开关速度、导通压降和反向恢复特性上的权衡。 晶闸管（SCR）与可控硅（TRIAC）： 介绍它们在家用电器、工业控制等领域的应用，重点分析其触发原理、关断特性以及在功率控制方面的优势与局限。 双极型晶体管（BJT）： 尽管在高功率应用中逐渐被MOSFET取代，但BJT在某些特定领域仍有其价值。本章将介绍其工作原理、参数（如电流增益hFE）以及在放大和开关电路中的基本应用。 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）： 作为目前最主流的功率开关器件，MOSFET将占据本章较大篇幅。我们将详细解析N沟道和P沟道MOSFET的结构、工作模式（增强型和耗尽型），以及关键参数如阈值电压（Vth）、导通电阻（RDS(on)）、栅极电荷（Qg）、输出电容（Coss）和输入电容（Ciss）的含义及其对性能的影响。 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）： 结合了MOSFET的栅极控制和BJT的低导通压降优势，IGBT在较高电压和电流应用中表现出色。本章将剖析其PNP和NPN结构的结合，重点关注其电压控制特性、饱和压降（Vce(sat)）、开关速度和热特性。 新兴功率半导体材料（SiC与GaN）： 专门开辟章节深入探讨SiC和GaN的优势，包括其超高的击穿电压、优异的导热性、更低的开关损耗以及在高温环境下的稳定性。重点介绍SiC MOSFET、SiC SBD（肖特基二极管）和GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）等器件，并分析它们在电动汽车、新能源、高频电源等前沿领域的应用潜力。 最后，本章将展望功率电子器件的未来发展趋势，包括器件集成化、智能化（如集成驱动和保护功能）、模块化封装、以及对更高功率密度和更低损耗的不懈追求。 第二章：功率电子器件的选型原则与关键参数分析 精准的器件选型是成功设计功率电子电路的基础。本章将提供一套系统性的选型方法论，帮助工程师根据具体应用需求，在众多器件型号中做出最佳选择。 2.1 应用场景分析与需求定义 工作电压与峰值电压（Vdrm, Vdsm）： 明确电路的工作电压范围，并考虑瞬态过电压对器件耐压能力的要求。 工作电流与峰值电流（Idrm, Idsm）： 确定持续工作电流和可能出现的瞬态过载电流，确保器件的额定电流能力能够满足要求。 功率损耗（Ptot）与散热要求： 估算器件在导通和开关过程中产生的功率损耗，并基于此确定所需的散热方案（如散热器、风冷、液冷）。 开关频率（fs）： 根据应用需求（如电源效率、纹波大小、体积限制）选择合适的开关频率，这将直接影响器件的开关损耗和对无源元件（如电感、电容）的要求。 效率目标： 设定明确的系统效率目标，并根据此目标权衡导通损耗和开关损耗，选择最适合的器件。 环境条件： 考虑工作环境的温度、湿度、振动等因素对器件可靠性的影响。 2.2 关键参数详解与评估 耐压能力： 深入解析器件的击穿电压（BVdss for MOSFETs, Vceo for BJTs, Vdrm for SCRs），以及安全工作区（SOA）的概念，理解在不同电流下的耐压限制。 导通损耗： MOSFET： 重点分析RDS(on)的意义，以及其随温度、栅极电压和芯片尺寸的变化。如何选择低RDS(on)的器件以减小导通损耗。 IGBT： 详细讲解Vce(sat)的构成（欧姆区和二极管区压降），以及其与电流、温度的关系。 二极管： 分析正向压降（Vf）及其对效率的影响，特别是高电流应用中，Vf是关键参数。 开关损耗： MOSFET： 剖析开关过程中，在电压和电流都存在的“二次击穿”区域产生的能量损耗。重点关注栅极电荷（Qg）、输出电容（Coss）、反向恢复电荷（Qrr）等参数的影响。 IGBT： 分析栅极驱动损耗、关断损耗（与Qrr和Vce(sat)相关）和开通损耗。 二极管： 重点分析反向恢复时间（trr）和反向恢复电荷（Qrr）对开关损耗的影响，特别是快速恢复二极管和SiC/GaN二极管的优势。 热阻（Rthjc, Rthcs, Rthsa）： 理解热阻的含义，以及它如何影响器件的结温（Tj）。计算在给定散热条件下器件的温升。 栅极驱动特性（MOSFET/IGBT）： 详细分析栅极电容（Ciss, Crss, Coss）、栅极电荷（Qg）对驱动电路设计的影响。理解如何选择合适的驱动器以实现快速、可靠的开关。 可靠性参数： 讨论器件的结温限制、电流能力降额、电压降额等，以及MTTF（平均无故障时间）等概念。 2.3 器件封装与散热设计 常见封装形式： 介绍TO-220, TO-247, D2PAK, SOT-223, QFN, SiP（系统级封装）等功率器件常用封装，分析它们的电气性能、热性能和机械性能。 散热器选择与计算： 如何根据器件功耗和环境温度选择合适的散热器，并进行热阻匹配计算。 PCB布局与散热优化： 强调PCB布局对电磁干扰（EMI）和散热的重要性，例如铜箔走线宽度、散热过孔、散热片集成等。 第三章：功率电子器件在关键应用中的设计考量 本章将聚焦于功率电子器件在实际电路设计中的应用，通过具体案例分析，帮助读者掌握器件的选择与电路设计的最佳实践。 3.1 开关电源（SMPS）设计 拓扑结构选择： 简要介绍Buck, Boost, Buck-Boost, Flyback, Forward, Half-Bridge, Full-Bridge等常见开关电源拓扑，并分析不同拓扑对功率器件（主开关、续流二极管）的要求。 MOSFET/IGBT在主开关中的应用： 低压Buck/Boost： 优先选择低RDS(on)的N沟道MOSFET。 高压/高电流Buck/Boost/Forward/Flyback： 考虑IGBT或高压MOSFET。 高频应用： 重点关注开关损耗，可能需要SiC/GaN器件。 驱动电路设计： 介绍独立的栅极驱动器、半桥驱动器等，强调驱动速度、驱动能力和死区时间控制。 续流二极管的选择： 低压/高频： 考虑快速恢复二极管（FRD）或肖特基二极管（Si、SiC）。 高压/高电流： 考虑集成续流二极管的IGBT模块，或外加高压FRD。 SiC肖特基二极管的优势： 极低的Qrr，显著降低开关损耗，特别适合高频应用。 功率因数校正（PFC）电路设计： 介绍升压式PFC电路，以及其中功率器件（Boost电感、Boost二极管、Boost开关）的选型要点。 反激（Flyback）变换器设计： 分析其工作原理，对开关管和续流二极管的瞬态冲击要求。 3.2 电机驱动与变频器 电机类型与驱动需求： 介绍永磁同步电机（PMSM）、异步电机（IM）等的驱动特点，以及对功率器件（IGBT、MOSFET）的快速开关和高耐压能力的要求。 三相逆变器设计： IGBT模块的应用： 详细介绍IGBT模块（包含多个IGBT和反并联二极管）在三相逆变器中的应用。 驱动与保护： 强调三相驱动的复杂性，死区时间控制、过流保护、过压保护的重要性。 SiC/GaN在电机驱动中的潜力： 分析其在高效率、高功率密度和宽温域应用上的优势。 直流无刷电机（BLDC）驱动： 介绍MOSFET在BLDC驱动中的应用，以及电子换向（ESC）电路的设计。 3.3 DC-DC变换器设计 隔离型DC-DC变换器（如LLC、QR）： LLC谐振变换器： 分析其谐振特性，对功率器件（MOSFET、GaN HEMT）的软开关要求。 QR（准谐振）变换器： 介绍其工作原理，对开关管和二极管的开关损耗优化。 非隔离型DC-DC变换器（如Buck, Boost）： 与开关电源部分呼应，强调在低压、大电流应用中的器件选择，如低RDS(on)的MOSFET。 3.4 固态继电器（SSR）与功率开关应用 SSR原理与选型： 介绍基于MOSFET、IGBT或SCR的固态继电器，以及在不同负载（阻性、感性、容性）下的选型考量。 高功率开关应用： 如电加热控制、照明控制等，对器件的耐压、耐流和散热能力提出要求。 第四章：功率电子器件的检测与故障分析 为了确保功率电子系统稳定可靠运行，对功率器件的性能进行准确检测和对故障进行有效分析至关重要。 4.1 功率器件的基本检测方法 万用表检测： 介绍使用数字万用表检测二极管的通断、MOSFET的栅源极短路、PN结等基本功能。 LCR表检测： 如何利用LCR表测量器件的电容参数（Ciss, Coss, Crss），理解这些参数对驱动和开关特性的影响。 示波器在动态检测中的应用： 开关波形分析： 测量器件的开通和关断波形，评估开关速度、过冲、振铃等。 栅极驱动信号检测： 确保栅极驱动信号的幅值、上升/下降时间、时序正确。 Vds/Vce动态测试： 观察器件在开关过程中承受的电压变化，评估耐压能力和瞬态响应。 专用的功率器件测试设备： 简要介绍一些专业设备，如曲线示踪仪、开关参数测试仪等，它们能提供更精确的参数测量。 4.2 功率器件的关键参数测试 RDS(on)测试： 介绍如何进行RDS(on)的精确测量，以及其与栅极电压、温度的关系。 Vce(sat)测试： 讲解IGBT的Vce(sat)测试方法，以及其对饱和度电流和温度的依赖性。 反向恢复特性测试： 重点介绍二极管和IGBT反向恢复电荷（Qrr）、反向恢复时间（trr）的测试方法，以及其对开关损耗的影响。 漏电流（Idss/Iceo）与击穿电压（BVdss/Vceo）测试： 介绍如何进行这些参数的测量，以及它们在评估器件质量和可靠性方面的重要性。 栅极电荷（Qg）测试： 讲解Qg的测量方法，及其对驱动电路设计的影响。 4.3 功率器件的常见故障模式与分析 过热失效： 讲解因散热不良、过载导致结温过高而引起的器件损坏。 过压失效： 分析瞬态过电压、雷电感应等引起的器件击穿。 过流失效： 介绍因负载短路、驱动异常等导致的电流过大损坏。 栅极驱动异常： 如栅极驱动电压不足、驱动信号错误、驱动器损坏等。 内部缺陷： 如芯片制造缺陷、封装问题等。 故障诊断与维修策略： 提供一步步的故障排查思路，包括外观检查、通电测试、参数对比等，并介绍针对不同故障的维修建议。 总结： 《功率电子器件应用与设计指南》旨在为工程师、技术人员以及相关专业的学生提供一个全面、深入的功率电子器件知识体系。通过对器件原理的深入剖析、选型方法的系统讲解以及在实际应用中的案例分析，本书将帮助读者提升在功率电子领域的设计能力和故障排除能力，从而应对日益增长的高效率、高性能、小型化电子设备设计挑战。

评分☆☆☆☆☆

对于需要进行产品迭代和平台化设计的工程师而言，这本书中关于“标准化与兼容性”的论述尤为精辟。作者并非只关注单个电路的完美，而是着眼于如何构建一个易于维护、方便升级的电源架构。书中对输入输出规格的裕量设计、热管理模块的模块化封装建议，以及如何选择具有良好供应链稳定性的替代元器件系列，都提供了极为实用的指导方针。在谈及热敏电阻（NTC）或保险丝的选择时，书中明确指出了不同封装（如贴片与直插）在瞬时过流保护特性上的巨大差异，这对于设计那些对浪涌电流敏感的输入端保护电路至关重要。总而言之，这本书的格局很大，它将单个开关电源的元件选择，提升到了整个电子产品生命周期管理的高度。它不仅指导我如何选出当下最好的元器件，更重要的是，它教会我如何构建一个能够适应未来变化、拥有良好工程继承性的电源平台。阅读此书，就像是获得了一张电源领域未来十年的“选型地图”。

评分☆☆☆☆☆

这本书的价值远超出了“元件选择手册”的范畴，它更像是一部关于“工程妥协的艺术”的教科书。在实际的电源设计中，我们经常面临成本、体积、效率、可靠性这四大要素的相互制约。作者在讲解每一个元件时，都会不厌其烦地列出各种选择背后的权衡点。比如，选择高频陶瓷电容固然可以减小体积，但其对DC偏置效应的敏感性，可能在特定工作电压下导致实际电容量大幅度缩水，这在设计高密度电源时是一个巨大的隐患。书中通过具体的案例分析，揭示了那些看似微小的参数差异，如何在系统层面被放大，最终导致设计失败。这种“反经验主义”的教导非常宝贵，它教会了我不能仅仅依赖于数据表上的最大值或最小值，而必须将元器件置于整个系统的动态工作环境中去评估。读完这本书，我对待任何一个元器件的态度都变得更加审慎和敬畏，深知“魔鬼藏在细节里”的真谛。

评分☆☆☆☆☆

从结构编排上看，作者展现了极其清晰的逻辑脉络，这对于系统学习者来说是极大的福音。全书的论述逻辑像是搭建一座精密的电子设备，从最基础的功率半导体选型开始，逐步过渡到磁性元件（变压器与电感）的设计权衡，最后才进入到控制环路和保护电路的集成。这种自底向上的构建方式，确保了读者在接触复杂概念之前，已经对底层物理限制有了深刻理解。特别是关于磁芯材料特性、损耗曲线以及饱和通度的详细讲解，让我彻底明白了为什么同样是10A的电流，在不同的磁芯上表现会天差地别。对于电感饱和带来的非线性问题，书中提供的简化模型和实际的降额建议，远比那些晦涩的电磁场理论公式来得实用得多。每次我需要设计一个新的隔离或升压电路时，这本书就成了我的第一参考书，它总能在我即将犯下“老毛病”之前，及时弹出警示，提醒我重新审视温度系数和磁通密度对长期可靠性的影响。

评分☆☆☆☆☆

这本电源设计领域的权威著作，对我这位刚刚入门的电子爱好者来说，简直是开启了一扇通往高效能电源世界的大门。我记得第一次翻开它的时候，厚厚的篇幅和密密麻麻的专业术语差点让我望而却步，但很快，我就被书中那种由浅入深、层层递进的讲解方式所吸引。书中对各种常用元器件——从电容、电感到MOSFET、肖特基二极管——的物理特性、失效模式以及最重要的“如何选用”进行了极其详尽的剖析。比如，对于纹波电流和等效串联电阻（ESR）的讨论，作者不仅仅是给出了公式，更是结合了实际应用中，不同工作频率下它们对系统稳定性和发热量的影响，这对我理解电源的“体质”至关重要。书中对降额设计的强调，以及在不同温度环境下元器件寿命预估的方法，更是体现了作者在工程实践中积累的深厚功力。它不是一本纯理论的教科书，更像是一本资深工程师手把手教你如何避免设计陷阱的实战手册。读完相关章节后，我立刻着手优化了我手头一个低噪声LDO的输出滤波电路，效果立竿见影，不仅输出噪声降低了，系统的稳定性也提高了一个档次。这种立即可见的成效，极大地增强了我继续深入学习的动力。

评分☆☆☆☆☆

我必须说，这本书在“检测与故障排查”这部分的深度和广度，是市面上许多同类书籍望尘莫及的。对于我们这些经常与样机打交道的人来说，设计固然重要，但快速准确地定位和解决现场问题更是核心竞争力。作者并没有停留在简单的万用表测量层面，而是深入探讨了示波器探头选择对高频信号测量的影响，特别是对于开关电源内部开关节点波形的捕获技巧，简直是“黑科技”级别的分享。书中详细对比了不同检测工具（如LCR测试仪、热像仪、逻辑分析仪）在特定场景下的适用性和局限性，这一点对于预算有限或需要搭建多功能测试平台的工程师来说，提供了极具价值的参考。举个例子，在分析一个Buck转换器在高负载下出现间歇性振荡的问题时，我按照书中描述的方法，通过耦合电容和地线布局的细节排查，最终发现是反馈环路中的一个毫欧级电阻在电流突变时产生的瞬态电压被误判为信号噪声。这种对细节的执着，正是区分优秀电源和普通电源的关键所在。这本书真正教会了我“看清”电流和电压的“本来面目”。