电力电子学概论 - 电源组件简介
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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 几个因素。
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 几个因素。
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 几个因素。
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 几个因素。
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 几个因素。
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视频简介
电力电子学概论 - 电源组件简介
所属课程：电力电子学概论
发布时间：2019.03.11
视频集数：4
本节视频时长：00:07:11
This power overview identifies the four major components needed in power converter design: inductors, capacitors, diodes and MOSFETs. Each component is defined, and several common considerations for use in power circuits are included.
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