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直流斩波器 1 方案论证 1.1 主电路方案论证
内容来自论文无忧网 www.paper51.com 内容来自www.paper51.com1.1.1 方案1:升压斩波电路 内容来自www.paper51.com paper51.com升压斩波电路的基本原理 copyright paper51.com 内容来自www.paper51.com工作原理:
paper51.com copyright paper51.com 假设L值、C值很大，V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压Uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI1ton copyright paper51.com 内容来自www.paper51.comV断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为 （1-1） 内容来自论文无忧网 www.paper51.com paper51.com内容来自论文无忧网 www.paper51.com
copyright paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com a) 内容来自www.paper51.com 内容来自www.paper51.com
paper51.com copyright paper51.com 图1-2升压斩波电路及其工作波形
copyright paper51.com copyright paper51.coma）电路图b）波形
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内容来自论文无忧网 www.paper51.com 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等，得 http://www.paper51.com paper51.com （1-2）
copyright paper51.com 内容来自www.paper51.com输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为boost变换器 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 内容来自www.paper51.com进一步分析：
copyright paper51.com paper51.com a L储能之后具有使电压泵升的作用 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.comb 电容C可将输出电压保持 paper51.com paper51.com paper51.com 1.1.2 方案2:降压斩波电路
http://www.paper51.com paper51.com 斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图1-3中Em所示。为使io连续且脉动小，通常使L值较大。
内容来自论文无忧网 www.paper51.com http://www.paper51.com 数量关系 内容来自www.paper51.com paper51.com电流连续时，负载电压平均值
paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com（1-3）
http://www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com a——导通占空比，简称占空比或导通比 内容来自www.paper51.com 内容来自www.paper51.comUo最大为E，减小a，Uo随之减小——降压斩波电路。也称为Buck变换器。 内容来自www.paper51.com copyright paper51.com负载电流平均值 I=Ud/R （1-4） paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com电流断续时，Uo平均值会被抬高，一般不希望出现 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com斩波电路三种控制方式 http://www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.coma 脉冲宽度调制（PWM）或脉冲调宽型——T不变，调节ton，应用最多
内容来自论文无忧网 www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com b 频率调制或调频型——ton不变，改变T paper51.com paper51.comc 混合型——ton和T都可调，使占空比改变
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http://www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com copyright paper51.com a) copyright paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com
http://www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 图1-1降压斩波电路的原理图及波形
内容来自www.paper51.com paper51.com a）电路图b）电流连续时的波形c）电流断续时的波形 内容来自论文无忧网 www.paper51.com copyright paper51.com
内容来自www.paper51.com http://www.paper51.com 1.1.3 升压斩波电路和降压斩波电路比效 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 内容来自www.paper51.com因为本设计的思想是将电网供电电压为单相220V的交流电变为输出电压U0在50-200V之间可调的电压，根据对上面两种基本斩波电路原理的简叙和其波形图，容易发现降压调节电路非常容易满足设计要求，但升压电路则与所提供的电源以及要求输出U0不合。因而，不宜采用升压电路。对比可知，本设计应采用方案2。
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http://www.paper51.com 内容来自www.paper51.com http://www.paper51.com 1.2 控制电路方案论证
内容来自www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 1.2.1 方案1采用集成芯片SG3525来设计电路
copyright paper51.com http://www.paper51.com SG3525其集成芯片包含了保护电路，驱动电路，只需要将斩波主电路和同步信号产生电路加人其中即可。 copyright paper51.com paper51.com 另外，采用IGBT作为控制开关，其速度相当高，开关损耗小，在电压1000V以上，IGBT的开关损耗只有GTR的十分之一，与电力MOSFET相当。在相同的电压和电流的情况下，IGBT的安全电压较大，而且具有耐压脉冲。IGBT的通态压降比MOSFET要小，特别是在电流较大的区域。IGBT输入的阻抗高。 copyright paper51.com copyright paper51.com
http://www.paper51.com paper51.com 从以上方框图可以看出：使用集成电路结构简单明了，并且使用集成电路还有一个更加优越的特性，那就是其可靠性好，体积小，功耗低，调试方便。 http://www.paper51.com 内容来自www.paper51.com http://www.paper51.com 1.2.2 方案2采用分立式器件来设计电路
copyright paper51.com copyright paper51.com 如果选用分立式器件来设计电路，电路框图如下所示。从方框图可以看出此种方案涉及的电路单元太多，电路结构趋于复杂，对于设计、产品的开发有是极其不利的。
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copyright paper51.com 内容来自www.paper51.com 综合上述两种方案的优缺点，明显体现出了方案1极大的优越性，所以方案1为本设计电路首选。 http://www.paper51.com paper51.com 2 主电路设计及其原理说明
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http://www.paper51.com 2.1 整流电路的设计 copyright paper51.com http://www.paper51.com 电路原理图如下 http://www.paper51.com 内容来自www.paper51.com
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http://www.paper51.com 2.2 降压斩波电路的设计
paper51.com 内容来自www.paper51.com 2.2.1 电路原理图及波形
paper51.com http://www.paper51.com 降压斩波电路（Buck chopper)的原理图及工作波形如图A所示。图中V为全控型器件，选用IGBT。D为续流二极管。由图A（b）中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向负载供电,UD=Ui。当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。负载电压的平均值为：
copyright paper51.com 内容来自www.paper51.com（2—1） 内容来自www.paper51.com 内容来自www.paper51.com 式中ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间,T开关周期,α为导通占空比，简称占空比或导通比（α＝ton/T）。由此可知，输出到负载的电压平均值UO最大为Ui，若减小占空比α，则UO随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。 paper51.com 内容来自www.paper51.com
paper51.com copyright paper51.com (a) 电路图
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内容来自www.paper51.com http://www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com图A 降压斩波电路原理图及波形
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copyright paper51.com 本直流斩波电路作用是将直流电压转换为50至200V可调的直流电压，其工作原理是：当控制脉冲使Q2导通后，电容C开始充电，输出电压U0加到负载R的两端，在电容C充电的过程中，电感L内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，此时，续流二极管D因反向而截止，经过时间Ton后，当控制信号使Ｑ２截止时，Ｌ中电流减小，在Ｌ两端的感应电动势使Ｄ导通，Ｌ中储存的磁场能量通过续流二极管Ｄ传送给负载，当负载中电压低于电容Ｃ两端的电压时，Ｃ便向负载放电，经过时间Ｔoff后，控制脉冲又使Q2导通．上述过程重复发生．
内容来自www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com3 控制电路的设计 内容来自www.paper51.com paper51.com内容来自论文无忧网 www.paper51.com 3.1 脉宽调制电路的设计 内容来自www.paper51.com paper51.com根据IGBT的特点，采用脉宽调制（PWM）控制方式对开关管的占空比进行控制. copyright paper51.com http://www.paper51.com
内容来自www.paper51.com 3.2 驱动电路的设计及其原则
copyright paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 由于驱动IGBT所需要的功率较大，由SG3525产生的PWM信号不能直接驱动IGBT，因此必须要设置驱动电路，一个理想的IGBT驱动电路要有以下的原则： 内容来自论文无忧网 www.paper51.com http://www.paper51.com 1. 动态的驱动力强，能为IGBT栅极提供具有前后沿的驱动脉冲，IGBT会在导通及关断时产生较大的开关损耗，特别是在斩波电路中，由于其工作频率较高使开关损耗更为突出。 因此，驱动电路必须具有足够是瞬时电流吞吐能力，才能使IGBT栅极电压建立和消失的够快，从而使开关损耗降到最低。
paper51.com 内容来自www.paper51.com 2. 能向IGBT提供适当的正向和反向栅压，IGBT导通后的管压降与所加的栅源电压有关，在漏电压一定的情况下，UGB越高，UDB就越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作能力，但是，并不是UGB越高就好，一般不允许超过20V，因为如果一发生过流或者短路，栅压越高，电流的幅值就越大，IGBT的损坏的可能性就越大，通常，综合考虑取UGB为15V。IGBT在关断的期间，由于电路中的其他部分在工作，会在栅极产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的IGBT处于微通的状态，增加管子的功耗，重则使电路处于直通的状态，因此，在处于截止状态的IGBT加一个反向的电压，一般是5到15V，使IGBT在栅极出现开关噪声时仍然可以关断。
内容来自论文无忧网 www.paper51.com 内容来自www.paper51.com3. 有足够的输入输出隔离能力，由于IGBT与工频电网有直接电的联系，而控制电路一般不希望如此，因此驱动电路具有电隔离能力可以保证设备的正常工作，同时也有利于维修调试人员的安全，但是，这种隔离是不能影响正常工作的。 copyright paper51.com paper51.com 4. 当IGBT处于负载短路时或过流状态时，能在IGBT允许是时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电路，实现IGBT的软关断，当IGBT处于负载短路或过流状态时，过高di/dt会产生过高的电压尖峰，使IGBT承受不住而损坏，因此驱动电路应该具有定时栅压的控制能力，由于电路中电容的存在，IGBT在导通时会出现尖峰电流，驱动电路的逻辑栅压应能够抑制这一瞬间的尖峰电流，并在尖峰电流过后，恢复正常栅压，以保障电路的正常工作。
paper51.com paper51.com根据以上的原则，本设计选用光耦合驱动芯片HL402作为驱动电路，他的运行频率为40HZ，具有软降栅压，软关断等功能。同时，HL402的保护电路比较齐全。他设置了三个可控的时间电路以控制、延迟栅压时间和软关断时间，当过流出现时，可立即或延迟降低栅压，限制了过流值的继续增大，防止了过流瞬间造成的锁定现象，随着栅极电压的降低，IGBT进入放大区，其压降有所增加，短路电流明显的减小，短路的承受时间被延长，IGBT能在延长的时间内判断是否为真的故障电流，如果是瞬时的过流，可在过流结束后立即将栅压恢复到正常栅压，如果是真的过流，可在延长的时间的末端将栅极电压软关断，切断过流。
paper51.com paper51.com 内容来自www.paper51.com 3.3.3 控制电路方框图 copyright paper51.com copyright paper51.com copyright paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com内容来自www.paper51.com 控制电路如下：
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paper51.com 内容来自www.paper51.com 原理简要：
内容来自www.paper51.com 内容来自www.paper51.com 本控制电路是以SG3525 为核心构成,SG3525 为美国Silicon General 公司生产的专用，它集成了PWM 控制电路,其内部电路结构及各引脚功能如图2(a)所示,它采用恒频脉宽调制控制方案,内部包含有精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和保护电路等.调节Ur 的大小,在11,14两端可输出两个幅度相等,频率相等,相位相差,占空比可调的矩形波(即PWM信号).然后，将脉冲信号送往芯片HL402，对微信号进行升压处理，再把经过处理的电平信号送往IGBT，对其触发，以满足主电路的要求。
内容来自www.paper51.com 内容来自www.paper51.com 4 主电路参数计算和元器件的选择 copyright paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com
内容来自论文无忧网 www.paper51.com 4.1 开关管IGBT的选择 http://www.paper51.com 内容来自www.paper51.com（1）、开关管IGBT的耐压值，当开关管截止时，续流二极管导通，稳压电源的全部输入电压都加在开关管的集射极间，因此，开关管的耐压值VCBO必须大于前级整流电路的输出电压Uwi，考虑到其他因素的影响，开关管集射级间电压Ｕ’按下式选取：
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内容来自www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com （2）.当开关管导通时，负载电流及电容充电电流都通过开关管，因此开关管的集电极电流必须大于负载电流，开关管的最大集电极IB可由下式求得： 内容来自www.paper51.com copyright paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com copyright paper51.com式中I0为负载的电流，Uwi为整流输出电压，toff为开关管的截止时间．
paper51.com copyright paper51.com （3）.续流二极管的选择
内容来自www.paper51.com copyright paper51.com当开关管截止时，续流二极管导通，滤波电感内存储的能量通过续流二极管传输到负载．由此可知，续流二极管的正向额定电流必须大于开关管的最大集电极电流．当开关管饱和时，集电极间的电压可以忽略不记，续流二极管的耐压值必须大于前级整流电路的输出电压Uwi． http://www.paper51.com 内容来自www.paper51.com（4）.电感的选取 内容来自论文无忧网 www.paper51.com http://www.paper51.com电感可以由下式求得， 内容来自论文无忧网 www.paper51.com copyright paper51.com
内容来自论文无忧网 www.paper51.com http://www.paper51.com 式中U0为输出电压，Ui是输入电压，Ｉomin为电感续流的临界负荷电流。 http://www.paper51.com 内容来自www.paper51.com（5）、输出电容可以按照经验值取1000μF/A
内容来自www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com （6）、根据以上的原则，我们先设占空比为α，0＜α＜1，要得到U0的输出值在50V到200V可调，此时如果取U0取最大值为200V，由降压斩波电路的参数Ui =αU0，将变压器的变比定为10：1，则整流输出电压大概为22V× 0.9=19.8V，由Ui =αU0 此时如果选择α=0.396，则输出电压U0为50V，如果选择α=0.1时可以得到输出电压约为200V，符合条件。
内容来自论文无忧网 www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 因此，我们选择变压器的变比为10：1， 内容来自论文无忧网 www.paper51.com paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com
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copyright paper51.com 5 芯片资料
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内容来自论文无忧网 www.paper51.com 5.1 HL402 http://www.paper51.com http://www.paper51.com结构图
内容来自www.paper51.com http://www.paper51.com copyright paper51.com copyright paper51.com 工作原理
paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com HL402的原理框图如图2所示。图中，VL1为带静电屏蔽的光耦合器，用来实现与输入信号的隔离。由于它具有静电屏蔽功能，因而显著提高了HL402的抗共模干扰能力。图中的V2为脉冲放大器，晶体管V3、V4可用于实现驱动脉冲功率放大，V5为降栅压比较器，正常情况下由于引脚9输入的IGBT集电极电压VCE不高于V5的基准电压VREF而使得V5不翻转，晶体管V6不导通，故从引脚17、16输入的驱动脉冲信号经V2整形后不被封锁。该驱动脉冲经V3、V4放大后提供给被驱动的IGBT以使之导通或关断。一旦被驱动的IGBT退饱和，则引脚9输入的集电极电压取样信号VCE将高于V5的基准电压VREF，从而使比较器V5翻转后输出高电平，使晶体管V6导通，并由稳压管VD2将驱动器输出的栅极电压VGE降低到10V。此时，软关断定时器V8在降栅压比较器V5翻转达到设定的时间后，输出正电压使晶体管V7导通，并将栅极电压关断降到IGBT的栅极－发射极门槛电压，以便给被驱动的IGBT提供一个负的驱动电压，从而保证被驱动的IGBT可靠关断。
内容来自论文无忧网 www.paper51.com paper51.com 内容来自www.paper51.com 内容来自www.paper51.com
内容来自www.paper51.com 5.1.1 HL402参数的选择 copyright paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 由于HL402内含一个具有静电屏蔽层的高速光耦合器，因而可以实现信号隔离，它抗干扰能力强，响应速度快，隔离电压高。并具有对被驱动功率IGBT进行降栅压、软关断的双重保护功能。在软关断及降栅压的同时还将输出报警信号，以实现对封锁脉冲或分断主回路的保护。它的输出驱动电压幅值很高，其正向驱动电压可达15～17V，负向驱动电压可达10～12V，因而可用来直接驱动容量为150A／1200V以下的功率IGBT。
http://www.paper51.com copyright paper51.com 5.1.2 极限参数
http://www.paper51.com http://www.paper51.com HL402的极限参数如下： ●供电电压VC：30V（VCC为15～18V，VEE为－10～－12V）； ●光耦输入峰值电流If：20mA； ●正向输出电流＋IG：2A（脉宽＜2μs、频率为40kHz、占空比＜0．05时）； ●负向输出电流－IG：2A（脉宽＜2μs、频率为40kHz、占空比＜0．05时）； ●输入、输出隔离电压Viso：2500V（工频1min）。 HL402的电源电压VC的推荐值为25V（VCC＝＋15V，VEE＝10V）；光耦合器输入峰值电流If为10～12mA。 copyright paper51.com 内容来自www.paper51.com
copyright paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 5.1.3 HL402主要参数 paper51.com http://www.paper51.com下面是HL402的主要电参数： ●输出正向驱动电压＋VG：≥VCC－1V； ●输出负向驱动电压－VC：≥VEE－1V； ●输出正向电压响应时间tON≤1μs（输入信号上升沿＜0．1μs，If＝0→10mA）； 内容来自www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com本设计中，HL402的主要电参数及其周围电路参数如下： copyright paper51.com copyright paper51.com高饱和压降的IGBT（VCES≥3．5V），C5、C6、C7的推荐值分别为：C5取3000pF，C6取200pF，C7取1200pF，此时降栅压延迟时间t1约为2μs，降栅压时间t2约为10μs，软关断时间t3约为4μs。
内容来自论文无忧网 www.paper51.com 内容来自www.paper51.com C1、C3的典型值为0．1μF，C2、C4为100μF／25V，VD4、VD5可取0．5V。
http://www.paper51.com 内容来自www.paper51.com 内容来自www.paper51.com 5.2 SG3525芯片 内容来自www.paper51.com paper51.com5.2.1 SG3625的主要结构图
paper51.com http://www.paper51.com SG3525是定频PWM电路，采用16引脚标准DIP封装。其各引脚功能如图2(a)所示，内部框图如图2(b)所示。脚8为软起动端。 paper51.com http://www.paper51.com内容来自论文无忧网 www.paper51.com http://www.paper51.com （a）SG3525的引脚
http://www.paper51.com copyright paper51.comhttp://www.paper51.com copyright paper51.com（b）内部框图
paper51.com 内容来自www.paper51.com图2 SG3525引脚及内部框图
paper51.com http://www.paper51.com http://www.paper51.com 各引脚具体功能： copyright paper51.com 内容来自www.paper51.com1、2脚：为误差放大器正反向输入端，因3525内部误差放大器性能不好，所以在控制模块中没有使用。 paper51.com paper51.com3脚：为同步时钟控制输入端， copyright paper51.com 内容来自www.paper51.com 4脚：为振荡输出端；
paper51.com copyright paper51.com 5、6脚：为振荡器Ct、Rt接入端,f=1/Ct(0.7Rt+3Rd 内容来自论文无忧网 www.paper51.com copyright paper51.com 7脚：为Ct放电端，改变Rd可改变死区时间 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 8脚：慢起动，当8脚电压从0V—5V时，脉宽从零到最大。
copyright paper51.com copyright paper51.com 9脚：补偿（反馈输入）端，9脚的电压决定了输出脉宽大小。
http://www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 10脚：关闭端，当10脚电平超过1V，脉宽关闭。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com paper51.com 11、14脚：脉冲输出端，输出相位相反的两路脉冲。
copyright paper51.com http://www.paper51.com 12、15脚：为芯片接地和供电端
内容来自论文无忧网 www.paper51.com paper51.com13脚：输出信号供电端。
copyright paper51.com http://www.paper51.com 16脚：输出+5V基准电压。
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http://www.paper51.com 5.2.3 主要电路及其功能
http://www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 1）锁定电路 电路主要作用是当IC输入电压<8V时，集成块内部电路锁定，停止工作（基准源及必要电路除外），使之消耗电流降至很小（约2mA）。
内容来自论文无忧网 www.paper51.com paper51.com 2）有软起动电路 比较器的反相端即软起动控制端脚8可外接软起动电容。该电容由内部5V基准参考电压的50μA恒流源充电，使占空比由小到大（50％）变化。
内容来自www.paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 3）比较器有两个反相输入端 反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。这样，便避免了彼此相互影响，有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。
copyright paper51.com copyright paper51.com 4）PWM锁存器 使关闭作用更可靠，比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM锁存器，锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过电流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一个周期时钟信号使锁存器复位为止。
paper51.com copyright paper51.com 5）振荡器 SG3525的振荡器， CT及RT引脚，放电引脚7、同步引脚3。RT阻值决定对CT充电的内部恒流值，CT的放电则由脚5及脚7之间外接的电阻值RD决定。把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调节死区的时间，这是重大的改进。在SG3525中增加了同步引脚3专为外同步用，为多个SG3525的联用提供了方便。 内容来自www.paper51.com 内容来自www.paper51.com SG3525增加的工作性能在实际应用中具有重要意义。例如，脚8增加的软起动功能，避免了开关电源在开机瞬间的电流冲击，可能造成的末级功率开关管。
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paper51.com http://www.paper51.com http://www.paper51.com http://www.paper51.com copyright paper51.com 参考文献
内容来自论文无忧网 www.paper51.com http://www.paper51.com 1王兆安,黄俊.电力电子技术（第4版）.北京:机械工业出版社,2000 paper51.com 内容来自论文无忧网 www.paper51.com 2谢自美.电子线路设计-实验-测试(第二版).华中科技大学出版社,2002 copyright paper51.com http://www.paper51.com3刘志刚.电力电子学.北京:清华大学出版社,北京交通大学出版社,2004
内容来自www.paper51.com paper51.com 4周志敏,周纪海.开关电源实用技术设计与应用.北京:人民邮电出版社,2004
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