開關(guān)電源技術(shù)

開關(guān)電源技術(shù)第1頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一課程內(nèi)容一、概論二、開關(guān)電源變換器原理技術(shù)三、開關(guān)電源變換器實例實驗第2頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一參考文獻1.《開關(guān)電源的原理與設計》張占松、蔡宣三編著2.《智能型高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的原理使用與維護》---王家慶主編人民郵電出版社3.《通信用高頻開關(guān)電源》人民郵電出版社4.《電力電子技術(shù)》丁道宏主編航空工業(yè)出版社5.《現(xiàn)代通信電源技術(shù)》第3頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一參考文獻電工學報電力電子技術(shù)電信科學研究院情報所:第4頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一一、開關(guān)電源概論第5頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一1.通信電源的分級變電站備用發(fā)電機組市電油

機轉(zhuǎn)換整流器直流屏蓄電池交流不間斷電源通信設備通信設備市電第一級電源(PrimaryPowerSupply)

第二級電源(SecondaryPowerSupply)

第三級電源(TertiaryPowerSupply)

第6頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一2.開關(guān)電源的定義開關(guān)變換器:凡用半導體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪恍螒B(tài)的主電路都叫做開關(guān)變換器電路。開關(guān)電源:轉(zhuǎn)變時用自動控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護環(huán)節(jié)。第7頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源基本構(gòu)成框圖整流濾波開關(guān)電源控制器濾波整流及濾波AC/DC輸入回路功率開關(guān)器件高頻變壓器DC/DC功率變換器UinUout第8頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源的特點1.重量輕，體積小:是相控電源體積的1/102.功率因數(shù)高:相控0.7,小負載0.3，有功率因數(shù)的開關(guān)電源在0.93以上3.可聞噪聲低:工頻變壓器大于60dB,開關(guān)電源45dB4.效率高:一般88%以上，5.沖擊電流小:可接近額定電流6.模塊式結(jié)構(gòu):可更換模塊，2M的19英寸機架48V/1000A,輸出功率60KW第9頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源的特點7.穩(wěn)壓精度高:可達0.2%8.維護、監(jiān)控方便:對與較大的電源系統(tǒng)可采用計算機進行監(jiān)控第10頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一通信中對開關(guān)電源的要求歐洲通信標準化委員會制定的第二級電源與通信設備界面上的技術(shù)規(guī)范(ETS300132)直流電壓允許變化范圍-40.5~-57VDC直流電壓變化

直流沖擊電流<5I額定(10ms)雜音電壓無線電頻率干擾符合EN55022或IECCISPR22標準安全、接地要求等第11頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一通信中對開關(guān)電源的要求主要技術(shù)要求:電壓變動范圍要求、頻率變化要求、波形要求。電壓暫降、短時中斷和電壓變化的要求:IEC1000-4-11;GB/T17626.11浪涌耐量要求(雷擊):IEC801-5;IEC1000-4-5;GB/T17626.5無線電頻率干擾要求:EN55022,CISRR22;GB9254諧波電流要求:IEC1000-3-2,IEC1000-3-4安全、接地要求第12頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一通信中對開關(guān)電源的要求直流輸出電壓及其調(diào)節(jié)范圍48V系統(tǒng):48.00V~57.60(充電)靜態(tài)穩(wěn)壓精度整流器輸出限流和電池充電限流功率限制/恒功率輸出特性第13頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一通信中對開關(guān)電源的要求輸出端雜音電壓電話衡重雜音:2mv峰峰值雜音:0~300Hz,400mv寬頻雜音電壓:3.4KHz~150KHz,100mv有效值150KHz~30MHz,30mv有效值離散頻率雜音電壓:3.4~150KHz5mv有效值;150~200KHz3mv有效值;200~500KHz2mv有效值;0.5~30MHz1mv有效值;第14頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一通信中對開關(guān)電源的要求動態(tài)響應EMC要求并聯(lián)運行效率功率因數(shù)電流諧波可靠性第15頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一相關(guān)國家標準GB/T762-1996標準電流GB/T2423.1-1989電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試 驗A：低溫試驗方法GB/T2433.2-1989電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試 驗B：高溫試驗方法GB/T2423.9-1989電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試驗Cb：設備用恒定濕熱試驗方法GB/T2423.10-1995電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗第二部分，試驗方法試驗Fc和導則：振動(正弦)第16頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一相關(guān)國家標準GB/T2828-1987逐批檢查計數(shù)抽樣程序及抽樣表(適 用于連續(xù)批的檢查)GB/T2829-1987周期檢查計數(shù)抽樣程序及抽樣表(適用于生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的檢查)GB/T3859.1-1993半導體變流器基本要求的規(guī)定GB/T3873-1993通信設備產(chǎn)品包裝通用技術(shù)條件GB/T4720-1984電控設備第一部分低壓電器電控 設備GB/T16821-1997通信用電源設備通用試驗方法第17頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一相關(guān)國家標準YDN023-1996通信電源設備和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng) 技術(shù)要求YD/T638.3-93通信電源設備型號命名方法YD/T944-1998通信電源設備的防雷技術(shù)要求和測 試方法YD/T983-1998通信電源設備電磁兼容性限值及測 量方法SJ2811.2-87通用直流穩(wěn)定電源測試方法第18頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一3.開關(guān)電源變換器的基本手段1.PWM變換器:脈寬調(diào)制法(PulseWidthModulation):保持開關(guān)頻率恒定但改變接通時間長短(脈沖的寬度)，使負載變化時，負載電壓變化不大PWM開關(guān)變換器:用脈寬調(diào)制方式控制電子開關(guān)的開關(guān)變換器第19頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一3.開關(guān)電源變換器的基本手段PWM開關(guān)變換器實現(xiàn)的優(yōu)點和不足優(yōu)點:控制容易，技術(shù)成熟，適應范圍廣，輸入電流突然停電時，輸出電壓保持時間長:例如計算機系統(tǒng)不足:開關(guān)損耗大，頻率不能很高軟開關(guān):用控制方法使電子開關(guān)在其兩端電壓為零時導通電流，或使流過電子開關(guān)電流為零時關(guān)斷。第20頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一3.開關(guān)電源變換器的基本手段2.諧振變換器:諧振:串聯(lián)諧振:正弦電壓加在理想的(無寄生電阻)電感和電容串聯(lián)電路上，當正弦頻率為某一值時，容抗與感抗相等，電路的阻抗為零，電路電流達無窮大并聯(lián)諧振:正弦電壓加在理想的電感和電容并聯(lián)電路上，當正弦頻率為某一值時，容抗與感抗相等，電路的總導納為零，電感、電容元件上的電壓為無窮大ZVS(零電壓開通):電子開關(guān)器件兩端電壓振蕩為零時，使電子開關(guān)導通流過電流。ZCS(零電流關(guān)斷):流過電子開關(guān)器件的電流振蕩到零時，使電子開關(guān)斷開。第21頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一3.開關(guān)電源變換器的基本手段諧振變換器:利用諧振現(xiàn)象，使電子開關(guān)器件上電壓或電流按正弦規(guī)律變化，以創(chuàng)造零電壓開通或零電流關(guān)斷的條件，以這種技術(shù)為主導的變換器。串聯(lián)諧振變換器并聯(lián)諧振變換器第22頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一3.開關(guān)電源變換器的基本手段準諧振:當正向和反向LC回路值不一樣，即振蕩頻率不同，電流幅值也不同，所以振蕩頻率不對稱，一般正向正弦半波大于負向正弦半波。準諧振變換器:利用準諧振現(xiàn)象，使電子開關(guān)器件上的電壓或電流按正弦規(guī)律變化，從而創(chuàng)造了零電壓或零電流的條件，以這種技術(shù)為主導的變換器多諧振變換器:諧振回路、參數(shù)超過兩個的變換器第23頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一3.開關(guān)電源變換器的基本手段3.零開關(guān)--PWM變換器在準諧振變換器中，增加一個輔助開關(guān)控制的電路，使變換器一周期內(nèi)，一部分時間按ZCS或ZVS準諧振變換器，另一部分時間按PWM變換器工作，稱為ZCS-PWM變換器或ZVS-PWM變換器第24頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一4.開關(guān)變換器的分類按輸入和輸出的隔離性:有隔離和無隔離按拓撲結(jié)構(gòu)分:Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta按激勵形式:自激式:單管式、推挽式他激式:調(diào)頻、調(diào)寬、調(diào)幅、諧振PWM:正激式、反激式、半橋式和全橋式諧振:串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振、串并聯(lián)諧振零電壓開關(guān)和零電壓開關(guān)第25頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一二、開關(guān)電源基礎電路開關(guān)電源的功率轉(zhuǎn)換電路模型控制電路諧振變換器功率因數(shù)校正電路第26頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一基本電路模型--Buck變換器降壓變換器、串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電源開關(guān)閉合時，電能儲存于電感和電容中(同時也饋向負載)。開關(guān)打開后，儲存于電感和電容中的能量繼續(xù)供給負載。二極管構(gòu)成電流回路第27頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一降壓型轉(zhuǎn)換器控制電路VINVOUTVdiodeVGateILIT-VDVIN0VIN0ImaxDI第28頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一基本電路模型--Boost變換器(升壓型)開關(guān)閉合，電感中儲存能量。開關(guān)打開時，電感中儲存的能量通過二極管供給負載，同時對電容充電。負載電壓跌落時，電容再放電，輸出可獲得高于輸入的電壓。第29頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一基本電路模型–

Buck-Boost(反轉(zhuǎn)電路)開關(guān)接通，電感中流過電流，儲存能量。開關(guān)斷開，電感中電流流向負載。由于二極管的接法，負載得到反極性的電壓。負載電壓跌落時，電容再向負載放電。第30頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一基本電路模型–

Flyback(回掃型)第31頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一回掃型變換器第32頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一回掃型開關(guān)電源隔離低損耗容易實現(xiàn)多種電源輸出高效率在較高工作頻率下(例如400KHz以上)體積小巧特性分析簡化的電路原理圖+VIQ1Primary SecondaryIsolationBoundary+VO2VO1+PWMControllerFB REFTPS5904第33頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源的功率轉(zhuǎn)換電路第34頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一1.單端反激式變換器UceV1截止0I2abcV1導通V1開啟V1關(guān)斷IbT1+_Uin+_UoutRL+R2R1C2V2W1W2V3iLC1W1’V4R3V1第35頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一電路特點變壓器初級磁通是單向的，故稱該變壓器為單端變壓器輸出電容器C和負載在開關(guān)管截止時從變壓器次級獲得能量，故稱為反激式。第36頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一反

激

式

變

換

波

形

器tttttUcei1i2Uv3Uin/n+UoTTonTofft1t2第37頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一特性分析反激式:在V1導通期間V3反偏，V1截止時V3正偏，供給負載功率耐壓:V1集電極承受最大電壓值:Vcemax=Uin+nUomax變壓器:利用率不高應用:一般利用在小功率場合第38頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一實際電路舉例第39頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一單端他激式開關(guān)電源UC3842第40頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一第41頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一保護環(huán)節(jié)第42頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一電路特性1.輸入電壓:95VACto130VAC(50Hz/60Hz)2.隔離電壓:3750V3.開關(guān)頻率:40KHz4.效率@滿負荷:70%5.輸出電壓:A.+5V,5%:1Ato4Aload紋波:50mVP-PMax.B.+12V,3%:0.1Ato0.3Aload紋波:100mVP-PMax.C.-12V,3%:0.1Ato0.3Aload紋波:100mVP-PMax.第43頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一VIPer100典型應用第44頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一2.單端正激變換電路+_+_+UinUoutV2iRLIoLoV3V4iLW2TCV1W1”W1’i1’第45頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一正

激

式

變

換

器

波

形i’tttttTUin/LpILMAX/4iTUin/LpUv12UinUinUw’’UiniLTonTofft1t2第46頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一特性分析正激:導通時輸入饋電給負載，截止時L供電給負載。耐壓:單管正激，開關(guān)管最大電壓為2Uin雙管正激，開關(guān)管最大電壓為Uin變壓器:單管變壓器利用率不高，工藝制作上要求加饋能線圈用途:雙管正激并聯(lián)電路輸出功率大，輸出方波頻率加倍，易于濾波。開關(guān)管耐壓減半約為輸入電壓Uin,取消變壓器饋能線圈等優(yōu)點。因此，廣泛應用大功率變換電路中，可靠性高，簡單的電路。第47頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一+_+_+UinUoutRLIoLoV3V4iLTC雙正激開關(guān)電路K1K2第48頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一電路特點(1)兩個正激電路并聯(lián)，T1和T2反相180驅(qū)動，功率增大一倍，輸出頻率增加一倍，紋波及動態(tài)響應改善。(2)K1和K2串聯(lián)(K3、K4),開關(guān)管耐壓減半;(3)取消了反饋線圈，V1、V2、V3、V4為饋能路徑，降低了變壓器的制作工藝等要求;(4)具有死區(qū)限制特性，兩部分電路不存在共態(tài)導通問題，可靠性較高。第49頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一3.推挽式功率變換電路+V1V2UinL_+W1W2Uout第50頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一推挽式功率變換電路典型波形圖tUcetIcTToffTon00Uin2Uin第51頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一電路特點優(yōu)點:功率器件發(fā)射極相連，兩組基極驅(qū)動電路彼此間就無需隔離，使得驅(qū)動電路和過流保護電路簡化。只要兩個高壓開關(guān)管便能獲得較大功率的輸出。缺點:開關(guān)管必須承受較高的電壓大于2Uin，為防止磁心材料的偏磁飽和，電路的兩個開關(guān)管飽和特性和開關(guān)特性要求各種工作條件和溫度下都盡可能配對，更增加了選擇元器件的難度。原邊繞組只有一半時間工作，高頻變壓器利用率太低應用:早期采用，現(xiàn)在已很少用第52頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一推挽式變換器第53頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一雙端輸出控制器實例SG1524/3524第54頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一4.全橋式功率變換電路+V3V4V1V2V7V8V5V6LVinVout第55頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一全橋式功率變換電路典型波形tUcetIcTToffTon00Uin/22Uin第56頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一電路特點優(yōu)點:開關(guān)管穩(wěn)態(tài)時承受的最高電壓只要大于輸入電壓Uinmax即可。暫態(tài)過程的尖峰電壓被鉗位于輸入電壓，漏感儲能歸還給輸入電源，利于提高效率。開關(guān)管耐壓低，輸出功率大。缺點:電路使用四個高壓開關(guān)管，并要求盡可能配對，且需要彼此絕緣的基極驅(qū)動電路，電路復雜，元器件多，對電路設計和工藝布局要求較高。應用:主要應用于大功率變換電路中。第57頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一實際電路舉例第58頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一5.半橋式功率變換電路+C1C2V1V2V4V4LVinVoutUa第59頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一半橋式功率變換器波形圖tUcetIcTToffTon00Uin/22Uin第60頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一電路特點優(yōu)點:一個晶體管導通時，截止晶體管上的電壓和輸入電壓相等，高壓開關(guān)管上的電壓不超過電源電壓。晶體管的數(shù)量只有全橋變換器的一半。具有抗不平衡能力缺點:高頻變壓器上的電壓只有輸入電壓的一半，在同等輸出功率的條件下，開關(guān)器件V1、V2通過的電流是全橋電路的兩倍必須有兩個分壓電容，流過和電路工作頻率相同的充放電電流，由于電容的放電，輸出電壓脈沖頂部有傾斜。一般，半橋式只用于中等輸出功率的電路中。第61頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一變形的半橋功率變換電路+LUoutC1C1aC1bV1V2C2C2aC2bV3V4UinUC1UC2第62頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一電路特性優(yōu)點V1、V2為一組，V3、V4為一組，雙雙串聯(lián)，可減少單管耐壓值。可解決大電流輸出的問題變壓器工作正反兩方向，提高變壓器利用率，具有抗不平衡能力。應用高電壓輸入，大功率輸出第63頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一半橋式變換器膠片第64頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源控制電路第65頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一PWM控制電路1.對控制電路的基本要求:頻率可在較寬范圍內(nèi)預調(diào)的固定頻率振蕩器，占空比可調(diào)節(jié)的脈寬調(diào)制功能，死區(qū)時間較準器，一路或兩路具有一定驅(qū)動功率的輸出圖騰式電路禁止、軟啟動功能電流、電壓保護功能第66頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一脈寬調(diào)制電路原理圖EA脈寬調(diào)制門電路基準電壓振蕩器分頻器門電路誤差放大器U樣第67頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一PWM控制電路2.控制電路的實現(xiàn)基準源: 芯片內(nèi)大部分電路由它供電，兼作誤差放 大器的基準電壓輸入振蕩器:一般由恒流充電快速放電電路以及電壓比 較器組成，頻率由外接RC元件決定誤差放大器:將取樣電壓和基準電壓比較放大，送 至脈寬調(diào)制電路輸入端。脈寬調(diào)制器:輸入為誤差放大器輸出。輸出分為兩 路，一路送給門電路，另一路送給振蕩器 輸入端分頻器:將輸入分頻后輸出，控制門電路輸出脈沖 的頻率。第68頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一PWM控制電路控制電路的發(fā)展高頻化:誤差放大器和脈寬調(diào)制器的頻帶要寬，一般要上1M(100K)7M(500)智能化:引入單片機技術(shù)，采用DSP處理技術(shù)小型化:降低功耗:控制在幾個mA內(nèi)高密度安裝第69頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一電壓型PWM控制器VERRVOSCVPWMOSCI/PO/PVERRVOSCVPWMREF+

-第70頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一雙端輸出控制器實例SG1524/3524第71頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源功率驅(qū)動電路概述第72頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一驅(qū)動電路原理圖T1驅(qū)動電路作用:隔離減小漏感、漏電容，使開關(guān)器件迅速導通和關(guān)斷提供足夠大的驅(qū)動電流第73頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一驅(qū)動電路圖+Vcc隔離抗干擾隔離圖騰式輸出第74頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)元件安全工作區(qū)及其保護P144第75頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源緩沖電路《現(xiàn)代電力電子技術(shù)》第76頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源功率因數(shù)校正第77頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一功率因數(shù)校正器1.電功率:

P=UxI2.功率因數(shù)有功功率P(阻性器件消耗的功率)無功功率Q(電容和電感上獲得的功率)視在功率S(S=UxV)S2=P2+Q2

P=SCoS

P=UICOS=SCoS

S=UI功率因數(shù)Q第78頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一諧波標準分類1.IEC建議的諧波標準IEC1000-3-2A類:平衡的三相設備B類:輕便的工具C類:照明負載D類:有帶特殊波形輸入的設備第79頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一諧波標準分類諧波次數(shù)3579111315<N<392468<n<40最大電流值(A)70.40.330.210.15x15/n1.080.430.30.23x8/nA類、B類諧波次數(shù)2357911<N<39最大電流值(A)70.40.330.15x15/nC類第80頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一C類<25&D類諧波次數(shù)相對值絕對值允許的最大電流mA/W(A)(A)(A)33.41.082.3051.90.601.1471.00.450.7790.50.300.4011<n<390.6<n0.18x11/n0.3321.00.341.50.15第81頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一四種類別的設備判別方法平衡三相設備可攜帶的輕便工具照明設備具有特別波形和P600W的設備B類C類D類馬達驅(qū)動A類YYYYYNNNN第82頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一3.IEC建議200W以上的電源設備應采用功率因數(shù)校正(PFC)常規(guī)設備帶PFC功率因數(shù)COS65%99%PFC效率PFC100%95%變換效率75-85%~75-95%負載有效功率比Pd/P75-85%89%常規(guī)和帶PFC的電源設備的傳輸比較視在功率功率因數(shù)校正PFC變換器負載SP1PFPd第83頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一功率因數(shù)校正有源校正無源校正功率因數(shù)校正單相單相三相三相單相綜合三相一體第84頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一無源功率因數(shù)校正原理圖LL+CtU-U/iit2.02.53.03.5波峰因數(shù)COSu第85頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一無源校正原理負載LCLsV2i1UdCdidUSU1+_+第86頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一無源校正波形AB0tUd0tUdUsbf第87頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一有源功率因數(shù)校正原理預調(diào)乘法器_+UDCU_負載Ref第88頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一有源功率因數(shù)校正波形控制信號調(diào)制波tt三角波正弦波峰值檢測第89頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一PWM諧波消除電路原理圖L0I0U0V1V3V5V2V6V4UVWtU0第90頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一控制電路基本框圖同步信號鎖相環(huán)PLL計數(shù)器負載驅(qū)動器PWM波形合成器短路脈沖發(fā)生器PWM波形存儲器第91頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一三種模式的功率因數(shù)校正電路整流CVS整流CVSU~U~整流C2U~LLC1VL1L2S升壓型限壓型回掃型第92頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一升壓型電路簡化模型CVLRLIRLILEINIMMOSFETIDERL第93頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一升壓型有源功率因數(shù)校正電路波形ONOFFERLEINTOFFTONIMILPILIDILILILtttt第94頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一有源功率因數(shù)校正器L6561第95頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一第96頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一第97頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)蔡宣三書P293概述第98頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)分布式DC-DC電源系統(tǒng)原理框圖2m12m1440VDC48VDC5VDC全橋變換器單端反激式變換器第99頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)集中式AC-DC電源系統(tǒng)原理圖AC--DC~400Hz5V/1000A第100頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)AC--DC~400HzDC--DC12n270V48V/100A5VDC分布式AC-DC電源系統(tǒng)原理圖第101頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)對若干個開關(guān)變換器模塊并聯(lián)的電源系統(tǒng)，基本要求:各模塊承受的電流能自動平衡，實現(xiàn)均流為提高系統(tǒng)的可靠性，盡可能不增加外部均流控制的措施，并使均流與冗余技術(shù)相結(jié)合當輸入電壓和/或負載電流變化時，應保持輸出電壓穩(wěn)定，并且均流的瞬態(tài)響應好第102頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)實現(xiàn)方法:輸出阻抗法主從法按電流大小自動均流法按熱應力自動均流法外加均流控制器法第103頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)△V△IVO0IOR=△V/△IDC-DC+_Vs+_RLVOIOR輸出阻抗法開關(guān)變換器的外特性Vo=f(Io)Vomax第104頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)12R1R2RL++__DC-DC變換器VsVs+_I1I2VOVO=VOmax–RIOVO1=VOmax–R1IO1VO2=Vomax–R2IO2IO1=[R2VO1+(VO1–VO2)RL]/RXIO2=[R1VO2–(VO1–VO2)RL]/RXRX=R1R2+RL(R1+R2)VO0IOVomaxIO2IO1VOVO’IO’1IO’1兩臺并聯(lián)的開關(guān)變換器及外特性第105頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)–+–+RSIO電流放大電流放大VeVrVfVI100RR第106頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)–+>PWMNVCVIn–+>PWMKVCVI2–+>PWM1VCVI1VeVeVe電流放大VfVr主模塊從模塊從模塊主從設置法原理示意圖第107頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)–+–+功率級電流放大Vr均流控制器電壓放大VeRab負載電流VfVI均流母線VbVr’VC++平均電流法:(V11–Vb)/R+(V12–Vb)/R=0Vb=(V11+V12)/2第108頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)ab均流母線Vb–+10KΩa、b兩點間接一緩沖器最大電流法均流第109頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)DC-DCPWMSCVe_+Vf–VcVoVIVrb均流總線1VI1VC1KVIkVCknVInVcn均流總線SC外加均流器控制器均流法第110頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)–+–+VC22Va1S2V12b–+–+VC12Va1S1V11bN=2時均流控制器的原理圖第111頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)DC-DC–+–+IVOVeVI電流放大VbbaR1R3R2R4R6R5R7Vr電壓放大平均母線熱應力自動均流控制電路原理圖第112頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源的負載均分技術(shù)負載均分的概念分布式電源系統(tǒng)并聯(lián)使用帶來負載不平衡的問題解決方法模擬法:使用模擬信號提取，通過外部導線來傳輸，性能較差。采用PWM方法:第113頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一PWM均分電路原理圖光藕N”整流模塊2”整流模塊_+_+_+1”整流模塊UUref+_IOPWMURUSUD第114頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一電路分析1.Us為系統(tǒng)取樣電壓，UR為系統(tǒng)基準電壓，兩者比較后產(chǎn)生誤差電壓UD2.UD與三角波進行比較產(chǎn)生一脈沖調(diào)制方波信號，波寬受UD大小控制3.方波信號送至每個整流模塊，再通過模塊內(nèi)光藕隔離整形放大后與模塊電流IO比較。4.比較信號再與模塊的電壓參考值Uref疊加，從而發(fā)出電壓U調(diào)節(jié)信號，改變模塊的輸出電壓，調(diào)整模塊輸出電流，使每個模塊的輸出電流相等。第115頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一諧振型開關(guān)電源技術(shù)開關(guān)電源模塊的幾個技術(shù)參數(shù)分析1.效率2.功率密度3.重量諧振開關(guān)電源的提出第116頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一零電流式準諧振開關(guān)(ZCS-QRC)SLCV電容器C和整流二極管并聯(lián)，有源開關(guān)S和諧振電感L串聯(lián)，有源開關(guān)S在零電流時開通和關(guān)斷。整流管V則在零電壓時開通和關(guān)斷。

第117頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一零電流式準諧振開關(guān)(ZCS-QRC)優(yōu)點:降低關(guān)斷損耗，不受變壓器的漏感和整流器的結(jié)電容的影響。缺點:電容器的開通損耗，斷態(tài)時存儲在開關(guān)管輸出端電容器的能量，開通時則在器件內(nèi)部損耗掉了。第118頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一零電壓式準諧振開關(guān)(ZVS-QRC)SLCV電容器C和有源開關(guān)S并聯(lián)，整流二極管V和諧振電感L串聯(lián)，有源開關(guān)S在零電壓時開通和關(guān)斷。整流管V則在零電流時開通和關(guān)斷。

第119頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一零電壓式準諧振開關(guān)(ZVS-QRC)優(yōu)點:開關(guān)器件的電壓被整形成一準正弦波。對開關(guān)的開通就建立起零電壓條件，從而削弱了有源開關(guān)寄生輸出電容相關(guān)的開通損耗缺點:負載變化很寬的單邊電路內(nèi)的電應力過大和整流二極管的結(jié)電容形成的諧振電路內(nèi)的寄生振蕩，并產(chǎn)生強烈的電磁干擾第120頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一零電壓式多諧振(ZVS-MRC)開關(guān)技術(shù)SLCVCsVs第121頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一電路分析優(yōu)點:把主電路內(nèi)所有主要寄生電抗都并入諧振電路內(nèi)，零電壓式多諧振開關(guān)(ZVS-MRC)在所有半導體器件的最佳零電壓開關(guān)下工作，大大降低開關(guān)損耗和干擾。缺點:電流和電壓應力比PWM開關(guān)變換器的應力大，但比準諧振開關(guān)電源的變換器的應力要小。第122頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一恒頻多諧振(CF-MRC)開關(guān)電源技術(shù)S1LCs2S2Cs1把無源的開關(guān)二極管V由有源開關(guān)S2代替第123頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一諧振型開關(guān)電源的應用1.技術(shù)PWM在幾十KHz----幾百KHz的開關(guān)頻率，在重量、效率、可靠性、價格和體積上認為是最佳的。2.在功率密度高的情況下，采用PWM技術(shù)的電源無能為力，應采用諧振型開關(guān)電源。3.在DC/DC的應用中，特別是低壓的應用、移動設備應用廣泛。4.在大功率AC/DC中應用不是主流。原因:電路不成熟、元器件水平低、可靠性不如PWM電源。第124頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一諧振變換器舉例第125頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)變換器中的元器件第126頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一半導體功率器件半導體開關(guān)管(三極管)功率整流管(二極管)第127頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一半導體開關(guān)管開關(guān)管的損耗與基極的驅(qū)動電壓、電流的波形有直接的關(guān)系1.理想的驅(qū)動波形:在波形起始部分前沿陡峭帶點尖峰脈沖目的:加快開關(guān)的接通，減少損耗2.關(guān)斷時，最好加反向偏壓，將晶體管導通時存儲在基區(qū)內(nèi)的載流子吸出來，提高關(guān)斷速度。第128頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一雙極性晶體管開關(guān)過程開關(guān)時間的物理意義及減小的方法抗飽和技術(shù)第129頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一功率場效應管簡介主要參數(shù)靜態(tài)特性MOSFET的體內(nèi)二極管第130頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一功率場效應管驅(qū)動問題一般要求驅(qū)動電路TTLCMOS驅(qū)動第131頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一IGBT管(InsulatedGateBipolarTransistor)

絕緣柵雙極性晶體管MOSFET管在開關(guān)電源中的應用:優(yōu)點:開關(guān)速度快，電壓控制，缺點:導通電壓降稍大，電流、電壓容量不大雙極性管在開關(guān)電源中的應用:優(yōu)點:導通電壓降稍小，電流、電壓容量大缺點:開關(guān)速度慢，電流控制第132頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一IGBT管結(jié)構(gòu)與工作原理IGBT的靜態(tài)工作特性IGBT的動態(tài)特性IGBT的柵極驅(qū)動及其方法直接驅(qū)動隔離驅(qū)動法集成模塊驅(qū)動電路第133頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一MCT輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、快速開關(guān)電流大、耐壓高。第134頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)元件的安全工作區(qū)及其保護雙極性晶體管二次擊穿原因及對安全工作區(qū)的影響。安全工作范圍保護環(huán)節(jié)---R·C緩沖器第135頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一功率整流管1.功率整流二極管二極管的電路模型LDRsRpCjD:理想二極管Rp:并聯(lián)電阻Rs:引線電阻Cj:結(jié)電容第136頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一1.功率整流二極管功率二極管的主要參數(shù)正向?qū)▔航礦DF低壓情況反向漏電流及反向電壓反向漏電流決定了二極管關(guān)斷狀態(tài)的損耗反向峰值電壓(PIV)反向恢復時間trr第137頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一1.功率整流二極管選擇功率二極管的注意事項:正向壓降要小，減小損耗，提高效率，尤其對大電流、低電壓輸出的電路反向恢復電流峰值IRm要小，反向恢復時間trr要小正向恢復電壓VFRM要小，尤其是采用反向峰值電壓(PIV)值高的整流管，及采用UFRD(超快恢復二極管)反向漏電流IR小，尤其是高電壓和高結(jié)溫應用的場合。第138頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一1.功率整流二極管幾種快恢復二極管1.快恢復二極管(FRD:FastRecoveryDiode)反向恢復時間短2.超快恢復二極管(UFRD:Ultra-FRD)正向?qū)〒p耗小，結(jié)電容小，運行溫度可靠3.肖特基二極管(SBD)肖特基勢壘二極管(SohottkyBarrierDiode)Si-SBD:硅SBDGaAs:砷化鎵SBD正向壓降比PN結(jié)二極管的VDF低1/2~2/3,trr約為10ns,適用于低電壓的電力電子中。因為SBD結(jié)電容較大，反向漏電流比普通二極管大得多。第139頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一幾種典型二極管的主要參數(shù)參數(shù)普通二極管FRDUFRDSi-SBDGaAs-SBDVDF(V)1.2~1.41.2~1.40.9~10.4~0.61~1.5Trr(ns)1000200~75025~100105~10PIV(V)50~100050~100050~100015~100150~350可用頻率50Hz200KHz200KHz1MHz>1MHz應用輸入整流輸出整流輸出整流輸出整流輸出整流48V或更高4~5V12~24V第140頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一2.同步整流管(SR:SynchronousRectifier)1.產(chǎn)生由來低電壓應用正向壓降損耗2.應用DC/DC,軟開關(guān)電路100WZVS-PWM電路中，使用SR83%90%損耗:SR4.2W總損耗11W適用Si-SBD,8.9W總損耗21W第141頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一磁性元件的特性及應用第142頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一變壓器利用率單端正激，反激變換器磁心中磁感應強度的變化量B=Bm-Br,磁滯回線僅在第一象限內(nèi)變化，因而變壓器利用率低。推挽式、全橋式、半橋式變換器用的磁心在工作時，所產(chǎn)生的磁通都沿著交流磁滯回線對稱地上下移動，B=2Bm,這三種功率變換器的磁心是全磁滯回線工作的。全磁滯回線工作的變換器磁心中的磁感應強度變化量比一般的單端變換的磁心中的磁感應強度變化量高一倍左右，在輸出同等功率的情況下所用的磁心體積將相應縮小。第143頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一變壓器磁滯回曲線BHBrBsBrBmBmBsBs:飽和磁感應強度Br:剩余磁感應強度Bm:工作磁感應強度第144頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一磁性元件的特性在開關(guān)電源中磁元件的作用及應用當變壓器用，可起作用為:電氣隔離;變比不同，達到電壓升、降;大功率整流副邊相移不同，有利于紋波系數(shù)減小磁藕合傳送能量;當電感器用，可起作用為:儲能、平波、濾波抑制尖峰電壓或電流，保護易受電壓、電流損壞的電子元件于電容器構(gòu)成諧振，產(chǎn)生方向交變的電壓或電流第145頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一磁性元件的參數(shù)的復雜性電壓電流頻率溫度能量電感量變比漏電感磁性材料參數(shù)銅損耗鐵損耗第146頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一磁性材料基本特性的描述參數(shù)1.初始磁導率，i磁性材料的磁化曲線始端磁導率的極限值:0:真空磁導率H:交流磁場強度B:交流磁感應強度第147頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一磁性材料基本特性的描述參數(shù)2.有效磁導率:在閉合磁路中(漏磁可忽略),磁心的有效磁導率為:L線圈的自感量(mH)N線圈圈數(shù)磁芯常數(shù)，磁路長度I與磁芯截面積之比值第148頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一磁性材料基本特性的描述參數(shù)3.飽和磁感應強度，Bs隨磁芯中磁場強度H增加，磁感應強度出現(xiàn)飽和時的B值，稱飽和磁感應強度Bs4.剩余磁感應強度，Br磁芯從磁飽和狀態(tài)去除磁場后，剩余的磁感應強度。5.矯頑力，Hc磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場后，繼續(xù)反向磁化，直至磁感應強度減小到零，此時的場強強度稱為矯頑力。第149頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一磁性材料基本特性的描述參數(shù)6.溫度系數(shù)，在T1至T2范圍內(nèi)變化時，每1oC相應磁導率的相對變化量:μ1:溫度為T1時的磁導率μ2:溫度為T2時磁導率第150頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一磁性材料基本特性的描述參數(shù)7.居里溫度，Tc磁芯狀態(tài)由鐵磁性轉(zhuǎn)變成順磁性時的溫度8.磁芯損耗(鐵損),Pc磁芯在工作磁感應強度時的單位體積損耗，工作磁感應強度可表示為:Bm:工作磁感應強度Vs:線圈兩端的電壓(V)F:頻率(KHz)N:線圈圈數(shù)Ae:有效截面積第151頁，共162頁，2023年，2月20日，星期一磁性材料基本特性的描述參數(shù)9.電感系數(shù)，AL電感系數(shù)是磁芯上每一匝線圈產(chǎn)生的自感量:L:有磁芯的線圈的自感量(H)N:線圈匝數(shù)磁芯損耗包括:磁滯損耗、渦流損、殘留