新能源汽車電力電子技術(shù) 課件 第7章 直流穩(wěn)壓電源

第7章直流穩(wěn)壓電源

穩(wěn)壓電路7.67.1概述各種放大器、電子設(shè)備及自動(dòng)控制裝置，都需要穩(wěn)定的直流電源供電。直流電源可以由直流發(fā)電機(jī)和各種電池提供，但比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法是利用具有單向?qū)щ娦缘碾娮悠骷⑹褂脧V泛的工頻正弦交流電轉(zhuǎn)換成直流電。圖7-1是直流穩(wěn)壓電源的組成原理方框圖及其各個(gè)部分的輸出波形，表示了把交流電轉(zhuǎn)換成直流電的過程，圖中各環(huán)節(jié)的功能如下圖7-1直流穩(wěn)壓電源的組成框圖電源變壓器1)電源變壓器：將正弦工頻電源電壓變?yōu)榉嫌秒娫O(shè)備所需要的正弦工頻交流電壓

。2)整流電路：利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟ㄈ缍O管、晶閘管），將正弦交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)的直流電壓

。3)濾波電路：盡可能地將單向脈動(dòng)直流電壓

中的脈動(dòng)部分（交流分量）減小，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓

。4)穩(wěn)壓電路：清除電網(wǎng)波動(dòng)及負(fù)載變化的影響，保持輸出電壓

的穩(wěn)定。7.1概述7.2二極管整流電路7.2.1單相半波整流電路7.2.2單相橋式整流電路7.2.1單相半波整流電路1.電路組成單相半波整流電路由整流變壓器、整流二極管

及負(fù)載電阻組成，如圖所示。單相半波整流電路及其波形7.2.1單相半波整流電路2.工作原理整流變壓器

將電網(wǎng)電壓

變換為整流電路所要求的交流電壓

。將整流二極管視做理想二極管，正向電阻為

0，反向電阻為無窮大。如圖所示，在電壓

正半周時(shí)，極性上正下負(fù)，二極管承受正向電壓導(dǎo)通，此時(shí)負(fù)載上的電壓等于輸入電壓

；在電壓

負(fù)半周時(shí)，極性上負(fù)下正，二極管承受反向電壓截止，輸出電壓0，在電壓

正半周，

二極管

導(dǎo)通；在電壓

負(fù)半周，二極管截止；輸出波形如圖所示，流過二極管的電流

和負(fù)載電壓波形相似，二極管承受的電壓和輸出電壓剛好相反。7.2.1單相半波整流電路3.輸出電壓和電流的估算由輸出波形可以看到，負(fù)載上得到的整流電壓常用一個(gè)周期的平均值來衡量它的大小。4.整流二極管的選擇電路中通過整流二極管的平均電流就是負(fù)載電流

在二極管不導(dǎo)通期間，承受反向電壓的最大值就是變壓器二次側(cè)電壓的最大值，即7.2.2單相橋式整流電路1.電路組成

單相橋式整流電路由整流變壓器

，

4只整流二極管～構(gòu)成的整流橋及負(fù)載電阻組成，如圖所示。單相橋式整流電路及其波形7.2.2單相橋式整流電路2.工作原理如圖所示電路中，當(dāng)變壓器二次側(cè)電壓為

上正下負(fù)時(shí)，二極管

和

導(dǎo)通，

和

截止，電路的導(dǎo)電路徑為：

，這時(shí)負(fù)載電阻

上得到一個(gè)正弦半波電壓，圖中（0～

、

～

）所示；當(dāng)變壓器二次側(cè)電壓為

上負(fù)下正時(shí)，二極管

和

反向截止，

和

導(dǎo)通，電路的導(dǎo)電路徑為：

，同樣，在負(fù)載電阻

上得到一個(gè)正弦半波電壓，輸出波形圖中（

～

、

～

）所示。7.2.2單相橋式整流電路3.輸出電壓和電流的估算由圖可知，橋式整流電路輸出電壓的平均值比半波整流電路輸出電壓的平均值增加了

1倍，即直流電流橋式整流電路通過負(fù)載電阻的直流電流也增加1倍，即4.二極管的選擇（1）二極管的平均電流

（2）二極管承受的最高反向電壓7.3晶閘管整流電路7.3.1單相半波可控整流電路7.3.2單相半控橋式整流電路7.3.1單相半波可控整流電路把不可控的單相半波整流電路中的二極管用晶閘管代替，就成為單相半波可控整流電路。如圖是單相半波可控整流電路，由晶閘管

、負(fù)載

和單相整流變壓器

組成。單相半波可控整流電路7.3.1單相半波可控整流電路該電路工作時(shí)的波形如圖所示。0～期間，晶閘管承受正向陽極電壓，但觸發(fā)電路未送出控制極觸發(fā)脈沖，所以，晶閘管保持阻斷狀態(tài)，無直流電壓輸出。當(dāng)

時(shí)，

下降到零，晶閘管電流也下降到零而關(guān)斷，電路無輸出。在

的負(fù)半周，即

為

～

時(shí)，晶閘管承受反向電壓，處于反向阻斷狀態(tài)，負(fù)載兩端電壓

為零。7.3.2單相半控橋式整流電路實(shí)際電路中常用單相半控橋式整流電路，如圖所示。單相半控橋式整流電路7.3.1單相半波可控整流電路當(dāng)

處于正半周時(shí)，此時(shí)

和

承受正向電壓，但并沒有導(dǎo)通，若在

時(shí)刻給

的控制極加上觸發(fā)脈沖，則

和

均導(dǎo)通，電流

由

負(fù)載

端，此時(shí)負(fù)載上的瞬時(shí)電壓值等于

。當(dāng)

時(shí)，

下降到零，

和

關(guān)斷，電路無輸出。同樣，在電壓

的負(fù)半周且電角度

時(shí)，觸發(fā)晶閘管。由于此時(shí)

、

承受正向電壓，所以

、

導(dǎo)通，電流

由

負(fù)載

端，此時(shí)負(fù)載上的瞬時(shí)電壓值等于

。當(dāng)

時(shí)，

上升到零，

、

關(guān)斷，電路無輸出。7.4車用發(fā)電機(jī)整流電路7.4.1整流器的組裝7.4.2整流原理車用整流器由6個(gè)硅二極管按照圖7-6而成。壓裝在后端蓋上的3個(gè)硅二極管,其引線為負(fù)極,外殼為正極,俗稱負(fù)極管,管殼底上有黑色標(biāo)記;壓裝在散熱板上的3個(gè)二極管,其引線為正極,外殼為負(fù)極,俗稱正極管,管殼底上有紅色標(biāo)記。散熱板上的3個(gè)正極管分別接在發(fā)電機(jī)三相繞組的首端。

7.4.1整流器的組裝（a）原理圖(b)二極管的壓裝圖7-6壓裝式整流器的組裝1-正極板2-負(fù)極板7.4.2整流原理發(fā)電機(jī)定子繞組中感應(yīng)產(chǎn)生的是交流電,是靠6只二極管組成的三相橋式整流電路變?yōu)橹绷麟姷娜鐖D7-7(a)所示。二極管具有單向?qū)щ娞匦?當(dāng)給二極管加上正向電壓時(shí),正二極管導(dǎo)通,當(dāng)給二極管加上反向電壓時(shí),二極管截止。將定子的三相繞組和6只整流二極管按電路連接，發(fā)電機(jī)的輸出端正、負(fù)極上就輸出一個(gè)脈動(dòng)直流電壓，如圖7-7(b)所示。（a）原理圖(b)整流波形圖7-7整流原理7.5濾波電路7.5.1電容濾波電路7.5.2電感濾波電路7.5.3復(fù)式濾波電路7.5.1電容濾波電路1.電路結(jié)構(gòu)

電容濾波器的電路結(jié)構(gòu)就是在整流電路的輸出端與負(fù)載電阻并聯(lián)一個(gè)足夠大的電容器，利用電容器上電壓不能突變的原理進(jìn)行濾波。電容濾波電路組成電容濾波電路波形7.5.1電容濾波電路2.工作原理設(shè)電容器事先未充電，在

的正半周時(shí)，二極管

VD導(dǎo)通，忽略二極管正向壓降，則

這個(gè)電壓一方面給電容充電，一方面產(chǎn)生負(fù)載電流

，電容C上的電壓

與

同步增長，當(dāng)

達(dá)到峰值后，開始下降，

，二極管截止，如圖所示的A點(diǎn)之后，電容C以指數(shù)規(guī)律經(jīng)

放電，

下降。當(dāng)放電到B點(diǎn)時(shí)，

又開始上升，當(dāng)

時(shí)，電容C再次被充電到峰值。

降到

C點(diǎn)以后，電容C再次經(jīng)

放電，通過這種周期性充放電，以達(dá)到濾波效果。(半波）（全波）7.5.1電容濾波電路3.電容濾波器的特點(diǎn)

（1）電路簡單，濾波效果較好，應(yīng)用廣泛。（2）輸出電壓平均值提高。電容的放電填補(bǔ)了整流波形的一部分空白。電容越大，波形越平滑，輸出電壓的平均值上升越大。（3）整流二極管導(dǎo)通時(shí)間短，電流峰值大，而在一個(gè)周期內(nèi)電容器的充電電荷等于放電電荷，即通過電容器的平均電流為0，在二極管導(dǎo)通期間，其電流

的平均值近似等于負(fù)載電流的平均值。（4）外特性較差。也就是說輸出電壓隨著外部負(fù)載的變化而變化，即外特性較差，或者說帶負(fù)載能力差。7.5.2電感濾波電路1.電路結(jié)構(gòu)

若在整流電路和負(fù)載電阻之間串入一電感線圈，就構(gòu)成了電感濾波器。電感濾波器是利用了電感元件的電流不能突變這一特性進(jìn)行濾波的，如圖所示。

2.工作原理

當(dāng)電感足夠大時(shí)，整流電壓的交流分量大部分降在電感上，而直流分量則大部分降在負(fù)載電阻上。則電感濾波器的輸出電壓為：

電感濾波電路7.5.3復(fù)式濾波電路1.電路結(jié)構(gòu)

復(fù)式濾波電路是電容濾波和電感濾波的復(fù)合濾波電路，其組成結(jié)構(gòu)如圖所示。

復(fù)式濾波電路橋式濾波整流電路7.5.3復(fù)式濾波電路2.工作原理

為了進(jìn)一步減小輸出電壓的脈動(dòng)程度，可以用電容和鐵芯電感組成各種形式的復(fù)式濾波電路。電感型LC濾波電路如圖所示。整流輸出電壓中的交流成分絕大部分降落在電感上，電容C又對交流接近于短路，故輸出電壓中交流成分很少，幾乎是一個(gè)平滑的直流電壓。由于整流后先經(jīng)電感L濾波，總特性與電感濾波電路相近，故稱為電感型LC濾波電路，若將電容C平移到電感L之前，則為電容型

濾波電路。7.6穩(wěn)壓電路7.6.1硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路7.6.2集成穩(wěn)壓電路7.6.1硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路1.并聯(lián)型穩(wěn)壓電路（1）電路結(jié)構(gòu)硅穩(wěn)壓二極管組成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖所示,不論是電網(wǎng)電壓波動(dòng)還是負(fù)載電阻的變化，穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路都能起到穩(wěn)壓作用，因?yàn)?/p>

基本恒定，而

。穩(wěn)壓管并聯(lián)型穩(wěn)壓電路7.6.1硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路(2)工作原理

A.當(dāng)

不變，電網(wǎng)電壓升高使

升高時(shí)反之亦然。B.當(dāng)電網(wǎng)電壓不變，當(dāng)負(fù)載電阻

阻值增大時(shí)在實(shí)際使用中，這兩個(gè)過程是同時(shí)存在的，而兩種調(diào)整也同樣存在。因而無論電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載變化，都能起到穩(wěn)壓作用。7.6.1硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路2.穩(wěn)壓管串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

(1)電路結(jié)構(gòu)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路由取樣電路、比較放大電路、基準(zhǔn)電壓電路和調(diào)整管四部分組成。如圖所示為分立元件的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路7.6.1硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路(2)工作原理調(diào)整管

與負(fù)載

串聯(lián)，故稱此電路為串聯(lián)穩(wěn)壓電路，調(diào)整管受比較管

控制，集射極間相當(dāng)于一個(gè)可變電阻，用來抵消輸出電壓波動(dòng)。設(shè)負(fù)載電阻

不變，由于輸入電源電壓

減小，使輸出電壓

有減小趨勢，則通過取樣電阻分壓使比較放大管的基極電位

隨之減小，比較放大管的發(fā)射極電位

不變，因此

減小，于是比較放大管的導(dǎo)通能力減弱，

升高，調(diào)整管導(dǎo)通能力增強(qiáng)調(diào)整管壓降下降，使

保持穩(wěn)定。這個(gè)自動(dòng)調(diào)整過程實(shí)際上是一負(fù)反饋過程。7.6.2集成穩(wěn)壓電路如果將調(diào)整管、比較放大環(huán)節(jié)、基準(zhǔn)電壓電路及取樣環(huán)節(jié)和各種保護(hù)環(huán)節(jié)均制作在同一芯片上，就構(gòu)成了集成穩(wěn)壓電路。如圖所示為

系列集成穩(wěn)壓電路的內(nèi)部組成框圖。W7800系列集成穩(wěn)壓器內(nèi)部組成框圖7.6.2集成穩(wěn)壓電路串聯(lián)集成穩(wěn)壓電路的種類繁多，按輸出電壓是否可調(diào)可以分為固定和可調(diào)兩類，按外部引線的數(shù)目又可以分為三端集成穩(wěn)壓器和多端集成穩(wěn)壓器。常用的三端集成穩(wěn)壓器的電路符號(hào)如圖,只有三個(gè)接線端：輸入端1、公共端2和輸出端3，由于它具有體積小、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、使用方便等特點(diǎn)，目前在各種電子系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。電路符號(hào)W7800系列穩(wěn)壓器的外形1237.6.2集成穩(wěn)壓電路系列(輸出正電壓)和系列(輸出負(fù)電壓)穩(wěn)壓器符號(hào)中“00”用數(shù)字表示輸出電壓值。系列輸出固定的正電壓有5V、8V、12V、15V、18V、24V多種。例如的輸出電壓為15V，系列輸出固定的負(fù)電壓，參數(shù)與系列的基本相同。在使用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，輸入電壓應(yīng)至少高于輸出電壓2V～3V，但也不能超過最大輸入電壓(一般

系列為30V～40V，