現(xiàn)代電源技術(shù)功率變換部分課件

現(xiàn)代電源技術(shù)教程參考教材：

開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)

設(shè)計(jì)與應(yīng)用周志敏周紀(jì)海編著

人民郵電出版社新型智能開關(guān)電源技術(shù)劉賢興李眾李捷輝編著

機(jī)械出版社陳德榮ENALL:chen.d.

tel:62932399徐匯：工程館333閔行：信控?fù)?08

教程的目的與要求：現(xiàn)代電源技術(shù)是一門涉及眾多學(xué)科的的復(fù)雜技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域很廣，是電力電子從業(yè)人員必修的一門課程修完該課程應(yīng)達(dá)到以下基本要求1，了解電源技術(shù)的現(xiàn)狀，發(fā)展，及研究熱點(diǎn)2，熟悉電源關(guān)鍵器件特性類型及應(yīng)用3，掌握電源各種先進(jìn)技術(shù)4，學(xué)會(huì)簡易電源的設(shè)計(jì)方法，安裝及調(diào)試技能5，學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)軟件仿真，分析方法成績?cè)u(píng)定：總成績＝理論分＋實(shí)踐分（包含平時(shí)分）課程內(nèi)容安排

1－2電源的構(gòu)成與分類1開關(guān)電源的基本構(gòu)成開關(guān)電源的基本電路如圖2－1所示輸入回路－將交流輸入電壓整流成為較平滑的直流高壓功率變換器－將直流高壓變換為頻率大于20KHZ的高頻脈沖電壓整流及濾波電路－將高頻脈沖電壓轉(zhuǎn)換穩(wěn)定的直流輸出電壓PWM控制器——將輸出直流電壓進(jìn)行取樣控制功率器件的驅(qū)動(dòng)脈沖寬度，從而調(diào)整開通時(shí)間以使輸出電壓可調(diào)且穩(wěn)定。2開關(guān)電源的特點(diǎn)（1）重量輕，體積小采用高頻技術(shù)，去掉了工頻變壓器，在同等的輸出功率下，體積。重量可縮減10/1（2）功率因數(shù)高經(jīng)PFC的開關(guān)電源功率因數(shù)一般都在0。93以上而且不受負(fù)載的變化影響（3）可聽噪聲低在線性電源中，工頻變壓器及濾波電感產(chǎn)生噪聲大于60分貝，而開關(guān)電源僅為45分貝左右。第三章現(xiàn)代電源領(lǐng)域新技術(shù)3－1PFC技術(shù)3－2同步整流技術(shù)3－3軟開關(guān)技術(shù)3－4高頻磁技術(shù)3－5均流技術(shù)3－6DC/DC變換技術(shù)第四章電源中的電子變壓器4－1變壓器的設(shè)計(jì)與計(jì)算4－2變壓器的典型應(yīng)用第五章開關(guān)電源電磁兼容性所涉及的內(nèi)容5－1EMI產(chǎn)生的形式5－2EMS的測量5－3雷電產(chǎn)生的EMP5－4ESD的性能指標(biāo)第六章開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用第一章現(xiàn)代電源技術(shù)概述1－1現(xiàn)代電源技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展現(xiàn)狀：先進(jìn)的電路技術(shù)－PFC技術(shù)，同步整流技術(shù)，軟開關(guān)技術(shù)高頻磁技術(shù)，均流技術(shù)，DC/DC技術(shù)先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)－PIC器件，模塊器件

水平：效率－高達(dá)93％穩(wěn)壓精度－0。5功率因數(shù)－單相0。97－0。999噪聲電壓－寬頻噪聲，衡重噪聲

發(fā)展方向：高效率，小型化，集成化，智能化高可靠性1-1-1功率半導(dǎo)體技術(shù)新進(jìn)展

功率開關(guān)器件發(fā)展階段

50年代60年代70年代80年代90年代可控硅SCR快速晶閘管可關(guān)斷晶閘管GTO1高壓GTO大容量大功率高性能（晶閘管）2IGCT省吸收與IGBT結(jié)合3MCT優(yōu)勢互補(bǔ)（MOS晶閘管）電力晶體管GTR1IGBT1高速IGBT2功率MOSFET2低電荷功率MOSFET

1-1-2電源領(lǐng)域技術(shù)新進(jìn)展

功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)

PFC的概念起源于1980年，重視和推廣在80年代末，主要制定了IEC555-－2，IEC1000-3-2

使得研究PFC術(shù)研究成為電源界熱點(diǎn)

現(xiàn)在關(guān)注：一是二級(jí)PFC技術(shù)，二是單級(jí)PFC技術(shù)

同步整流技術(shù)

同步整流的概念：當(dāng)輸出為低電壓大電流時(shí)整流損耗成為功率變換器主要損耗所以提出采用低導(dǎo)通電阻的MOSFET進(jìn)行整流。

同步整流－是通過控制MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路來利用功率MOSFET實(shí)現(xiàn)整流功能的技術(shù)

發(fā)展：同步整流技術(shù)出現(xiàn)得較早，但早期的技術(shù)很難轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品，這是由于當(dāng)時(shí)驅(qū)動(dòng)

技術(shù)不成熟，可靠性不高。經(jīng)過幾年的發(fā)展，同步整流技術(shù)已經(jīng)成熟。由于開發(fā)成本

的原因，目前只在技術(shù)含量較高的開關(guān)電源模塊中得到應(yīng)用。

優(yōu)勢：同步整流技術(shù)提高了電源效率，它同時(shí)給電源模塊帶來了許多新的進(jìn)步。

同步整流技術(shù)符合高效節(jié)能的要求，適應(yīng)新一代芯片電壓的要求，有著非常廣闊的應(yīng)

用前景。但目前只有較少的公司掌握了該項(xiàng)技術(shù)，并且實(shí)現(xiàn)的成本也很高，而且還有

很多應(yīng)用領(lǐng)域未得到開拓。隨著用于同步整流的MOSFET批量投入市場，專用驅(qū)動(dòng)芯片

的出現(xiàn)，以及控制技術(shù)的不斷完善，同步整流技術(shù)將成為一種主流電源技術(shù)，逐步應(yīng)

用于廣泛的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

軟開關(guān)技術(shù)

軟開關(guān)技術(shù)的概念：是利用電容于電感諧振使得開關(guān)器件中電流（電壓）按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律

變化。當(dāng)電流過另時(shí)，器件關(guān)斷；當(dāng)電壓過另時(shí)，器件開通，實(shí)現(xiàn)開關(guān)損耗為另

軟開關(guān)技術(shù)：可分為1，PFM2,PWM3,PS方式

發(fā)展動(dòng)態(tài)：自20世紀(jì)80年代中期起，采用PWM控制技術(shù)的高功率密度DC/DC變換器模塊走進(jìn)了世界市場。如今，已廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域中。1997年，在已經(jīng)行了將近30年的世界范圍的軟開關(guān)基礎(chǔ)理論研究之后，美國Vicor開關(guān)電源公司最先推出了VI－300系列軟開關(guān)高密度DC/DC產(chǎn)品。第二代產(chǎn)品是以Vicor公司有專利權(quán)的零電流開關(guān)（ZCS）和零電壓開關(guān)（ZVS）軟開關(guān)控制技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合了控制集成、封裝、鐵氧體、噪音和散熱技術(shù)等方面的最新成果，產(chǎn)品達(dá)到了與理想功率器件極為接近的境地。第二代產(chǎn)品與第一代產(chǎn)品相比，功率密度增加了兩倍，即為120W/in3。第二代產(chǎn)品的出現(xiàn)預(yù)示著它們將是DC/DC變換器未來的主流產(chǎn)品。

DC/DC技術(shù)研究熱點(diǎn)：低電壓大電流

高頻磁技術(shù)：電力電子高頻磁技術(shù)是將電力電子技術(shù)與磁技術(shù)結(jié)合起來高頻磁技術(shù)是電力電子技術(shù)中的重要內(nèi)容。功率磁元件是所有電源中必不可少的關(guān)鍵器件。它擔(dān)負(fù)著磁能傳遞，儲(chǔ)存以及濾波功能。其體積和重量一般占到電路20－30％

10年內(nèi)重點(diǎn)發(fā)展：高頻低功耗高磁導(dǎo)率材料和片式化的表面貼裝軟磁材料在非晶軟磁金金屬和磁記錄材料方面，發(fā)展納米材料70年代初20KHZ電子變壓器取代了工頻變壓器使得變壓器體積減小60－80％重量減輕75％，目前開關(guān)頻率已從20KHZ提高到10MHZ,

2－2基礎(chǔ)電路2-2-1EMI濾波電路開關(guān)電源設(shè)計(jì)應(yīng)考慮抑制干擾，而濾波是一種抑制干擾有效方法，不僅可以抑制傳輸線上傳導(dǎo)干擾，同時(shí)對(duì)輻射發(fā)射也具有顯著抑制效果，圖2-2-1是開關(guān)電源輸入級(jí)常用一種EMI濾波器電路分析：圖2－2是對(duì)共模噪聲和差模噪聲都有效的濾波器電路。其中，L1、L2、C1為抑制差模噪聲回路，L3、C2、C3構(gòu)成抑制共模噪聲回路。L1、L2的鐵芯應(yīng)選擇不易磁飽和的材料及M－F特性優(yōu)良的鐵芯材料。C1使用陶瓷電容或聚酯薄膜電容，應(yīng)有足夠的耐壓值，其容量一般取0.22～0.47uF。L3為共模電感，對(duì)共模噪聲具有較高的阻抗、較好的抑制效果。

2-2-2整流與濾波電路

2-2-3功率變換電路

在高頻開關(guān)電源功率轉(zhuǎn)換電路中，單斷變換器(正激、反激式)與雙端變換器（推挽式、半橋、全橋式）的本質(zhì)區(qū)別，在于其高頻變壓器的磁芯只工作在第一象限，即處于磁滯回線一邊。按變壓器的副邊開關(guān)整流二極管的不同接線方式，單斷變換器有兩種類型：a.單端正激式變換電路b.單端反激式變換電路2.2.3.1單端反激式變換電路1.基本工作原理（下圖）ton時(shí)，Q1通，E+加在原邊Lp兩端，ip線形增加，儲(chǔ)能；副邊Ls電壓上正下負(fù)，D1反偏截止。toff時(shí)，Q1截止，ip降為０，原邊Lp兩端電壓極性反向，副邊Ls電壓隨著變?yōu)樯县?fù)下正，D1正向?qū)?。此后，?chǔ)存在變壓器中的磁能向負(fù)載傳遞釋放電能。

當(dāng)單斷反激式變換器在原邊開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，開關(guān)管截止時(shí)才向負(fù)載釋放能量，故高頻變壓器既起到變壓隔離作用，又是電感儲(chǔ)能元件。因此，又稱單端反激式變換器為“電感儲(chǔ)能式變換器”。2.電路特點(diǎn)a.由于原邊、副邊的電感量為常數(shù)，使原邊和副邊電流按線形規(guī)律升降，其電流工作狀態(tài)有三種：非連續(xù)態(tài)、臨界態(tài)及連續(xù)狀態(tài)；b一般用在小功率場合c利用率不高注意設(shè)計(jì)原則：必須使高頻變壓器磁芯的磁通復(fù)位。即：必須讓高壓開關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通和截止期間，加在高頻變壓器原邊繞組上的伏－秒數(shù)相等。2-2-3功率變換電路2.2.3.2單端正激式變換電路1.基本工作原理 Q1導(dǎo)通時(shí)，D1導(dǎo)通，電路向負(fù)載RL輸送能量，同時(shí)輸出濾波電感L0儲(chǔ)存能量；Q1截止時(shí)，電感L0儲(chǔ)存能量通過續(xù)流二極管D2向負(fù)載釋放2.電路特點(diǎn)a.導(dǎo)通時(shí)輸入饋電給負(fù)載，截止時(shí)Ｌ供電給負(fù)載；b.N3起到去磁復(fù)位功能外，同時(shí)，與二極管D3一起組成箍位電路防止Q1截止期間及瞬態(tài)過程中高頻變壓器漏感引起電壓尖峰疊加在Q1上；c.若去磁繞組與原邊繞組匝數(shù)相等，并保持緊耦合，Q1承受的電壓最大為2E設(shè)計(jì)中注意原則：由于高頻變壓器工作在磁滯回線的一側(cè)，必須遵守磁通復(fù)位原則，即導(dǎo)通脈寬不能超出周期的一半。雙管正激并聯(lián)電路具有輸出功率大，輸出方波頻率加倍，易于濾波，開關(guān)管耐壓值減半約等于輸入電壓Vn，取消了變壓器去磁繞組等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于大功率變換電路中，是可靠性高，制造不復(fù)雜的主要電路之一。單端正激變換器電路推挽功率變換電路全橋功率變換電路

2-2-3功率變換電路2.2.3.5半橋式功率變換電路1.基本工作原理與全橋功率變換電路相比，兩個(gè)功率器件改為兩個(gè)容量相等的電容代替。C1和C2的主要作用是實(shí)現(xiàn)靜態(tài)時(shí)的分壓，使Va=Vin/2。2.電路特點(diǎn)當(dāng)VT1導(dǎo)通、VT2截止時(shí)，電源向 C2充電；當(dāng)VT2導(dǎo)通、VT1截止時(shí)，輸入