最新現(xiàn)代電源技術(shù)功率變換部分

1、現(xiàn)代電源技術(shù)現(xiàn)代電源技術(shù)教程參考教材： 開(kāi)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(kāi)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 : tel: 62932399 徐匯：工程館 333 閔行：信控 摟 508 教程的目的與要求：現(xiàn)代電源技術(shù)是一門(mén)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(mén)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(lèi)型及應(yīng)用3，掌握電源各種先進(jìn)技術(shù)4，學(xué)會(huì)簡(jiǎn)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(jī)?cè)u(píng)定：總成績(jī)理論分實(shí)

2、踐分（包含平時(shí)分）課程內(nèi)容安排第一章 現(xiàn)代電源技術(shù)概述 11 電源技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 1-1-1 功率半導(dǎo)體技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 1-1-2 電源技術(shù)的新進(jìn)展 12 電源的構(gòu)成及特點(diǎn) 1-2-1 現(xiàn)代電源的構(gòu)成原理及特點(diǎn) 1-2-2 開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi) 1-2-3 開(kāi)關(guān)電源常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 1-2-4 電源主要參數(shù)分析第二章 電源中的電力電子器件與基礎(chǔ)電路 21 電力電子器件 22 基礎(chǔ)電路 2-2-1 emi濾波電路 2-2-2 整流與濾波電路 2-2-3 功率變換電路 2-2-4 控制與驅(qū)動(dòng)電路 2-2-5 保護(hù)電路 12 電源的構(gòu)成與分類(lèi)1 開(kāi)關(guān)電源的基本構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源的基本電路如圖21所示輸入回路將

3、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(kāi)通時(shí) 間以使輸出電壓可調(diào)且穩(wěn)定。2 開(kāi)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(kāi)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(tīng)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(kāi) 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) 31 pfc技

4、術(shù) 32 同步整流技術(shù) 33 軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 34 高頻磁技術(shù) 35 均流技術(shù) 36 dc/dc變換技術(shù)第四章 電源中的電子變壓器 41 變壓器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 42 變壓器的典型應(yīng)用第五章 開(kāi)關(guān)電源電磁兼容性所涉及的內(nèi)容 51 emi產(chǎn)生的形式 52 ems的測(cè)量 53 雷電產(chǎn)生的emp 54 esd的性能指標(biāo)第六章 開(kāi)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11 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(kāi)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。970。999

5、 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(kāi)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gto 1 高壓gto 大容量大功率高性能 （晶閘管） 2 igct 省吸收與igbt結(jié)合 3 mct 優(yōu)勢(shì)互補(bǔ) （mos晶閘管） 電力晶體管gtr 1 igbt 1 高速igbt 2 功率mosfet 2低電荷功率mosfet n 功率二極管的發(fā)展n pin功率二極管 sbd肖特基勢(shì)壘功率二極管n 耐高壓，大電流， 極高的開(kāi)關(guān)頻率n 低泄漏電流低導(dǎo)通損耗 n 開(kāi)關(guān)頻率不

6、高 不適于高電壓大電流的應(yīng)用n n power-ic 器件的發(fā)展 n pwm/mosfet 二合一ic 集功率開(kāi)關(guān)，控制電路，保護(hù)電路與一體，n 性價(jià)比較高。n tops wich系列二合一功率ic top220, top230, top250,n 仙童公司 5l系列 0380 1m系列 0880n 廣泛應(yīng)用于小家電，通訊設(shè)備等n n igbt功率模塊 復(fù)合功率模塊pim 智能功率模塊ipm 電力模塊ipem n 電力電子模塊peebn 水平 12001800a 600an 1800-3300v 2000v 1-1-2 電源領(lǐng)域技術(shù)新進(jìn)展電源領(lǐng)域技術(shù)新進(jìn)展功率因數(shù)校正（功率因數(shù)校正（pfc）技

7、術(shù)）技術(shù) pfc的概念起源于的概念起源于1980年年 ，重視和推廣在，重視和推廣在80年代末，主要制定了年代末，主要制定了iec555-2，iec1000-3-2 使得研究使得研究 pfc術(shù)研究成為術(shù)研究成為 電源界熱點(diǎn)電源界熱點(diǎn) 現(xiàn)在關(guān)注：一是二級(jí)現(xiàn)在關(guān)注：一是二級(jí)pfc技術(shù)，二是單級(jí)技術(shù)，二是單級(jí)pfc技術(shù)技術(shù) 同步整流技術(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)通電阻的用低導(dǎo)通電阻的mosfet進(jìn)行整流。進(jìn)行整流。同步整流是通過(guò)控制同步整流是通過(guò)控制mos

8、fet的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)利用功率的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)利用功率mosfet實(shí)現(xiàn)整流功能的技術(shù)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)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(guò)幾年的發(fā)展，同步整流技術(shù)已經(jīng)成熟。由于開(kāi)發(fā)成本技術(shù)不成熟，可靠性不高。經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，同步整流技術(shù)已經(jīng)成熟。由于開(kāi)發(fā)成本的原因，目前只在技術(shù)含量較高的開(kāi)關(guān)電源模塊中得到應(yīng)用。的原因，目前只在技術(shù)含量較高的開(kāi)關(guān)電源模塊中得到應(yīng)用。優(yōu)勢(shì)：同步整流技術(shù)提高了電源效率，它同時(shí)給優(yōu)勢(shì)：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(lái)了

9、許多新的進(jìn)步。電源模塊帶來(lái)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)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(kāi)拓。隨著用于同步整流的很多應(yīng)用領(lǐng)域未得到開(kāi)拓。隨著用于同步整流的mosfet批量投入市場(chǎng)，專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片批量投入市場(chǎng)，專(zhuān)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)的出現(xiàn)，以及控制技術(shù)的不斷完善，同步整流

10、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。用于廣泛的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。n軟開(kāi)關(guān)技術(shù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的概念：是利用電容于電感諧振使得開(kāi)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(guò)另時(shí)，器件關(guān)斷；當(dāng)電壓過(guò)另時(shí)，器件開(kāi)通，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗為另軟開(kāi)關(guān)技術(shù)：可分為1，pfm 2, pwm 3 , 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(chǎng)。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(kāi)關(guān)基礎(chǔ)理論研究之后，美國(guó)vicor開(kāi)關(guān)電源公司最先推出了vi300系列軟開(kāi)關(guān)高密度dc/dc產(chǎn)品。第二代產(chǎn)品是以v

11、icor公司有專(zhuān)利權(quán)的零電流開(kāi)關(guān)（zcs）和零電壓開(kāi)關(guān)（zvs）軟開(kāi)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(lái)的主流產(chǎn)品。dc/dc技術(shù)n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(lái)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

12、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6080重量減輕75 ，目前開(kāi)關(guān)頻率已從20khz提高到10mhz, 第二章 電源中的電力電子器件與基礎(chǔ)電路 21 電力電子器件 22 基礎(chǔ)電路2-2-1 emi濾波電路開(kāi)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(kāi)關(guān)電源輸入級(jí)常用一種emi濾波器電路分析：圖22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，l

13、3、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mf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0.220.47uf。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(kāi)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(kāi)關(guān)整流二極管的不同接線方式，單斷變換器有兩種類(lèi)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

14、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，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)ā４撕?，?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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，開(kāi)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(chēng)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)；

15、 b一般用在小功率場(chǎng)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(kāi)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。n單端反激式變換器簡(jiǎn)圖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l(wèi)0儲(chǔ)存能量； q1截止時(shí)，電感l(wèi)0儲(chǔ)存能量通過(guò)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)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(guò)程中高頻變壓器漏感引起電壓尖峰疊加在q1上； c.若

16、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(kāi)關(guān)管耐壓值減半約等于輸入電壓v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2-2-3 功率變換電路2.2.3.3推挽式功率變換電路（34） 1.基本工作原理vt1、vt2中交替導(dǎo)通時(shí)，w1和w2有相應(yīng)的電流流過(guò)，變換器二次側(cè)將有功率輸出。 2.電路特點(diǎn) a由于功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)射極共地，無(wú)須隔離

17、基極驅(qū)動(dòng)電路，簡(jiǎn)化 b兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件輪流導(dǎo)通可獲得較大的功率輸出； c功率開(kāi)關(guān)的耐壓值應(yīng)當(dāng)大于2vin2.2.3.4全橋式功率變換電路 1.基本工作原理 變壓器連接在四橋臂中間，相對(duì)的兩對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件vt1-vt4和vt2-vt3交替導(dǎo)通或截止，使變壓器的二次側(cè)有功率輸出。 當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件vt1-vt4導(dǎo)通時(shí)， vt2-vt3則截止，這時(shí)， vt2-vt3兩端承受的電壓為輸入電壓v在功率開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的尖峰電壓被二極管vd1vd4鉗位于輸入電壓v 2.電路特點(diǎn) 1）全橋式功率開(kāi)關(guān)器件的耐壓值只要大于v即可 2）使用鉗位二極管vd1vd4，有利于提高電源效率； 3）電路使用了四個(gè)功率開(kāi)

18、關(guān)器件，四組驅(qū)動(dòng)電路需要隔離。應(yīng)用：主要應(yīng)用于大功率變換電路中，由于驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜且均需隔離，因此在電路設(shè)計(jì)和工藝結(jié)構(gòu)布局中要有足夠的考慮。n推挽功率變換電路全橋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)，輸入電流向c1充電。 vt1導(dǎo)通、vt2截止時(shí)，vt2兩端承受的電壓為輸入直流電壓vin。這也是開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓。 2.電路特點(diǎn) a.在高頻變壓器上施加的電壓只有全橋功率變換電路的一半，在同等功率輸出的條件下，半橋開(kāi)關(guān)管的工作電流需要增加一倍；b.突出優(yōu)點(diǎn)，具有抗不平衡能力；應(yīng)用：中等功率容量的電源；串聯(lián)型半橋功率變換電路，可降低耐壓要求；采用并聯(lián)方式，可增大輸出電流的容量半橋功率變換電路半橋功率變換電路.功率變換電路的比較與應(yīng)用.變壓器利用率單端正激反激變換器次芯中磁滯回線僅在第一象限內(nèi)變化，變壓器利用率底；推挽式、全橋式、半橋式功率變換電路用的磁芯在全磁滯回線工作。利用率高，在輸出同等功率的條件下所用的磁芯體積相應(yīng)縮??；.對(duì)功率器件