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开关电源技术


开关电源技术
北京邮电大学培训中心 闫 石

课程内容
一、概论 ? 二、开关电源变换器原理技术 ? 三、开关电源变换器实例 ? 实验
?

参考文献
? ?

1. 《开关电源的原理与设计》
– 张占松、蔡宣三 编著

2. 《智能型高频开关电源

系统的原理使用与 维护》
– ---王家庆 主编 人民邮电出版社

? ?

3. 《通信用高频开关电源 》
– 人民邮电出版社

4. 《电力电子技术 》
– 丁道宏 主编 航空工业出版社

?

5. 《现代通信电源技术》

参考文献
电工学报 ? 电力电子技术 ? 电信科学研究院情报所:
?
– www.cci.cn.net

一、开关电源概论

1.通信电源的分级
变电站
市电

备用发 电机组

市 电 油 机 转 换

整流器

直流屏 蓄电池

通信设备

交流不间断电源

通信设备

第一级电源

第二级电源

第三级电源

(Primary Power Supply)

(Secondary Power Supply) (Tertiary Power Supply)

2.开关电源的定义
?

开关变换器:
? 凡用半导体功率器件作为开关,将一种电源形态

转变为另一形态的主电路都叫做开关变换器电路。
?

开关电源:
? 转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节。

开关电源基本构成框图

输入回路

功率变换器 功率开 关器件 高频 变压器

Uin

滤波

整流及 滤波

整流

滤波

Uout

AC/DC

DC/DC

开关电源控制器

开关电源的特点
? ?

1.重量轻,体积小:
– 是相控电源体积的1/10

2. 功率因数高:
– 相控 0.7 ,小负载 0.3, 有功率因数的开关电源在0.93以上

?
? ?

3.可闻噪声低:
– 工频变压器 大于60 dB ,开关电源 45dB

4. 效率高:
– 一般88%以上,

5. 冲击电流小: 可接近额定电流 ? 6.模块式结构: 可更换模块,
– 2M的19英寸机架 48V/1000A, 输出功率60KW

开关电源的特点
7. 稳压精度高 : 可达0.2% ? 8. 维护、监控方便: 对与较大的电源系统可采 用计算机进行监控
?

通信中对开关电源的要求
?

欧洲通信标准化委员会制定的第二级电源与通信设 备界面上的技术规范(ETS300132)
? 直流电压允许变化范围 -40.5 ~ -57 VDC ? 直流电压变化

dU DC ? 5V / ms dt
? 直流冲击电流 < 5I 额定 (10ms)
? 杂音电压 ? 无线电频率干扰符合EN55022或IEC CISPR22标准

? 安全、接地要求等

通信中对开关电源的要求
主要技术要求: ? 电压变动范围要求、频率变化要求、波形要求。 ? 电压暂降、短时中断和电压变化的要求:
?
?

IEC1000-4-11;GB/T17626.11

?
? ?

浪涌耐量要求(雷击):
?

IEC801-5; IEC1000-4-5; GB/T 17626.5

无线电频率干扰要求:
?

EN55022,CISRR22; GB9254

谐波电流要求:
?

IEC1000-3-2, IEC 1000-3-4

?

安全、接地要求

通信中对开关电源的要求
? ?

直流输出电压及其调节范围
– 48V系统 : 48.00V ~ 57.60 (充电)

静态稳压精度 ? 整流器输出限流和电池充电限流 ? 功率限制/恒功率输出特性

通信中对开关电源的要求
?

输出端杂音电压
– 电话衡重杂音: ? 2mv
– 峰峰值杂音: 0 ~ 300Hz, ? 400mv – 宽频杂音电压:

– 3.4KHz ~ 150 KHz, ? 100mv有效值
– 150KHz ~ 30MHz, ? 30mv有效值

?

离散频率杂音电压:
– 3.4 ~ 150KHz ? 5mv 有效值;
– 150 ~ 200KHz ? 3mv 有效值; – 200 ~ 500KHz ? 2mv 有效值;

– 0.5 ~ 30MHz ? 1mv 有效值;

通信中对开关电源的要求
动态响应 ? EMC要求 ? 并联运行 ? 效率 ? 功率因数
?
– 电流谐波

?

可靠性

相关国家标准
GB/T 762-1996 标准电流 ? GB/T 2423.1-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试 验A:低温试验方法 ? GB/T 2433.2-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试 验B:高温试验方法 ? GB/T 2423.9-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试验Cb: 设备用恒定湿热试验方法 ? GB/T 2423.10-1995 电工电子产品基本环境试验第二部分,试 验方法试验Fc和导则:振动(正弦)
?

相关国家标准
? ?

?
? ? ?

GB/T 2828-1987 逐批检查计数抽样程序及抽样表 (适 用于连续批的检查) GB/T 2829-1987 周期检查计数抽样程序及抽样表 (适用于生产过程稳定性的检查) GB/T 3859.1-1993 半导体变流器 基本要求的规定 GB/T 3873-1993 通信设备产品包装通用技术条件 GB/T 4720-1984 电控设备 第一部分 低压电器电 控 设备 GB/T 16821-1997 通信用电源设备通用试验方法

相关国家标准
? ? ? ? ?

YDN 023-1996 通信电源设备和空调集中监控系统 技术要求 YD/T 638.3-93 通信电源设备型号命名方法 YD/T 944-1998 通信电源设备的防雷技术要求和测 试方法 YD/T 983-1998 通信电源设备电磁兼容性限值及测 量方法 SJ2811.2-87 通用直流稳定电源测试方法

3.开关电源变换器的基本手段
?

1. PWM变换器: ? 脉宽调制法( Pulse Width Modulation ):
? 保持开关频率恒定但改变接通时间长短(脉冲的宽

度),使负载变化时,负载电压变化不大
?

PWM开关变换器:
? 用脉宽调制方式控制电子开关的开关变换器

3.开关电源变换器的基本手段
?

PWM开关变换器实现的优点和不足
? 优点:控制容易,技术成熟,适应范围广, ? 输入电流突然停电时,输出电压保持时间长:例如计算 机系统

? 不足:开关损耗大,频率不能很高

?软开关:
?用控制方法使电子开关在其两端电压

为零时导通电流,或使流过电子开关 电流为零时关断。

3.开关电源变换器的基本手段
?
?

2.谐振变换器:
谐振:
? 串联谐振:正弦电压加在理想的(无寄生电阻)电感和电

容串联电路上,当正弦频率为某一值时,容抗与感抗 相等,电路的阻抗为零,电路电流达无穷大 ? 并联谐振:正弦电压加在理想的电感和电容并联电路上, 当正弦频率为某一值时,容抗与感抗相等,电路的总 导纳为零,电感、电容元件上的电压为无穷大
? ZVS(零电压开通): 电子开关器件两端电压振荡为零时,

使电子开关导通流过电流。 ? ZCS(零电流关断): 流过电子开关器件的电流振荡到零 时,使电子开关断开。

3.开关电源变换器的基本手段
?

谐振变换器:
? 利用谐振现象,使电子开关器件上电压或电流按

正弦规律变化,以创造零电压开通或零电流关断 的条件,以这种技术为主导的变换器。 ? 串联谐振变换器 ? 并联谐振变换器

3.开关电源变换器的基本手段
?

准谐振:
? 当正向和反向LC回路值不一样,即振荡频率不同,

电流幅值也不同,所以振荡频率不对称,一般正 向正弦半波大于负向正弦半波。
?

准谐振变换器:
? 利用准谐振现象,使电子开关器件上的电压或电

流按正弦规律变化,从而创造了零电压或零电流 的条件,以这种技术为主导的变换器
?

多谐振变换器:
? 谐振回路、参数超过两个的变换器

3.开关电源变换器的基本手段
?

3.零开关--PWM变换器
? 在准谐振变换器中,增加一个辅助开关控制的电

路,使变换器一周期内,一部分时间按ZCS或 ZVS准谐振变换器,另一部分时间按PWM变换器 工作,称为ZCS-PWM变换器或ZVS-PWM变换器

4.开关变换器的分类
? ?

按输入和输出的隔离性: 有隔离和无隔离 按拓扑结构分:
– Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta

?

按激励形式:
– 自激式: 单管式、推挽式 – 他激式: 调频、调宽、调幅、谐振

?
?

PWM:
谐振:

正激式、反激式、半桥式和全桥式

– 串联谐振、并联谐振、串并联谐振 – 零电压开关和零电压开关

二、开关电源 基础电路
开关电源的功率转换电路模型 ? 控制电路 ? 谐振变换器 ? 功率因数校正电路
?

基本电路模型 -- Buck 变换器

降压变换器、串联开关稳压电源

开关闭合时,电能储存于电感和电容中(同时也馈 向负载)。
开关打开后,储存于电感和电容中的能量继续供 给负载。 二极管构成电流回路

降压型转换器
VIN

VIN

IT

IL

VOUT
0

VIN

VGate Vdiode
-VD

Imax

控制电路
0

DI

基本电路模型 -- Boost 变换器(升压型)

开关闭合,电感中储存能量。 开关打开时,电感中储存的能量通过二极管供给负载,同时 对电容充电。 负载电压跌落时,电容再放电,输出可获得高于输入的电压。

基本电路模型 – Buck-Boost (反转电路)

开关接通,电感中流过电流,储存能量。
开关断开,电感中电流流向负载。 由于二极管的接法,负载得到反极性的电压。 负载电压跌落时,电容再向负载放电。

基本电路模型 – Flyback (回扫型)

回扫型变换器

回扫型开关电源
简化的电路原理图
VI
+

特性分析
隔离低损耗 ? 容易实现多种电源输出 ? 高效率 ? 在较高工作频率下(例如 400KHz以上)体积小巧
?

+ +

VO2 VO1

Controller FB REF

TPS5904

Primary

Boundary Secondary

Isolation

PWM

Q1

开关电源的功率转换电路

1.单端反激式变换器
+
R2
W1’ W1 T1 V1 V3 W2

iL
+
C1 RL

+
Uout

_
I2
V1导通

Uin

b

Ib
V1关断

R1
V4 R3

V2

C2
0

V1开启

V1截止

_

a

c

Uce

电路特点
? ?

变压器初级磁通是单向的,故称该变压器为 单端变压器 输出电容器C和负载在开关管截止时从变压 器次级获得能量,故称为反激式。

Uce
Ton Toff t1 T t2

t

i1

t
t
i2
Uv3

t

反 激 式 变 换 波 形 器

Uin/n+Uo

t

特性分析
?

反激式:
– 在V1导通期间V3反偏,V1截止时V3正偏,供给

负载功率
?

耐压:
– V1集电极承受最大电压值: – Vcemax = Uin+nUomax

变压器: 利用率不高 ? 应用: 一般利用在小功率场合
?

实际电路举例

单端他激式开关电源
?

UC3842

保护环节

电路特性
?
?
?

1. 输入电压 : 95 VAC to 130 VAC(50 Hz/60 Hz) 2. 隔离电压 : 3750 V

3. 开关频率 : 40 KHz ? 4. 效率 @ 满负荷 : 70 % ? 5. 输出电压 : – A. + 5 V, ?5 % : 1 A to 4 A load – 纹波 : 50 mV P-P Max. – B. + 12 V, ? 3 % : 0.1 A to 0.3 A load – 纹波 : 100 mV P-P Max. – C. -12 V, ? 3 % : 0.1 A to 0.3 A load – 纹波 : 100 mV P-P Max.

VIPer100 典型应用

2.单端正激变换电路
V2

i
V3
Lo

+
W1’ W1”

Io
C
+

+
Uout RL

iL
W2 T

Uin

i1 ’ V1

V4

_

_

i’ ?TUin/Lp ILMAX/4
?TUin/Lp Uv 2Uin 1 Uin Uw’’ Uin

i

t t

t

t

正 激 式 变 换 器 波 形

iL
Ton Toff

t

t

t

特性分析
? ?

正激:
– 导通时输入馈电给负载,截止时L供电给负载。

耐压:
– 单管正激,开关管最大电压为2Uin – 双管正激,开关管最大电压为 Uin – 单管变压器利用率不高,工艺制作上要求加馈能线圈

?

变压器:

?

用途:
– 双管正激并联电路输出功率大,输出方波频率加倍,易

于滤波。开关管耐压减半约为输入电压Uin,取消变压器馈 能线圈等优点。因此,广泛应用大功率变换电路中,可 靠性高,简单的电路。

K1

+
Uin
T
K2

V3

Lo

Io
C
+

+
Uout RL

iL
V4

_

_ 双正激开关电路

电路特点
(1) 两个正激电路并联,T1和T2反相180?驱动, 功率增大一倍,输出频率增加一倍,纹波及 动态响应改善。 ? (2) K1和K2串联(K3、K4), 开关管耐压减半; ? (3) 取消了反馈线圈,V1、V2、V3、V4为馈 能路径,降低了变压器的制作工艺等要求; ? (4) 具有死区限制特性,两部分电路不存在共 态导通问题,可靠性较高。
?

3.推挽式功率变换电路

V1

W1

L

_
Uin

+

+

Uout

V2

W2

推挽式功率变换电路典型波形图
Uce
2Uin Uin

0 Ic

Ton

Toff

t

0

T

t

电路特点
?

优点:
– 功率器件发射极相连,两组基极驱动电路彼此间就无

需隔离,使得驱动电路和过流保护电路简化。 – 只要两个高压开关管便能获得较大功率的输出。
?

缺点:
– 开关管必须承受较高的电压大于2Uin,为防止磁心材

料的偏磁饱和,电路的两个开关管饱和特性和开关特 性要求各种工作条件和温度下都尽可能配对,更增加 了选择元器件的难度。 – 原边绕组只有一半时间工作,高频变压器利用率太低
?

应用:
– 早期采用,现在已很少用

推挽式变换器

双端输出控制器实例
?

SG1524/3524

4. 全桥式功率变换电路
V3 Vin V4 V8 V6 L V2

V7

V5

V1

+

Vout

全桥式功率变换电路典型波形
Uce
2Uin Uin/2

0

Ton

Toff

t

Ic

0

T

t

电路特点
?

优点:
– 开关管稳态时承受的最高电压只要大于输入电压Uinmax

即可。 – 暂态过程的尖峰电压被钳位于输入电压,漏感储能归还给 输入电源,利于提高效率。 – 开关管耐压低,输出功率大。
?

缺点:
– 电路使用四个高压开关管,并要求尽可能配对,且需要彼

此绝缘的基极驱动电路,电路复杂,元器件多,对电路设 计和工艺布局要求较高。
?

应用:
– 主要应用于大功率变换电路中。

实际电路举例

5. 半桥式功率变换电路
V1

C1

V4

Vin

Ua
C2 V4 V2

L

+

Vout

半桥式功率变换器波形图
Uce
2Uin Uin/2

0

Ton

Toff

t

Ic

0

T

t

电路特点
?

优点:
– 一个晶体管导通时,截止晶体管上的电压和输入电压相等,

高压开关管上的电压不超过电源电压。 – 晶体管的数量只有全桥变换器的一半。 – 具有抗不平衡能力
?

缺点:
– 高频变压器上的电压只有输入电压的一半,在同等输出功

率的条件下,开关器件V1、V2通过的电流是全桥电路的 两倍 – 必须有两个分压电容,流过和电路工作频率相同的充放电 电流,由于电容的放电,输出电压脉冲顶部有倾斜。 – 一般,半桥式只用于中等输出功率的电路中。

变形的半桥功率变换电路
C1a C1 Uin UC1 C1b V1 L V2 V3

+

Uout

C2a
C2 UC2 C2b

V4

电路特性
?

优点
– V1、V2为一组,V3、V4为一组,双双串联,可

减少单管耐压值。 – 可解决大电流输出的问题 – 变压器工作正反两方向,提高变压器利用率,具 有抗不平衡能力。
?

应用
– 高电压输入,大功率输出

半桥式变换器
?

胶片

开关电源控制电路

PWM控制电路
?

1.对控制电路的基本要求: ? 频率可在较宽范围内预调的固定频率振荡器, ? 占空比可调节的脉宽调制功能, ? 死区时间较准器, ? 一路或两路具有一定驱动功率的输出图腾式 电路 ? 禁止、软启动功能 ? 电流、电压保护功能

脉宽调制电路原理图
U样
EA

脉宽调制

误差放大器

门 电 路

基准电压

振荡器

分频器

门 电 路

PWM控制电路
?

2. 控制电路的实现
– 基准源: 芯片内大部分电路由它供电,兼作误差放 – – –



大器的基准电压输入 振荡器: 一般由恒流充电快速放电电路以及电压比 较器组成,频率由外接RC元件决定 误差放大器: 将取样电压和基准电压比较放大,送 至脉宽调制电路输入端。 脉宽调制器: 输入为误差放大器输出。输出分为两 路,一路送给门电路,另一路送给振荡器 输入端 分频器: 将输入分频后输出,控制门电路输出脉冲 的频率。

PWM控制电路
?

控制电路的发展
– 高频化: ? 误差放大器和脉宽调制器的频带要宽,一般要上 1M (100K) 7M ( 500 )

– 智能化: ? 引入单片机技术,采用DSP处理技术

?

小型化:
– 降低功耗: 控制在几个 mA 内 – 高密度安装

电压型PWM控制器
I/P REF O/P

+ -

VERR

VOSC
OSC

VPWM

VERR
VOSC

VPWM

双端输出控制器实例
?

SG1524/3524

开关电源功率驱动电路
?

概述

驱动电路原理图

T1

驱动电路作用:
隔离 减小漏感、漏电容,使开关器件迅速导通和关断 提供足够大的驱动电流

驱动电路图
+Vcc
隔离
抗干扰

隔离 图腾式输出

开关元件安全工作区及其保护
?

P144

开关电源缓冲电路
?

《现代电力电子技术》

开关电源功率因数校正

功率因数校正器
1. 电功率: P=UxI ? 2. 功率因数
?
– 有功功率 P ( 阻性器件消耗的功率) – 无功功率 Q ( 电容和电感上获得的功率) – 视在功率 S ( S = U x V )

– S2 = P2 + Q2
– P = S CoS ?
功率因数 Q

?
P = U I COS ? = S CoS ?

谐波标准分类
?

1. IEC建议的谐波标准 IEC 1000-3-2
– A类: 平衡的三相设备 – B类: 轻便的工具 – C类: 照明负载 – D类: 有带特殊波形输入的设备

谐波标准分类
A类、B类 谐波 次数 最大电流 值(A) C类

3
2.3

5
1.14

7 9 11 13
0.7 7

15<N<39

2
1.08

4
0.43

6
0.3

8<n<40

0.4

0.33

0.21

0.15x15/n

0.23x8/n

谐波 次数
最大电流 值(A)

2
2.3

3
1.14

5
0.77

7
0.4

9
0.33

11<N<39

0.15x15/n

C类<25&D类
谐波次数
mA/W
3 5 7 9 11<n<39 2 4

相对值
(A)
3.4 1.9 1.0 0.5 0.6<n 1.0 1.5

绝对值
(A)
1.08 0.60 0.45 0.30 0.18x11/n 0.33 0.3 0.15

允许的 最大电流

(A)
2.30 1.14 0.77 0.40

四种类别的设备判别方法
平衡 三相设备

Y

N
可携带的 轻便工具

Y
B类

N
照明设备

Y
马达驱动

C类

N
具有特别波形 和?P600W的设备

N

D类

Y

Y
A类

3. IEC建议200W以上的电源设备应采用 功率因数校正(PFC)
常规和带PFC的电源设备的传输比较
功率因数COS? PFC效率?PFC 变换效率? 负载有效功率比Pd/P
S P1
视在功率 功率因数校正PFC

常规设备 65% 100% 75-85%~75-95% 75-85%
PF
变换器

带PFC 99% 95%

89%
Pd
负载

功率因数校正
功率因数校正
有源校正 单 相 单 相 综 合 三 相 三 相 一 体 无源校正

单 相

三 相

无源功率因数校正原理图
L
+ C

U-

L
COS ? 0.7 0.6 0.5 2.0 2.5 3.0 3.5 波峰因数

U/i

t
i u

t

L C
负 载

Ls

V2

i1
+ Cd
Ud

+ U1 _
US

id

无 源 校 正 原 理

无源校正波形

A B 0 Us Ud

t
Ud

0 ?b

?f

t

有源功率因数校正原理

UDC 预调 负 载

U_
乘法器 _ + Ref

有源功率因数校正波形
调制波
三角波 峰值检测 正弦波 控制信号

t

t

控制电路基本框图

同步信号

锁相环PLL

计数器

负载

驱动器

PWM 波形 合成器

短路脉冲 发生器

PWM 波形 存储器

L U~ 整流 S

V C 升 压 型

U~

整流

L
S L1 V S C1

C

限 压 型

L2 V C2 回 扫 型

U~

整流

三 种 模 式 的 功 率 因 数 校 正 电 路

升压型电路简化模型

L EIN

V IRL ID MOSFET C RL ERL

IL I M

ERL EIN
TOFF TON

IM

t
DIL

ILP

ID DIL IL
ON OFF

t

t
DIL

t

升 压 型 有 源 功 率 因 数 校 正 电 路 波 形

有源功率因数校正器L6561

开关电源并联系统的均流技术
蔡宣三书 ? P293 ? 概述
?

开关电源并联系统的均流技术
440V DC 1 2 48V DC 1 2 5V DC

m

m

全桥变换器
?

单端反激式变换器

分布式 DC-DC电源系统原理框图

开关电源并联系统的均流技术

~
400Hz

AC--DC

5V/1000A

?

集中式AC-DC电源系统原理图

开关电源并联系统的均流技术
~
400Hz AC--DC 270V DC--DC 48V/100A 1 5V DC

2

n

分布式 AC-DC电源系统原理图

开关电源并联系统的均流技术
?

对若干个开关变换器模块并联的电源系统, 基本要求:
– 各模块承受的电流能自动平衡,实现均流

– 为提高系统的可靠性,尽可能不增加外部均流控

制的措施,并使均流与冗余技术相结合
– 当输入电压和/或负载电流变化时,应保持输出电

压稳定,并且均流的瞬态响应好

开关电源并联系统的均流技术
?

实现方法:
– 输出阻抗法 – 主从法 – 按电流大小自动均流法 – 按热应力自动均流法 – 外加均流控制器法

开关电源并联系统的均流技术
输出阻抗法
VO
Vomax
△V

R= △V / △I R
△I

0

IO

+ Vs _

VO

DC-DC

IO

+ RL _

开关变换器的外特性 Vo = f ( Io )

开关电源并联系统的均流技术
VO
Vomax VO VO’

两台并联的开关变换器及外特性 IO2 IO1 IO’1 R1 IO’1 IO +
VO = VOmax – RIO VO1 = VOmax – R1IO1 VO2 = Vomax – R2IO2 IO1 = [R2VO1 + (VO1 – VO2)RL]/RX IO2 = [R1VO2 – (VO1 – VO2)RL]/RX

0
+ Vs _ + Vs _

1
R2

I1
VO RL

DC-DC变换器

2

I2

_

RX = R1R2+RL(R1+R2)

开关电源并联系统的均流技术
RS IO – + VI

电流放大

100R
Vr – + 电流放大 Ve

R Vf

开关电源并联系统的均流技术
主从设置法
VI1
Vf Vr – +

1

主模块

>
Ve VI2

VC

PWM K 从模块

电流放大

– +

>
Ve
VIn

VC

PWM N 从模块

– +

>
Ve

VC

PWM

原理示意图

开关电源并联系统的均流技术
平均电流法: 功率级 Vf – + Vr’ Vr + + VC 负载电流

Ve
电压放大 均流控制器 – +

电流 放大
VI a R b

均 流 母 线 Vb

(V11–Vb) / R + (V12–Vb) / R = 0

Vb = ( V11+V12) / 2

开关电源并联系统的均流技术
最大电流法均流

a

– +

b 10KΩ

均 流 母 线 Vb

a、b两点间接一缓冲器

开关电源并联系统的均流技术
外加均流器控制器均流法
DC-DC

Vo
_ V f
Ve

VC1
均 流 总 线 VCk Vcn

VI1 1 VIk 均 流 总 线

VI
SC

PWM

b

+ –Vc Vr

K
VIn n

SC

开关电源并联系统的均流技术
S1
VC1 2 – + 2 – + Va – + 1 S2 – + 1 b

V11
b V12

VC2

Va

N=2时均流控制器的原理图

开关电源并联系统的均流技术
热应力自动均流控制电路原理 图 I
DC-DC

电流放大 VI R1 R3

VO

R6
R5

R7

– +

Ve

平 均 V b 母 线

b a R2 R4

– +

电压放大
Vr

开关电源的负载均分技术
?

负载均分的概念
– 分布式电源系统 – 并联使用带来负载不平衡的问题

?

解决方法
– 模拟法:使用模拟信号提取,通过外部导线来传输,

性能较差。 – 采用PWM方法:

PWM均分电路原理图
N”整流模块

2”整流模块

UR _

US

+

UD

_ +
PWM

光 藕

_ +

IO 1”整流模块

_ U ? + Uref

电路分析
?

1. Us为系统取样电压,UR为系统基准电压,两者比 较后产生误差电压UD 2. UD与三角波进行比较产生一脉冲调制方波信号,

?

波宽受UD大小控制
?

3. 方波信号送至每个整流模块,再通过模块内光藕 隔离整形放大后与模块电流IO比较。 4. 比较信号再与模块的电压参考值Uref叠加,从而 发出电压U调节信号,改变模块的输出电压,调整模 块输出电流,使每个模块的输出电流相等。

?

谐振型开关电源技术
? ? ? ?

开关电源模块的几个技术参数分析 1.效率 2.功率密度 3.重量

谐振开关电源的提出

零电流式准谐振开关(ZCS-QRC)
S L

C

V

电容器 C和整流二极管并联,
有源开关 S 和谐振电感 L 串联, 有源开关 S 在零电流时开通和关断。

整流管 V 则在零电压时开通和关断。

零电流式准谐振开关(ZCS-QRC)
?

优点:
– 降低关断损耗,不受变压器的漏感和整流器的结

电容的影响。
?

缺点:
– 电容器的开通损耗,断态时存储在开关管输出端

电容器的能量,开通时则在器件内部损耗掉了。

零电压式准谐振开关(ZVS-QRC)
S L

C

V

电容器 C和有源开关 S并联, 整流二极管V和谐振电感 L 串联, 有源开关 S 在零电压时开通和关断。

整流管 V 则在零电流时开通和关断。

零电压式准谐振开关(ZVS-QRC)
?

优点:
– 开关器件的电压被整形成一准正弦波。对开关的

开通就建立起零电压条件,从而削弱了有源开关 寄生输出电容相关的开通损耗
?

缺点:
– 负载变化很宽的单边电路内的电应力过大

– 和整流二极管的结电容形成的谐振电路内的寄生

振荡,并产生强烈的电磁干扰

零电压式多谐振(ZVS-MRC)开关技术
S
Vs

L

C Cs

V

电路分析
?

优点:
– 把主电路内所有主要寄生电抗都并入谐振电路内, 零电压式多谐振开关(ZVS-MRC)在所有半导体器件

的最佳零电压开关下工作,大大降低开关损耗和 干扰。
?

缺点:
– 电流和电压应力比PWM开关变换器的应力大,但

比准谐振开关电源的变换器的应力要小。

恒频多谐振(CF-MRC)开关电源技术
S1 L

Cs1

Cs2

S2

把无源的开关二极管 V由有源开关 S2 代替

谐振型开关电源的应用
?

1. 技术PWM在几十KHz ----几百KHz的开关频率, 在重量、效率、可靠性、价格和体积上认为是最佳 的。 2. 在功率密度高的情况下,采用PWM技术的电源无 能为力,应采用谐振型开关电源。 3. 在DC/DC的应用中,特别是低压的应用、移动设 备应用广泛。 4. 在大功率AC/DC中应用不是主流。原因: 电路不成 熟、元器件水平低、可靠性不如PWM电源。

?

?

?

谐振变换器举例

开关变换器中的元器件

半导体功率器件
半导体开关管(三极管) ? 功率整流管(二极管)
?

半导体开关管
开关管的损耗与基极的驱动电压、电流的波 形有直接的关系 ? 1.理想的驱动波形:
?
– 在波形起始部分前沿陡峭带点尖峰脉冲 – 目的: 加快开关的接通,减少损耗

?

2.关断时,最好加反向偏压,将晶体管导通时 存储在基区内的载流子吸出来,提高关断速 度。

双极性晶体管
开关过程 ? 开关时间的物理意义及减小的方法 ? 抗饱和技术
?

功率场效应管
简介 ? 主要参数 ? 静态特性 ? MOSFET的体内二极管
?

功率场效应管
? ?

驱动问题
– 一般要求

驱动电路
– TTL
– CMOS驱动

IGBT管(Insulated Gate Bipolar Transistor)
绝缘栅双极性晶体管
?

MOSFET管在开关电源中的应用:
– 优点:开关速度快,电压控制, – 缺点: 导通电压降稍大,电流、电压容量不大

?

双极性管在开关电源中的应用:
– 优点:导通电压降稍小,电流、电压容量大 – 缺点: 开关速度慢,电流控制

IGBT管
结构与工作原理 ? IGBT的静态工作特性 ? IGBT的动态特性 ? IGBT的栅极驱动及其方法
?
– 直接驱动 – 隔离驱动法 – 集成模块驱动电路

MCT
输入阻抗高、驱动功率小、快速开关 ? 电流大、耐压高。
?

开关元件的安全工作区及其保护
双极性晶体管二次击穿原因及对安全工作区 的影响。 ? 安全工作范围 ? 保护环节---R· C缓冲器
?

功率整流管
?

1.功率整流二极管 ? 二极管的电路模型
L D: 理想二极管 Rp: 并联电阻 Rs: 引线电阻 Cj: 结电容 Rs D Rp Cj

1.功率整流二极管
功率二极管的主要参数 ? 正向导通压降VDF
?
– 低压情况

?

反向漏电流及反向电压
– 反向漏电流决定了二极管关断状态的损耗 – 反向峰值电压(PIV)

?

反向恢复时间trr

1.功率整流二极管
?

选择功率二极管的注意事项:
– 正向压降要小,减小损耗,提高效率,尤其对大

电流、低电压输出的电路 – 反向恢复电流峰值IRm要小,反向恢复时间trr要小 – 正向恢复电压VFRM要小,尤其是采用反向峰值电 压(PIV)值高的整流管,及采用UFRD(超快恢复二 极管) – 反向漏电流IR小,尤其是高电压和高结温应用的 场合。

1.功率整流二极管
几种快恢复二极管 ? 1. 快恢复二极管(FRD:Fast Recovery Diode)
?
– 反向恢复时间短

? ?

2. 超快恢复二极管( UFRD: Ultra- FRD)
– 正向导通损耗小,结电容小,运行温度可靠

3. 肖特基二极管( SBD)
– 肖特基势垒二极管(Sohottky Barrier Diode) – Si-SBD: 硅SBD

GaAs: 砷化鎵SBD – 正向压降比PN结二极管的VDF低1/2 ~ 2/3,trr约为10ns,适 用于低电压的电力电子中。 – 因为SBD结电容较大,反向漏电流比普通二极管大得多。

几种典型二极管的主要参数
参数
VDF(V)

普通 二极管
1.2 ~1.4 1000 50~1000

FRD
1.2~1.4 200~750 50~1000 200KHz

UFRD
0.9~1 25~100 50~1000 200KHz

Si-SBD
0.4~0.6 10 15~100 1MHz

GaAsSBD
1 ~ 1.5 5 ~10 150~ 350 >1MHz

Trr(ns)
PIV(V)

可用频率 50Hz 应用

输入整流 输出整流 输出整流

输出整流 输出整流 12~24V

48V或更高 4 ~5V

2.同步整流管(SR:Synchronous Rectifier)
?

?
? ?

?
? ? ? ?

1. 产生由来 低电压应用 正向压降 损耗 2.应用 DC/DC,软开关电路 100W ZVS-PWM电路中,使用SR 83% ? 90 % 损耗:
– SR 4.2W 总损耗11W – 适用Si-SBD, 8.9W 总损耗21W

磁性元件的特性及应用

变压器利用率
单端正激,反激变换器磁心中磁感应强度的 变化量DB=Bm-Br,磁滞回线仅在第一象限内变 化,因而变压器利用率低。 ? 推挽式、全桥式、半桥式变换器用的磁心在 工作时,所产生的磁通都沿着交流磁滞回线 对称地上下移动, DB=2Bm,这三种功率变换 器的磁心是全磁滞回线工作的。 ? 全磁滞回线工作的变换器磁心中的磁感应强 度变化量比一般的单端变换的磁心中的磁感 应强度变化量高一倍左右,在输出同等功率 的情况下所用的磁心体积将相应缩小。
?

变压器磁滞回曲线
B Bs Bm

Br
H Br Bm Bs

Bs:饱和磁感应强度 Br:剩余磁感应强度 Bm: 工作磁感应强度

磁性元件的特性
在开关电源中磁元件的作用及应用 ? 当变压器用,可起作用为:
?
– 电气隔离; – 变比不同,达到电压升、降;

– 大功率整流副边相移不同,有利于纹波系数减小
– 磁藕合传送能量;

?

当电感器用,可起作用为:
– 储能、平波、滤波 – 抑制尖峰电压或电流,保护易受电压、电流损坏的电子元

件 – 于电容器构成谐振,产生方向交变的电压或电流

磁性元件的参数的复杂性
?

?
? ?

?
? ? ? ? ? ?

电压 电流 频率 温度 能量 电感量 变比 漏电感 磁性材料参数 铜损耗 铁损耗

磁性材料基本特性的描述参数
?

1.初始磁导率,?i – 磁性材料的磁化曲线始端磁导率的极限值:

?i ?

1

?0

lim
H ?0

B H

?0 :真空磁导率
H: 交流磁场强度 B: 交流磁感应强度

磁性材料基本特性的描述参数
?

2. 有效磁导率:
– 在闭合磁路中(漏磁可忽略),磁心的有效磁导率为:

L I 7 ?e ? ? ?10 2 4?N Ae
L 线圈的自感量(mH) N 线圈圈数
I Ae

磁芯常数,磁路长度I与磁芯截面积之比值

磁性材料基本特性的描述参数
?

3. 饱和磁感应强度,Bs
– 随磁芯中磁场强度 H 增加,磁感应强度出现饱和

时的B值,称饱和磁感应强度Bs
?

4. 剩余磁感应强度,Br
– 磁芯从磁饱和状态去除磁场后,剩余的磁感应强

度。
?

5. 矫顽力,Hc
– 磁芯从饱和状态去除磁场后,继续反向磁化,直

至磁感应强度减小到零,此时的场强强度称为矫 顽力。

磁性材料基本特性的描述参数
?

6. 温度系数,??
– 在T1至T2范围内变化时,每1? C相应磁导率的相

对变化量:

? 2 ? ?1 1 ?? ? ? ?1 T2 ? T1
? : 温度为T1时的磁导率 1 ? : 温度为T2时磁导率 2

磁性材料基本特性的描述参数
?

7. 居里温度,Tc
– 磁芯状态由铁磁性转变成顺磁性时的温度

?

8. 磁芯损耗(铁损), Pc
– 磁芯在工作磁感应强度时的单位体积损耗,工作磁感应强

度可表示为:

Vs Bm ? ?10 6 (mT) 4.44 fNAe
– Bm : 工作磁感应强度

: 频率(KHz) – Ae : 有效截面积
– F

Vs : 线圈两端的电压(V) N : 线圈圈数

磁性材料基本特性的描述参数
?

9. 电感系数,AL
– 电感系数是磁芯上每一匝线圈产生的自感量:

L 2 AL ? 2 ( H / N ) N
– L : 有磁芯的线圈的自感量(H) – N: 线圈匝数 – 磁芯损耗包括: 磁滞损耗、涡流损、残留损耗

磁性材料及铁氧体磁性材料
磁芯磁性能: ? 在开关电源中的变压器,多是低磁场下使用的软磁 材料,要求: ? 较高的磁导率:
?
– 在一定线圈匝数时,较小的电流就可以得到较高的磁感应

强度,使线圈能够承受较高的外加电压,在一定输出功率 下,可减轻磁芯体积。
?
?

磁芯矫顽力低:
– 磁滞回环面积小,铁耗小。

高的电阻率:
– 涡流小,铁耗小。

磁性材料及铁氧体磁性材料
三类铁芯的基本特性参数
类 别 名称 硅钢片 金 属 铁 芯 材料 Si-Fe 导磁率 ~ 1800 ~ 20000 Bs(磁饱 fmax 和强度) (KHz) 20000 7500 7800 24500 15000 ~ 10 特点说明

坡莫合金 Ni-Fe

超级坡莫 Ni-Fe ~100000 合金 800 钴铁合金 Co-Fe Fe(Ni, ~ 100000 非晶合金 Co)

除钴铁合金外, ~30 其它都是高导磁 率,除超级坡莫 ~30 合金外,都是高 磁感应强度。除 ~30 非晶合金外,适 合在30KHz下工 ~1000 作,电阻率低。

磁性材料及铁氧体磁性材料
三类铁芯的基本特性参数
类 别

名称

材料

导磁 Bs(磁饱 率 和强度)
3 ~ 120 9000

fmax
(KHz)
~ 300000

特点说明

碳基铁粉芯

Fe

铁 粉 Al、Si、Fe 10 ~ 80 磁 铝硅铁粉芯 芯 钼坡莫合金 Mo、Ni、Fe 14 ~ 145 铁粉芯

9000

~1000

8000

300

低导磁率, 高磁感应 强度,低 损失,适 合在中高 频下工作。

磁性材料及铁氧体磁性材料
三类铁芯的基本特性参数
类 别 名称 材料 导磁 Bs(磁饱 率 和强度)
~ 5000

fmax
(KHz)

特点说明

1000 Mn、Zn、Fe 锰锌铁氧体 ~18000

铁 氧 镍锌铁氧体 Ni、Zn、Fe 体 磁 芯 铜镁锌铁氧 Cu,Mg,Zn,Fe 体

15 ~ 500

~ 3000

~10

8000

锰锌铁氧 ~ 300000 体导磁率 高,磁感 应强度中 ~100000 等,电阻 率高,低 损失,价 200000 格便宜, 适合在高 频下使用。

各种磁芯特性比较
特性
铁损 磁导率 饱和磁密 度 温度影响 加工 价格

非晶合金 薄硅钢片 坡莫合金
低 高 高 高 低 高 中 高 中

铁氧体
低 中 低

中 难


小 易


小 易


中 易


各种材质磁芯应用场合
应用场合
中、低频 大功率变 压器

要求特性
高磁饱和强度、 高居里温度、高 热传导系数、低 损耗

适用材质
硅钢片 钴铁合金 镍铁合金薄带

材质特点
有方向性、成本低 高价位 可有方向性

非晶质合金薄带
镍铁合金薄带

高电阻系数
可作不同形状绕制,可 成为极薄的薄带

中等磁饱和强度、 高? (有效磁导 e 高、中频 率),磁回线高角 变压器 形性、低损耗、 高稳定性

非晶合金薄带

高角形性,低磁伸缩
低损耗,稳定性好, 高Bs 成本低

镍铁粉 高频小功 低?e,中、低损耗, 直流重叠性佳, (50%~80%Ni) 率变压器、 温度、时间稳定 滤波器 性好 铁粉芯

铁氧体磁芯适用的装置
铁氧体
Mn-Zn, Ni-Zn Mn-Zn, Ni-Zn

适用装置
电感

应用频率
1MHz(MnZn) 1~100MHz(NiZn) 1MHz(MnZn) 1~500MHz(NiZn)

特性要求
高? 有效磁导 ( 率),高Q值 高温度稳定性 高? ,低损失

线性B/H,低磁通密度Bs

脉冲变压器 宽频带变压器

铁氧体磁芯适用的装置
铁氧体 适用装置 应用频率 特性要求 高? e,Bs,低
损耗

非线性B/H,高磁通密度Bs Mn-Zn, Ni-Zn 反激变换器 100KHz 变压器 Mn-Zn,Ni-Zn 滤波磁珠 ~ 250MHz (尖峰抑制器) Mn-Zn,Ni-Zn 电感(扼流圈) ~250MHz
Mn-Zn,Ni-Zn

高? e,高Bs,
高损耗

高? e,高Bs,
高损耗

功率变压器

~1MHz

高Bs,低损耗

开关电源的辅助设计
Spice 软件 ? 专用软件
?

实验
1. 设计单端电路 VIPerXX系列 ? 2. 设计PFC电路 ? 3. 设计DC/DC电路 DSR ? 4. Easy Power
?


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