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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,天津工业大学电气工程与自动化学院,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,电源技术,主讲人：袁臣虎,2013,年,7,月,26,日,电源技术主讲人：袁臣虎, 基础题类, 通讯类, 仪器类, 电力电子类, 控制类,电源类,电子设计竞赛题目类型, 基础题类电源类电子设计竞赛题目类型,电力电子技术,应用于电气领域的电子技术,使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。,强电（主电路）与弱电 （控制电路）结合,1.,电力电子基础知识,电力电子技术 应用于电气领域的电子技术,使用电力,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,电力电子器件,（,1,）按可控性分类,1,）不控型器件,大功率二极管,2,）半控型器件,SCR,3,）全控型器件,GTR,、,GTO,、,MOSFET,、,IGBT,（,2,）按驱动信号类型分类,1,）电流驱动型,SCR,、,GTR,2,）电压驱动型,MOSFET,、,IGBT,1.,电力电子基础知识,电力电子器件（1）按可控性分类1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,SCR,GTO,GTR,MOSFET,IGBT,1.,电力电子基础知识,SCRGTOGTRMOSFETIGBT1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,AC-DC,1.,电力电子基础知识,AC-DC1.电力电子基础知识,DC-DC,1.,电力电子基础知识,DC-DC1.电力电子基础知识,AC-AC,1.,电力电子基础知识,AC-AC1.电力电子基础知识,电力电子技术的应用,动车组,1.,电力电子基础知识,电力电子技术的应用动车组1.电力电子基础知识,直流输电,1.,电力电子基础知识,直流输电1.电力电子基础知识,柔性交流输电（,FACTS,）,1.,电力电子基础知识,柔性交流输电（FACTS）1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,计算机电源,1.,电力电子基础知识,计算机电源1.电力电子基础知识,计算机电源,1.,电力电子基础知识,计算机电源1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,1.,电力电子基础知识,1.电力电子基础知识,相关学科,1.,电力电子基础知识,相关学科1.电力电子基础知识,电力电子技术广泛地应用于工业、交通、,IT,、通信、国防以及家电等领域，目前全球,600,亿美元的电力电子产品市场已经形成，支撑着,5700,亿美元的电器电子硬件产品。据美国国家电力科学研究院分析，,2010,年，大约,80,的电能将通过电力电子变流器来处理。,应用前景,1.,电力电子基础知识,电力电子技术广泛地应用于工业、交通、IT、通信,2.,电源基础知识,电源,电压源,电流源,2.电源基础知识电源电压源电流源,电压源特性,a.,理想电压源特性,输出电压恒定，输出电流由,外电路负载决定，输出功率,可以无穷大。,但不允许短路，,违背了基尔霍夫电压定律（,KVL),。,2.,电源基础知识,电压源特性a.理想电压源特性输出电压恒定，输出电流由2.电,b.,实际电压源特性,输出电压在一定输出电流范围内恒定，输出电流由外电路负载决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。,不允许短路，否则会烧坏！但是一般电压源均有限流和短路保护电路。,2.,电源基础知识,b.实际电压源特性输出电压在一定输出电流范围内恒定，输出电流,2,）,.,电流源,a.,理想电流源特性,输出电流恒定，输出电压由,外电路负载决定，输出功率,可以无穷大。,但不允许开路，,违背了基尔霍夫电流定律（,KCL),。,2.,电源基础知识,2）.电流源a.理想电流源特性输出电流恒定，输出电压由2.电,b.,实际电流源特性,输出电流在一定输出电压范围内恒定，输出电压由外电路负载决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。,不允许开路，否则会烧坏！但是一般电流源均有限压和开路保护电路。,2.,电源基础知识,b.实际电流源特性输出电流在一定输出电压范围内恒定，输出电压,3,）,.,线性电源,优点：无任何,EMI,辐射，输出电压纹波小，成本低。,缺点：体积大，重量大，效率低。,.,线性电源基本原理,2.,电源基础知识,3）.线性电源优点：无任何EMI辐射，输出电压纹波小，成本低,.,电源性能指标参数,a),稳压系数,定义为负载一定时，稳压电路输出电压相对变化量与其输入,电压相对变化量之比,S,r,表明电网电压波动的影响，其值愈小，电网电压变化时,输出电压的变化愈小。,2.,电源基础知识,.电源性能指标参数a) 稳压系数 定义为负载一定时，,c),电流调整率（负载调整率）,b),电压调整率,在额定负载且输入电压产生最大变化的条件下，输出电压产生的变化量,Uo,，称为电压调整率。,在输入电压一定且负载电流产生最大变化的条件下，输出电压产生的变化量,Uo,，称为电流调整率，也称为负载调整率。,d),电源效率,2.,电源基础知识,c) 电流调整率（负载调整率）b) 电压调整率,.,稳压电路及其工作原理,T,为调整管,D,Z,为稳压管,A,为线性放大器,串联稳压电路,2.,电源基础知识,.稳压电路及其工作原理T 为调整管DZ 为稳压管A 为线性,2.,电源基础知识,2.电源基础知识,2.,电源基础知识,2.电源基础知识,T,为大功率调整管，工作于线性,放大状态,，输入电压和输出电压相差越大功耗越大，效率很低。调整管极限参数的确定必须考虑输入电压由于电网波动而产生的变化，以及输出电压的调节和负载电流的变化所产生的影响。,.,线性电压调节器,LM317,调压器,I,ADJ,很小可以忽略不记。,2.,电源基础知识,T 为大功率调整管，工作于线性放大状态，输入电压,线性稳压输出模块,(LM78XX),和,负电压,输出模块,(LM79XX),。,要求输入电压和输出电压之间由电压差，且输出电流需要的电压差越大，其典型值为,1-3V,，最大可达,35V,。,2.,电源基础知识,线性稳压输出模块(LM78XX)和负电压输出模块(L,4,）,.,开关电源,优点：效率高、体积小、重量轻,缺点：,EMI,、成本高,AC,DC,AC,DC,2.,电源基础知识,4）.开关电源优点：效率高、体积小、重量轻缺点：EMI、成本,（,1,）,.,开关电源电路分析方法,各功率开关管（三极管或二极管）换流时刻作为各开关模态的转换时刻。,假设条件充分合理。,a.,开关管均为理想开关，导通压降为零，关断电阻为无穷大。,b.,大电容等效为恒压源，大电感等效为恒流源。,。,2.,电源基础知识,（1）.开关电源电路分析方法 各功率开关管（三极管,（,2,）,.,开关电源基本电路拓扑,a.,降压型,BUCK,变换器,Q,、,D,为理想开关管,C,充分大，输出电压基本不变。,假设条件：,2.,电源基础知识,（2）.开关电源基本电路拓扑a.降压型BUCK变换器Q、D为,开关模态,1,2.,电源基础知识,开关模态12.电源基础知识,开关模态,2,根据伏秒积平衡原理，可推得,D=T,on,/T,占空比,2.,电源基础知识,开关模态2根据伏秒积平衡原理，可推得D=Ton/T 占空比2,电压控制型,BUCK,变换器,电压控制,PWM,波形,2.,电源基础知识,电压控制型BUCK变换器电压控制PWM波形2.电源基础知识,电流控制型,BUCK,变换器,电流控制,PWM,波形,2.,电源基础知识,电流控制型BUCK变换器电流控制PWM波形2.电源基础知识,b.,升压型,BOOST,变换器,Q,、,D,为理想开关管,C,充分大，输出电压基本不变。,假设条件：,2.,电源基础知识,b.升压型BOOST变换器Q、D为理想开关管C充分大，输出电,开关模态,1,开关模态,2,根据伏秒积平衡原理，可推得,2.,电源基础知识,开关模态1开关模态2根据伏秒积平衡原理，可推得2.电源基础知,c.,推挽型,DC/DC,变换器,推挽型,DC/DC,变换器,2.,电源基础知识,c.推挽型DC/DC变换器推挽型DC/DC变换器 2.电源基,模态,1,模态,2,模态,3,2.,电源基础知识,模态1 模态2 模态3 2.电源基础知识,驱动脉冲,2.,电源基础知识,驱动脉冲2.电源基础知识,d.,半桥型,DC/DC,变换器,半桥型,DC/DC,变换器,2.,电源基础知识,d.半桥型DC/DC变换器半桥型DC/DC变换器 2.电源基,模态,1,模态,2,模态,3,2.,电源基础知识,模态1 模态2 模态3 2.电源基础知识,驱动脉冲,2.,电源基础知识,驱动脉冲2.电源基础知识,e.,全桥型,DC/DC,变换器,全桥型,DC/DC,变换器,2.,电源基础知识,e.全桥型DC/DC变换器全桥型DC/DC变换器 2.电源基,模态,1,模态,2,模态,3,2.,电源基础知识,模态1 模态2 模态3 2.电源基础知识,驱动脉冲,2.,电源基础知识,驱动脉冲2.电源基础知识,e.,反激式,DC/DC,变换器,反激式,DC/DC,变换器,2.,电源基础知识,e.反激式DC/DC变换器反激式DC/DC变换器 2.电源基,模态,1,模态,2,驱动脉冲,2.,电源基础知识,模态1 模态2 驱动脉冲 2.电源基础知识,（,3,）,.,开关电源控制芯片,电压控制芯片,SG3525,2.,电源基础知识,（3）.开关电源控制芯片 电压控制芯片SG35252.电源,2.,电源基础知识,2.电源基础知识,电流控制芯片,UC3842/3,2.,电源基础知识,电流控制芯片UC3842/32.电源基础知识,设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。,其原理示意图如下：,1994,简易数控直流电源,一、设计任务,3.,历年竞赛题目分析,设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。1994简易,二、设计要求,1,基本要求 （,1,）输出电压：范围,0,9.9V,，步进,0.1V,，纹波不,大于,10mV,；（,2,）输出电流：,500mA,； （,3,）输出电压值由数码管显示； （,4,）由“”、“”两键分别控制输出电压步进,增减； （,5,）为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，,输出,15V,，,5V,。,2,发挥部分 （,1,）输出电压可预置在,0,9.9V,之间的任意一个值； （,2,）用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进,0.1V,不变）； （,3,）扩展输出电压种类（比如三角波等）。,3.,历年竞赛题目分析,二、设计要求3.历年竞赛题目分析,3.,历年竞赛题目分析,3.历年竞赛题目分析,单片机,AT89C51,DAC0832,运算放大器,3.,历年竞赛题目分析,单片机 AT89C51DAC0832运算放大器3.历年竞赛题,1997,直流稳定电源,一、任务,设计并制作交流变换为直流的稳定电源。,二、要求,1,基本要求（,1,）,稳压电源,在输入电压,220V,、,50Hz,、电压变化范围,15%,20%,条件下：,a,输出电压可调范围为,+9V,+12V,b,最大输出电流为,1.5A,c,电压调整率,0.2%,（输入电压,220V,变化范围,15%,20%,下，空载到满载）,d,负载调整率,1%,（最低输入电压下，满载）,e,纹波电压（峰,-,峰值）,5mV,（最低输入电压下，满载）,f,效率,40%,（输出电压,9V,、输入电压,220V,下，满载）,g,具有过流及短路保护功能,3.,历年竞赛题目分析,1997直流稳定电源一、任务3.历年竞赛题目分析,（,2,）,稳流电源,在输入电压固定为,12V,的条件下：,a,输出电流：,4,20mA,可调,b,负载调整率,1%,（输入电压,12V,、负载电阻由,200,300,变化时，输出电流为,20mA,时的相对变化率）,（,3,）,DC-DC,变换器,在输入电压为,+9V,+12V,条件下：,a,输出电压为,+100V,，输出电流为,10mA,b,电压调整率,1%,（输入电压变化范围,+9V,+12V,）,c,负载调整率,1%,（输入电压,+12V,下，空载到满载）,d,纹波电压（峰,-,峰值）,100mV,（输入电压,+9V,下，满载）,3.,历年竞赛题目分析,（2）稳流电源 在输入电压固定为12V的条件下：a输,2,发挥部分（,1,）扩充功能,a,排除短路故障后，自动恢复为正常状态,b,过热保护,c,防止开、关机时产生的“过冲”（,2,）提高稳压电源的技术指标,a,提高电压调整率和负载调整率,b,扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值（,3,）改善,DC-DC,变换器,a,提高效率（在,100V,、,100mA,下）,b,提高输出电压（,4,）用数字显示输出电压和输出电流,3.,历年竞赛题目分析,2发挥部分（1）扩充功能a排除短路故障后，自,稳压电源,3.,历年竞赛题目分析,稳压电源 3.历年竞赛题目分析,稳流电源,3.,历年竞赛题目分析,稳流电源3.历年竞赛题目分析,3.,历年竞赛题目分析,3.历年竞赛题目分析,一、任务,设计并制作数控直流电流源。输入交流,200,240V,，,50Hz,；,输出直流电压,10V,。其原理示意图如下所示。,键盘,控制器,电流源,负载,显示器,电源,2005,年数控直流电流源,二、要求,1,、基本,要求,（,1,）输出电流范围：,200mA,2000mA,；,（,2,）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值,给定值的,1,+,10 mA,；,3.,历年竞赛题目分析,一、任务键盘控制器电流源负载显示器电源2005年数控直流电流,2,、发挥部分,（,1,）输出电流范围为,20mA,2000mA,，步进,1mA,；,（,2,）设计、制作测量并显示输出电流的装置,(,可同时或交替显示电流的给定值和实测值,),，测量误差的绝对值测量值的,0.1,+3,个字；,（,3,）改变负载电阻，输出电压在,10V,以内变化时，要求输出电流变化的绝对值,输出电流值的,0.1,+,1 mA,；,（,4,）纹波电流,0.2mA,；,（,5,）其他。,（,3,）具有“,+”,、“,-,”,步进调整功能，步进,10mA,；,（,4,）改变负载电阻，输出电压在,10V,以内变化时，要求输出电流变化的绝对值,输出电流值的,1,+,10 mA,；,（,5,）纹波电流,2mA,；,（,6,）自制电源。,3.,历年竞赛题目分析,2、发挥部分（3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进10,3.,历年竞赛题目分析,3.历年竞赛题目分析,3.,历年竞赛题目分析,3.历年竞赛题目分析,运放工作于线性放大状态,3.,历年竞赛题目分析,运放工作于线性放大状态3.历年竞赛题目分析,3.,历年竞赛题目分析,一、任务,设计并制作一个三相正弦波变频电源，输出线电压有效值为,36V,，最大负载电流有效值为,3A,，负载为三相对称阻性负载,(Y,接法,),。,变频电源框图如下图所示。,2005,年三相正弦波变频电源,3.历年竞赛题目分析一、任务 2005年三相正弦波变频电源,3.,历年竞赛题目分析,二、要求,1,、基本要求,（,1,）输出频率范围为,20Hz,100Hz,的三相对称交流电，各相电压有效值之差小于,0.5V,；,（,2,）输出电压波形应尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真；,（,3,）当输入电压为,198V,242V,，负载电流有效值为,0.5,3A,时，输出线电压有效值应保持在,36V,，误差的绝对值小于,5%,；,（,4,）具有过流保护,(,输出电流有效值达,3.6A,时动作,),、负载缺相保护及负载不对称保护,(,三相电流中任意两相电流之差大于,0.5A,时动作,),功能，保护时自动切断输入交流电源,3.历年竞赛题目分析二、要求,2,、发挥部分,（,1,）当输入电压为,198V,242V,，负载电流有效值为,0.5,3A,时，输出线电压有效值应保持在,36V,，误差的绝对值小于,1%,；,（,2,）设计制作具有测量、显示该变频电源输出电压、电流、频率和功率的电路，测量误差的绝对值小于,5%,；,（,3,）变频电源输出频率在,50Hz,以上时，输出相电压的失真度小于,5%,；,（,4,）其他。,2、发挥部分,3.,历年竞赛题目分析,3.历年竞赛题目分析,3.,历年竞赛题目分析,3.历年竞赛题目分析,3.,历年竞赛题目分析,3.历年竞赛题目分析,3.,历年竞赛题目分析, DC/DC,模块构成的并联供电系统（见图,1,）。,3.,历年竞赛题目分析,2011开关电源模块并联供电系统 一、任务3.历年竞赛题目分,二、,要求,1.,基本要求,（,1,）调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压,UO=8.00.4V,。,（,2,）额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于,60%,。,（,3,）调整负载电阻，保持输出电压,UO=8.00.4V,，使两个模块输出电流之和,IO=1.0A,且按,I1:I2=1:1,模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于,5%,。,（,4,）调整负载电阻，保持输出电压,UO=8.00.4V,，使两个模块输出电流之和,IO=1.5A,且按,I1:I2= 1:2,模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于,5%,。,3.,历年竞赛题目分析,二、要求 3.历年竞赛题目分析,2.,发挥部分,（,1,）调整负载电阻，保持输出电压,UO=8.00.4V,，使负载电流,IO,在,1.53.5A,之间变化时，两个模块的输出电流可在（,0.52.0,）范围内按指定的比例自动分配，每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于,2%,。,（,2,）调整负载电阻，保持输出电压,UO=8.00.4V,，使两个模块输出电流之和,IO=4.0A,且按,I1:I2=1:1,模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差的绝对值不大于,2%,。,（,3,）额定输出功率工作状态下，进一步提高供电系统效率。,（,4,）具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为,4.5A,（调试时允许有,0.2A,的偏差）。,（,5,）其他。,3.,历年竞赛题目分析,2.发挥部分3.历年竞赛题目分析,
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