现代电源技术功率变换部分教程.ppt

现代电源技术 教程 教程的目的与要求 现代电源技术是一门涉及众多学科的的复杂技术 应用领域很广 是电力电子从业人员必修的一门课程修完该课程应达到以下基本要求1 了解电源技术的现状 发展 及研究热点2 熟悉电源关键器件特性类型及应用3 掌握电源各种先进技术4 学会简易电源的设计方法 安装及调试技能5 学会计算机软件仿真 分析方法成绩评定 总成绩 理论分 实践分 包含平时分 课程内容安排 第一章现代电源技术概述1 1电源技术的现状与发展1 1 1功率半导体技术的现状与发展1 1 2电源技术的新进展1 2电源的构成及特点1 2 1现代电源的构成原理及特点1 2 2开关电源的分类1 2 3开关电源常用的拓扑结构1 2 4电源主要参数分析第二章电源中的电力电子器件与基础电路2 1电力电子器件2 2基础电路2 2 1EMI滤波电路2 2 2整流与滤波电路2 2 3功率变换电路2 2 4控制与驱动电路2 2 5保护电路 1 2电源的构成与分类1开关电源的基本构成开关电源的基本电路如图2 1所示输入回路 将交流输入电压整流成为较平滑的直流高压功率变换器 将直流高压变换为频率大于20KHZ的高频脉冲电压整流及滤波电路 将高频脉冲电压转换稳定的直流输出电压PWM控制器 将输出直流电压进行取样控制功率器件的驱动脉冲宽度 从而调整开通时间以使输出电压可调且稳定 2开关电源的特点 1 重量轻 体积小采用高频技术 去掉了工频变压器 在同等的输出功率下 体积 重量可缩减10 1 2 功率因数高经PFC的开关电源功率因数一般都在0 93以上而且不受负载的变化影响 3 可听噪声低在线性电源中 工频变压器及滤波电感产生噪声大于60分贝 而开关电源仅为45分贝左右 第三章现代电源领域新技术3 1PFC技术3 2同步整流技术3 3软开关技术3 4高频磁技术3 5均流技术3 6DC DC变换技术第四章电源中的电子变压器4 1变压器的设计与计算4 2变压器的典型应用第五章开关电源电磁兼容性所涉及的内容5 1EMI产生的形式5 2EMS的测量5 3雷电产生的EMP5 4ESD的性能指标第六章开关电源的设计与应用 第一章现代电源技术概述1 1现代电源技术的现状与发展现状 先进的电路技术 PFC技术 同步整流技术 软开关技术高频磁技术 均流技术 DC DC技术先进的半导体技术 PIC器件 模块器件水平 效率 高达93 稳压精度 0 5功率因数 单相0 97 0 999噪声电压 宽频噪声 衡重噪声发展方向 高效率 小型化 集成化 智能化高可靠性1 1 1功率半导体技术新进展功率开关器件发展阶段50年代60年代70年代80年代90年代可控硅SCR快速晶闸管可关断晶闸管GTO1高压GTO大容量大功率高性能 晶闸管 2IGCT省吸收与IGBT结合3MCT优势互补 MOS晶闸管 电力晶体管GTR1IGBT1高速IGBT2功率MOSFET2低电荷功率MOSFET 功率二极管的发展PIN功率二极管SBD肖特基势垒功率二极管耐高压 大电流 极高的开关频率低泄漏电流低导通损耗开关频率不高不适于高电压大电流的应用POWER IC器件的发展PWM MOSFET二合一IC集功率开关 控制电路 保护电路与一体 性价比较高 TOPSwich系列二合一功率ICTOP220 TOP230 TOP250 仙童公司5L系列03801M系列0880广泛应用于小家电 通讯设备等IGBT功率模块复合功率模块PIM智能功率模块IPM电力模块IPEM电力电子模块PEEB水平1200 1800A600A1800 3300V2000V 1 1 2电源领域技术新进展功率因数校正 PFC 技术PFC的概念起源于1980年 重视和推广在80年代末 主要制定了IEC555 2 IEC1000 3 2使得研究PFC术研究成为电源界热点现在关注 一是二级PFC技术 二是单级PFC技术同步整流技术同步整流的概念 当输出为低电压大电流时整流损耗成为功率变换器主要损耗所以提出采用低导通电阻的MOSFET进行整流 同步整流 是通过控制MOSFET的驱动电路来利用功率MOSFET实现整流功能的技术发展 同步整流技术出现得较早 但早期的技术很难转换为产品 这是由于当时驱动技术不成熟 可靠性不高 经过几年的发展 同步整流技术已经成熟 由于开发成本的原因 目前只在技术含量较高的开关电源模块中得到应用 优势 同步整流技术提高了电源效率 它同时给电源模块带来了许多新的进步 同步整流技术符合高效节能的要求 适应新一代芯片电压的要求 有着非常广阔的应用前景 但目前只有较少的公司掌握了该项技术 并且实现的成本也很高 而且还有很多应用领域未得到开拓 随着用于同步整流的MOSFET批量投入市场 专用驱动芯片的出现 以及控制技术的不断完善 同步整流技术将成为一种主流电源技术 逐步应用于广泛的工业生产领域 软开关技术软开关技术的概念 是利用电容于电感谐振使得开关器件中电流 电压 按正弦或准正弦规律变化 当电流过另时 器件关断 当电压过另时 器件开通 实现开关损耗为另软开关技术 可分为1 PFM2 PWM3 PS方式发展动态 自20世纪80年代中期起 采用PWM控制技术的高功率密度DC DC变换器模块走进了世界市场 如今 已广泛应用在各种领域中 1997年 在已经行了将近30年的世界范围的软开关基础理论研究之后 美国Vicor开关电源公司最先推出了VI 300系列软开关高密度DC DC产品 第二代产品是以Vicor公司有专利权的零电流开关 ZCS 和零电压开关 ZVS 软开关控制技术为基础 结合了控制集成 封装 铁氧体 噪音和散热技术等方面的最新成果 产品达到了与理想功率器件极为接近的境地 第二代产品与第一代产品相比 功率密度增加了两倍 即为120W in3 第二代产品的出现预示着它们将是DC DC变换器未来的主流产品 DC DC技术研究热点 低电压大电流 高频磁技术 电力电子高频磁技术是将电力电子技术与磁技术结合起来高频磁技术是电力电子技术中的重要内容 功率磁元件是所有电源中必不可少的关键器件 它担负着磁能传递 储存以及滤波功能 其体积和重量一般占到电路20 30 10年内重点发展 高频低功耗高磁导率材料和片式化的表面贴装软磁材料在非晶软磁金金属和磁记录材料方面 发展纳米材料70年代初20KHZ电子变压器取代了工频变压器使得变压器体积减小60 80 重量减轻75 目前开关频率已从20KHZ提高到10MHZ 第二章电源中的电力电子器件与基础电路2 1电力电子器件 2 2基础电路2 2 1EMI滤波电路开关电源设计应考虑抑制干扰 而滤波是一种抑制干扰有效方法 不仅可以抑制传输线上传导干扰 同时对辐射发射也具有显著抑制效果 图2 2 1是开关电源输入级常用一种EMI滤波器电路分析 图2 2是对共模噪声和差模噪声都有效的滤波器电路 其中 L1 L2 C1为抑制差模噪声回路 L3 C2 C3构成抑制共模噪声回路 L1 L2的铁芯应选择不易磁饱和的材料及M F特性优良的铁芯材料 C1使用陶瓷电容或聚酯薄膜电容 应有足够的耐压值 其容量一般取0 22 0 47uF L3为共模电感 对共模噪声具有较高的阻抗 较好的抑制效果 2 2 2整流与滤波电路 2 2 3功率变换电路在高频开关电源功率转换电路中 单断变换器 正激 反激式 与双端变换器 推挽式 半桥 全桥式 的本质区别 在于其高频变压器的磁芯只工作在第一象限 即处于磁滞回线一边 按变压器的副边开关整流二极管的不同接线方式 单断变换器有两种类型 a 单端正激式变换电路b 单端反激式变换电路2 2 3 1单端反激式变换电路1 基本工作原理 下图 ton时 Q1通 E 加在原边Lp两端 ip线形增加 储能 副边Ls电压上正下负 D1反偏截止 toff时 Q1截止 ip降为 原边Lp两端电压极性反向 副边Ls电压随着变为上负下正 D1正向导通 此后 储存在变压器中的磁能向负载传递释放电能 当单断反激式变换器在原边开关管导通时储存能量 开关管截止时才向负载释放能量 故高频变压器既起到变压隔离作用 又是电感储能元件 因此 又称单端反激式变换器为 电感储能式变换器 2 电路特点a 由于原边 副边的电感量为常数 使原边和副边电流按线形规律升降 其电流工作状态有三种 非连续态 临界态及连续状态 b一般用在小功率场合c利用率不高注意设计原则 必须使高频变压器磁芯的磁通复位 即 必须让高压开关管在一个周期内的导通和截止期间 加在高频变压器原边绕组上的伏 秒数相等 单端反激式变换器简图 2 2 3功率变换电路2 2 3 2单端正激式变换电路1 基本工作原理Q1导通时 D1导通 电路向负载RL输送能量 同时输出滤波电感L0储存能量 Q1截止时 电感L0储存能量通过续流二极管D2向负载释放2 电路特点a 导通时输入馈电给负载 截止时 供电给负载 b N3起到去磁复位功能外 同时 与二极管D3一起组成箍位电路防止Q1截止期间及瞬态过程中高频变压器漏感引起电压尖峰叠加在Q1上 c 若去磁绕组与原边绕组匝数相等 并保持紧耦合 Q1承受的电压最大为2E设计中注意原则 由于高频变压器工作在磁滞回线的一侧 必须遵守磁通复位原则 即导通脉宽不能超出周期的一半 双管正激并联电路具有输出功率大 输出方波频率加倍 易于滤波 开关管耐压值减半约等于输入电压Vn 取消了变压器去磁绕组等优点 因此广泛应用于大功率变换电路中 是可靠性高 制造不复杂的主要电路之一 单端正激变换器电路 2 2 3功率变换电路2 2 3 3推挽式功率变换电路 34 1 基本工作原理VT1 VT2中交替导通时 W1和W2有相应的电流流过 变换器二次侧将有功率输出 2 电路特点a由于功率开关器件的发射极共地 无须隔离基极驱动电路 简化b两个功率开关器件轮流导通可获得较大的功率输出 c功率开关的耐压值应当大于2Vin2 2 3 4全桥式功率变换电路1 基本工作原理变压器连接在四桥臂中间 相对的两对功率开关器件VT1 VT4和VT2 VT3交替导通或截止 使变压器的二次侧有功率输出 当功率开关器件VT1 VT4导通时 VT2 VT3则截止 这时 VT2 VT3两端承受的电压为输入电压Vin 在功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管VD1 VD4钳位于输入电压Vin 2 电路特点1 全桥式功率开关器件的耐压值只要大于Vinmax即可2 使用钳位二极管VD1 VD4 有利于提高电源效率 3 电路使用了四个功率开关器件 四组驱动电路需要隔离 应用 主要应用于大功率变换电路中 由于驱动电路复杂且均需隔离 因此在电路设计和工艺结构布局中要有足够的考虑 推挽功率变换电路 全桥功率变换电路 2 2 3功率变换电路2 2 3 5半桥式功率变换电路1 基本工作原理与全桥功率变换电路相比 两个功率器件改为两个容量相等的电容代替 C1和C2的主要作用是实现静态时的分压 使Va Vin 2 2 电路特点当VT1导通 VT2截止时 电源向C2充电 当VT2导通 VT1截止时 输入电流向C1充电 VT1导通 VT2截止时 VT2两端承受的电压为输入直流电压Vin 这也是开关管承受的最大电压 2 电路特点a 在高频变压器上施加的电压只有全桥功率变换电路的一半 在同等功率输出的条件下 半桥开关管的工作电流需要增加一倍 b 突出优点 具有抗不平衡能力 应用 中等功率容量的电源 串联型半桥功率变换电路 可降低耐压要求 采用并联方式 可增大输出电流的容量 半桥功率变换电路 功率变换电路的比较与应用 变压器利用率单端正激 反激变换器次芯中磁滞回线仅在第一象限内变化 变压器利用率底 推挽式 全桥式 半桥式功率变换电路用的磁芯在全磁滞回线工作 利用率高 在输出同等功率的条件下所用的磁芯体积相应缩小 对功率器件的要求推挽式 全桥式 半桥式功率变换电路的功率开关器件在一个周期内各导通一次承受的电流相对较小 并且在功率变换电路二次输出整流后的准方波也将成倍增加 使直流脉动成分相应减少 在单端式和推挽式功率变换电路中 功率开关器件的耐压值为输入直流电压的两倍 在桥式功率变换电路中 耐压值仅等于输入电压值 对控制驱动电路的要求推挽式 全桥式 半桥式变换电路其驱动脉冲必须小于 同时要有一定的死区 死区持续时间应当略微大于功率开关器件的存储时间 以防止直通 单端正激 反激变换器无需专门的死区控制 从驱动电路的要求看 桥式功率变换电路需要隔离 故工艺结构和布局设计考虑较为复杂 2 2 5保护电路