电力电子技术

1、电力电子器件介绍及应用陈钊民电自2班什么是电力电子器件？电力电子器件（Power Electronic Device）又称为功率半导体器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）。电力电子器件的发展 20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断

2、晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。电力电子器件的简介 各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。功率二极管是二端(阴极和阳极)器件，其器件电流由伏安特性决定，除了改变加在二端间的电压外，无法控制其阳极电流，故称不可控器件。普通晶闸管是三端器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断，称半控型器件。可关断晶闸管、功率晶体管等器件，其门极信号既能控制器件的导通，又能控制其关断，称全控型器件。后两类器件控制灵活，电路简单，开关速度快，广泛应用于整流、逆

3、变、斩波电路中，是电动机调速、发电机励磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。这些器件构成装置不仅体积小、工作可靠，而且节能效果十分明显(一般可节电10%40%)。单个电力电子器件能承受的正、反向电压是一定的，能通过的电流大小也是一定的。因此，由单个电力电子器件组成的电力电子装置容量受到限制。所以，在实用中多用几个电力电子器件串联或并联形成组件，其耐压和通流的能力可以成倍地提高，从而可极大地增加电力电子装置的容量。器件串联时，希望各元件能承受同样的正、反向电压；并联时则希望各元件能分担同样的电流。但由于器件的个异性，串、并联时，各器件并不能完全均匀地分担电压和电流。所

4、以，在电力电子器件串联时，要采取均压措施；在并联时，要采取均流措施。电力电子器件工作时，会因功率损耗引起器件发热、升温。器件温度过高将缩短寿命，甚至烧毁，这是限制电力电子器件电流、电压容量的主要原因。为此，必须考虑器件的冷却问题。常用冷却方式有自冷式、风冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸发冷却式等。电力电子器件开关电源的应用开关电源又称交换式电源交换式电源、开关开关变换器，变换器，是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目

5、前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。1、开关电源的概念2、开关电源的电路组成3、开关电源的常用电路类型4、开关电源的分类5、通信设备对开关电源的要求一、开关电源的概念开关开关电源和线性电源、相控电源的比较电源和线性电源、相控电源的比较 线性电源：线性电源的主要特点就是功率器件工作在放大状态，具有稳定度高、可靠性好、成本低等优点，但是效率低、笨重和体积大的缺点。只能做中、小功率的电源。 相控电源：是通过控制可控硅的导通角来达到稳压作用，功率因数比较低、效率低、笨重、体积大。一、开关电源的概念开关开关电源（电源（sw

6、ichingswichingmode power supplymode power supply） 开关电源因为体积小、效率高已经充斥了我们的日常生活，从移动电话的充电器，到我们的彩电、音像供电电源；从路边的霓虹灯，到车站的电子显示牌，这些都用到了开关电源；从我们的台式计算机，到便携笔记本电脑等等，这些都离不开开关电源。 当然开关电源的输入并不限于是交流（AC/DC电源），还可以是直流（DC/DC电源和DC/AC电源）。开关电源交流输入电压范围比较宽，可以从几十伏到上千伏。就目前而言，开关电源的控制方式有两种：脉宽调制和频率调制（Pulse Frequency Modulation PFM）。

7、脉宽调制（Pulse Width ModulationPWM）方式比较常见，我们中兴通讯电源均采用的是这种方式。 一、开关电源的概念开关开关电源的主要指标电源的主要指标无故障运行间隔时间 这是开关电源最重要的指标，衡量了开关电源的工作可靠性。一般说的是开关电源平均无故障运行间隔时间越长约好。工作效率 输出功率与输入功率的比值就是开关电源的工作效率，衡量开关电源在变换过程中所产生的损耗，对于目前我们的开关电源工作效率在85%以上。电压调整率 指在负载保持不变的情况下，输出电压变化与单位输出电源和输入电压变化量的百分比。Sv（V0V0 Vi）。该参数表示了电源的稳压特性。一、开关电源的概念开关开关

8、电源的主要指标电源的主要指标负载调整率 指的是输出负载变化时，引起的输出电压的变化。 SL（V0V0 ）。 输出纹波（峰峰值） 这个指标衡量了开关电源的电磁兼容性，纹波越小越好。一般小于输出电压的百分之三毫伏，例如对于53.5V电压来说，输出纹波就位150毫伏。一、开关电源的概念开关电源的一些名词概念有功功率（Acitive power):电能转换成其他能量所消耗的功率，单位为瓦（W），用P表示。无功功率(Unactive power):没有消耗功率，只是能量在电感和电容之间转换的功率部分，单位为VA，用Q表示。视在功率(Aparent power):指的是交流输入功耗，也叫表观功率，其单位是

9、VA，用S表示。 S S2 2=P=P2 2+Q+Q2 2功率因数(Power factor):有功功率与视在功率的比值，它表示交流电转化成其他能量的能力。功率因数P/S。功率因数校正后为0.9999。二、开关电源的电路组成 不管什么样的开关电源必须包括以下几个部分：不管什么样的开关电源必须包括以下几个部分：1、输入电路、输入电路 D D级防雷电路、交流输入的级防雷电路、交流输入的EMIEMI电路、输入整流器滤波电路、输入缓启电路、输入整流器滤波电路、输入缓启动电路、动电路、APFCAPFC电路。电路。 D级防雷是吸收雷电残压，保护开关电源不受损坏，一般是由压敏电阻和放电管组合使用；交流输入的

10、EMI电路一般是用来抑制共模噪声干扰的，是由共模电感、X、Y电容组成，将噪声吸收到大地（机壳）；输入缓启动电路如下图所示,由于电容电压不能突变，所以在刚接通电源的瞬间，电容的充电电流比较大，需要采取措施进行限制，否则电源设备无法供电。二、开关电源的电路组成 输入缓启动电路原理图输入缓启动电路原理图二、开关电源的电路组成APFCAPFC电路，是有源功率因数校正电路电路，是有源功率因数校正电路。它是一个升压电路，电路结构采用的是BOOT电路，输出电压一般规定在410VDC左右。由于开关电源所采用的器件全部工作在非线性状态，电路上有电感和电容，所以会造成交流输入电压和电流的相位存在相位差，导致交流电

11、不能全部做功，一部分在电感和电容中转换。另外交流电压和电流波形出现畸变，造成谐波分量增加，干扰增加。功率因数校正电路就是将电压和电流相位强制到一致，同时对波形给予修正。二、开关电源的电路组成 开关电源APFC电路二、开关电源的电路组成2、功率变换电路、功率变换电路 将APFC输出的410VDC高压进行变换，变成高频高压脉冲电压，然后驱动高频变压器，变压器将高压脉冲电压变成低压脉冲电压。该部分的主要器件是开关功率器件和高频变压器。3、输出电路、输出电路 输出电路主要是全波整流电路和滤波电路、输出EMI电路。全波整流器电路所用的整流二极管不是普通的，一般用采用快恢复二极管或肖特基；滤波电容用的是高

12、频低阻电容。二、开关电源的电路组成4、控制电路、控制电路 控制电路是开关电源电路的核心之一。PWM控制芯片决定开关电源的工作模式，该芯片产生两路相位相反的驱动信号来驱动功率开关器件工作，通过脉冲宽度来控制开关管的导通时间，从而调节能量传递的大小。开关电源的控制电路是一个闭环控制系统，所以能及时保证输出电压稳定不变，闭环有两个环来调节，内环是电流环调节，确保开关电源的动态响应时间，速度比较快。外环是电压调节环，确保电压的稳定，速度相对较慢。输出过压保护、均流电路、过热保护、限流保护、短路保护以及交流输入过欠压保护是开关电源的辅助电路。二、开关电源的电路组成三、开关电源的常用电路类型 我们一般按照

13、我们一般按照DC/DCDC/DC变换的方式来划分开关电源的电路类变换的方式来划分开关电源的电路类型，包括单端正激电路、单端反激电路、推挽电路、半桥电型，包括单端正激电路、单端反激电路、推挽电路、半桥电路和全桥电路。下面我们对每个电路的情况给予简单的描路和全桥电路。下面我们对每个电路的情况给予简单的描述。述。1 1、单端反激电路、单端反激电路 反激式开关电源的核心部分是反激式直流直流变换器，基本电路如下图所示：单端反激电路一般用在小功率电源和开关电源的辅助电源上。其占空比可达100，控制芯片一般用的是UC3842和UC3843。三、开关电源的常用电路类型 反激式电路原理图三、开关电源的常用电路类

14、型2、单端正激电路 正激式开关电源的核心部分是正激式直流直流变换器，基本电路如下图所示。正激电路变压器的利用率比较高，工作时的占空比小于50，工作频率是振荡频率的一半，所使用的控制芯片一般是UC3844和UC3845。可以做中型功率的开关电源，使用双管正激电路，其功率可以做得更高一点。虽然功率变压器不像反激式电路要开气隙，但是一般要在变压器中加去磁绕组，在关断时将付边的能量反射到交流输入上。三、开关电源的常用电路类型 正激电路原理图（单管正激）+-Uin RL UO +-+IO LO V3 V4 C T V1 V2 W2 i iL 1W 1W 1i 三、开关电源的常用电路类型 正激电路原理图（

15、双管正激）+-Uin +-+C LT1T2K1K2K3K4V1V2V3V4三、开关电源的常用电路类型3、推挽电路 推挽式功率变换电路原理图，如图下图所示。推挽电路要求输入电压低，两个开关管的耐压要求是输入电压的2倍，所以一般用在DC/DC电源中。推挽电路一般用在中型功率电路上，变压器双向激励，变压器效率高,但是变压器容易出现磁偏现象。它的功率比正激电路稍微大一点，但是存在开关管“直通”的危险。 工作时两个功率开关管V1、V2交替导通或截止。当V1和V2分别导通时，W1和W2有相应的电流流过，这时变换器次级将有功率输出。当V1导通，V2截止时，V2集射两端承受的电压为2倍的Uin，而在V1、V2

16、都处于截止时它们所承受的电压为输入直流电压Uin。三、开关电源的常用电路类型 推挽电路原理图+Uin-LV1V2W1W2Uce2Uin Uintt Ic00TonToffT三、开关电源的常用电路类型4、半桥电路 半桥电路有两个功率开关管，通过两个串连的电容器来构成工作回路，这两个功率管交替导通驱动高频变压器进行能量传递，变压器是双向激励的。半桥电路同样存在变压器磁偏现象，会出现“直通”问题。同样的变压器的情况，半桥的输出功率大于推挽电路。如下图所示：C1和C2的作用主要是实现静态时分压，使Ua=1/2Uin。当V1导通，V2截止时，输入电流方向为图中虚线方向，向C2充电；当V1截止，V2导通时

17、，输入电流方向为图中实线方向，向C1充电。当V1导通，V2截止时，V2两端承受的电压为输入直流电压Uin。三、开关电源的常用电路类型 半桥型开关电源原理图+-LV1V2Uce Uin Uin/2tt Ic00TonToffT+-C1C2V3V4 Uin Ua三、开关电源的常用电路类型5 5、全桥电路全桥电路 全桥电路是大功率电源常用的电路，有四个开关管组成两个桥臂。两个桥臂分别导通激励高频功率变压器，进行能量变换，但是存在开关管“直通”的危险。 全桥电路原理图如下图所示。由四个功率开关器件V1V4组成，变压器T连接在四桥臂中间，相对的两只功率开关器件V1、V4和V2、V3分别交替导通或截止，使

18、变压器T的次级有功率输出。当功率开关器件V1、V4导通时，另一对V2、V3则截止，这时V2和V3两端承受的电压为输入电压Uin，在功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管V5V8箝位于输入电压Uin。三、开关电源的常用电路类型 全桥型电路原理图+-LV1V2Uce Uin Uin/2tt Ic00TonToffTT+-V3V4V7V8V5V6三、开关电源的常用电路类型7 7、几种类型电路比较、几种类型电路比较四、开关电源的分类 一般是按照开关电源的输入和输出进行分类 AcAcD Dc c：把交流输入变换成直流输出，一次电源。：把交流输入变换成直流输出，一次电源。 DcDcD Dc c：把直

19、流输入变换成直流输出，二次电源。：把直流输入变换成直流输出，二次电源。 DcDcAcAc：把直流输入变换成交流输出，逆变器电源。：把直流输入变换成交流输出，逆变器电源。 AcAcAcAc：把交流输入变换成交流输出，：把交流输入变换成交流输出，UPSUPS电源。电源。五、通信用开关电源的基本要求1 1、开关电源的均流、开关电源的均流 一套开关电源系统至少需要两个开关电源模块并联工作，大的系统甚至多达数十个电源模块并联工作，这就要求并联工作的电源模块能够共同平均分担负载电流，即均分负载电流。均分负载电流的作用是使系统中的每个模块有效地输出功率，使系统中各模块处于最佳工作状态，以保证电源系统的稳定、

20、可靠、高效地工作。负载均分性能一般以不平衡度指标来衡量，不平衡度越小，其均分性能越好，即各模块实际输出电流值距系统要求值的偏离点和离散性越小。国家有关标准和信息产业部入网要求其均分负载不平衡度5%输出额定电流值。五、通信用开关电源的基本要求2 2、均流在组合开关电源柜中的体现、均流在组合开关电源柜中的体现 对于组合电源来说，一般要配置2台以上的整流器，如果均流效果好，那么每个整流器的输出电流基本“相近相近”。但是并不是理想状态下的“非常均匀”，当负载比较小的情况下（负载电流为2A左右，平均状态下每个整流器的输出不超过1A），有可能某一个整流器输出电流2A，而其他整流器的输出电流为零，这并不是电

21、源系统不均流，而是在小电流情况下是否均流对组合电源系统来说意义并不是很大。均流的真正意义在于在整流器输出电流比较大的情况下（30以上负载），各个整流器的输出电流在小于5%范围之内，保证整流器的可靠性。这个指标是以单个整流器的额定输出电流为依据的，详细情况请看下面的例子。五、通信用开关电源的基本要求3 3、组合开关电源柜均流说明举例、组合开关电源柜均流说明举例 例如有一个通信基站用的是一套ZXDU300 V2.0电源设备，配置了5个整流器，负载使用的电流是30A。假如5个整流器的输出电流分别是：7.5A、6A、6A、7A、4.5A，那么按照标准情况该组合电源的整流器均流是符合条件的，即电流最大和

22、最小之间的相差不超过30A103A（最大是7.5A，最小是4.5A），偏离中心值6A也符合要求。 假如这个基站设备的电流是3A，那么有可能出现某一个整流器的输出电流3A，而其他整流器的输出电流很小，几乎为零。这种现象是正常现象，按照标准计算符合要求。另外对这么小的电流，均流已经失去意义。 五、通信用开关电源的基本要求4 4、开关电源的保护功能、开关电源的保护功能 对于通信设备使用的开关电源来说，需要有以下几个保护：输出过压保护、过热保护、输出短路保护、限流功能、输入过欠压保护。输出过压保护 开关电源的输出电压一般不会超出正常范围，但是一旦超出正常范围，那么可能会对通信设备造成损坏。所以开关电源

23、整流器设有输出过压保护，一旦输出电压超过设定值，那么开关电源会将输出闭锁。此闭锁是不能自恢复的，需要断电重启才可以。五、通信用开关电源的基本要求4 4、开关电源的保护功能、开关电源的保护功能( (续）续）输入过欠压保护 输入过欠压保护指的是在交流电压过高或过低时关闭电源输出，此关闭是可以自动恢复的，一旦条件满足，开关电源会自动开始工作的。过压保护是避免在输入电压高的时候，因功率开关管工作，而引起其损坏；欠压保护是避免在输入电压低的时候，因输入电流过大，而造成输入器件（整流桥、开关管、变压器）通过电流超过额定值而损坏，另外也是保证整流器工作在最佳状态。五、通信用开关电源的基本要求4 4、开关电源的保护功能（续）、开关电源的保护功能（续）限流保护 开关电源的限流是通过降低输出电