现代电源技术发展1

1、现代电源变换技术主讲人： 马瑞卿 2014年9月22日 现代电源变换技术课程要求课程编号：课程编号：096022，09G116（专硕）；学时：（专硕）；学时：40H；学分；学分: 2授课对象：研究生，授课对象：研究生，2014年秋至冬学期（第一学期）年秋至冬学期（第一学期）先修课程：先修课程：电机学电机学、数字电子技术数字电子技术、模拟电子技术模拟电子技术、 自动控制原理自动控制原理、电力电子技术电力电子技术、单片机原理单片机原理、 电工基础理论电工基础理论考核形式：考试。考核形式：考试。1、 主要讲授主要讲授内容：内容：v 现代电源的概述、最新进展（新能源）；v 功率拓扑变换结构及其工作原理

2、；v 脉宽调制（PWM）变换及稳定控制技术；v 磁性元件设计；v 高频软开关变换技术；v 单片开关电源设计举例。现代电源变换技术课程要求2、 课程大纲：课程大纲：1、电源变换基础（经典线性变换电源、开关稳定电源及 电压电流的闭环控制）；2、DC/DC变换器原理与应用；3、高频变压器及磁性元件设计；4、开关稳定电源及其滤波技术；5、单片隔离电源设计及应用；6、UPS不间断电源；7、滤波与接地技术； 8、变频电源；9、功率因数校正与同步整流技术；10、移相桥式软开关电源；11、新能源发电技术 现代电源变换技术课程要求3、 主要参考书：主要参考书：（1）李定宣开关稳定电源设计与应用M北京：中国电力出

3、版社，2006；（2）张占松，开关电源的原理与设计M. 北京：电子工业出版社，2006；（3）阮新波直流开关电源的软开关技术M北京：科学出版社，2009；（4）刘胜利.现代高频开关电源实用技术M北京：电子工业出版社，2001（5）陈坚电力电子变换和控制技术M北京：高等教育出版社，2004（6）沙占友.单片开关电源最新应用技术M北京：机械工业出版社，2003 （7）刘万琨风能与风力发电技术M北京：化学工业出版社，2007（8）陈国呈.PWM变频调速及软开关电力变换技术M北京：机械工业出版社，2002u 其他近几年出的新书现代电源变换技术课程要求 4、考试形式：考试形式：1、开卷：2、方式： 2.

4、1 大作业形式： 6000字以上，论文格式； 时间：1个月以上。 2.2 试题形式： 简答题，论述题等； 时间：1周以上。第一讲 现代电源概述一、什么是电源？ 电源犹如人类的心脏，是所有用电设备的动力源。但电源却不象心脏那样形式单一，因为，标志电源特性的参数很多。有电压、功率、频率、噪声及所带负载参数的变化等； 在同一参数要求下，电源又有体积、重量、形态、功率、可靠性等指标。人们可按此去“塑造”和完美电源，因此电源的形式是多样的。 二、电源变换技术 在一般情况下，一般电能要经过转换才能符合使用的需要。例如，交流转换成直流、高电压转换成低电压等。这一过程有人形象地比喻为将“粗电”炼成“精电”，“

5、粗电”炼成“精电”才好使用。 转换很多电气设备的故障出自于电源（如很多电气设备的故障出自于电源（如EMI、掉电、短路），所、掉电、短路），所以电源在电气工程及其自动化领域地位很重要。如飞机、航天以电源在电气工程及其自动化领域地位很重要。如飞机、航天器、卫星、通讯、银行、股市等。器、卫星、通讯、银行、股市等。三、电源变换的技术方法 电源变换包括电源电压的大小、极性、频率、相位、时间间隔、稳定精度等等。 变压通过变压器 整流二极管 滤波采用有源滤波或无源滤波 稳定将电源变压、调压调频，使之平稳 变换直流交流；方波正弦等等四、电源变换技术的发展v 1902年 美国人Hewitt 发明了水银整流器v

6、1904年 电子管问世v 1914年 美国人Langmuir 发明热阴极放电管v 1930年 铁制水银整流器开始使用v 50年代中叶 水银整流器使用在电气机车上v 60年代后期 SCR（可控硅）出现v 1970年 GTO、GTR、BJT、MOSFET问世v 70年代后期 IGBT、HVIGBT、MGT、MCT发展v 1980年 高频开关电源繁多，用于电视，计算机v 上世纪末 核心技术PWM（具有不可抗拒性）第二讲 开关稳压电源概述 一、线性稳压电源与开关稳压电源（1）线性稳压电源工频变压器整流滤波电路基准电路比较放大器取样电路U串联调整器件VLROU220V线性稳压电源原理图线性：功率管工作于

7、线性放大区；线性：功率管工作于线性放大区；稳压：输出电压闭环控制。稳压：输出电压闭环控制。a) 线性稳压电源的优点：1)电源与负载稳定度较高2)输出纹波电压小3)瞬态响应速度快4)线路简单、易维护、成本低5)无电磁干扰b) 线性稳压电源的缺点：1)功耗大、效率低，一般只有452)体积大、重量重，不能微小型化 （2）开关稳压电源开关：功率管工作于开关状态。开关：功率管工作于开关状态。（2）开关稳压电源（1）交流输入，是经由一次整流平滑部分（二极管整流桥与平滑电容器）转换为直流电为后供应至DC-DC变换器部分。（2）DC-DC变换器电路，是经由可使直流转换为高频交流的逆变器与再使高频交流二次整流为

8、直流用的快速二极管和扼流圈、电解电容器所构成的二次整流平滑电路，即向负载中供应直流电。控制电路部分，是执行由“比较电路”、“放大电路”以及“控制ON-OFF时间比的电路（可使相应信号控制脉宽的电路）”等所构成的逆变器部分的控制。 a) 开关稳压电源的优点：1)功耗小、效率高、开关整流器件工作在通断截止状态2)体积小、散热好3)稳压范围宽（200400Vin）4)滤波效率大为提高（滤波电容仅为线性电源的1/5001/1000）5)形式灵活多样b) 开关稳压电源的缺点：1)存在严重的电磁干扰2)造价不能大幅下降3)结构复杂、故障率高二、开关电源的发展 1955年，美国科学家G.H.Royer研制成

9、功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管变换器 1960年，变换器取代了寿命短、效率低的旋转式换流设备 1963年，输出路数多、极性可变的晶体管开关电源出现在军事设备中 60年代末，高反压晶体管出现，采用高频变压器，转换效率提高 70年代，永磁材料、高反压MOS、高频电容、开关二极管推出，推动了开关电源的发展 90年代左右，出现软开关技术，开关电源向大功率化发展，功率因数（校正）补偿成为热门 本世纪以来，超级电容、平面变压器使得DC/DC集成模块向着高功率密度的方向发展。二、开关电源的发展 开关电源的前身是线性稳压电源，在开关电源出现之前，许多控制设备的工作电源都采用线性稳压电源。但由于线性电

10、源有不可克服的缺点：功耗大、效率低；体积大、重量重，不能微小型化；且必须有较大容量的滤波电容。 开关电源的出现正好克服了线形电源的这些不足之处，有其自身的优点：功耗低、效率高；体积小、重量轻；稳压范围广；滤波效率高；电路形式灵活多样。 基于开关电源的这些优点，开关电源已经在国民生产、生活的许多领域加以应用。计算机、航天、信息、彩电、家电领域的发展, 特别是电信业的迅猛发展，推动了开关电源研究与应用的发展。二、开关电源的发展 利用电力电子器件组成的电路有四大类： ACDC电路 DCAC电路 ACAC电路 DCDC电路 目前, 在我国通信、信息、家用电器等领域, 普遍采用了开关电源。其中, 通信用

11、DCDC电源是增长速度最快的一种开关电源，而当前移动通信用开关电源已成为发展热点，如华为、中兴等公司已世界知名。 在新能源、LED灯、电声器材、平板电视等更大的领域中，开关电源今后在都有会呈现出蓬勃的生机。 三、开关电源的种类开关电源是多种多样的，从不同的角度对它进行分类，分类的结果也是多样的。开关电源中的功率电子电路，也就是常说的主电路， 是开关电源的核心电路。对各种开关电源主电路的工作原理与适用条件的分析是进行开关电源电路选型的基础，也是主电路和控制电路参数设计的基础。根据电路是否具有电能回馈能力、输出端与输入端是否电气隔离以及电路的结构形式三个原则，对开关电源进行分类，如右图： 三、开关

12、电源的种类（1）按储能电感与负载的连接方式划分： 串联型 储能电感串联在输入与输出电压之间 并联型 储能电感并联在输入与输出电压之间 电路形式如下图所示。（2）按开关晶体管的类型划分 （a）晶体管型：采用晶体管作为开关管 （b）可控硅型：采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输入交流电，不需要一次整流部分 。（3）按激励方式划分 （a）他激式：电路中转设激励信号的振荡器 （b）自激式：开关管兼作振荡器中的振荡管 （4） 按开关管电流的工作方式划分 （a）开关型： 用开关晶体管把直流变成高频标准方波，电路形式类似于他激式。（b）谐振型： 开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波，电路形式

13、类似于自激式。 （5） 按调制方式划分（a）脉宽调制型 振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，有时通过取样电路、耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。（b）频率调制型 占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。 （c）混合调制型 通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。（6）按工作方式划分 （a）可控整流型 所谓可控整流型开关电源，是指采用可硅整流元件作为调整开关管，可由交流市电网直接供电，也可用变压器变压后供电。（b）斩波型 斩波型开关电源是指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端到单向的脉

14、动直流，经过滤波得到与输入 压不同的稳定的直流电压 。（7）按晶体管的连接的连接方式划分 （a）单端式 仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率不能提高，其电路形式如串联型、并联型。（b）推挽式 使用两个晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式。这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽头。（c）半桥式 使用两个晶体管，将其连接成半桥形式。它的特点是适应于输入电压较高的场合。 （d）全桥式 使用四个开关晶体管，将其连接成全桥形式，它的特点是输出的功率比较大。 （8）按输入与输出的电压大小划分（a）升压式 输出电压比输入电压高，实际就是并联开关电源。（b）降压式 输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关电源。（9）按电路结构划分（a）散