开关电源技术

开关电源技术第1页，共162页，2023年，2月20日，星期一课程内容一、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第2页，共162页，2023年，2月20日，星期一参考文献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》第3页，共162页，2023年，2月20日，星期一参考文献电工学报电力电子技术电信科学研究院情报所:第4页，共162页，2023年，2月20日，星期一一、开关电源概论第5页，共162页，2023年，2月20日，星期一1.通信电源的分级变电站备用发电机组市电油

机转换整流器直流屏蓄电池交流不间断电源通信设备通信设备市电第一级电源(PrimaryPowerSupply)

第二级电源(SecondaryPowerSupply)

第三级电源(TertiaryPowerSupply)

第6页，共162页，2023年，2月20日，星期一2.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。第7页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源基本构成框图整流滤波开关电源控制器滤波整流及滤波AC/DC输入回路功率开关器件高频变压器DC/DC功率变换器UinUout第8页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源的特点1.重量轻，体积小:是相控电源体积的1/102.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60dB,开关电源45dB4.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第9页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源的特点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第10页，共162页，2023年，2月20日，星期一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~-57VDC直流电压变化

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IECCISPR22标准安全、接地要求等第11页，共162页，2023年，2月20日，星期一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/T17626.5无线电频率干扰要求:EN55022,CISRR22;GB9254谐波电流要求:IEC1000-3-2,IEC1000-3-4安全、接地要求第12页，共162页，2023年，2月20日，星期一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/恒功率输出特性第13页，共162页，2023年，2月20日，星期一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~150KHz,100mv有效值150KHz~30MHz,30mv有效值离散频率杂音电压:3.4~150KHz5mv有效值;150~200KHz3mv有效值;200~500KHz2mv有效值;0.5~30MHz1mv有效值;第14页，共162页，2023年，2月20日，星期一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第15页，共162页，2023年，2月20日，星期一相关国家标准GB/T762-1996标准电流GB/T2423.1-1989电工电子产品基本环境试验规程试 验A：低温试验方法GB/T2433.2-1989电工电子产品基本环境试验规程试 验B：高温试验方法GB/T2423.9-1989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/T2423.10-1995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)第16页，共162页，2023年，2月20日，星期一相关国家标准GB/T2828-1987逐批检查计数抽样程序及抽样表(适 用于连续批的检查)GB/T2829-1987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/T3859.1-1993半导体变流器基本要求的规定GB/T3873-1993通信设备产品包装通用技术条件GB/T4720-1984电控设备第一部分低压电器电控 设备GB/T16821-1997通信用电源设备通用试验方法第17页，共162页，2023年，2月20日，星期一相关国家标准YDN023-1996通信电源设备和空调集中监控系统 技术要求YD/T638.3-93通信电源设备型号命名方法YD/T944-1998通信电源设备的防雷技术要求和测 试方法YD/T983-1998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第18页，共162页，2023年，2月20日，星期一3.开关电源变换器的基本手段1.PWM变换器:脉宽调制法(PulseWidthModulation):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第19页，共162页，2023年，2月20日，星期一3.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。第20页，共162页，2023年，2月20日，星期一3.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。第21页，共162页，2023年，2月20日，星期一3.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第22页，共162页，2023年，2月20日，星期一3.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第23页，共162页，2023年，2月20日，星期一3.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变换器第24页，共162页，2023年，2月20日，星期一4.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:正激式、反激式、半桥式和全桥式谐振:串联谐振、并联谐振、串并联谐振零电压开关和零电压开关第25页，共162页，2023年，2月20日，星期一二、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第26页，共162页，2023年，2月20日，星期一基本电路模型--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第27页，共162页，2023年，2月20日，星期一降压型转换器控制电路VINVOUTVdiodeVGateILIT-VDVIN0VIN0ImaxDI第28页，共162页，2023年，2月20日，星期一基本电路模型--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。第29页，共162页，2023年，2月20日，星期一基本电路模型–

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。第30页，共162页，2023年，2月20日，星期一基本电路模型–

Flyback(回扫型)第31页，共162页，2023年，2月20日，星期一回扫型变换器第32页，共162页，2023年，2月20日，星期一回扫型开关电源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)体积小巧特性分析简化的电路原理图+VIQ1Primary SecondaryIsolationBoundary+VO2VO1+PWMControllerFB REFTPS5904第33页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源的功率转换电路第34页，共162页，2023年，2月20日，星期一1.单端反激式变换器UceV1截止0I2abcV1导通V1开启V1关断IbT1+_Uin+_UoutRL+R2R1C2V2W1W2V3iLC1W1’V4R3V1第35页，共162页，2023年，2月20日，星期一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。第36页，共162页，2023年，2月20日，星期一反

激

式

变

换

波

形

器tttttUcei1i2Uv3Uin/n+UoTTonTofft1t2第37页，共162页，2023年，2月20日，星期一特性分析反激式: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第38页，共162页，2023年，2月20日，星期一实际电路举例第39页，共162页，2023年，2月20日，星期一单端他激式开关电源UC3842第40页，共162页，2023年，2月20日，星期一第41页，共162页，2023年，2月20日，星期一保护环节第42页，共162页，2023年，2月20日，星期一电路特性1.输入电压:95VACto130VAC(50Hz/60Hz)2.隔离电压:3750V3.开关频率:40KHz4.效率@满负荷:70%5.输出电压:A.+5V,5%:1Ato4Aload纹波:50mVP-PMax.B.+12V,3%:0.1Ato0.3Aload纹波:100mVP-PMax.C.-12V,3%:0.1Ato0.3Aload纹波:100mVP-PMax.第43页，共162页，2023年，2月20日，星期一VIPer100典型应用第44页，共162页，2023年，2月20日，星期一2.单端正激变换电路+_+_+UinUoutV2iRLIoLoV3V4iLW2TCV1W1”W1’i1’第45页，共162页，2023年，2月20日，星期一正

激

式

变

换

器

波

形i’tttttTUin/LpILMAX/4iTUin/LpUv12UinUinUw’’UiniLTonTofft1t2第46页，共162页，2023年，2月20日，星期一特性分析正激: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变压器:单管变压器利用率不高，工艺制作上要求加馈能线圈用途: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。第47页，共162页，2023年，2月20日，星期一+_+_+UinUoutRLIoLoV3V4iLTC双正激开关电路K1K2第48页，共162页，2023年，2月20日，星期一电路特点(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。第49页，共162页，2023年，2月20日，星期一3.推挽式功率变换电路+V1V2UinL_+W1W2Uout第50页，共162页，2023年，2月20日，星期一推挽式功率变换电路典型波形图tUcetIcTToffTon00Uin2Uin第51页，共162页，2023年，2月20日，星期一电路特点优点: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，现在已很少用第52页，共162页，2023年，2月20日，星期一推挽式变换器第53页，共162页，2023年，2月20日，星期一双端输出控制器实例SG1524/3524第54页，共162页，2023年，2月20日，星期一4.全桥式功率变换电路+V3V4V1V2V7V8V5V6LVinVout第55页，共162页，2023年，2月20日，星期一全桥式功率变换电路典型波形tUcetIcTToffTon00Uin/22Uin第56页，共162页，2023年，2月20日，星期一电路特点优点: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。第57页，共162页，2023年，2月20日，星期一实际电路举例第58页，共162页，2023年，2月20日，星期一5.半桥式功率变换电路+C1C2V1V2V4V4LVinVoutUa第59页，共162页，2023年，2月20日，星期一半桥式功率变换器波形图tUcetIcTToffTon00Uin/22Uin第60页，共162页，2023年，2月20日，星期一电路特点优点: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。第61页，共162页，2023年，2月20日，星期一变形的半桥功率变换电路+LUoutC1C1aC1bV1V2C2C2aC2bV3V4UinUC1UC2第62页，共162页，2023年，2月20日，星期一电路特性优点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，大功率输出第63页，共162页，2023年，2月20日，星期一半桥式变换器胶片第64页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源控制电路第65页，共162页，2023年，2月20日，星期一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、电压保护功能第66页，共162页，2023年，2月20日，星期一脉宽调制电路原理图EA脉宽调制门电路基准电压振荡器分频器门电路误差放大器U样第67页，共162页，2023年，2月20日，星期一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。第68页，共162页，2023年，2月20日，星期一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内高密度安装第69页，共162页，2023年，2月20日，星期一电压型PWM控制器VERRVOSCVPWMOSCI/PO/PVERRVOSCVPWMREF+

-第70页，共162页，2023年，2月20日，星期一双端输出控制器实例SG1524/3524第71页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源功率驱动电路概述第72页，共162页，2023年，2月20日，星期一驱动电路原理图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第73页，共162页，2023年，2月20日，星期一驱动电路图+Vcc隔离抗干扰隔离图腾式输出第74页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关元件安全工作区及其保护P144第75页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源缓冲电路《现代电力电子技术》第76页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源功率因数校正第77页，共162页，2023年，2月20日，星期一功率因数校正器1.电功率:

P=UxI2.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=UxV)S2=P2+Q2

P=SCoS

P=UICOS=SCoS

S=UI功率因数Q第78页，共162页，2023年，2月20日，星期一谐波标准分类1.IEC建议的谐波标准IEC1000-3-2A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第79页，共162页，2023年，2月20日，星期一谐波标准分类谐波次数3579111315<N<392468<n<40最大电流值(A)70.40.330.210.15x15/n1.080.430.30.23x8/nA类、B类谐波次数2357911<N<39最大电流值(A)70.40.330.15x15/nC类第80页，共162页，2023年，2月20日，星期一C类<25&D类谐波次数相对值绝对值允许的最大电流mA/W(A)(A)(A)33.41.082.3051.90.601.1471.00.450.7790.50.300.4011<n<390.6<n0.18x11/n0.3321.00.341.50.15第81页，共162页，2023年，2月20日，星期一四种类别的设备判别方法平衡三相设备可携带的轻便工具照明设备具有特别波形和P600W的设备B类C类D类马达驱动A类YYYYYNNNN第82页，共162页，2023年，2月20日，星期一3.IEC建议200W以上的电源设备应采用功率因数校正(PFC)常规设备带PFC功率因数COS65%99%PFC效率PFC100%95%变换效率75-85%~75-95%负载有效功率比Pd/P75-85%89%常规和带PFC的电源设备的传输比较视在功率功率因数校正PFC变换器负载SP1PFPd第83页，共162页，2023年，2月20日，星期一功率因数校正有源校正无源校正功率因数校正单相单相三相三相单相综合三相一体第84页，共162页，2023年，2月20日，星期一无源功率因数校正原理图LL+CtU-U/iit2.02.53.03.5波峰因数COSu第85页，共162页，2023年，2月20日，星期一无源校正原理负载LCLsV2i1UdCdidUSU1+_+第86页，共162页，2023年，2月20日，星期一无源校正波形AB0tUd0tUdUsbf第87页，共162页，2023年，2月20日，星期一有源功率因数校正原理预调乘法器_+UDCU_负载Ref第88页，共162页，2023年，2月20日，星期一有源功率因数校正波形控制信号调制波tt三角波正弦波峰值检测第89页，共162页，2023年，2月20日，星期一PWM谐波消除电路原理图L0I0U0V1V3V5V2V6V4UVWtU0第90页，共162页，2023年，2月20日，星期一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波形存储器第91页，共162页，2023年，2月20日，星期一三种模式的功率因数校正电路整流CVS整流CVSU~U~整流C2U~LLC1VL1L2S升压型限压型回扫型第92页，共162页，2023年，2月20日，星期一升压型电路简化模型CVLRLIRLILEINIMMOSFETIDERL第93页，共162页，2023年，2月20日，星期一升压型有源功率因数校正电路波形ONOFFERLEINTOFFTONIMILPILIDILILILtttt第94页，共162页，2023年，2月20日，星期一有源功率因数校正器L6561第95页，共162页，2023年，2月20日，星期一第96页，共162页，2023年，2月20日，星期一第97页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源并联系统的均流技术蔡宣三书P293概述第98页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源并联系统的均流技术分布式DC-DC电源系统原理框图2m12m1440VDC48VDC5VDC全桥变换器单端反激式变换器第99页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源并联系统的均流技术集中式AC-DC电源系统原理图AC--DC~400Hz5V/1000A第100页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源并联系统的均流技术AC--DC~400HzDC--DC12n270V48V/100A5VDC分布式AC-DC电源系统原理图第101页，共162页，2023年，2月20日，星期一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第102页，共162页，2023年，2月20日，星期一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第103页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源并联系统的均流技术△V△IVO0IOR=△V/△IDC-DC+_Vs+_RLVOIOR输出阻抗法开关变换器的外特性Vo=f(Io)Vomax第104页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源并联系统的均流技术12R1R2RL++__DC-DC变换器VsVs+_I1I2VOVO=VOmax–RIOVO1=VOmax–R1IO1VO2=Vomax–R2IO2IO1=[R2VO1+(VO1–VO2)RL]/RXIO2=[R1VO2–(VO1–VO2)RL]/RXRX=R1R2+RL(R1+R2)VO0IOVomaxIO2IO1VOVO’IO’1IO’1两台并联的开关变换器及外特性第105页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源并联系统的均流技术–+–+RSIO电流放大电流放大VeVrVfVI100RR第106页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源并联系统的均流技术–+>PWMNVCVIn–+>PWMKVCVI2–+>PWM1VCVI1VeVeVe电流放大VfVr主模块从模块从模块主从设置法原理示意图第107页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源并联系统的均流技术–+–+功率级电流放大Vr均流控制器电压放大VeRab负载电流VfVI均流母线VbVr’VC++平均电流法:(V11–Vb)/R+(V12–Vb)/R=0Vb=(V11+V12)/2第108页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源并联系统的均流技术ab均流母线Vb–+10KΩa、b两点间接一缓冲器最大电流法均流第109页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源并联系统的均流技术DC-DCPWMSCVe_+Vf–VcVoVIVrb均流总线1VI1VC1KVIkVCknVInVcn均流总线SC外加均流器控制器均流法第110页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源并联系统的均流技术–+–+VC22Va1S2V12b–+–+VC12Va1S1V11bN=2时均流控制器的原理图第111页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关电源并联系统的均流技术DC-DC–+–+IVOVeVI电流放大VbbaR1R3R2R4R6R5R7Vr电压放大平均母线热应力自动均流控制电路原理图第112页，共162页，2023年，2月20日，星期一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:第113页，共162页，2023年，2月20日，星期一PWM均分电路原理图光藕N”整流模块2”整流模块_+_+_+1”整流模块UUref+_IOPWMURUSUD第114页，共162页，2023年，2月20日，星期一电路分析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UD2.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。第115页，共162页，2023年，2月20日，星期一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第116页，共162页，2023年，2月20日，星期一零电流式准谐振开关(ZCS-QRC)SLCV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。

第117页，共162页，2023年，2月20日，星期一零电流式准谐振开关(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。第118页，共162页，2023年，2月20日，星期一零电压式准谐振开关(ZVS-QRC)SLCV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。

第119页，共162页，2023年，2月20日，星期一零电压式准谐振开关(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第120页，共162页，2023年，2月20日，星期一零电压式多谐振(ZVS-MRC)开关技术SLCVCsVs第121页，共162页，2023年，2月20日，星期一电路分析优点: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。第122页，共162页，2023年，2月20日，星期一恒频多谐振(CF-MRC)开关电源技术S1LCs2S2Cs1把无源的开关二极管V由有源开关S2代替第123页，共162页，2023年，2月20日，星期一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。第124页，共162页，2023年，2月20日，星期一谐振变换器举例第125页，共162页，2023年，2月20日，星期一开关变换器中的元器件第126页，共162页，2023年，2月20日，星期一半导体功率器件半导体开关管(三极管)功率整流管(二极管)第127页，共162页，2023年，2月20日，星期一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。第128页，共162页，2023年，2月20日，星期一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第129页，共162页，2023年，2月20日，星期一功率场效应管简介主要参数静态特性MOSFET的体内二极管第130页，共162页，2023年，2月20日，星期一功率场效应管驱动问题一般要求驱动电路TTLCMOS驱动第131页，共162页，2023年，2月20日，星期一IGBT管(InsulatedGateBipolarTransistor)

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，电流控制第132页，共162页，2023年，2月20日，星期一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第133页，共162页，2023年，2月20日，星期一MCT输入阻抗高、驱动功率小、快速开关电流大、耐压高。第134页，共162页，2023年，2月20日，星期一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缓冲器第135页，共162页，2023年，2月20日，星期一功率整流管1.功率整流二极管二极管的电路模型LDRsRpCjD:理想二极管Rp:并联电阻Rs:引线电阻Cj:结电容第136页，共162页，2023年，2月20日，星期一1.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第137页，共162页，2023年，2月20日，星期一1.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。第138页，共162页，2023年，2月20日，星期一1.功率整流二极管几种快恢复二极管1.快恢复二极管(FRD:FastRecoveryDiode)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(SohottkyBarrierDiode)Si-SBD:硅SBDGaAs: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。第139页，共162页，2023年，2月20日，星期一几种典型二极管的主要参数参数普通二极管FRDUFRDSi-SBDGaAs-SBDVDF(V)1.2~1.41.2~1.40.9~10.4~0.61~1.5Trr(ns)1000200~75025~100105~10PIV(V)50~100050~100050~100015~100150~350可用频率50Hz200KHz200KHz1MHz>1MHz应用输入整流输出整流输出整流输出整流输出整流48V或更高4~5V12~24V第140页，共162页，2023年，2月20日，星期一2.同步整流管(SR:SynchronousRectifier)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100WZVS-PWM电路中，使用SR83%90%损耗:SR4.2W总损耗11W适用Si-SBD,8.9W总损耗21W第141页，共162页，2023年，2月20日，星期一磁性元件的特性及应用第142页，共162页，2023年，2月20日，星期一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B=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，B=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。第143页，共162页，2023年，2月20日，星期一变压器磁滞回曲线BHBrBsBrBmBmBsBs:饱和磁感应强度Br:剩余磁感应强度Bm:工作磁感应强度第144页，共162页，2023年，2月20日，星期一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第145页，共162页，2023年，2月20日，星期一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第146页，共162页，2023年，2月20日，星期一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:0:真空磁导率H:交流磁场强度B:交流磁感应强度第147页，共162页，2023年，2月20日，星期一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线圈的自感量(mH)N线圈圈数磁芯常数，磁路长度I与磁芯截面积之比值第148页，共162页，2023年，2月20日，星期一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Bs4.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。第149页，共162页，2023年，2月20日，星期一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1ºC相应磁导率的相对变化量:µ1:温度为T1时的磁导率µ2:温度为T2时磁导率第150页，共162页，2023年，2月20日，星期一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:Bm:工作磁感应强度Vs:线圈两端的电压(V)F:频率(KHz)N:线圈圈数Ae:有效截面积第151页，共162页，2023年，2月20日，星期一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: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