电力电子装置故障诊断技术课件

2023/7/201查新报告要求：针对课程中讲述的任一种电力电子装置：1）开关电源2）逆变器3）UPS

4）直流－直流变流装置

5）交流－交流变流装置

6）电力系统用装置查新最新的研究成果撰写研究论文一篇，1500字以上。文后附上2篇以上的相关参考文献。提交最后时间：2009年4月18日提交纸质材料。2023/7/2022.1.1高频开关电源的发展1）线性稳压电源2.1高频开关电源概述第二章高频开关电源线性稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。线性稳压电源是比较早使用的一类AC/DC稳压电源。线性稳压直流电源的特点：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。一般来说，线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。另外还可能包括一些例如保护电路，启动电路等部分。2023/7/203

2.1.1高频开关电源的发展

调整管是稳压电源中的输出功率管。它在稳压电源电路中相当可调电阻，随输入电压的波动，由取样管取样后随时调整该管的导通程度，以达到输出电压稳定的目的。该管的导通程度不同。调整管CE间的电压也不同。输入电压高时调整管CE间的电压高。输入电压低时调整管CE间的电压就低。1）线性稳压电源(续)2023/7/2042.1.1高频开关电源的发展2）开关电源2.1高频开关电源概述第二章高频开关电源

传统的大功率晶体管上同时有一定的电压和电流，因此功率损耗比较大。现代AC/DC变换器的电力电子器件工作在开关模式，功率损耗大大减少，称为开关电源。2023/7/205

2.1.1高频开关电源的发展

2）开关电源的优缺点优点：开关电源的输入端直接将交流电整流变成直流电，再在高频振荡电路的作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。在电感（高频变压器）的帮助下，输出稳定的低压直流电。由于变压器的磁芯大小与他的工作频率的平方成反比，频率越高铁心越小。这样就可以大大减小变压器，使电源减轻重量和体积。电源的效率比线性电源高很多，节省了能源。缺点：电路复杂，维修困难，对电路的污染严重。电源噪声大，不适合用于某些低噪声电路。

2023/7/206

2.1.1高频开关电源的发展

3）开关电源发展综述晶闸管（SCR）于1956年问世，接着以它为核心的派生器件投入市场。进入20世纪80年代，由于电力电子技术和微电子技术的应用相结合，而向市场推出了高频化全控功率集成器件。功率MOS管、IGBT、场控晶闸管（MCT）等全控型电子器件，具有较高的效率和工作频率，从而使开关电源整机体积变小而重量变轻，达到提高功率密度的目的。目前，高频开关电源采用的功率器件通常有：功率MOSFET管、IGBT、功率MOSFET与IGBT混合管、功率集成器件。2023/7/207

2.1.1高频开关电源的发展

4）开关电源发展状况（续）A）高频化采用高频开关调制，容易实现功率等级密集化。一般采用10KHz～100KHz的高频调制。B）电源电路的模块化和集成化模块化：其一是功率期间的模块化，其二是电源单元的模块化。C）绿色化其一是节电；其二是减小对电网及其他电器的污染。2023/7/2082.1.2高频开关电源的基本组成

高频开关电源主要由输入环节、功率变换电路和控制驱动保护电路3大部分组成。1.开关电源的输入环节1）输入浪涌电流抑制（inrushcurrent）浪涌电流是指电网中出现的短时间象“浪”一样的高电压引起的大电流。当某些大容量的电气设备接通或断开时间，由于电网中存在电感，将在电网产生“浪涌电压”，从而引发浪涌电流。输入浪涌电流产生原因：在合闸的瞬间，由于输入滤波电容的充电，在交流电源端会呈现非常低的阻抗，产生大的浪涌电流。2023/7/209

2.1.2高频开关电源的基本组成

输入浪涌电流抑制措施：A）限流电阻加开关，将限流电阻串接于交流线路中或整流桥之后的直流母线上，开关与限流电阻并联，当滤波电容充满电后，开关导通，短接电阻；B）采用负温度系数热敏电阻NTC，此电路不需要开关。合闸瞬间，NTC阻值很大。NTC流过电流后，温度上升，阻值迅速减小，既可以限制浪涌电流，又可以保证输入环节在稳态工作时不消耗太大的功率。2023/7/2010

2.1.2高频开关电源的基本组成

2）输入瞬态电压（inputtransientvoltage）抑制通常在交流线路间并联压敏电阻或者瞬态电压抑制二极管来抑制输入瞬态电压。瞬态电压抑制二极管TVS，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低，允许大电流通过，并将电压钳制到预定水平，应用效果相当于稳压管。3）线路滤波器为防止开关电源和电网相互干扰，应该在输入线路上加入滤波器。4）输入整流滤波高频开关电源输入不用工频变压器，一般采取桥式整流、电容滤波直接对交流电进行整流滤波。2023/7/2011

2.1.2高频开关电源的基本组成

2.功率变换电路功率变换电路是开关电源的核心部分。2023/7/2012

2.1.2高频开关电源的基本组成

2.功率变换电路（续）2023/7/2013

2.1.2高频开关电源的基本组成

2.功率变换电路（续）2023/7/2014

2.1.2高频开关电源的基本组成

2.功率变换电路（续）2023/7/2015

2.1.2高频开关电源的基本组成

2.功率变换电路（续）2023/7/2016

2.1.2高频开关电源的基本组成

2.功率变换电路（续）2023/7/2017

2.1.2高频开关电源的基本组成

推挽式变换器特性：优点：1）输出功率较大，导通期间高频变压器原边两绕组的总电压是两倍输入电源电压2Ui，整流电压幅值为Ui/n。

2）驱动电路简单，两个开关管的发射极相连，驱动电路无需隔离绝缘，从而简化了驱动电路。缺点：1）会因磁心饱和出现集电极电流尖峰而导致晶体管损坏。这主要由于两个开关管特性不一致，单向偏磁。

2）高频变压器利用率差，原边每个绕组只工作一半时间。

3）对功率开关管的耐压要求高。2023/7/2018

2.1.2高频开关电源的基本组成

2.功率变换电路（续）2023/7/20192.1.2高频开关电源的基本组成

半桥型变换器特性：优点：1）高频利用率高，原边绕组在正负半周均工作。

2）截止开关管极间承受的电压低，等于Ui。

3）抗不平衡能力强。缺点：1）输出功率小，与输出电流I0相同的推挽式电路相比，输出功率小一半。

2）原边绕组上的电压是电容C1和C2的端电压，放电过程中电压逐渐减小，因此输出脉冲电压的顶部呈倾斜状态。2023/7/2020

2.1.2高频开关电源的基本组成

2.功率变换电路（续）2023/7/20212.1.2高频开关电源的基本组成

全桥型变换器特性：优点：1）保持有半桥变换器中开关管截止时承受电压低的特点。

2）具有推挽型电路输出电压高、输出功率大的优点。因此全桥电路在DC/DC变换器中应用较多。缺点：所用功率开关管较多，驱动电路复杂。2023/7/2022

2.1.2高频开关电源的基本组成

3.控制及保护电路开关电源的主要控制方式为PWM1）PWM电压控制模式2023/7/2023

2.1.2高频开关电源的基本组成

PWM电压前馈控制模式2023/7/2024

2.1.2高频开关电源的基本组成

2）PWM峰值电流控制模式主要用于能周期出现电流峰值的电路。电流控制模式是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。PWM脉冲的开通时刻由振荡器脉冲决定，关断时刻由误差电压放大器输出UE与代表电流峰值的信号Us决定。峰值电流控制模式比电压控制模式瞬态响应速度快，而且可以限制电路的峰值电流。2023/7/2025

2.1.2高频开关电源的基本组成

3）开关电源的保护开关电源保护一般有过压、欠压、过流、过温及短路保护。常采用各种检测电路，一旦超出规定值，封锁PWM的脉冲输出，关断功率开关管，达到保护开关电源的目的。2023/7/2026

2.2单端反激开关电源

2.2.1单端反激开关电源基本关系式根据副边绕组放电时间不同，单端反激电源分为3种工作模式：不连续、临界和连续工作模式。当初级电感大于临界电感时，电源工作在连续模式（CCM），当初级电感小于临界电感时，电源工作在不连续模式下（DCM）。这种变换器负载不能开路，只适应恒定负载或负载变化不大的场合。

2023/7/20272.2.2自激型单端反激开关电源1.基本原理自激型单端反激开关电源又称为RCC电路。这种电路不宜用在负载变化剧烈的场合，因为负载很轻或者空载会使工作频率很高，设计复杂。

正反绕组促进T快速导通、截止2023/7/20282.2.3他激型单端反激开关电源他激型单端反激开关电源一般采用专门的PWM集成芯片组成，以固定开关频率产生PWM驱动波形，脉宽控制采用电压控制模式或电流控制模式，并附加基准电压、软启动、过压、欠压、过温等保护功能。——典型芯片UC3842。UC3842：UC3842为美国Unitrode公司生产的一种固定频率电流模式控制器，能够驱动功率MOSFET。主要用于100W以下的开关电源中。2023/7/20292.2.3他激型单端反激开关电源2023/7/20302.3功率因数为1的高频整流器1）基本概念有功功率：电能用于做功被消耗，它们转化为热能、光能、机械能或化学能等，称为有功功率；又叫平均功率。交流电的瞬时功率不是一个恒定值，功率在一个周期内的平均值叫做有功功率，它是指在电路中电阻部分所消耗的功率，以字母P表示，单位瓦特。

无功功率：具有电感和电容的交流电路中，电感的磁场或电容的电场在一个周期内的一部分时间内从电源吸收能量，另一部分时间内将能量返回电源。在整个周期内平均功率为零，没有能量消耗。但能量是在电源和电感或电容之间来回交换的。能量交换率的最大值叫做无功功率。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千乏(kVar)。2023/7/20312.3功率因数为1的高频整流器1）基本概念（续）视在功率等于网络端钮处电流、电压有效值的乘积，而有效值能客观地反映正弦量的大小和他的做功能力，因此这两个量的乘积反映了为确保网络能正常工作，外电路需传给网络的能量或该网络的容量。功率因数是有功功率和视在功率的比值。功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。2023/7/20322.3功率因数为1的高频整流器2）无源功率因数校正在电源输入端加入电感量很大的低频电感，以便减小滤波电容充电电流的尖峰。此方法比较简单，但是校正效果不理想，功率因数一般只能达到0.85左右。另外，大电感的体积很大，增加了设备的体积和重量，系统成本提高，目前这种方法很少采用。3）有源功率因数校正（PFC）有源功率因数校正能使电源的输入功率提高到接近1。两种方法：A）采用有源滤波器进行无功和谐波补偿，虽然可以很好地改善输入功率因数，但是增加了额外的滤波装置，增加了电路设计和控制的复杂度，成本也会提高。（被动）B）采用功率因数校正电路，直接提高整流电路的输入功率因数。（主动）2023/7/20332.3.1非连续电流模式功率因数校正器

——使用峰值电流控制校正芯片6561L内部结构2023/7/20342.3.1非连续电流模式功率因数校正器

——使用峰值电流控制系统原理：如果电网电压降低或负载加大，引起输出电压降低，调节器输出端U2会增大，导致乘法器Um增大，使每个开关周期的占空比增大，输出电压回升，直到电压恢复到设定值。2023/7/20352.3.2连续电流模式功率因数校正器

——使用平均电流控制校正芯片UC3