《电力电子技术》课件第7章

第7章典型电力电子装置介绍7.1开关电源7.2UPS不间断电源7.3有源功率因数校正器

7.1开关电源

7.1.1开关电源的基本工作原理

1．线性稳压电源的工作原理及其特点

稳压电源通常分为线性稳压电源和开关型稳压电源。

在电子技术等课程中所介绍的直流稳压电源一般是线性稳压电源，它的特点是，起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区。线性稳压电源如图7-1所示，由50Hz工频变压器、整流器、滤波器、串联调整稳压器等组成。图7-1线性稳压电源线性稳压电源具有优良的纹波及动态响应特性，但同时存在以下缺点：

(1)输入采用50Hz工频变压器，体积庞大。

(2)电压调整器件(图7-1所示中的三极管)工作在线性放大区内，损耗大，效率低。

(3)过载能力差。

2．开关稳压电源的基本工作原理

开关稳压电源简称开关电源(SwitchingPowerSupply)，这种电源中起电压调整和实现稳压控制功能的器件始终以

开关方式工作。图7-2所示为输入、输出隔离的开关电源基本框图。图7-2开关电源的基本框图

3．开关稳压电源的控制原理

在开关电源中，变换电路起着主要的调节稳压作用，是通过调节功率开关管开关周期的占空比来实现的。占空比的概念为：设开关管的开关周期为T，在一个周期内，导通时间为ton，则占空比定义为D＝ton／T。在开关电源中，改变占空比的控制方式有两种，即脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PWF)。在脉冲宽度调制中，保持开关频率(开关周期T)不变，通过改变ton来改变占空比D，从而达到改变输出电压的目的。即当D越大，滤波后输出电压也就越大；D越小，滤波后输出电压越小，如图7-3所示。图7-3

PWM控制方式

4．开关稳压电源的特点

开关稳压电源具有如下的优点：

(1)功耗小，效率高。

(2)体积小，重量轻。

(3)稳压范围宽。

(4)电路形式灵活多样。7.1.2隔离式高频变换电路

1．正激式变换电路

所谓正激式变换电路(Forward)，是指开关电源中的变换器不仅起着调节输出电压使其稳定的作用，而且作为振荡器产生恒定周期T的方波，后续电路中的脉冲变压器也具有振荡器的作用。图7-4正激变换电路(a)原理图；(b)开关管V1的驱动波形ui；(c)uf波形当控制电路使V1截止时，变压器原、副边输出电压均为零。此时，变压器原边在V1导通时存储的能量经过线圈N3和二极管VD3反送回电源。变压器的副边由于输出电压为零，

因此二极管VD1截止，电感L通过二极管VD2续流并向负载释放能量，因电容C1的滤波作用，此时负载上所获得的电压保持不变，其输出电压为

2．半桥变换电路

半桥变换电路又可称为半桥逆变电路，其原理图如图

7-5(a)所示。

两个输入电容C1、C2的容量相同，其中A点的电压UA是输入电压Ui的一半，即有UC1＝UC2

＝Ui／2。开关管V1和V2的驱动信号分别为ug1和ug2，由控制电路产生两个互为反相的PWM信号，如图7-5(b)所示。图7-5半桥变换电路及波形(a)原理图；(b)波形图

3．全桥变换电路

将半桥电路中的两个电解电容C1和C2换成另外两只开关管，并配上相应的驱动电路即可组成图7-6所示的全桥变换电路。驱动信号ug1与ug4相同，ug2与ug3相同，而且ug1、ug4与ug2、ug3互为反相。图7-6全桥变换电路7.1.3开关电源的应用

图7-7所示为由开关电源构成的电力系统用直流操作电源的电路，其中图(a)为主电路，图(b)为控制电路。主电路采

用半桥变换电路，额定输出直流电压为220V，输出电流为

10A，包含图7-2中所有的基本功能模块。下面简单介绍各

功能模块的具体电路。图7-7直流操作电源电路(a)主电路；(b)控制电路

1．交流进线滤波器

电磁干扰EMI为英文ElectromagneticInterference的缩写。为了防止开关电源产生的噪声进入电网或者电网的噪声进入开关电源内部，干扰开关电源的正常工作，必须在开关电源的输入端施加EMI滤波器。有时又称EMI滤波器为电源滤

波器，用于滤除电源输入输出中的高频噪声(150kHz～

30MHz)。图7-8所示为一种常用的高性能EMI滤波器，

该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。图7-8交流进线EMI滤波器

2．启动浪涌抑制电路

当开启电源时，由于将对滤波电容C1和C2充电，接通电源的瞬间电容相当于短路，因此会产生很大的浪涌电流，其大小取决于启动时交流电压的相位和输入滤波器的阻抗。

3．输出控制电路

控制电路是开关电源的核心，它决定开关电源的动态稳定性。该开关电源采用双闭环控制方式，如图7-9所示。图7-9直流开关电源控制系统原理框图

4．SG3525的管脚功能

SG3525系列开关电源PWM控制集成电路是美国硅通用公司设计的第二代PWM控制器，工作性能好，外部元件用量小，适用于各种开关电源。图7-10所示为SG3525的内部结构

框图。图7-10

SG3525内部结构框图

5．IGBT驱动电路

驱动电路采用日本三菱公司生产的驱动模块M57962L。该驱动模块为混合集成电路，将IGBT的驱动和过流保护集

于一体，能驱动电压为600V和1200V系列电流容量不大于400A的IGBT。IGBT驱动电路的接线图如图7-11所示。图7-11

IGBT驱动电路

7.2

UPS不间断电源

7.2.1

UPS的分类

1．离线式UPS

离线式UPS的结构框图如图7-12所示，它由充电器、蓄电池组、逆变器、交流稳压器、转换开关等部分组成。图7-12离线式UPS的结构框图离线式UPS的特点：

(1)当市电正常时，市电只是通过交流稳压后直接输出至负载，因此对市电噪声以及浪涌的抑制能力较差。

(2)存在转换时间。

(3)保护性能较差。

(4)结构简单，体积小、重量轻，控制容易，成本低。

2．在线式UPS

在线式UPS的结构框图如图7-13所示，它由整流器、逆变器、蓄电池组、静态(转换)开关等部分组成。图7-13在线式UPS的结构框图由于在线式UPS总是处于稳压、稳频供电状态，输出电压动态响应特性好，波形畸变小，因此，其供电质量明显优于离线式UPS。目前大多数UPS，特别是大功率UPS均为在线式。

在线式UPS的特点如下：

(1)输出的电压经过UPS的处理，输出电源品质较高。

(2)无转换时间。

(3)结构复杂，成本较高。

(4)保护性能好，对市电噪声以及浪涌的抑制能力强。

3．在线交互式UPS

在线交互式UPS的结构框图如图7-14所示，它由交流稳压器、逆变/整流电路、双向转换器等组成。市电正常工作时经交流稳压器后直接输出给负载，此时通过双向转换器，逆变器工作在整流状态，作为充电器向蓄电池组充电。当市电掉电时，逆变器则将电池能量转换为交流电输出给负载。图7-14在线交互式UPS的结构框图在线交互式UPS的特点：

(1)具有双向性转换器设计，UPS电池充电间较短。

(2)存在转换时间。

(3)控制结构复杂，成本较高。

(4)保护性能介于在线式与离线式UPS之间，对市电噪声和浪涌的抑制能力较差。7.2.2

UPS电源的整流器

如图7-15所示是单相全控桥式PWM整流电路，其中起整流作用的开关器件采用全控器件IGBT。图7-15单相全控桥式PWM整流电路单相全控桥式PWM整流电路的工作原理为：在交流电源us的正半周期，控制电路关断V2、V3，而在V1、V4的控制极输入SPWM控制脉冲序列，则在A、B两点间获得正半周期的SPWM波形，如图7-16所示。图7-16单相全控桥式PWM整流电路波形图7-17给出了如何实现电源电流is与电压us同相位的控制系统结构示意图。该控制系统为双闭环控制系统，电压环为外环，其作用是用于调节和稳定整流输出电压；电流环为内环，其作用是使整流电路交流侧的电流is与电压us相位相同。图7-17直接电流控制系统结构图7.2.3

UPS中的逆变器

正弦波输出的UPS通常采用SPWM逆变器，这是抑制谐波分量的最有效的方法之一，有单相输出，也有三相输出。下面以单相桥式脉宽调制逆变器为例，说明它的基本工作原理。如图7-18所示，对于小功率的UPS，电路中的开关器件一般采用MOSFET管；而对于大功率的UPS，则采用IGBT管。图7-18

UPS单相逆变电路在图7-18中，V1、V2和V3、V4不能同时导通，否则将使输入直流电源短路，这个电路只在V1、V4和V2、V3间交替导通与关断，负载上才有连续的交流矩形波。如果在输出电压的半个周期内V1和V4导通和关断许多次，在另外半个周期内V2和V3也导通和关断同样的次数，并且在每半周期内开关器件的导通时间按正弦规律变化，那么输出波形如图7-19

所示。图7-19

UPS单相逆变电路输出波形逆变器是UPS的核心部分，这不仅由它的功能所决定，也可从它的控制电路的复杂程度看出来。目前逆变器的主电路已比较完善，但是逆变器的控制电路却千变万化，差别很大。一般而言，UPS电源逆变器的控制电路除了与整流电路一样，通过电压闭环控制，实现输出电压的自动调节和自动稳压外，还要实现相位跟踪。图7-20中所示的电压给定信号U*d、电压反馈信号uF、PI调节器即可完成上述功能。图7-20

UPS逆变控制系统结构框图7.2.4

UPS中的锁相技术

基本的锁相环路由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器组成，如图7-21所示。图7-21基本锁相环路的方框图7.2.5

UPS中的静态开关

所谓静态开关是一种以双向晶闸管为基础构成的无触点通、断组件。如图7-22(a)所示为光/电双向晶闸管耦合器非零电压开关，当输入端1、2输入信号时，光/电双向晶闸管耦合器B导通，门极由R2、B形成通路触发双向晶闸管。这种电路相对于输入信号的交流电源的任意相位均可同步接通，称为非零电压开关。图7-22两种静态开关(a)非零电压开关；(b)零电压开关为了进一步提高UPS的可靠性，在线式UPS均装有静态开关，将市电作为UPS的后备电源，在UPS发生故障或维护、检修时，无间断地将负载切换到市电上，由市电直接供电。静态开关的主电路比较简单，一般由两只晶闸管或一只双向晶闸管组成，单相输出UPS的静态开关如图7-23所示。图7-23单相输出UPS静态开关原理图

7.3有源功率因数校正器

7.3.1有源电力滤波器和有源功率因数校正

消除电力系统的谐波有无源技术和有源技术两种办法。

图7-24有源滤波器图7-25

APFC的基本原理框图7.3.2畸变电流的产生与APFC的基本原理

图7-26(a)所示为传统的整流滤波电路，整流二极管只有在输入电压ui大于负载电压uo时才导通。也就是说只有在电容C充电期间才有电网的输入电流ii，该电流为峰值很高的脉冲电流，如图7-26(b)所示。由于输入电流波形畸变导致功率因数下降，并产生高次谐波分量，因此污染电网。图7-26传统整流电路及波形图(a)整流滤波电路；(b)波形图采用有源功率因数校正技术是解决上述问题的有效途径。APFC技术的基本思想是将输入交流电进行全波整流，在整流电路与滤波电容之间加入DC/DC变换，通过适当控制使输入电流的波形自动跟随输入电压的波形，即整流器的输出电流跟随它输出的直流脉动电压波形，且要保持储能电容电压稳定，从而实现稳压输出和单位功率因输入，APFC基本电路如图7-27所示。图7-27

APFC基本电路7.3.3有源功率因数校正的电路结构

APFC的电路结构有双级式和单级式，如图7-28所示。图7-28有源功率因数校正电路结构(a)双级式；(b)单级式7.3.4有源功率因数校正的控制

有源功率因数校正(Boost-APFC)技术的思路是，控制已整流后的电流，使之在对滤波大电容充电之前能与整流后的电压波形相同，从而避免电流脉冲的形成，达到改善功率因数的目的。Boost-APFC原理电路图如图7-29所