高频开关整流器主要技术

1、高频开关整流器主要技术通信电源2022/7/272高频开关整流器主要技术1.1 高频开关元件在高频开关整流器中，功率转换电路是其主要组成部分，高频开关整流器的工作频率实际上就是功率转换电路的工作频率，它取决于开关管的工作频率。所以功率转换电路中高频开关管性能的高低（比如开关管导通和关断速度、开关压降损耗等等）在整流器中起着至关重要的作用 。目前高频开关整流器采用的高频功率开关器件通常有：功率场控晶体管（MOSFET）绝缘门极晶体管（IGBT）两者混合管功率集成器件等等2022/7/273功率场控晶体管（功率MOSFET）功率MOSFET是一种单极型电压控制器件，其优点是具有驱动功率小、工作速度

2、高、无二次击穿和安全区宽等优点。功率MOSFET结构采用垂直导电沟道，并将许多小单元功率MOSFET管芯并联集成，故可增大漏极电流和功率。用大规模集成电路工艺将管芯并联构成的可称为VVMOSFET将VVMOSFET的V型槽尖顶削去的称为VUMOSFET采用双重扩期工艺制成的具有垂直导电双扩散VDMOSFET 图3-5 VMOS管的结构 图3-6 MOS管的符号2022/7/274功率MOSFET的工作原理当在NMOS管的栅极是加正电压，则氧化膜下P型层两边表面感应出负电荷，而形成N型导电沟道，同时在漏极两极间加上正电压，电子从源极通过两个沟道，N-外延层，N+基片到达漏极，NMOS管电路原理如

3、图3-7所示 图3-7 NMOS管原理图2022/7/275功率MOSFET的特性功率MOSFET管的主要性能指标用电压、电流和工作频率来衡量。 电流与电压功率MOSFET电流以最大漏电流为指标（IDMAX）。它表示功率MOSFET工作在饱和状态下的漏极电流量，或某VGS输出特性曲线平坦区域的电流值，决定IDMAX的主要因素为单位管芯面积的沟道宽度，沟道宽度达则IDMAX值大。 工作频率工作频率通常为30kHz100kHz 。功率MOSFET的特点驱动功率小，驱动电路简单，功率增益高，是一种电压控制器件。开关速度快，不需要加反向偏置。多个管子可并联工作，导通电阻具正温度系数，具有自动均流能力开

4、关速度受温度影响非常小，在高温运行时，不存在温度失控现象功率MOSFET无二次击穿问题。 2022/7/276功率MOSFET使用注意事项栅极电路的阻抗非常高，易受静电损坏。不能用常规电流电压表测试（包括万用表）。在进行引线焊接时，操作者应用佩带接地的专用腕带，且工作台与焊接工具均应接地，地面也应接地。导通时电流冲击大，易产生过电流。并联工作时，易产生高频震荡绝缘门极晶体管（IGBT）绝缘门极晶体管又称门极绝缘双极晶体管，简称IGBT，人们往往习惯性地称其为绝缘栅双极晶体管，或绝缘栅晶体管，它是一种VMOSFET和双极型晶体管的复合器件。增强型沟道IGBT的简化等效电路如图3-8（a）所示。该

5、结构相当于一个增强型沟道VMOSFET驱动PNP晶体管，其图形符号及工作电压极性和电流方向，如图3-5所示，图（b）为国家标准图形符号。为门极，习惯上常称栅极，为集电极，为发射极。 2022/7/277IGBT具有以下特点：IGBT从输入端看，类似于VMOSFET，IGBT的导通和关断由栅极电压来控制，当栅射电压UGE大于开启电压VGE时，IGBT导通，当栅射电压小于开启电压时，IGBT截止。IGBT从输出端看，类似于双极型晶体管，导通压降小，饱和压降一般在24V之间，故导通损耗小。此外，IGBT能够做得比VMOSFET耐压更高，电流容量更大。IGBT的开关速度在VMOSFET与双极型晶体管之

6、间。IGBT存在擎住效应。 光耦驱动电路常用的光耦合器发光二极管晶体管发光二极管晶体管型光耦合器是由砷化镓发光二极管和硅光敏晶体管组成 。二极管二极管和晶体管放大型它用光敏二极管作受光器件，再用晶体管把光电流放大输出 2022/7/278常用的光耦合器电路举例（TLP250驱动电路）包括光耦合器、前级放大及比较器、触发器、功率放大器等部分 功率开关二极管由于工作频率高，它们不能采用普通硅整流二极管，而必须采用快恢复二极管、超快恢复二极管或肖特基二极管等开关速度快的功率开关二极管。 二极管的开关特性二极管反向恢复时间 二极管正向恢复时间 几种快速功率二极管快恢复二极管超快恢复二极管肖特基二极管2

7、022/7/279具有共模电感的抗干扰滤波器抗干扰（EMI）滤波器由电感、电容组成，用于滤除噪声电压。噪声电压即干扰电压，包括尖峰电压、谐波电压和杂波电压，其频率较高。抗干扰滤波器在起抗干扰滤波作用的时，必须能够顺利流过主电路的工作电流，工作电流在抗干扰滤波器上应不产生压降。 概念线路上两线之间的噪声电压称为差模噪声电压，两线共有的对地噪声电压称为共模噪声电压。电路中实际的噪声电压常是两者的合成通信用高频开关整流器中，常用具有共模电感的抗干扰滤波器来作输入滤波器以及接在直流变换器后面的输出滤波器。 工作原理 输入侧向输出侧传递的共模噪声抑制输出侧向输入侧传递的反灌共模噪声抑制L1与C1能抑制

8、接机壳电容的电容量限制对差模噪声的抑制 2022/7/2710共模电感共模电感为对称的两线圈电感，两线圈的绕法及对应端如图3-13所示通常磁芯采用有较高导磁率的环形铁氧体，线圈匝数少，两线圈之间有足够的绝缘电压。工作回路的电流iw通过两线圈产生的两个磁动势iwN大小相等、方向相反，合成磁势为零，因此不产生沿着磁芯闭合的工作磁通，仅通过周围空间有少量漏磁通，磁路中可不设气隙。可见对工作电流而言，每个线圈的电感都为零。图3-13共模电感共模噪声电流i分别通过两线圈（例如都从同名端流入）所产生的磁动势相加，总磁势为2Ni，共同产生沿磁芯闭合的磁通，在忽略漏感时能产生倍磁通。因此对共模噪声而言，两线圈

9、的互感与自感使等效电感L1和L2都增大为自感的倍。 2022/7/2711功率因数校正电路功率因数的定义功率因数（Power Factor，PF）的定义为有功功率与视在功率之比。整流器的功率因数为： P为输入有功功率；S为输入视在功率；UL为电网电压有效值；IR为输入电流有效值；I1为输入电流中的基波电流有效值；I1/IR为输入电流基波因数，COS为位移因数，即正弦基波电流与电网电压相位差的余弦，又称相移功率因数。由上式可知，整流器的功率因数又可定义为基波因数与位移因数的乘积交流供电系统功率和功率因素的测量采用的仪器通常是电力谐波分析仪，如F41B。2022/7/2712目前很多通信设备采用直

10、流供电，需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题高次谐波及功率因数校正市电经整流后对电容充电，其输入电流波形为不连续的脉冲，如图2所示。这种电流除了基波分量外，还含有大量的谐波，其有效值I为 式中：I1，I2，In，分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量 谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变,我们将各次谐波有效值与基波有效值的比称之为总谐波畸变(THD) 。THD用来衡量电网的污染程度。 2022/7/2713脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变，它对自身及同一系统的其它电子设备产生恶

11、劣的影响，如引起电子设备的误操作，如空调停止工作等；引起电话网噪音；引起照明设备的障碍，如荧光灯闪灭；造成变电站的电容，扼流圈的过热、烧损。我们知道，功率因数定义为PF=有效功率/视在功率，是指被有效利用的功率的百分比。没有被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动，不仅增加线路损耗，而且成为污染源。抑制谐波分量即可达到减小THD，提高功率因数的目的。 2022/7/2714功率因数校正的必要性i2的有效值与平均值之比大，要求整流元件的额定容量大；相应地i1持续时间短、峰值大，i1分解得出的正弦基波分量较小，且同uAC有相位差，故PF较小，约0.6左右；同时谐波分量大，对电网造成干扰；三次

12、谐波电流在电网中线上叠加，可能使零线电流比相线电流大，零线可能发热损坏为解决上述问题，通信用高频开关整流器必须采用功率因数校正电路，使整流器的功率因数符合我国通信行业标准的规定。功率因素校正工作原理在开关整流器中，功率因素校正的基本方法有两种：无源功率因素校正和有源功率因素校正。2022/7/2715无源功率因素校正电路无源功率因素校正法是在开关整流器的输入端加入电感量很大的低频电感，以减小滤波电容充电电流尖峰。方法简单，但效果不理想，一般校正后的功率因素（PF）可达0.85，并且加入的电感体积大，增加了开关整流器的体积。因此目前用得较多的是有源功率因素校正。有源功率因素校正电路有源功率因数校

13、正(APFC)电路主电路可以是升压型的(BOOST)电路，也可以是降压型的(BUCK)电路，其工作模式可以是连续导电(CCM)，也可以是不连续导电(DCM)，如果其输出带隔离变压器的话，根据隔离变压器的工作原理又分为正激式和反激式。有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，PFC）电路，目前多采用平均电流模式控制的PWM升压变换器，控制芯片有UC3854、UC3854A/B等。2022/7/2716有源功率因素校正电路的功能使整流器的输入电流基本上为正弦波，并与电网电压同相；实现预稳压，输出波形平滑且比较稳定的约400V直流电压。主电路升压变换器的输入电压

14、：ui=ud (输入电压正弦波绝对值)升压变换器升压变换器由L、VT、VD和C2组成。 功率开关管的开关频率至少为20kHz（相应的开关周期为50s），这就是说VT在交流电源每半个周期（10ms）内至少开关200次。 为使功率因数校正电路的输出电压uo波形平滑并较稳定，驱动脉冲的占空比D必须有规律地变化 。控制原理系统采用双环路控制，即由稳压控制环路与输入电流波形控制环路来控制。 2022/7/2717功率转换电路在高频开关整流器中，将大功率的高压直流（几百伏）转换成低压直流（几十伏），是由功率转换电路完成的。转换标准一是功率转换过程中效率是否高；二是大功率电路其体积是否小。转换过程高压直流高

15、压交流降压变压器低压交流低压直流 变压器体积与工作频率成反比 高压直流高压高频交流高频降压变压器低压高频交流低压直流的过程。PWM型功率转换电路 谐振型功率转换电路 时间比例控制稳压原理 2022/7/2718集成PWM控制器脉宽调制控制电路脉宽调制（PWM）控制电路是开关电源的重要组成部分。作用是产生PWM信号，向功率开关管或它的驱动电路提供前后沿陡峭、占空比可变、工作频率不变的矩形脉冲列。对PWM控制电路的基本要求满足开关电源输出电压稳定度及动态品质的要求；与主回路配合，使开关电源具有规定的输出电压值及其调节范围；能实现开关电源的软启动；能实现开关电源的过流、过压保护。现在PWM控制电路普

16、遍采用单片集成PWM控制器，其型号较多，通常分为电压型控制器和电流型控制器两类，电流型控制又分为峰值电流模式控制和平均电流模式控制。电压型集成控制器只有电压反馈控制，可以满足开关电源稳定输出电压等要求。 2022/7/2719通信用高频开关整流器主电路举例 图3-28单相输入的通信用高频开关整流器主电路举例2022/7/2720均流电路自动稳压方式并联运行的整流器必须有均流措施，使其输出电流均衡。否则，由于各整流器的输出电压和等效内阻实际上不可能完全一致，其中有些整流器将会负载过重，从而影响系统的可靠性，甚至造成并联失败。均流电路作用均流电路用来使并联运行的整流器输出电流自动均衡。实现均流的方

17、法在通信用高频开关电源中广泛采用的，主要是最大电流法均流和平均电流法均流。平均电流法自动均流平均电流法均流总线上的电压为各整流模块电流放大器输出电压的平均值。 最大电流法自动均流自动设定主模块和从模块的方法，输出电流最大的整流模块自动成为主模块，其他模块则为从模块。 2022/7/2721通信用高频开关整流器的若干技术指标效率效率是指电网电压为额定值、直流输出电压为稳压上限值、输出电流为额定值时，直流输出功率与交流输入有功功率之比的百分数。负载效应（负载调整率）负载效应是指交流输入电压为额定值，直流输出电流在额定值的5%100%范围变化，直流输出电压偏离整定值的变化率。源效应（电网调整率）源效应是指直流输出电流为额定值，交流输入电压在额定值的85%110%范围内变化，直流输出电压偏离整定值的变化率。稳压精度稳压精度是指交流输入电压在85%110%之间变化，负载电流在5%100%范围内变化，直流输出电压偏离整定值的变化率。 20