第4部分电源输入级电路

1、2021-10-22 做实验不是简简单单的加输入，有输出就算成功了。做实验不是简简单单的加输入，有输出就算成功了。这样的话，学不到真正的知识。这样的话，学不到真正的知识。 遇到问题，要分析问题的原因，寻找到原因，才能找遇到问题，要分析问题的原因，寻找到原因，才能找到解决的办法。这样才能学到真正的知识，对实践的到解决的办法。这样才能学到真正的知识，对实践的能力有很大提高，对电路的工作原理理解很深入。能力有很大提高，对电路的工作原理理解很深入。 学会分析电路的方法，学会排除故障的能力，这种能学会分析电路的方法，学会排除故障的能力，这种能力在社会工作上才能应用上。力在社会工作上才能应用上。 下个星期

2、二的课下个星期二的课 调到调到1818周星期周星期1 3/41 3/4节。节。 2021-10-222 第第4 4部分部分 电源输入级电源输入级1.1.离线运行：两种整流滤波方式和输入储能电容特性离线运行：两种整流滤波方式和输入储能电容特性 2.2.射频干扰抑制射频干扰抑制-emi-emi滤波器和安规事项滤波器和安规事项 3.3. 功率因数校正功率因数校正-为什么要用功率因数校正及其方法为什么要用功率因数校正及其方法 4.4. 浪涌电流浪涌电流-产生及其抑制的方法产生及其抑制的方法 5.5. 保持时间保持时间-定义及其增加保持时间的方法定义及其增加保持时间的方法 2021-10-2231.1.

3、离线运行离线运行 -两种整流滤波方式和输入储能电容特性两种整流滤波方式和输入储能电容特性 高频开关电源大致分为离线式开关电源和高频开关电源大致分为离线式开关电源和dc-dcdc-dc模块电源。模块电源。 通常在线性电源中使用低频（通常在线性电源中使用低频（50-60hz50-60hz）隔离变压器（工）隔离变压器（工频变压器），频变压器），而高频而高频开关电源直接从交流输入获得能量，开关电源直接从交流输入获得能量，没有使用工频变压器，所以称高频开关电源为离线式开关没有使用工频变压器，所以称高频开关电源为离线式开关电源。电源。 比如：比如：pcpc电源，输入电源，输入220v220v经过经过emi

4、emi滤波器，再经过桥式滤波器，再经过桥式整流整流+ +电容储能，给电容储能，给dc-dcdc-dc变换器提供直流电压。变换器提供直流电压。 2021-10-224 输入交流电压的类型主要有以下几种：输入交流电压的类型主要有以下几种： （1 1） 117v/60hz(117v/60hz(美国）美国） （2 2）240v/50hz240v/50hz（欧洲）（欧洲） （3 3） 220/50hz(220/50hz(中国）中国） （4 4）100v/60hz (100v/60hz (日本）日本） 通用电源必须能够在通用电源必须能够在90270v90270v范围内工作。如：范围内工作。如：pcpc电电

5、源和笔记本的适配器上都标有输入电压的范围和频率。源和笔记本的适配器上都标有输入电压的范围和频率。2021-10-225 （1 1） 220v220v输入全波桥式整流电容滤波电路如下图：输入全波桥式整流电容滤波电路如下图： dc-dcdc-dc变换变换器（隔离降压器（隔离降压式变换器）式变换器） 输出电压波形如右图输出电压波形如右图 2021-10-226 如输入电压在如输入电压在117v117v15%时时，经过整流滤波之，经过整流滤波之后如何得到后如何得到300v300v20%的直流电压？的直流电压？ 因为直流变换器是根据正常输入直流电压为因为直流变换器是根据正常输入直流电压为300v300v

6、设计的。设计的。 （2 2） 117v117v输入全波整流倍压电容滤波电路如下图：输入全波整流倍压电容滤波电路如下图： 2021-10-227 全波倍压整流滤全波倍压整流滤波电路图及两种整流波电路图及两种整流方法的输出波形：方法的输出波形： 电阻的作用是使电阻的作用是使电压在两个电容上平电压在两个电容上平均分配。均分配。 全波倍压整流滤波全波倍压整流滤波电路也可以应用到辅助电路也可以应用到辅助电源电源vccvcc中。中。如下电路如下电路2021-10-228 （3 3） 输入储能电容特性输入储能电容特性 输入储能电容就是指整流桥输出的滤波电容。输入储能电容就是指整流桥输出的滤波电容。 铝电解电

7、容是唯一能够提供足够高的耐压值和电容值铝电解电容是唯一能够提供足够高的耐压值和电容值的元件。耐压值为的元件。耐压值为400400450v450v的电容对于的电容对于240v240v的工作场合的工作场合已经足够。对于母线电压为已经足够。对于母线电压为117v117v的倍压器，两个耐压值为的倍压器，两个耐压值为200200250v250v的电容比较适合。为保证足够的裕量，选择耐的电容比较适合。为保证足够的裕量，选择耐压值为压值为300v300v或者更高的电容比较适合。或者更高的电容比较适合。 电容上有电容上有esresr等效串联电阻，电容进行充电和放电等效串联电阻，电容进行充电和放电时，等效串联电

8、阻引起功率损耗，将会导致电容升温。如时，等效串联电阻引起功率损耗，将会导致电容升温。如果长时间工作，超过它的最高工作温度，电容就会损坏。果长时间工作，超过它的最高工作温度，电容就会损坏。电容的电容的“屁股屁股”往上翘，表明已经损坏。往上翘，表明已经损坏。2021-10-2292.2.射频干扰抑制射频干扰抑制-emi-emi滤波器和安规事项滤波器和安规事项 产生干扰信号的原因产生干扰信号的原因：开关电源在工作过程中会产生：开关电源在工作过程中会产生很多噪声及谐波，比如整流桥很多噪声及谐波，比如整流桥+ +大电容滤波储能时，输入大电容滤波储能时，输入电流是很窄的矩形脉冲，这种波形的谐波含量非常大；

9、另电流是很窄的矩形脉冲，这种波形的谐波含量非常大；另外，外，pcbpcb以及隔离变压器的匝间电容或者寄生的电感等引以及隔离变压器的匝间电容或者寄生的电感等引起的干扰信号。起的干扰信号。 抑制干扰信号抑制干扰信号：采用：采用emiemi滤波器来抑制干扰信号，使滤波器来抑制干扰信号，使设备正常工作，使谐波含量满足欧洲的设备正常工作，使谐波含量满足欧洲的en61000-3-2en61000-3-2标准。标准。常用的常用的emiemi滤波器结构如下图：滤波器结构如下图：2021-10-2210 emi emi滤波电路滤波电路 c1 c1、c2c2、c3c3通常是通常是x2x2电容，滤除差模信号；电容，

10、滤除差模信号； c4c4和和c5c5通常通常是是y2y2电容，滤除共模信号；电容，滤除共模信号；l1l1和和l2l2是差模电感；是差模电感；l3l3是共模是共模电感。电感。2021-10-2211lconcerns harmonic current emission limits for equipment having an input current 16a per phaselequipment is divided up in 4 classes:a: balanced three-phase equipment and that not included in the other c

11、lassesb: portable equipmentc: lighting equipmentd: equipment with special input current waveshape and input active power 600w.lno limitation is imposed on equipment with input active power 75w.en61000-3-2 regulation en61000-3-2en61000-3-2谐波标准，输入功率大于谐波标准，输入功率大于75w75w的设备的设备分成四个等级，来设定谐波的标准。分成四个等级，来设定谐波

12、的标准。en61000-3-2limits for class a, b & c equipmentharmonic order“n”max. harmonic currenta32.3051.1470.7790.40110.33130.2115n390.15 15 / n21.0840.4360.308n400.23 8 / nodd harmonicseven harmonicsclass aclass cmax. harmonic current(% of fundamental)330 pf510779511n39322harmonic ordernclass b33.4551.717

13、1.1690.60110.50130.3215n390.23 15 / n21.6240.6560.458n400.35 8 / nharmonic order “n”max. harmonic currentaodd harmonicseven harmonicsen61000-3-2limits for class d equipmentp/3p/3p/3p/2p000.351iipkclass dharmonic ordernmax. harmonic currentper watt (ma/w)51.971.090.5110.3513n39(odd harm. only)3.85 /

14、n 33.4max. harmonic currenta1.140.770.400.33see class a 2.302021-10-22143.3. 功率因数校正功率因数校正-为什么要用功率因数校正及其方法为什么要用功率因数校正及其方法 从从220v220v交流电网经整流供给直流是电力电子及电子仪交流电网经整流供给直流是电力电子及电子仪器中应用极为广泛的一种基本变流方案。例如离线式开关器中应用极为广泛的一种基本变流方案。例如离线式开关电源的输入端，电源的输入端，acac电源经全波整流后，一般接一个大电容，电源经全波整流后，一般接一个大电容，如图下图所示：如图下图所示： 2021-10-22

15、15 输入电流和电压波形如下图所示，输入交流电压输入电流和电压波形如下图所示，输入交流电压vi是正弦的，但是交流电流是正弦的，但是交流电流ii波形却严重畸变，呈脉波形却严重畸变，呈脉冲状。冲状。 由此可见，大量应用由此可见，大量应用整流电路，要求电网供给整流电路，要求电网供给严重畸变的非正弦电流，严重畸变的非正弦电流，造成严重的后果，谐波电造成严重的后果，谐波电流对电网有危害作用，并流对电网有危害作用，并且输入端功率因数下降。且输入端功率因数下降。2021-10-2216谐波电流对电网的危害谐波电流对电网的危害 脉冲状的输入电流，含脉冲状的输入电流，含有大量谐波。右图给出了输有大量谐波。右图给

16、出了输入电流波形及电流谐波频谱入电流波形及电流谐波频谱分析，其中电流的三次谐波分析，其中电流的三次谐波分量达分量达77.5%，五次谐波分，五次谐波分量达量达50.3%，总的谐波总的谐波分量（或称总谐波畸变分量（或称总谐波畸变total harmonic distortion，用，用thd表示）为表示）为95.6%，输入，输入端功率因数仅有端功率因数仅有0.683，非常，非常的低。的低。输入电流波形及其谐波分量频谱分析输入电流波形及其谐波分量频谱分析2021-10-2217 欧盟已经通过欧盟已经通过iec555、en61000-3-2等标准。这些标等标准。这些标准实际上限制了各类电源系统的谐波含

17、量。综上所述，功准实际上限制了各类电源系统的谐波含量。综上所述，功率因数校正则是满足这些要求的手段。率因数校正则是满足这些要求的手段。 功率因数校正：采用适当的电路，减小输入电流的谐波功率因数校正：采用适当的电路，减小输入电流的谐波含量，使输入电流接近于正弦波；提高输入端的功率因数含量，使输入电流接近于正弦波；提高输入端的功率因数 提高提高ac-dcac-dc电路输入端功率因数和减小输入电流谐波的电路输入端功率因数和减小输入电流谐波的主要方法有以下两种：主要方法有以下两种：2021-10-2218 1. 1. 无源功率因数校正无源功率因数校正 在整流器和电容之间串联一个滤波电感（如课本图在整流

18、器和电容之间串联一个滤波电感（如课本图3-6），或者交流侧接入谐振滤波器。），或者交流侧接入谐振滤波器。lc谐振整流滤波电谐振整流滤波电路如下图所示：路如下图所示： 主要优点：简单、成本低、主要优点：简单、成本低、可靠性高可靠性高 。 主要缺点：尺寸、重量大，主要缺点：尺寸、重量大，难以得到高的功率因数工作性难以得到高的功率因数工作性能与频率、负载变化及输入电能与频率、负载变化及输入电压变化有关，电感和电容之间压变化有关，电感和电容之间有较大的充放电电流等。有较大的充放电电流等。2021-10-2219 2. 2. 有源功率因数校正有源功率因数校正 在整流器和负载之间接入一个在整流器和负载之间

19、接入一个dc-dc变换器，应用电流反变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流馈技术，使输入端电流i波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使i接近正弦。从而使输入端接近正弦。从而使输入端thd小于小于5%，而功率因数可提高到，而功率因数可提高到0.99或更高。由于这个方案中，应用了有源器件，故称为有源功率因数或更高。由于这个方案中，应用了有源器件，故称为有源功率因数校正（校正（active-power-factor correction），简称），简称apfc。 优点：较高的功率优点：较高的功率因数，如因数，如0.970.99，甚至，甚至接近接近1；thd小；可在较小；可在较宽的输入电压范围（如宽的输入电压范围（如90264vac）和宽频带下）和宽频带下工作；体积小、重量轻，工作；体积小、重量轻，输出电压保持恒定。输出电压保持恒定。 缺点：电路复杂；缺点：电路复杂；mtbf下降，成本高。下降，成本高。2021-10-2220 带有源功率因数校正的电源系统输入电流电压的波带有源功率因数校正的电源系统输入电流电压的波形如下左图，相应的谐波含量的成分如下右图：形如下左图，相应的谐波含