通信电源开关技术最新

1、开关电源技术开关电源技术 主讲人：杜秋主讲人：杜秋 目目 录录1. 开关电源的基本概念；2. 开关电源在通信电源领域的基本应用和范畴；3. 通信机房中开关电源系统的结构组成4. 整流电路的基本器件特性及工作原理；5. 开关电源的基本电路结构及其工作原理；6. 在通信机房中开关电源与UPS设备的同异分析；7. 开关电源的参数特征与能耗分析；1.1 、开关电源的基本概念、开关电源的基本概念定义：定义：如果间接直流变流电路的输入端的直流是由交流电网整流得来的，所构成的：交流直流交流直流的变换电路，通常被称为开关电源；由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，体积、重量都远远

2、小于相控整流电源，此外工作频率的提高还有利于控制性能的提升；开关电源属于组合交变电路的一种；组合交变电路间接直流变流电路间接交流变流电路正激电路反激电路半波电路全波电路推挽电路开关电源 功能：功能：是一种电压升降、波形转换、功率限定电压升降、波形转换、功率限定等功能性等功能性电路，其应用几乎涵盖了目前所有电子产品的功能电路，视音频技术、防盗、汽车、IT等等； 特点：特点：其开关式三极管总是处于“开开”和和“关关”两种状态而得名； 实质：实质：通过三极管、电容、电感、电阻三极管、电容、电感、电阻等器件组成的完成一定功能的振荡振荡电路（波形发生器方波、三角波、正弦波、高频发生器、LC振荡电路、晶振

3、等，如正弦波RC振荡电路，见下页图）；1.2 、开关电源的基本概念、开关电源的基本概念2、开关电源在通信电源领域的基本应用和范畴开关电源在通信电源领域的基本应用和范畴： 基本应用：基本应用：开关电源技术广泛应用于现代电子产品。不仅应用于电源电路，也普遍应用在其他电路（如：液晶显示器的背光电路、日光灯等）； 通信设备：通信设备：开关电源在通信行业的关键应用集中在：-48V直流、UPS整流、服务器和交换机等IT设备的PDU、直流变压等技术； 其他应用：其他应用：变频器、调速器、电源适配器（手机、数码产品、家电等电器）；2.1：附图：附图1RC振荡电路及工作原理（波形发生器举例）振荡电路及工作原理（

4、波形发生器举例）用示波器观察振荡电路的输出波形，若输出无波形或输出波形出现明显失真，应调节Rp，使输出Vo为一失真较小的稳定正弦波；2.1：附图：附图2典型的降压式开关电源（典型的降压式开关电源（12V/3.3V、15A）2.1：附图：附图3开关电源工作原理主回路框图开关电源工作原理主回路框图2.1：附图：附图4固定或可调式开关电源线路图固定或可调式开关电源线路图2.1：附图：附图5简单实用的开关电源原理图简单实用的开关电源原理图2.1：附图：附图6开关电源不同位置的电压电流波形开关电源不同位置的电压电流波形2.2、开关电源与变压器的功能区别：、开关电源与变压器的功能区别：相同点：变压相同点：

5、变压升或降；升或降；不同点：变压器只能用于交流变压，而开关电不同点：变压器只能用于交流变压，而开关电源的变压功能更广（交流、直流、波形等转换）源的变压功能更广（交流、直流、波形等转换）优 点：效率高稳定性好体积小、重量轻成本低缺 点：功率相对小产生高频干扰电路复杂不易维修2、开关电源在通信电源领域的基本应用和范畴开关电源在通信电源领域的基本应用和范畴：2.3、开关电源在通信开关电源在通信机房中的系统框图：机房中的系统框图：交流配电市电I市电II直流配电通信设备ENTESC- 48V整流模块RS485RS485CAN后台计算机RS232/485WEBMODEMPSTN监控中心MODEMRS232

6、RS485整流模块监控模块3、通信机房中开关电源通信机房中开关电源系统的结构组成系统的结构组成3.1、系统框图、系统框图系统框图 柜内模块并机扩容、柜外系统并机扩容，最大容量可达柜内模块并机扩容、柜外系统并机扩容，最大容量可达6000A6000A以上；以上； 整流模块无损伤热插拔技术，即插即用；整流模块无损伤热插拔技术，即插即用； 系统效率可达到系统效率可达到90%90%以上（软开关技术可达以上（软开关技术可达91%91%以上），功率因数达以上），功率因数达到到0.98(0.98(早期的早期的0.900.90以下或更低以下或更低) )； 宽输入电压：宽输入电压：260Vac260Vac530V

7、ac,50Hz/60Hz530Vac,50Hz/60Hz（上一代（上一代304304456V456V） 系統均流小（一般要求系統均流小（一般要求 5%5% ，可达，可达3%)3%) 系统系统CPUCPU智能化在线管理（温度补偿、充电限制、电池容量计算、在智能化在线管理（温度补偿、充电限制、电池容量计算、在线电池侦测、智能接口、远程监控等）；线电池侦测、智能接口、远程监控等）； 满足国际电气安全标准：满足国际电气安全标准：IECIEC、IEEEIEEE、CECE等认证，具有高效、高可靠等认证，具有高效、高可靠、低辐射、快维修等优点；、低辐射、快维修等优点；3、通信机房中开关电源通信机房中开关电源

8、系统的结构组成系统的结构组成：3.2、开关电源开关电源系统的技术特点：系统的技术特点：3、通信机房中开关电源通信机房中开关电源系统的结构组成系统的结构组成：3.3、开关电源开关电源系统之交流输入：系统之交流输入：1.交流主输入开关：两路、三相、手交流主输入开关：两路、三相、手/自动切换，容量根据需求确认，多自动切换，容量根据需求确认，多为为400A、630A、或按需配置；、或按需配置；2.交流分输出开关：多路的三相交流分输出开关：多路的三相/单相输出，单相输出，160A（三相）、（三相）、63A （三相（三相） 、32A （三相（三相/单相）单相） 、20A（单相）等；（单相）等；3.输入防雷

9、与系统接地示意图：输入防雷与系统接地示意图：注：采用共用接地原则设计即直流电源地、防雷接地和保护接地，共同合用一组接地体，接地电阻根据系统不同要求不同48VDC+-ABCNPE5 10m第一级（B级）防雷器防雷器直流电源地保护接地引线用户地排接地汇流排保护地电源系统防雷地防雷地直流电源地引线3、通信机房中开关电源通信机房中开关电源系统的结构组成系统的结构组成：3.4、开关电源开关电源系统之直流输出：系统之直流输出：电池正（接地）电池负（-48V)整流模块正输出整流模块负输出（-48V)主要是不同规格的母排+熔丝1.电池是开关电源（直流）系统中最重要部分，直流系统的大多数故障都是由电池引起的；2

10、.电池的常用规格是2V单体，24节串联，2组以上并（一主一备、或多主一备），浮充电压54.6V、均充电压56V。其容量根据系统大小选择，常见容量有6000A或更高；3.其放电区间为：浅放-50-46.8V，深放-46.842V，IG1IG4、整流、整流电路的基本器件电路的基本器件特性及工作原理特性及工作原理4.4、半控型器件、半控型器件SCR晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA 晶闸管的动态特性晶闸管的开通和关断过程波形 可靠的前提下，降低成本 合理地选择元件的额定电压和额定电流； 确认负载性质阻性、容性或混合？ 整流电压平均

11、值U、整流电流平均值I、晶闸管控制角的大小等参数； 快速晶闸管快速晶闸管FST：普通SCR关断时间数百ms，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10 s左右（考虑高频发热）4、整流、整流电路的基本器件电路的基本器件特性及工作原理特性及工作原理4.5、正确地选择SCR晶闸管和整流管双向晶闸管双向晶闸管逆导晶闸管逆导晶闸管RCT光控晶闸管光控晶闸管LTT4、整流、整流电路的基本器件电路的基本器件特性及工作原理特性及工作原理4.6、晶闸管的派生器件特性、晶闸管的派生器件特性a)b)IOUIG=0GT1T2b)a)UOIKGAIG=0光强度强弱b)AGKa)OUAKIA全控型晶闸管，80年代始集成电路基础上

12、的晶闸管：高频化、全控型、集成电路制造工艺的电力电子器件，电力电子技术又带入了一个崭新时代，主要的半导体器件有：（SCR、IGBT、GTR、GTO、MOSFET、IGBT） ； 门极可关断晶闸管（GTO）：用于高电压、大电流、大功率场合器件（兆w级）； 电力晶体管（GTR或BJT）：耐高电压、大电流的双极结型晶体管，80年代在中、小功率范围内代替SCR，后来小功率器件上又被IGBT或电力MOSFET所取代； 电力场效应晶体管（MOSFET）：小功率10kw场合器件； 绝缘栅双极晶体管（IGBT）：（Insulated-gate Bipolar Transistor）4、整流、整流电路的基本器件

13、电路的基本器件特性及工作原理特性及工作原理4.6、晶闸管的派生器件、晶闸管的派生器件全控型晶闸管全控型晶闸管A. 结型结型和绝缘栅型：绝缘栅型：类似小功率Field Effect TransistorFET，但通常主要指绝缘栅型绝缘栅型中的MOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET）B. 特点特点用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小 开关速度快，工作频率高 热稳定性优于GTR 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 4、整流、整流电路的基本器件电路的基本器件特性及工作原理

14、特性及工作原理4.6、电力、电力MOSFET的特点：的特点： GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性； 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场，中小功率电力电子设备的主导器件 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位； 栅极G、集电极C和发射极E4、整流、整流电路的基本器件电路的基本器件特性及工作原理特性及工作原理4.6、IGBT的特点：的特点：EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc) 驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE

15、决定 导通导通：uGE大于开启电压开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通 导通压降导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小 关断关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断4、整流、整流电路的基本器件电路的基本器件特性及工作原理特性及工作原理4.6、IGBT的工作原理：的工作原理：EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)1） IGBT的转移和静态特性的转移和静态特性 （如右上图）

16、：（如右上图）：开启电压开启电压UGE(th)：能实现电导调制而导通的最低栅射电压；随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26VuCE30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，有：ddVT2577. 031IIII上面介绍了共阴极接法和共阳极接法两种线路的工作特点，在什么情况下采取那种接法？多数情况下应采用共阴极接法，因为这时阴极联在一起，其门极接线有公共线比较方便。但有时共阴极和共阳极两种方法并做是比较合理的。如可逆线路，如果采用共阴极接法供给正向电压，则反向电压可由共阳极接法供给。进一步分析时会发现两种接法并用更合理（略）。5.9-1 5.9-1 三相桥式全控整流电路三

17、相桥式全控整流电路5.9-2 5.9-2 三相桥式全控整流波形三相桥式全控整流波形工业上广泛应用的三相桥式整流电路就是从三相半波电路发展而来的，UPS整流便是IDC机房最广泛的应用，某些小容量UPS 或者开关电源的整流部分也有采用单相桥式的整流方式的；如图：电阻性负载u2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuaucubt1OtOtOtOt= 0iVT1uVT15.105.10、三相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路输出电流平均值为 ：Id=Ud /Rcos34. 2)(sin63123232dUt

18、tdUU)3cos(134.2)(sin63232dUttdUU当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60 时）时）的平均值为：的平均值为：带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：dd2d2d2816. 03232)(3221IIIII附图附图1 1 单相半波可控整流电路及波形单相半波可控整流电路及波形TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)00附图附图2 2 带阻感负载的单相半波电路及其波形带阻感负载的单相半波电路及其波形 a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12ttttt

19、ug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +附图附图3 3三相半波可控三相半波可控整流电路共阴整流电路共阴极接法电阻负极接法电阻负载时的电路及载时的电路及 =0=0 时的波形时的波形 a)b)c)d)e)f)u2abcTRudidVT2VT1VT3uaubuc=0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttt附图附图4 4三相半波可控三相半波可控整流电路，电整流电路，电阻负载，阻负载，a=30a=30 时的波形时的波形 =30u2uaubucOtOtOtOtOtuGuduabuact1iVT1uVT1uac附图附图5 5 三相半波可控整流电路，电阻负载，三相半

20、波可控整流电路，电阻负载，=60=60 时的波形时的波形 tttt=60u2uaubucOOOOuGudiVT1附图附图6 6 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路U Ud d/U/U2 2与与的关系的关系 03060901201500.40.81.21.17321/( )Ud/U2附图附图7 7三相半波可控三相半波可控整流电路，阻整流电路，阻感负载时的电感负载时的电路及路及=60=60 时时的波形的波形 abcTRLu2udeLidVT1VT2VT3udiauaubucibiciduacuabuacOtOtOtOtOtOtuVT1附图附图8 8 三相桥式全控整流电路原理图三相桥式全控整流

21、电路原理图 bacTn负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1附图附图9 9三相桥式全控三相桥式全控整流电路带电整流电路带电阻负载阻负载a=0a=0 时时的波形的波形 u2ud1ud2u2Luduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuaucubt1OtOtOtOt= 0iVT1uVT1附图附图1010三相桥式全控三相桥式全控整流电路带电整流电路带电阻负载阻负载a=30a=30 时的波形时的波形 ud1ud2= 30iaOtOtOtOtuduabuacuaubuct1uabuacubcubaucaucbua

22、buacuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1附图附图1111三相桥式全三相桥式全控整流电路控整流电路带电阻负载带电阻负载=60=60 时的波时的波形形 = 60ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaubucOtt1OtOtuVT1附图附图1212三相桥式全三相桥式全控整流电路控整流电路带电阻负载带电阻负载a=90a=90 时的时的波形波形ud1ud2uduaubucuaubtOtOtOtOtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT1附图附图13 13 三相桥式全三相桥式全控整流电路控整流电路

23、带阻感负载带阻感负载a=0a=0 时的波时的波形形 ud1u2ud2u2LudidtOtOtOtOua= 0ubuct1uabuacubcubaucaucbuabuaciVT1附图附图14 14 三相桥式全控整流电路带阻感负载三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30a=30 时的波形时的波形ud1= 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuactOtOtOtOidiat1uaubuc附图附图1515 三相桥式整流电路带阻感负载，三相桥式整流电路带阻感负载，a=90a=90 时的波形时的波形 = 90ud1ud2uacubcubaucaucbuabuacuabuduacuabua

24、ctOtOtOubucuat1uVT1附图附图16：UPS设备设备三相全控三相全控整流器各整流器各器件的工器件的工作时序图作时序图6、在通信机房中开关电源与在通信机房中开关电源与UPS设备设备主电路主电路的同异的同异UPS的主电路图开关电源的主电路图7、开关电源开关电源与与UPS的参数特征与能耗分析的参数特征与能耗分析内容内容UPS开关电源开关电源说明说明能源转换过程交流直流交流直流交流直流直流减少了一个逆变、一个整流环节（设备）整流器的能源转换系数单相桥式：0.9；三相桥式：0.955；单相桥式：0.9；三相桥式：0.955；相同（与整流器件的容量和方式关联）蓄电池的充放电效率0.850.9

25、5？0.850.95？相同（与电池组合方式、型号、容量、品牌等相关）逆变器的能源转换系数0.8661开关电源无逆变器服务器内部的整流装置单相桥式：0.9；三相桥式：0.955；1（2*0.7V半导体器件的压降及发热损耗）若考虑服务器的谐波及线路影响，直流更具优势理论上的综合效率0.955*0.866*0.9=0.7440.955忽略电池短期内的充放电效率8、开关电源技术的其他基础功能电路、开关电源技术的其他基础功能电路8.1、直流斩波电路：、直流斩波电路：直流斩波电路（直流斩波电路（DC Chopper）：）：将直流电变为另一个固定电压或可调电压的直流电路（直流直流变换器，DC/DC Converter，不包含直交直）；直流斩波电路的种类：直流斩波电路的种类：六种基本电路降压斩波、升压斩波、升降压斩波、CUK斩波、Se