电力操作电源系统

1、2022-3-83l直流稳压电源简介l高频开关电源原理介绍 l高频开关电源各部分电路 2022-3-84l线性稳压电源线性稳压电源 ：交流电源经过工频变压器变压、整：交流电源经过工频变压器变压、整流、滤波，再经过晶体调整管整定输出直流电压。流、滤波，再经过晶体调整管整定输出直流电压。l电源存在如下的缺点：变压器由于工作在工频频率，电源存在如下的缺点：变压器由于工作在工频频率，在输出较大功率时体积大、笨重；在输出较大功率时体积大、笨重； 晶体调整管由于晶体调整管由于工作在放大状态，等效于一个可变电阻器。整机的工作在放大状态，等效于一个可变电阻器。整机的效率低于效率低于50%50%。2022-3-

2、85l晶闸管可控硅相控电源晶闸管可控硅相控电源 ：交流电源经过工频：交流电源经过工频变压器变压隔离，再经过晶闸管转换成变压器变压隔离，再经过晶闸管转换成50Hz50Hz脉冲电压，再经过电抗器及输出滤波器滤波，脉冲电压，再经过电抗器及输出滤波器滤波，将输入转换成稳定的直流输出电压。将输入转换成稳定的直流输出电压。2022-3-86l稳压原理是通过采样得到的输出电压变化稳压原理是通过采样得到的输出电压变化量，经过与基准电压值在误差放大器中比量，经过与基准电压值在误差放大器中比较放大之后，输出脉冲信号控制晶闸管的较放大之后，输出脉冲信号控制晶闸管的导通角，当输出电压下降，晶闸管的导通导通角，当输出电

3、压下降，晶闸管的导通角增大，晶闸管的导通时间增加，输出电角增大，晶闸管的导通时间增加，输出电压上升；当输出电压上升，晶闸管的导通压上升；当输出电压上升，晶闸管的导通角减小，晶闸管的导通时间减小，输出电角减小，晶闸管的导通时间减小，输出电压下降。压下降。2022-3-87l该稳压电源与线性稳压电源比较，晶闸管该稳压电源与线性稳压电源比较，晶闸管工作在开通与截止两种状态，减小了晶体工作在开通与截止两种状态，减小了晶体管的功率损耗。但电源变压器同样工作在管的功率损耗。但电源变压器同样工作在工频频率，为了使输出电压纹波较小及减工频频率，为了使输出电压纹波较小及减小导通时的电流冲击，要求有较大电感量小导

4、通时的电流冲击，要求有较大电感量的电抗器及较大容量的滤波电容，同样的的电抗器及较大容量的滤波电容，同样的在输出较大功率时，变压器、电抗器及电在输出较大功率时，变压器、电抗器及电容的体积大及笨重，变压器、电抗器铁损容的体积大及笨重，变压器、电抗器铁损及铜损较大，有温升散热、通风的问题。及铜损较大，有温升散热、通风的问题。电源效率只在电源效率只在60%60%80%80%左右。左右。2022-3-88l开关型稳压电源：交流电源经过整流、滤波变成开关型稳压电源：交流电源经过整流、滤波变成直流，再经过高频变压器及高频开关管，将直流直流，再经过高频变压器及高频开关管，将直流电转换成高频脉冲输出，高频脉冲信

5、号经过快恢电转换成高频脉冲输出，高频脉冲信号经过快恢复整流管整流、电抗器及输出滤波器滤波变成稳复整流管整流、电抗器及输出滤波器滤波变成稳定的输出直流电压。定的输出直流电压。 2022-3-89l其稳压原理是通过采样得到的输出电压变化量，其稳压原理是通过采样得到的输出电压变化量，经过与经过与SMPSMP控制器的基准电压值在误差放大器中控制器的基准电压值在误差放大器中比较放大之后，输出脉宽信号控制开关管的导比较放大之后，输出脉宽信号控制开关管的导通与截止，当输出电压下降，脉宽展宽，开关通与截止，当输出电压下降，脉宽展宽，开关管的导通时间增加，输出电压上升；当输出电管的导通时间增加，输出电压上升；当

6、输出电压上升，脉宽减小，开关管的导通时间减小，压上升，脉宽减小，开关管的导通时间减小，输出电压下降。输出电压下降。 l该稳压电源与晶体管线性稳压电源比较，开关该稳压电源与晶体管线性稳压电源比较，开关管工作在导通与截止两种状态，减小了晶体管管工作在导通与截止两种状态，减小了晶体管的功率损耗。电源效率在的功率损耗。电源效率在80%80%94%94%左右。左右。 2022-3-810开关稳压电源与相控电源比较开关稳压电源与相控电源比较2022-3-811高频开关电源原理高频开关电源原理2022-3-812高频开关电源原理高频开关电源原理主电路主电路 l原边检测控制电路：监视交流输入电网原边检测控制电

7、路：监视交流输入电网的电压，实现输入过压、欠压、缺相保的电压，实现输入过压、欠压、缺相保护功能及软启动的控制。护功能及软启动的控制。 lEMI输入滤波器：其作用是将电网存在输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。波反馈到公共电网。 l软启动：消除开机浪涌电流。软启动：消除开机浪涌电流。 2022-3-813高频开关电源原理高频开关电源原理主电路主电路l整流与滤波：将电网交流电源直接整流整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。为较平滑的直流电，以供下一级变换。 l全桥变换：将整流后的直流电变为

8、高频全桥变换：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。越小。 l输出整流与滤波：根据负载需要，提供输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。稳定可靠的直流电源。 2022-3-814高频开关电源原理高频开关电源原理l控制电路：一方面从输出端取样，经与设控制电路：一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据

9、，经保护电面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。护措施。l检测电路检测电路 ：除了提供保护电路中正在运行：除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。 l辅助电源辅助电源 ：提供所有单一电路的不同要求：提供所有单一电路的不同要求电源。电源。2022-3-815高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路 lEMI滤波电路 抗干扰抗干扰电容电容滤波电容滤波电容2022-3-816高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路l三相整流电路三相整流电路 ：采用一块三

10、相整流集成电路：采用一块三相整流集成电路2022-3-817高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路l输入软起动输入软起动 ：继电器：继电器J为常开触点，合上交流为常开触点，合上交流输入时，交流电源经整流后通过限流电阻输入时，交流电源经整流后通过限流电阻R对对电容充电，当电容充满后，控制继电器电容充电，当电容充满后，控制继电器J闭合，闭合，避免大电流对电容的冲击。避免大电流对电容的冲击。2022-3-818高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路l输出直流滤波输出直流滤波 2022-3-819高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路lDC/DC全桥变换全桥变换 ：高频开关管：高频开

11、关管A、D和和B、C组成组成桥的两臂，高频变压器桥的两臂，高频变压器T连接在它们中间。通过加连接在它们中间。通过加在在A、 D 和和B、 C两组开关管栅极的对称倒相脉冲两组开关管栅极的对称倒相脉冲实现该两组组开关管依次导通或截至，以实现实现该两组组开关管依次导通或截至，以实现DC/DC的高频变换过程。的高频变换过程。 2022-3-820高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路lDC/DC全桥变换工作过程全桥变换工作过程* *t0tt1t0tt1：t=t0t=t0时，主回路中时，主回路中A A、D D两管同时导通，两管同时导通，B B、C C两管处于关断状态，电源电压两管处于关断状态，电源

12、电压UiUi加在变压器加在变压器两端，通过变压器加在输出电感两端，通过变压器加在输出电感LoLo和负载上，主和负载上，主回路的电流回路的电流ItIt线性增加，电源向负载输送能量。线性增加，电源向负载输送能量。* * t1tt2t1tt2：在：在t=t1t=t1时，时，A A、D D两管同时关断，主回两管同时关断，主回路的电流路的电流ItIt迅速减小到零，变压器两迅速减小到零，变压器两 端的电压端的电压VtVt也迅速减小到零，此时靠输出电感也迅速减小到零，此时靠输出电感LoLo及电容及电容CoCo的续流储能向负载输送能量。的续流储能向负载输送能量。 2022-3-821* *t2tt3t2tt3

13、：t=t2t=t2时，主回路中时，主回路中B B、C C两管同时导通，两管同时导通，A A、D D两管处于关断状态，电源电压加在变压器两管处于关断状态，电源电压加在变压器两端，通过变压器加在输出电感两端，通过变压器加在输出电感LoLo和负载上，和负载上，主回路的电流主回路的电流ItIt线性增加，电源再次向负载输线性增加，电源再次向负载输送能量。送能量。 * *t3tt4t3tt4：在：在t=t3t=t3时，时，B B、C C两管同时关断，主回两管同时关断，主回路的电流路的电流ItIt迅速减小到零，变压器两端的电压迅速减小到零，变压器两端的电压VtVt也迅速减小到零，此时再次靠输出电感也迅速减小

14、到零，此时再次靠输出电感LoLo及及电容电容CoCo的续流储能向负载输送能量。的续流储能向负载输送能量。 高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路lDC/DC全桥变换工作过程全桥变换工作过程2022-3-822高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路lDC/DC全桥变换工作过程全桥变换工作过程2022-3-823高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路l脉宽调制控制器脉宽调制控制器 ：开关电源输出电压的变开关电源输出电压的变化取决于功率变换电路的开关管导通时间，化取决于功率变换电路的开关管导通时间，导通时间越长，则电容两端电压升高越多；导通时间越长，则电容两端电压升高越多；开关管关

15、闭时间越长，则电容两端电压降低开关管关闭时间越长，则电容两端电压降低越多。为了调节开关电源输出电压，就必须越多。为了调节开关电源输出电压，就必须控制开关管的栅极驱动。通过采用脉冲宽度控制开关管的栅极驱动。通过采用脉冲宽度调制方式（调制方式（PWM方式）来控制开关电源的输方式）来控制开关电源的输出电压。如使开关电源输出电压升高，则开出电压。如使开关电源输出电压升高，则开关管驱动的脉冲要加宽，即脉冲宽度固定，关管驱动的脉冲要加宽，即脉冲宽度固定，在单位时间内的导通次数增加，保证总的导在单位时间内的导通次数增加，保证总的导通时间加长。反之亦然。通时间加长。反之亦然。2022-3-824高频开关电源各

16、部分电路高频开关电源各部分电路2022-3-825高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路l脉宽调制控制器工作原理：开关电源输出电脉宽调制控制器工作原理：开关电源输出电压压Vo通过电阻分压，分压后的电压为通过电阻分压，分压后的电压为V1，接，接到放大器的负端，放大器的正端接标准稳压到放大器的负端，放大器的正端接标准稳压电源（例如电源（例如LM7805）输出）输出Vt，放大器输出电，放大器输出电压为压为V2，接比较器正端，比较器负端接斜波，接比较器正端，比较器负端接斜波发生器。斜波发生器产生一个固定频率和幅发生器。斜波发生器产生一个固定频率和幅度的斜波，度的斜波，V2与斜波比较后输出脉冲波形

17、。与斜波比较后输出脉冲波形。l稳压原理：稳压原理： *Vo V1 V2 比较器输出脉宽变窄比较器输出脉宽变窄Vo ； *Vo V1 V2 比较器输出脉宽变宽比较器输出脉宽变宽Vo 。 2022-3-826高频开关电源高频开关电源软开关技术软开关技术2022-3-827高频开关电源高频开关电源软开关技术软开关技术l在全桥相移在全桥相移ZVZCS的基本原理图中，与的基本原理图中，与硬开关相比，增加了一个饱和电感硬开关相比，增加了一个饱和电感Ls，省去了全桥臂上的吸收电容，并在主回省去了全桥臂上的吸收电容，并在主回路上增加了一个阻挡电容路上增加了一个阻挡电容Ce。通过相移。通过相移方式控制主回路的有

18、效占空比。阻挡电方式控制主回路的有效占空比。阻挡电容容Ce与饱和电感与饱和电感Ls适当配合，能够使全适当配合，能够使全桥被动臂上的主开关管（桥被动臂上的主开关管（A、B）达到零）达到零电流开关（电流开关（ZCS）的效果，而主动臂上）的效果，而主动臂上的主开关管（的主开关管（C、D）仍然处于零电压开）仍然处于零电压开关（关（ZVS）的状态。）的状态。 2022-3-828高频开关电源高频开关电源软开关技术软开关技术lt0tt1：主回路中：主回路中A，D两管导通，饱合电感两管导通，饱合电感Ls处于饱合状态，电感量很小，可以认为是短处于饱合状态，电感量很小，可以认为是短路状态。电源电压通过变压器加在

19、输出电感路状态。电源电压通过变压器加在输出电感Lo和负载上，主回路的电流和负载上，主回路的电流Ip线形增加，电源向线形增加，电源向负载输送能量，电容负载输送能量，电容Ce的电压的电压Vce由负向正逐由负向正逐渐增加。渐增加。 lt1tt2：在：在t=t1时，时，D管关断，主回路的电流持管关断，主回路的电流持续，使续，使C管的电容管的电容Cr放电，最终使放电，最终使C管的电压管的电压为零，并通过为零，并通过C管的体二极管续流，在管的体二极管续流，在t=t2时时C管零电压开通。这个过程与全桥相移管零电压开通。这个过程与全桥相移ZVS的情的情况完全一致。此时电容况完全一致。此时电容Ce上形成的阻挡电

20、压上形成的阻挡电压Vce达到最大。达到最大。 2022-3-829高频开关电源高频开关电源软开关技术软开关技术lt2tt3：由于：由于Lo的续流作用，输出二极的续流作用，输出二极管钳位使变压器副边短路，在主回路中管钳位使变压器副边短路，在主回路中只有变压器的漏感存在，因此阻挡电压只有变压器的漏感存在，因此阻挡电压Vce迅速将主回路的电流迅速将主回路的电流Ip回复到零，回复到零，当当Ip回复到零时，饱合电感回复到零时，饱合电感Ls退出饱合退出饱合状态，呈现出很大的电感量，使状态，呈现出很大的电感量，使Ip维持维持在零附近一直到在零附近一直到A管关断。管关断。 lt3tt4：在：在t=t3时，时，

21、A管零电流关断，管零电流关断，经过一个死区时间经过一个死区时间B管开通。管开通。 2022-3-830高频开关电源高频开关电源软开关技术软开关技术lt4tt5：B管开通时由于饱合电感管开通时由于饱合电感Ls尚未饱合，尚未饱合，Ip经过一定的滞后再迅速上升，电流的滞后使经过一定的滞后再迅速上升，电流的滞后使B管的开通损耗大大降低。在管的开通损耗大大降低。在t=t5时时Ip达到输出电达到输出电流在主回路的折合值，变压器副边出现电压，电流在主回路的折合值，变压器副边出现电压，电源再次向负载输送能量，电容源再次向负载输送能量，电容Ce的电压的电压Vce由正由正向负逐渐减小，开始下半个对称的周期。向负逐渐减小，开始下半个对称的周期。l可见主动臂上的两只主管（可见主动臂上的两只主