第一节高频开关整理器(最后)

1、第五章第五章 第一节第一节高频开关整流器高频开关整流器本章要介绍的内容重点v与传统整流器相比较的优缺点v有源功率因数校正的基本原理v目前高频开关整流器研究和发展的方向v高频开关整流器的框架结构v整流器的性能指标及其参数定义整流器件有两种整流器件有两种: 二极管二极管 晶闸管晶闸管(可控硅可控硅)不控整流器件不控整流器件 相控整流器件相控整流器件整流器整流器:把交流电变为直流电的设备把交流电变为直流电的设备. 相控整流器、高频开关整流器相控整流器、高频开关整流器 不控整流器不控整流器 相控整流相控整流 A阳极阳极C阴极阴极G控控制极制极A阳极阳极C阴极阴极u2 VD1 VD2VD3VD4udu1

2、u2 VD1 VD2VD3VD4udu1以单相整流为例以单相整流为例分析这两个电路要说明分析这两个电路要说明:当电网电压变化时当电网电压变化时,不控整流输出的是不不控整流输出的是不稳压的直流电压；可控整流靠控制可控硅导通时间的长短来确稳压的直流电压；可控整流靠控制可控硅导通时间的长短来确保电网电压变化时输出直流电压稳定不变保电网电压变化时输出直流电压稳定不变;工频工频变压器变压器变压变压整流整流工频工频滤波滤波直流输出直流输出电电网网控制控制电路电路传统的通信用整流器都为相控整流传统的通信用整流器都为相控整流,其电路框图为其电路框图为:所以传统的通信用整流器应为相控整流，因为当电所以传统的通信

3、用整流器应为相控整流，因为当电网电压变化时网电压变化时,要保证整流器输出要保证整流器输出48V不变。不变。传统通信用整流器已经达不到当今国内国际对整流器性能的要传统通信用整流器已经达不到当今国内国际对整流器性能的要求，所以它已开始被淘汰。新的开关整流器产生。下面讲整流求，所以它已开始被淘汰。新的开关整流器产生。下面讲整流器的基本性能指标。器的基本性能指标。整流器最基本的性能指标有整流器最基本的性能指标有: 整流器输出的直流电压按迭加原理可分解为直流成分整流器输出的直流电压按迭加原理可分解为直流成分U0（即直流平均电（即直流平均电压值）压值）和交流成分（和交流成分（电压脉动成分电压脉动成分），电

4、压脉动成分按傅立叶变换分解成各次），电压脉动成分按傅立叶变换分解成各次谐波。谐波。1.电压纹波系数电压纹波系数RF（Ripple Factor） 输出直流电压中，全部交流谐波分量有效值输出直流电压中，全部交流谐波分量有效值U（又称为纹波电压）（又称为纹波电压）与输出电压直流平均值与输出电压直流平均值U0之比。之比。vH0RF/UU2.2.电压脉动系数电压脉动系数S Sn n 整流器输出电压中，最低次谐波幅值整流器输出电压中，最低次谐波幅值U Unmnm与直流平均值与直流平均值U U0 0之比：之比：nnm0S/UU整流器的整流器的输入输入功率因数：功率因数：交流电输入整流器的有功功率交流电输入

5、整流器的有功功率P与其输入的视在与其输入的视在功率功率S之比。之比。 0L111coscosLTuidtTUIIPPFSUIUII式中式中 P有功功率有功功率(W)； S视在功率视在功率(VA)； 电网交流电压、电流的瞬时值；电网交流电压、电流的瞬时值； 电网电压有效值、电网流入整流器电流的有效值；电网电压有效值、电网流入整流器电流的有效值； TL输入工频交流的周期输入工频交流的周期(s)。 基波电压与电流的相位差。基波电压与电流的相位差。 cos -基波相移因子基波相移因子 -上式基波电流上式基波电流 与与 之比为之比为畸变因子畸变因子DF（Distortion Factor）.当输入电流与

6、电压同相位、又是只有当输入电流与电压同相位、又是只有50Hz正弦波正弦波(基波电流）时，基波电流）时， PF1，称为，称为单位功率因数单位功率因数UPF（Unit Power Factor）。）。1/II1II,U I,u i3、输入功率因数、输入功率因数PF(Power Factor) .24232221 IIIII式中式中 I1基波（基波（50Hz)电流有效值，通常为电网电流有效值，通常为电网流入整流器流入整流器电流有效值的主要成分；电流有效值的主要成分； I2、I3、I4 . - 第第2、3、4次等（理论上有无穷多次）谐波电流有效值。次等（理论上有无穷多次）谐波电流有效值。当检验电流的畸

7、变程度时，通常起重要影响的是幅值相对较大、频率相对当检验电流的畸变程度时，通常起重要影响的是幅值相对较大、频率相对较低的谐波，一般计算时取较低的谐波，一般计算时取24个频率的谐波。个频率的谐波。 通过傅立叶变换，对电网通过傅立叶变换，对电网流入整流器的畸变电流流入整流器的畸变电流进行分析可知，除进行分析可知，除基波电流外，还有各高次谐波电流基波电流外，还有各高次谐波电流4、输入电流总谐波含量、输入电流总谐波含量 THD （Total Harmonic Distortion） 除基波电流外的所有谐波电流总有效值与基波电流有效值之比除基波电流外的所有谐波电流总有效值与基波电流有效值之比。用来衡用来

8、衡量量流入整流器流入整流器电流的畸变程度，或称电流的畸变程度，或称流入流入电流总谐波畸变。该值越小越好电流总谐波畸变。该值越小越好%100.1242322IIIITHD （1）如果输入功率因数低，电能利用率降低，又要保证整流器输）如果输入功率因数低，电能利用率降低，又要保证整流器输出功率不变，那么整流器输入交流电流就要增大，出功率不变，那么整流器输入交流电流就要增大，对于电源设备来对于电源设备来说，大的电流对电子器件的要求会更高，损耗也会更大。反过来，畸变的说，大的电流对电子器件的要求会更高，损耗也会更大。反过来，畸变的电流又会污染电网，而大的电流又会污染电网，而大的电流，对于电网来说电流，对

9、于电网来说,就需要更大容量的传就需要更大容量的传输线输线 、断路器及配电变压器等供电设备（增加费用）断路器及配电变压器等供电设备（增加费用）,且同时损耗也增大且同时损耗也增大； （2）谐波电流产生电磁干扰，干扰通信、计算机、电视机、收音机等设）谐波电流产生电磁干扰，干扰通信、计算机、电视机、收音机等设备的正常运行。备的正常运行。 （3）谐波电流的）谐波电流的“二次效应二次效应”，既电流流过线路阻抗而造成的谐波压降，既电流流过线路阻抗而造成的谐波压降反过来使电网电压波形（原来是正弦波）也发生畸变，污染电网。反过来使电网电压波形（原来是正弦波）也发生畸变，污染电网。 （4）三相四线制电路中，三相的

10、三次谐波在中线中的电流同相位，合成）三相四线制电路中，三相的三次谐波在中线中的电流同相位，合成中线电流很大，可能超过相电流，中线又无保护装置，使中线因过流而导中线电流很大，可能超过相电流，中线又无保护装置，使中线因过流而导致中线过热而引起火灾并损坏电器设备。致中线过热而引起火灾并损坏电器设备。 低功率因数、高低功率因数、高THD的危害性的危害性 主要有主要有： 整流器除以上四个基本性能指标外，还有效率、重量、整流器除以上四个基本性能指标外，还有效率、重量、体积、成本等都是衡量一个整流器的重要指标。电网电压变体积、成本等都是衡量一个整流器的重要指标。电网电压变化范围有多大时，整流器的输出能稳定，

11、这也是整流器的一化范围有多大时，整流器的输出能稳定，这也是整流器的一个性能指标。个性能指标。见下表见下表 我国国家技术监督局颁布了电能质量公用电网谐波标准（GB/T 14549-93） 。 对设备国际电工学会制定IEC61000-3-2标准，传统整流器一般不符合新的规定；IEC 61000-3-2A类标准类标准 奇次谐波次数最大允许的谐波电流值（A）32.3051.1470.7790.40110.33130.21n=15 至 390.15*15/n偶次21.0840.4360.30n=8 至 400.23*8/n注：表中n为谐波次数 所以对公网和设备在国内和国际上都有对谐波的要求所以对公网和设

12、备在国内和国际上都有对谐波的要求传统的通信用整流器不满足当今整流器性能指标主要传统的通信用整流器不满足当今整流器性能指标主要有以下几点：有以下几点：1、输入功率因数低、输入功率因数低2、体积重量大、体积重量大3、电网电压变化范围大时，难满足输出稳定、电网电压变化范围大时，难满足输出稳定下面我们开始讲下面我们开始讲高频开关整流器高频开关整流器市市电电图图6-1 高频开关整流器电路框图高频开关整流器电路框图 a)无预调级无预调级 高频开关整流器常用电路的组成框图高频开关整流器常用电路的组成框图1、无预调级方案无预调级方案 主要电路是由电网侧主要电路是由电网侧不控整流不控整流电路与电路与直流变换直流

13、变换电路两部分电路两部分: 不控整流不控整流: 将工频交流输入电压直接整流将工频交流输入电压直接整流(采用二极管器件采用二极管器件)。单相不控桥式整。单相不控桥式整 流或三相不控桥式整流流或三相不控桥式整流. 直流变换直流变换: DC-DC变换器变换器,PPT第三章第三章-指隔离式指隔离式DC-DC变换器变换器. 铺助电路铺助电路:抗干扰抗干扰(EMI)滤波电路滤波电路 和和 平滑滤波器滤平滑滤波器滤抗干扰抗干扰(EMI)(EMI)滤波电路滤波电路:1、用以抑制后级高频开关变换电路运行时的高频脉动电流、用以抑制后级高频开关变换电路运行时的高频脉动电流成分对电网的干扰（称为防反灌）；成分对电网的

14、干扰（称为防反灌）；2、用以抑制电网中出现的尖峰脉冲过电压损、用以抑制电网中出现的尖峰脉冲过电压损坏开关整流器的器件坏开关整流器的器件(滤掉电压的高频干扰，既去掉输入电压波形的尖峰毛刺）；滤掉电压的高频干扰，既去掉输入电压波形的尖峰毛刺）；3、并抑制电网对整流后输出电压的尖峰脉冲电压干扰。、并抑制电网对整流后输出电压的尖峰脉冲电压干扰。平滑滤波器滤平滑滤波器滤:除去交流除去交流成分，使整流后的电压平滑，得到较高电压的不稳压的直流电压成分，使整流后的电压平滑，得到较高电压的不稳压的直流电压.直流直流输出输出高频高频逆变逆变 控制控制DC-DC变换级变换级高频高频变压变压高频高频滤波滤波高频高频整

15、流整流 抗干抗干扰滤波扰滤波 电电网侧网侧整流整流平滑平滑滤波滤波电网侧整流滤波电路电网侧整流滤波电路不控整流不控整流iiui VD1 VD2uCVD3VD4输出到输出到DC/DC变换器变换器输入侧输入侧平滑滤波器平滑滤波器滤除交流成分，得到较高电压的不稳压的直流滤除交流成分，得到较高电压的不稳压的直流电压。当电网电压变化时，电容上的电压值也会发生变化电压。当电网电压变化时，电容上的电压值也会发生变化，所以它是，所以它是不稳压的直流电压。不稳压的直流电压。（无预调级时，该电容较大）直流直流输出输出市市电电图图6-1 高频开关整流器电路框图高频开关整流器电路框图 b)有预调级有预调级2、有预调级

16、方案、有预调级方案 目前单相输入的通信用整流器基本上都有一级功率因数校正级（预调级）目前单相输入的通信用整流器基本上都有一级功率因数校正级（预调级），而三相输入的有源功率因数校正级，而三相输入的有源功率因数校正级APFC的电路复杂，应用尚不普遍。目前的电路复杂，应用尚不普遍。目前三相整流器的三相整流器的APFC在设计的复杂度方面、电路运行的可靠性方面、校正效果在设计的复杂度方面、电路运行的可靠性方面、校正效果等方面都在做进一步的研究设计开发，希望在校正电路的拓扑结构上和控制电等方面都在做进一步的研究设计开发，希望在校正电路的拓扑结构上和控制电路结构上，有所突破，从而实现简单、运行稳定的效果。路

17、结构上，有所突破，从而实现简单、运行稳定的效果。 抗干抗干扰滤扰滤波波 电电网侧网侧整流整流功率因数功率因数校正校正DC-DCDC-DC变换级变换级（同上）（同上）有源功率因数校正级有源功率因数校正级 控制控制不控整流不控整流 在方案在方案1中，增加了中，增加了有源功率因数校正级（有源功率因数校正级（APFC） 有时在不控整流后面加一个小的电容，它不改变整流后的电压波形有时在不控整流后面加一个小的电容，它不改变整流后的电压波形,只只去掉波形上的小毛刺去掉波形上的小毛刺.见下图见下图该方案该方案允许输入的交流电压有更大的变化范围允许输入的交流电压有更大的变化范围其作用其作用:用来校正输入电流波形

18、、提高用来校正输入电流波形、提高 输入功率因数和稳定本级输出电压，输入功率因数和稳定本级输出电压，又称为又称为有源功率因数校正有源功率因数校正(APFC,Active Power Factor Correction)级级VTL电流比较器电流比较器 乘法器乘法器电压比较器UrefCf+-UoVD1VD2C1PWMUdiVTut外外环环内内环环小电容小电容C1两端的电压仍然是一个正弦半波，电容只是去掉了正弦半两端的电压仍然是一个正弦半波，电容只是去掉了正弦半波上的高频毛刺。波上的高频毛刺。 高频开关整流器主电路构成举例高频开关整流器主电路构成举例 C1用来减小用来减小VT1开关工作时对电网输入高频

19、脉动电流成分既开关工作时对电网输入高频脉动电流成分既“防反灌防反灌”，实，实际电路常采用较完善的际电路常采用较完善的抗干扰滤波器抗干扰滤波器。 市电市电U1（通常为（通常为220V）直接整流成单相全波脉动直流电压）直接整流成单相全波脉动直流电压ud （注（注:用来滤除用来滤除高频脉动电压的小容量平滑滤波电容未画出）。高频脉动电压的小容量平滑滤波电容未画出）。 图中升压型为功率因数校正（预调节）电路，改善输入电流波形提高输入侧图中升压型为功率因数校正（预调节）电路，改善输入电流波形提高输入侧的功率因数，并将脉动直流电压变换升高为的功率因数，并将脉动直流电压变换升高为C2上稳定的直流电压上稳定的直

20、流电压UC2（通常约（通常约400V）供给直流变换电路。）供给直流变换电路。 图中的直流变换电路是半桥式直流变换电路。图中的直流变换电路是半桥式直流变换电路。单相高频开关整流器主电路一例单相高频开关整流器主电路一例注注:半桥直流变换中半桥直流变换中,使用了高频单相桥式整流使用了高频单相桥式整流. 高频开关整流器与传统的整流器比较高频开关整流器与传统的整流器比较问：通过分析高频开关整流器和传统的整流器的组成结构，说说高频开关整问：通过分析高频开关整流器和传统的整流器的组成结构，说说高频开关整流器与传统的整流器相比具有哪些优缺点？为什么要向高频发展流器与传统的整流器相比具有哪些优缺点？为什么要向高

21、频发展?提高开关频提高开关频率的瓶颈是什么率的瓶颈是什么?工频工频变压器变压器变压变压整流整流工频工频滤波滤波直流输出直流输出电电网网控制控制电路电路 抗干抗干扰滤扰滤波波 电电网侧网侧整流整流功率因数功率因数校正校正DC-DCDC-DC变换级变换级（同上）（同上）有源功率因数校正级有源功率因数校正级 控制控制不控整流不控整流高频开关整流器与传统的整流器相比具有以下优点高频开关整流器与传统的整流器相比具有以下优点: 1、减少了体积和重量；减少了体积和重量；(工频变压器和工频滤波器工频变压器和工频滤波器) 2、减少了散热，提高了效率；、减少了散热，提高了效率； 3、输入功率因数高；、输入功率因数

22、高； 4、有、有“有源功率因数校正有源功率因数校正”的开关整流器允许输入的交流电的开关整流器允许输入的交流电 压有更大的变化范围。压有更大的变化范围。 随着开关频率越高，体积和重量越小。随着开关频率越高，体积和重量越小。注注:大功率的传统相控整流器之所以体积和重量大是因为它的工频变压器大功率的传统相控整流器之所以体积和重量大是因为它的工频变压器和工频滤波器。高频开关整流器中高频变压器和高频滤波器代替工频变和工频滤波器。高频开关整流器中高频变压器和高频滤波器代替工频变压器和工频滤波器压器和工频滤波器,体积和重量减小体积和重量减小;另外电源体积小了另外电源体积小了,散热就少了散热就少了,使用使用的

23、散热器小的散热器小,电源体积又有进一步减小电源体积又有进一步减小.高频开关整流器高频开关整流器: 从组成结构看，与传统的整流器相比，去掉了工频变压器和工从组成结构看，与传统的整流器相比，去掉了工频变压器和工频滤波器频滤波器, 增加了高频变压器和高频滤波器。增加了高频变压器和高频滤波器。 输入输入功率因数校正的基本原理功率因数校正的基本原理 对于整流器这样的电力电子设备来说，输入功率因数在国内和国际上都是对于整流器这样的电力电子设备来说，输入功率因数在国内和国际上都是有要求的，凡是不满足要求的设备是不允许生产和使用的。如果大量不合格的有要求的，凡是不满足要求的设备是不允许生产和使用的。如果大量不

24、合格的设备接入电网使用的话，污染电网，会使供电和用电系统瘫痪。设备接入电网使用的话，污染电网，会使供电和用电系统瘫痪。高频开关整流器中不良功率因数的成因高频开关整流器中不良功率因数的成因 没有没有“有源功率因数校正有源功率因数校正”的高频开关电源中的高频开关电源中,常用大的电解电容作为平滑滤波。常用大的电解电容作为平滑滤波。iiui VD1 VD2uCVD3VD4输出到输出到DC/DC变换器变换器输入侧输入侧正因为这个做平滑滤波作用的大的电解电容，使输入交流电流波正因为这个做平滑滤波作用的大的电解电容，使输入交流电流波形发生畸变，降低了功率因数。形发生畸变，降低了功率因数。这种电路简单、易做、

25、成本低。但它的功率因数才这种电路简单、易做、成本低。但它的功率因数才0.60.8；总；总谐波含量谐波含量THD为为100%-150%。对电网造成严重污染。对电网造成严重污染。设电网的功率因数为设电网的功率因数为1在纯阻负载的情况下在纯阻负载的情况下:tuitiiudtiiui VD1 VD2uCVD3VD4udi输入功率因数为输入功率因数为1 it6-4 电容滤波整流器输入尖峰电流的形成电容滤波整流器输入尖峰电流的形成a)电容滤波整流器电路一例电容滤波整流器电路一例 b)电容滤波整流器波形电容滤波整流器波形整流桥后面加整流桥后面加大的电解电容大的电解电容作为平滑滤波作为平滑滤波iiiiui V

26、D1 VD2uCVD3VD4输出到输出到DC/DC变换器变换器输入侧输入侧tui 稳态时电容已充上接近于电网电压稳态时电容已充上接近于电网电压峰值的电压峰值的电压uC。由于大电解电容的电压。由于大电解电容的电压变化慢，交流电网电压变化慢，交流电网电压ui只有在接近于只有在接近于最大值而超过电容电压最大值而超过电容电压uC的短时间（如的短时间（如t1t2）范围内，整流桥的一对二极管）范围内，整流桥的一对二极管（VD1、VD4或或VD2、VD1）才会导通）才会导通，再次对电容充电，充电电流瞬时值的，再次对电容充电，充电电流瞬时值的峰值大。这样形成不连续的电流尖脉冲峰值大。这样形成不连续的电流尖脉冲

27、，输入电流波形发生畸变。，输入电流波形发生畸变。 i 所以要对它进行功率因数校正所以要对它进行功率因数校正iiui VD1 VD2uCVD3VD4udi功率因数校正功率因数校正分为分为无源无源功率因数校正和功率因数校正和有源有源功率因数校正功率因数校正1、无源功率因数校正：、无源功率因数校正： 在整流电路后面增加大容量的电感、电容等在整流电路后面增加大容量的电感、电容等无源元件。无源元件。缺点：缺点：电感的体积大且重，难电感的体积大且重，难以得到接近以得到接近1的功率因数的功率因数(一般可一般可提高到提高到0.80.9之间之间,谐波含量谐波含量THD仅能降到仅能降到30%左右），难以左右），难

28、以满足现行谐波标准的要求。满足现行谐波标准的要求。在整流电路和滤波电容之间串联在整流电路和滤波电容之间串联1个滤波电感。个滤波电感。优点：优点：电路简单可靠，无需进电路简单可靠，无需进行控制，成本低。行控制，成本低。电感与电容的特性能互补，电容使电流电感与电容的特性能互补，电容使电流变成窄的尖峰脉冲；电感能平滑电流波变成窄的尖峰脉冲；电感能平滑电流波形。形。 2、有源功率因数校正：、有源功率因数校正：DC-DC变换级变换级 控制控制 二极二极管整管整流流交交流流输输入入 功率功率因数因数校正校正直流直流输出输出 整流后不用电解电容平滑滤波，而直接增加一个有源功率因数校正级。整流后不用电解电容平

29、滑滤波，而直接增加一个有源功率因数校正级。功率因数校正级功率因数校正级是由高频是由高频DC/DC变换电路来实现的。变换电路来实现的。DC/DC控制器Ui直流直流变换变换器器 见图，整流器后面的见图，整流器后面的高频高频DC/DC变换电路变换电路，通过控制有源开关的通断来强，通过控制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的变化，将输入电流校正成与输入电压同相位且不失迫输入电流跟随输入电压的变化，将输入电流校正成与输入电压同相位且不失真的正弦波，使功率因数接近或达到真的正弦波，使功率因数接近或达到1。tii 功率因数校正功率因数校正电路有两个反馈控制环，一是输入电流环，使电路有两个反馈控制环，一

30、是输入电流环，使DC/DC变换器输变换器输入电流的波形与桥式整流电压的波形相同；二是输出电压环，稳压，使入电流的波形与桥式整流电压的波形相同；二是输出电压环，稳压，使DC/DC变变换器输出端为一稳定的直流电压。换器输出端为一稳定的直流电压。降压式、升压式、反相型、反激式等，其中升压型电路在目前应用最广。降压式、升压式、反相型、反激式等，其中升压型电路在目前应用最广。DC/DC控制器Ui直流直流变换变换器器功率因数校正级功率因数校正级的实现电路的实现电路tii具体实现例子具体实现例子: 输入侧的电流反馈控制内环，输入侧的电流反馈控制内环，电流检测信号经电流反馈网络电流检测信号经电流反馈网络送入乘

31、法器，输出端直流电压送入乘法器，输出端直流电压反馈至控制外环，电压检测信反馈至控制外环，电压检测信号经电压比较器放大后也送入号经电压比较器放大后也送入乘法器，最后从乘法器输出的乘法器，最后从乘法器输出的信号送入信号送入PWM比较器，从而控比较器，从而控制开关管制开关管VT的占空比。内环控的占空比。内环控制大大提高了系统瞬态响应能制大大提高了系统瞬态响应能力；外环控制使系统具有高度力；外环控制使系统具有高度的静态电压稳定性，从而展宽的静态电压稳定性，从而展宽了了AC/DC变换器输入电压的调变换器输入电压的调节范围。节范围。双环控制双环控制将电流控制与电压控制融将电流控制与电压控制融为一体为一体

32、。功率因数校正主电路，功率因数校正主电路，见图。见图。tiiVTL电流比较器电流比较器 乘法器乘法器电压比较器UrefCf+-UoVD1VD2C1PWMUdiVTut外外环环内内环环 单相桥式整流单相桥式整流 滤波电容滤波电容C1的容量小，只通过高频的容量小，只通过高频电流，滤除高频电压干扰，不影响输入电流，滤除高频电压干扰，不影响输入电流波形。电流波形。 高频有源功率因数校正（预调节）由高频有源功率因数校正（预调节）由升压型升压型(Boost)电路组成电路组成. 升压型功率因数校正电路原理升压型功率因数校正电路原理 升压电路通过电流反馈环路控制输升压电路通过电流反馈环路控制输入电流的开关周期

33、平均值跟随整流后全入电流的开关周期平均值跟随整流后全波电压波形波电压波形ud而变化；使输入电流波形而变化；使输入电流波形正弦化，并与输入电压波形同相位，实正弦化，并与输入电压波形同相位，实现输入单位功率因数现输入单位功率因数(UPF)。iL fLf VD2VD1uLfcudb C1CfUoVT1eUiEMIUdtuiudtii一、工作原理一、工作原理1.1.在在VTVT导通期间导通期间tonton（见图（见图2 2）dtdiLuLL 常常量量 LuLudtdiiLLiL直线上升，直线上升，其上升率正比于输入整流电压瞬时其上升率正比于输入整流电压瞬时值值ui2.在在VT截止期间截止期间toff

34、(见图见图3)iLLUUodtdiLU常量LUUodtdiiLi iL L直线下降直线下降, ,其其下降率正比于下降率正比于(Uoui).升压型电路原理回顾升压型电路原理回顾: 功率晶体管功率晶体管VT1开关工作于较高频率开关工作于较高频率（如（如100kHz），在），在50Hz电压波形的半个电压波形的半个周期内开关很多次周期内开关很多次(?次次).所以所以a1点的上升率较点的上升率较b1点的小，而下降点的小，而下降率较率较b1点的大，点的大，a1点导通期的点导通期的ton要大于要大于b1点的导通期点的导通期ton才能使输入电流才能使输入电流id为正为正弦波。弦波。 为作图清楚，用电感电流不连

35、续为作图清楚，用电感电流不连续(DCM)的工作状态为例来说明的工作状态为例来说明:iL fLf VD2VD1uLfcudb C1CfUoVT1etua1b1c1d1udabcd T/2t0000tttdmubeTiVT1iLfiLfidontofftua1点的电压点的电压ua1在这个开关周期里可认为在这个开关周期里可认为是一个常量。在是一个常量。在ton里里,iLf是直线上升的是直线上升的,iLf的上升率正比于的上升率正比于ua1；在；在toff期间期间,iLf是是直线下降的直线下降的,iLf的下降率正比于的下降率正比于(Uoua1)，用用PWM方式来调节开关管的脉宽方式来调节开关管的脉宽.

36、总结总结 用用PWM方式来调节方式来调节VT1的脉宽，使电流的各开关周期平均值的脉宽，使电流的各开关周期平均值所联成的波形，相似于工频电压的正弦波（绝对值）。在交流侧获所联成的波形，相似于工频电压的正弦波（绝对值）。在交流侧获得与输人电压同相位的正弦波电流，使功率因数为得与输人电压同相位的正弦波电流，使功率因数为1。iavgiLtonUgoff电感电流连续的工作电感电流连续的工作(CCM)的工的工作状态的情况见左图作状态的情况见左图.UiEMIUd功率因数校正技术分类：功率因数校正技术分类： 功率因数校正功率因数校正(PFC)分为有源功率因数校正分为有源功率因数校正(APFC)和无源功率因数校

37、正两类。和无源功率因数校正两类。1、 APFC按照主电路结构分：按照主电路结构分： 降压式、降压式、升压式、升压式、反相型、反激式等，其中升压型电路有其独特的优点，在反相型、反激式等，其中升压型电路有其独特的优点，在目前应用最广。目前应用最广。升压式：电路结构简单，实现成本低，采用简单电流型控制，升压式：电路结构简单，实现成本低，采用简单电流型控制，PF值高，总值高，总谐波失真谐波失真(THD)小，效率高，但是输出电压高于输入电压。它还具有以下优小，效率高，但是输出电压高于输入电压。它还具有以下优点：由于升压型点：由于升压型APFC的预调整作用在输出电容器上保持高电压，所以电容的预调整作用在输

38、出电容器上保持高电压，所以电容器体积小、储能大；在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因器体积小、储能大；在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数；当输入电流连续，易于数；当输入电流连续，易于EMI滤波；升压电感滤波；升压电感L能阻止快速的电压、电流能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作可靠性；电路中的电感瞬变，提高了电路工作可靠性；电路中的电感L适用于电流型控制。适用于电流型控制。优点：输入电路中的储能电感优点：输入电路中的储能电感L适用于电流型控制；适用于电流型控制； 电容器电容器C储能大、体积小储能大、体积小 输入电流连续，且在输入开关瞬间峰值电流较小，易于进行输入电流

39、连续，且在输入开关瞬间峰值电流较小，易于进行EMI滤波滤波 输入电感输入电感L能抑制快速的电路瞬变，提高了电路工作的可靠性能抑制快速的电路瞬变，提高了电路工作的可靠性 输出直流电压高于输入直流电压输出直流电压高于输入直流电压 在整个输入电压范围内能保持很高的功率因数在整个输入电压范围内能保持很高的功率因数2按输入电流的控制原理分按输入电流的控制原理分 有源有源PFC的控制按照的控制按照按输入电流的控制原理分为按输入电流的控制原理分为平均电流控制平均电流控制 、滞环电流滞环电流控制控制和和峰值电流控制峰值电流控制 (1) 平均电流控制平均电流控制 输入电流波形输入电流波形(即升压电感电流波形）见

40、图即升压电感电流波形）见图6-6。当信号超。当信号超过基准电流时，开关管关断，当其小于基准电流时，开关管导通。取样电流过基准电流时，开关管关断，当其小于基准电流时，开关管导通。取样电流来自实际输入电流而不是开关电流。由于电流环有较高的增益带宽、跟踪误来自实际输入电流而不是开关电流。由于电流环有较高的增益带宽、跟踪误差小、瞬态特性较好。差小、瞬态特性较好。THD (5%) 和和EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定、小、对噪声不敏感、开关频率固定、适用于大功率应用场合，是目前适用于大功率应用场合，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。缺点：参中应用最多的一种控制方式。缺点：参考电流与实际电流的误差

41、随着占空比的变化而变化，能够引起低次电流谐波。考电流与实际电流的误差随着占空比的变化而变化，能够引起低次电流谐波。 iavgiLtonUgoff 图图6-6 平均电流型控制的输入电流波形图平均电流型控制的输入电流波形图 (2).滞环电流控制滞环电流控制 滞环电流控制的原理是，电流基准信号和滞环宽度决定电流滞环电流控制的原理是，电流基准信号和滞环宽度决定电流上限上限imax与下限与下限imin，当电感电流上升到，当电感电流上升到imax时，功率管断开，电感电流下降到时，功率管断开，电感电流下降到imin时，功率管导通，如此反复，电感电流在滞环宽度内变化，电流波形如图时，功率管导通，如此反复，电感

42、电流在滞环宽度内变化，电流波形如图6-7所示，滞环电流控制中没有外加的调制信号，是一种简单的所示，滞环电流控制中没有外加的调制信号，是一种简单的Bangbang控制，它控制，它将电流反馈控制和将电流反馈控制和PWM调制集于一体，可获得很宽的电流频带宽度。调制集于一体，可获得很宽的电流频带宽度。 滞环电流控制的特点是：控制简单、实现容易、电流动态相应快，内在的电流滞环电流控制的特点是：控制简单、实现容易、电流动态相应快，内在的电流限流能力强，且具有很强的鲁棒性和快速动态响应能力。缺点：开关频率随占限流能力强，且具有很强的鲁棒性和快速动态响应能力。缺点：开关频率随占空比变化而变化，在一个工频周期中

43、不恒定，引起空比变化而变化，在一个工频周期中不恒定，引起EMI问题和电流过零点的死问题和电流过零点的死区，负载对开关频率的影响很大，滤波器只能按照最低频率设计，滞环宽度对区，负载对开关频率的影响很大，滤波器只能按照最低频率设计，滞环宽度对开关频率和系统性能的影响较大，需合理选取。开关频率和系统性能的影响较大，需合理选取。目前，关于滞环电流控制目前，关于滞环电流控制的改进方案研究还很活跃，的改进方案研究还很活跃，目的在于实现恒频控制。目的在于实现恒频控制。将其他控制方法与滞环电将其他控制方法与滞环电流控制相结合是流控制相结合是SPWM 电电流变换器电流控制策略的流变换器电流控制策略的发展方向之一

44、。发展方向之一。iminimaxipiLtiUgon图图6-7 滞环电流型控制的输入电流波形图滞环电流型控制的输入电流波形图(3). 峰值电流峰值电流控制控制 峰值电流控制的原理是，电流环的基准信号峰值电流控制的原理是，电流环的基准信号ip按照正弦按照正弦规律变化。开关管导通时，电感电流上升，当达到基准电流值时，开关管规律变化。开关管导通时，电感电流上升，当达到基准电流值时，开关管关断，电流下降，下一个时钟周期到来时，开关管再次导通，这样，电感关断，电流下降，下一个时钟周期到来时，开关管再次导通，这样，电感电流的峰值按照正弦规律变化，采样电流来自开关电流或电感电流，电感电流的峰值按照正弦规律变

45、化，采样电流来自开关电流或电感电流，电感电流波形如图电流波形如图6-8所示。峰值电流控制的优点是实现容易，缺点有电流峰所示。峰值电流控制的优点是实现容易，缺点有电流峰值和平均值之间存在误差，无法满足值和平均值之间存在误差，无法满足THD很小的要求；电流峰值对噪声很小的要求；电流峰值对噪声敏感；敏感； 占空比大于占空比大于 0. 5时系统产生次谐波振荡；需要在比较器输入端时系统产生次谐波振荡；需要在比较器输入端加斜坡补偿器。在加斜坡补偿器。在PFC中，这种控制方法趋于被淘汰。中，这种控制方法趋于被淘汰。ipiLtonUgoff图图6-8 峰值电流型控制的输入电流波形图峰值电流型控制的输入电流波形

46、图 4、按照带有、按照带有APFC的开关变换器的结构分：单极的开关变换器的结构分：单极PFC变换器、两变换器、两极极PFC变换器变换器5、按照开关整流器的输入电流分：单相功率因数预调级和三相功率因数预调级、按照开关整流器的输入电流分：单相功率因数预调级和三相功率因数预调级直流直流输出输出市市电电 抗抗干扰干扰滤波滤波功率因功率因数校正数校正AC-DCDC-DC变换级变换级有源功率因数校正级有源功率因数校正级控制控制a)交流输入功率因数校正交流输入功率因数校正(1)交流输入功率因数校正交流输入功率因数校正 交流输入功率因数校正交流输入功率因数校正,见图，将电网侧整流与功率因数校正见图，将电网侧整

47、流与功率因数校正DC-DC变换器相结合将高频开关半导体器件放在交流侧，形成变换器相结合将高频开关半导体器件放在交流侧，形成AC-DC功率功率因数校正变换器。因数校正变换器。 开关整流器研究和发展的方向开关整流器研究和发展的方向 1、在电路结构方面、在电路结构方面例例:三相三开关高功率因数预调级三相三开关高功率因数预调级 每相一只交流开关每相一只交流开关 各相的贮能电感各相的贮能电感La、Lb、Lc和高频开关和高频开关Sa、Sb、Sc设设在工频的交流侧。在工频的交流侧。 每相工作状态近于单相每相工作状态近于单相PFC VDapVDan组成三相桥既起到整流作用又起到升压二组成三相桥既起到整流作用又

48、起到升压二极管的作用。由于高功率因数整流器只要求输入电流与输入电压同相位，不要求输出极管的作用。由于高功率因数整流器只要求输入电流与输入电压同相位，不要求输出电容电容C01、C02的储能返回电源侧，可以用二极管隔断返回能量的路由，并使高频开的储能返回电源侧，可以用二极管隔断返回能量的路由，并使高频开关的工作状态及控制原理简化为类似于前述单相关的工作状态及控制原理简化为类似于前述单相PFC的工作状态，其区别只是工作在的工作状态，其区别只是工作在工频的交流侧工频的交流侧 L1 L2 L3Ua Ub Uc La Lb Lc VDap VDap VDap VDan VDan VDan CO1 CO2

49、R C1 C2 C3 ia ib ic Sa Sb Sc 0 0 0 0 直流输直流输出出市市电电 电电网侧网侧整流整流抗抗干扰滤干扰滤波波功率因数功率因数校正校正DC-DC 控制控制 b) 功率因数校正功率因数校正DC-DC单级变换器单级变换器(2)功率因数校正功率因数校正DC-DC单级变换器单级变换器 功率因数校正功率因数校正DC-DC单级变换器单级变换器, 见图，将功率因数校正的见图，将功率因数校正的DC-DC变换器与后级变换器与后级DC-DC变换器组合，形成单级高功率因数变换器组合，形成单级高功率因数变换器。例子见书变换器。例子见书P164图图6-30直流直流输出输出市市电电 功率因数

50、校正功率因数校正AC/DC 变换变换高频高频变压变压绝缘绝缘高频高频滤波滤波高频高频整流整流 抗抗干扰滤干扰滤波波功率因功率因数校正数校正AC-AC控制控制图为发展中的电路框图图为发展中的电路框图 c)功率因数校正功率因数校正AC-DC单级变换器单级变换器见图见图 从市电由交从市电由交-交变换器直接产生高频交流，供高频变压器绝缘、交变换器直接产生高频交流，供高频变压器绝缘、变压后，整流、滤波输出。变压后，整流、滤波输出。(3)功率因数校正功率因数校正AC-DC单级变换器单级变换器2、新型高频开关整流器的指标要求：、新型高频开关整流器的指标要求：（1）低污染）低污染要求功率因数高，大于等于要求功

51、率因数高，大于等于0.99（2）高效率）高效率 大于大于90%以上以上（3）电应力低）电应力低损耗包括：损耗包括： 稳态时的电路系统损耗稳态时的电路系统损耗（选导通饱和压降小的电子器件；功率因数（选导通饱和压降小的电子器件；功率因数 高时电流有效值小，系统损耗也小。）高时电流有效值小，系统损耗也小。） 开关过程中的开关损耗开关过程中的开关损耗（软开关技术）（软开关技术） 功率器件的功率器件的电应力电应力是开关过程中电压、电流的变化率和峰是开关过程中电压、电流的变化率和峰值，它是影响电源可靠性的主要因素。值，它是影响电源可靠性的主要因素。（4）输出电压纹波小）输出电压纹波小输出电压纹波的峰输出电

52、压纹波的峰峰值要小于峰值要小于150mv 影响主电路方案的因素影响主电路方案的因素影响大功率通信用整流器主电路方案的主要因素如下影响大功率通信用整流器主电路方案的主要因素如下：(1)输入输出电压、电流范围与半导体器件规格的配合。输入输出电压、电流范围与半导体器件规格的配合。(3)减小体积、重量和提高效率：减小损耗可减小散热器尺寸和减小体积、重量和提高效率：减小损耗可减小散热器尺寸和重量。例如：采用软开关技术，减小开关损耗、采用低导通压重量。例如：采用软开关技术，减小开关损耗、采用低导通压降的器件（如同步整流器），减小输出低电压的电源的损耗等降的器件（如同步整流器），减小输出低电压的电源的损耗等

53、。(4)减小对电网的污染减小对电网的污染 提出整流器要有高的输入功率因数，小提出整流器要有高的输入功率因数，小的倒灌（设备影响电网的）杂音电压。为此许多电路设置了高的倒灌（设备影响电网的）杂音电压。为此许多电路设置了高频开关工作的功率因数校正电路。频开关工作的功率因数校正电路。(2)电路的可靠性，工作范围的适应性。电路的可靠性，工作范围的适应性。 大功率高频开关整流器系统简介大功率高频开关整流器系统简介通信局站直流系统成套产品，以通信局站直流系统成套产品，以DUM14大功率智能高频开关电源为例大功率智能高频开关电源为例，见图，见图1-2：由（：由（12架）交流配电屏、（架）交流配电屏、（110

54、架）高频开关电源和架）高频开关电源和（13架）直流配电屏数组成。架）直流配电屏数组成。监控模块监控模块DK04DPJ19系列系列交流配电屏交流配电屏1-2架架DUM14系列系列高频开关电高频开关电源源1-10架架蓄电池蓄电池1-4组组DPZ26系列系列直流配电屏直流配电屏1-3架架RS232RS485本地监控本地监控远程集中监控远程集中监控直流输出直流输出交流输入交流输入大功率高频开关电源（整流器）系统简介大功率高频开关电源（整流器）系统简介(1)机柜机柜: 又称机架，简称架。高又称机架，简称架。高2+0.11m，宽，宽0.6m或或0.8m，深，深0.6m。 (2)高频开关电源：按输出电流大小

55、可选高频开关电源：按输出电流大小可选110架，每架可装架，每架可装10台台（容许少装）（容许少装）DMA10-48/100型型(48V100A)高频开关整流模块，高频开关整流模块，每架输出电流可达每架输出电流可达1000A。按需要可多架并联使用，见图。按需要可多架并联使用，见图1-3，最多最多10架并联，最大输出架并联，最大输出10000A。机柜上部有交流配电模块，。机柜上部有交流配电模块，各交流分路设有三相断路器（有短路保护和灭弧能力强的三相开各交流分路设有三相断路器（有短路保护和灭弧能力强的三相开关），分别操作各整流模块的输入是否给电。关），分别操作各整流模块的输入是否给电。(3)监控模块

56、：一个直流系统只需一台监控模块：一个直流系统只需一台DK04监控模块，全面监控整个直监控模块，全面监控整个直流系统，最多可监控流系统，最多可监控100台整流模块。安装在台整流模块。安装在1架的整流器模块架的整流器模块1的上的上面。通过面。通过RS232或或RS485接口实现远程集中（微机）监控。接口实现远程集中（微机）监控。大功率高频开关电源（整流器）系统简介大功率高频开关电源（整流器）系统简介(4)交流配电屏：按交流电流大小可选交流配电屏：按交流电流大小可选12架，每架电流架，每架电流400A或或630A（两种规格）。两路三相（两种规格）。两路三相380V50Hz交流输入（到每架），一交流输

57、入（到每架），一用一备（市电或油机发电机组备用）。三相五线制（三根相线、中用一备（市电或油机发电机组备用）。三相五线制（三根相线、中线及地线），见用图线及地线），见用图1-3（左上角）（左上角）“从交流配电屏来从交流配电屏来”的馈线上的的馈线上的五条短斜线所表示，由自动开关自动切换，也可人工切换。具有防五条短斜线所表示，由自动开关自动切换，也可人工切换。具有防雷、事故照明、电压电流数字显示（有模拟量信号接口送往雷、事故照明、电压电流数字显示（有模拟量信号接口送往DK04监监控模块）。控模块）。(5)直流配电屏：按直流输出电流可选直流配电屏：按直流输出电流可选13架。每架额定输入电流架。每架额定

58、输入电流2200A或或3300A(两种规格两种规格)，每架可接两组蓄电池，蓄电池的充电电，每架可接两组蓄电池，蓄电池的充电电流按输出电流的流按输出电流的4050计，每架额定输出电流为计，每架额定输出电流为1600A或或2500A。超过此电流容量时，可用。超过此电流容量时，可用2架并联运行。总负荷电流与每组蓄电池架并联运行。总负荷电流与每组蓄电池电流用霍尔电流传感器进行测量并送往电流用霍尔电流传感器进行测量并送往DK04监控单元显示。有故障监控单元显示。有故障声光告警。声光告警。大功率高频开关电源（整流器）系统简介大功率高频开关电源（整流器）系统简介到直流配电屏到直流配电屏四芯数据四芯数据通信线

59、通信线从交流配从交流配电屏来电屏来直流输出直流输出直流输出直流输出直流输出直流输出整流器机架整流器机架1整流器机架整流器机架2整流器机架整流器机架N整流器模块整流器模块1整流器模块整流器模块2整流器模块整流器模块3整流器模块整流器模块4整流器模块整流器模块5整流器模块整流器模块6整流器模块整流器模块7整流器模块整流器模块8整流器模块整流器模块9交流配电模块交流配电模块整流器模块整流器模块10整流器模块整流器模块1整流器模块整流器模块2整流器模块整流器模块3整流器模块整流器模块4整流器模块整流器模块5整流器模块整流器模块6整流器模块整流器模块7整流器模块整流器模块8整流器模块整流器模块9交流配电

60、模块交流配电模块整流器模块整流器模块10DK04监控模块监控模块整流器模块整流器模块1整流器模块整流器模块2整流器模块整流器模块3整流器模块整流器模块4整流器模块整流器模块5整流器模块整流器模块6整流器模块整流器模块7整流器模块整流器模块8整流器模块整流器模块9交流配电模块交流配电模块整流器模块整流器模块10 通信用开关型整流器技术要求通信用开关型整流器技术要求 1输出直流电压可调节范围输出直流电压可调节范围 浮充工作方式时调节范围浮充工作方式时调节范围 43.256.2V。 均衡均衡工作方式时调节范围上限工作方式时调节范围上限 576V。电压可调。电压可调。 2输入电压变化范围输入电压变化范