《交流直流转换器》课件

交流直流转换器简介将交流电能转换为直流电能的电子设备现代电子设备的核心组件课程目标与大纲1掌握基本原理了解整流、滤波、稳压过程2分析典型电路单相、三相整流电路及其特性3了解先进技术PFC、软开关、谐振转换等把握应用与发展交流和直流的基本概念交流电(AC)周期性变化的电流和电压方向和大小随时间变化主要用于输电系统直流电(DC)方向恒定的电流电压相对稳定电子设备内部使用为什么需要交流直流转换电网输送交流电远距离传输损耗小电子设备需要直流电芯片、传感器等需要稳定直流不同电压等级需求不同组件需要不同电压交流直流转换器的应用领域消费电子手机、电脑适配器工业控制自动化设备电源交通系统电动车充电桩医疗设备精密仪器供电交流直流转换器的基本工作原理整流将交流转换为脉动直流滤波减小电压波动稳压保持输出电压恒定整流器的定义和作用单向导通元件利用二极管单向导通特性变换电流方向将交流电变为单向电流形成脉动直流输出为脉动的直流电单相半波整流电路基本组成一个二极管和负载电阻工作过程仅导通交流电的正半周优缺点结构简单，但利用率低单相半波整流电路的波形分析输入波形正弦交流电压导通状态正半周导通，负半周截止3输出波形只有正半周的脉动直流单相全波整流电路中心抽头变压器提供两个反相交流电压两个二极管分别导通两个半周负载电阻消耗转换后的电能单相全波整流电路的波形分析100%电压利用率交流电的全周期都被利用2×脉动频率是电网频率的两倍0V最低电压理想情况下不会出现零电压桥式整流电路四个二极管形成闭环电路双向导通正负半周都有电流通过无需中心抽头普通变压器即可使用桥式整流电路的优势三相整流电路简介工业应用大功率设备供电输出平滑脉动小于单相整流2高效率能量转换效率高复杂性电路结构相对复杂三相半波整流电路三相全波整流电路输出波形脉动系数小，平滑度高实物设备工业级整流装置热分布工作时的热量分布情况整流电路的比较与选择类型电压利用率脉动系数适用场合单相半波低高小功率简单场合单相全波中中中小功率设备桥式整流高中通用电子设备三相整流高低大功率工业设备滤波电路的作用平滑电压减小整流后的电压脉动储能释能在周期间储存和释放能量抑制噪声减小高频干扰和噪声电容滤波原理利用电容充放电特性电路并联大容量电容效果有效降低电压纹波电感滤波无滤波电感滤波LC滤波电路组成电感和电容组合形成低通滤波网络工作原理电感阻碍电流变化电容吸收电压波动优势滤波效果优于单一元件适用于高功率场合滤波电路的设计考虑因素纹波系数要求负载对电压平滑度的要求负载电流大小影响元件选择和参数计算空间和成本电感体积大，电容相对经济频率响应不同频率干扰的处理能力稳压电路的必要性输入波动电网电压不稳定负载变化设备工作状态改变温度影响元件参数随温度变化稳定输出电子设备需要精确电压线性稳压器1串联调整管控制通过的电流大小2基准电压源提供稳定参考电压3误差放大器比较并调整输出电压开关稳压器开关元件高频开关转换能量储能元件电感或变压器储存能量反馈控制调整开关占空比线性稳压器与开关稳压器的比较线性稳压器优点：噪声低响应快结构简单缺点：效率低发热大开关稳压器优点：效率高体积小发热少缺点：电磁干扰大设计复杂功率因数校正（PFC）的概念功率因数定义有功功率与视在功率之比非线性负载问题产生谐波电流污染电网校正目的提高电能利用效率无源PFC技术有源PFC技术输入整流将交流转为脉动直流开关调制控制电流跟随电压波形输出滤波平滑直流输出反馈控制实时调整工作状态PFC的重要性和效果交流直流转换器的效率考虑导通损耗电流通过器件产生的热量开关损耗开关瞬间的能量损失磁芯损耗变压器和电感中的能量损失寄生损耗器件的等效电阻引起的损耗损耗分析与热管理热仿真预测热点分布散热设计散热器与风扇配置导热材料提高热传导效率软开关技术简介硬开关问题电压电流同时存在造成大损耗软开关概念在零电压或零电流下切换主要优势降低开关损耗和电磁干扰零电压开关（ZVS）0V开关电压在电压降为零时开启开关↓80%损耗降低显著减少开关损耗↑5MHz开关频率可实现更高开关频率零电流开关（ZCS）导通过程在电流为零时关断开关辅助谐振通过谐振使电流降为零关断损耗几乎完全消除谐振转换器基础1谐振原理利用LC谐振实现软开关2谐振网络串联、并联或串并联谐振回路3工作频率通过调整频率控制输出4主要优势高效率、低噪声、高功率密度LLC谐振转换器谐振网络两个电感和一个电容变压器漏感作为谐振电感工作特点宽负载范围内保持高效率自然实现ZVS和ZCS应用场合服务器电源电视电源电动车充电器多电平转换器概述1高压应用分担电压应力2谐波更少输出波形接近正弦3更高效率减少开关损耗数字控制在交流直流转换中的应用精确控制实现复杂控制算法自适应调节根据工作状态自动调整参数通信功能支持远程监控和数据采集软件升级不改变硬件即可更新功能PWM控制原理PWM信号参考电流模式控制电流检测监测开关电流比较器与参考值比较时钟触发开关周期开始开关动作电流达到阈值时关断电压模式控制电压检测监测输出电压误差放大与参考电压比较产生误差信号PWM比较误差信号与三角波比较驱动信号生成开关控制信号控制环路设计基础稳定性相位裕度和增益裕度瞬态响应负载变化时的调整速度稳态精度输出电压的精确度抗干扰能力对外部噪声的抑制电磁干扰（EMI）问题传导干扰通过导线传播影响连接设备辐射干扰通过空间传播影响周围设备干扰源高频开关动作电流急剧变化寄生振荡EMI抑制技术EMI滤波器阻断高频噪声传播屏蔽技术金属外壳隔离辐射PCB布局优化布线减少环路面积缓冲电路减缓电压电流变化率交流直流转换器的可靠性设计过压保护设计检测电路监测输出电压触发阈值超过安全值触发保护动作关断输出或吸收能量过流保护设计电流检测采样电阻测量电流值阈值比较与预设限值对比响应方式限流或关断输出温度保护设计85°C预警温度降低输出功率100°C关断温度完全停止工作75°C恢复温度冷却后自动重启交流直流转换器的小型化趋势体积(cm³)功率密度(W/cm³)宽禁带半导体器件在转换器中的应用传统硅器件禁带宽度小开关速度慢温度特性一般宽禁带器件禁带宽度大高温稳定性好击穿电场强度高开关损耗低SiC和GaN器件的特点特性硅(Si)碳化硅(SiC)氮化镓(GaN)禁带宽度1.1eV3.2eV3.4eV击穿场强0.3MV/cm3MV/cm3.3MV/cm热导率1.5W/cmK4.9W/cmK1.3W/cmK开关特性一般优秀极佳高频转换技术频率提升从100kHz到MHz级别体积减小磁性元件尺寸显著缩小响应更快控制环路带宽提高设计挑战寄生参数影响更严重电力电子集成技术三维封装多层结构减小体积嵌入式技术将元件嵌入PCB内部系统级封装多功能集成一体化智能电网中的交流直流转换电网互联实现不同电网间能量传输能量存储连接电池储能系统电能质量改善电网电能质量可再生能源接入光伏、风能并网转换新能源发电系统中的交流直流转换并网逆变输出符合电网标准电能最大功率跟踪优化能源获取效率储能接口连接电池储能系统电动汽车充电系统中的交流直流转换350kW大功率快速充电站输出功率920V高电压适应高压电池系统15分钟充电时间实现80%电量快充数据中心电源系统中的交流直流转换高效率需求降低能源