电力电子技术PPT课件第8章

1、第8章典型电力电子设备，8.1开关电源8.2 UPS无供电中断电源8.3有源功率因数校正器，8.1开关电源，8.1.1开关电源的基本工作原理1线性稳压电源的工作原理及其特点稳压电源，通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。 电子技术课程介绍的直流稳压电源一般为线性稳压电源，其特点是具有电压调解功能的解老虎钳始终在线性放大区运行，其原理分块图如图8-1所示，由50Hz工频变压器、整流器、滤波器和串联稳压器组成。 图8-1的线性稳压电源是商用交流电源经过电压互感器的降压、整流、滤波而成为稳定的直流的基本工作原理。 图8-1的剩馀部分是进行电压调整，实现稳定作用作用的控制部分。 在负载被连接到电源之后，

2、采样电路获取输出电压，并将该输出电压与基准电压进行比较。 如果输出电压小于基准电压，则用放大电路放大误差值，送到调节器的输入端，用调节器进行调整，使输出电压增加到与基准值相等为止.如果输出电压在基准电压以上，则用调节器使输出减少. 该稳压电源具有优良的波纹度和动力响应特性，但云同步存在以下缺点： (1)输入采用50 Hz工频变压器，体积庞大。 (2)电压调整元件(图8-1所示的晶体管)在线性放大区域中动作，损失大、效率低。 (3)过载能力差。2开关稳压电源的基本动作原理开关稳压电源被称为开关电源，在该电源下，开始电压调整后，实现稳定作用控制功能的老虎钳通常以开关方式动作。 图8-2显示了投入产

3、出隔离开关电源的原理分块图。图8-2的开关电源的基本分块图，其主电路的工作原理是，50 Hz单相交流220 V电压或三相交流220 V/380 V电压首先用EMI电磁干扰防止的电源滤波器(该滤波器主要是对电源的间谐波进行滤波)、直接整流滤波器(在商用电压互感器下不降压， 电子滤波器主要是对整流后的次低频波动间谐波进行滤波)，得到直流电压，然后将该直流电压用电路变换变换为数十或数百千赫的射频波方波或准方波电压，用高频变压器绝缘并降压(或升压)后经过射频波整流、电子滤波器，最后输出直流电压。 控制电路的工作原理是，在电源与负载连接后，由采样电路取得其输出电压，在将该电压与基准电压进行比较之后，放大

4、其误差值，控制驱动电路，控制逆变器的电力开关管的工作比，使输出电压上升(或降低)，得到稳定的输出电压在三开关稳压电源的控制原理开关电源中，电路变换发挥了主要的稳定作用调整作用，这是通过调整电力开关管的工作比来实现的。 假定开关管理器的开关周期为t，一个周期内为导通时间为ton，则工作比定义为Dtont。 开关电源中，作为改变工作比的控制方式，有调光控制模块(PWM )和脉冲调频(PWF )。 在脉冲宽度控制中，不改变开关频率(开关周期t )，通过改变ton来改变工作比d，改变输出电压的目的即d越大，滤波后的输出电压也越大另外，在图8-3 PWM控制方式、频率控制方式中，接通时间ton不变化，成

5、为通过改变频率(即开关周期t )而改变工作比的控制方式。 由于频率控制方式的工作频率发生变化，后续的电路滤波器的设计变得困难，所以现在大多数开关电源采用PWM控制。 四开关稳压电源的特征开关稳压电源具有以下优点： (1)电功耗小，效率高。 开关管的开关元件在通断的开关状态下交替动作，开关速度快，电力损失小，电源效率大幅度提高，达到9095。 (2)小型轻量。开关电源效率高、损耗小，所以如果使用可以省去大体积散热器、发挥隔离作用的高频变压器来代替工频变压器的话，可以使体积大幅度减小、减轻重量，因为开关频率高，所以输出滤波器容量的容量和体积也可以大幅度减小。 (3)稳定作用范围广。 开关电源的输出

6、电压通过工作比进行调整，输入电压的变化可以通过工作比的大小进行补偿。 如这样，即使在商用频率的电力网的电压变化较大时，也能够保证稳定的输出电压。 (4)电路形式灵活多样。 设计者发挥各种类型电路的特点，可以设计能够适应各种用途的开关电源。 开关电源的缺点主要是开关噪声的干扰作用。 在开关电源中，开关解老虎钳在开关状态下工作，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他零配件产生间谍噪声和谐振噪声，如果不采取一定的措施，就会严重影响整个装置的正常工作。 另外，这些个的干扰还导致商业频率的电力网，并且电力网附近的其它电子设备、设备、家电设备受到干扰。 因此，在设计开关电源时，必须采取合理的措施来抑制其自

7、身产生的噪声。 介绍了8.1.2绝缘式射频波电路变换在开关稳压电源的主电路中，调频电路变换是核心部分，其电路形式多种多样，投入产出绝缘开关电源常用的几种射频波电路变换的结构和工作原理。 所谓1正激励式电路变换(Forward )正激励式电路变换，不仅是开关电源的逆变器起到调整输出电压使其稳定的作用，还意味着作为震荡器产生一定周期t的方形波，后续电路的脉冲变压器也起到震荡器的作用。 图8 a示出该电路的配置示例。 商用交流电源中，通过电源滤波器、整流滤波器而变换为该图所示的直流电压Ui的V1是功率开关管，绝缘栅双极晶体管的IGBT多(在其基础的驱动电路图中未图示)。 TR是由高频变压器l和C1组

8、成的LC滤波器； 二极管VD1输出半波整流元件，VD2输出续流二极管RL输出负载电阻Uo稳定的直流电压。 若控制电路使V1导通，则电压互感器原、副边都有电压输出，由于电压方向与图示的基准方向一致，所以二极管VD1导通、VD2截止，在此时电源经由电压互感器耦合向负载传递能量，在负载得到电压，并存储平滑电感量l。 当控制电路断开V1时，电压互感器原料、副边输出电压为零。 此时，当电压互感器的原边缘的V1导通时所累积的能量经由线圈N3和二极管VD3而返回到电源。 由于电压互感器的副边的输出电压为零，所以二极管VD1关断，电感量l由二极管VD2进行回流，向负载释放能量，通过电容器C1的滤波作用，在负载

9、中得到的电压不变，其输出电压在式中，k是电压互感器的变压比，d是方形波的工作比，N1、N2是电压互感器原，副如从上式可以理解的，仅由电源电压Ui和工作比d确定输出电压Uo。 图8-4正励磁电路变换(a )的电路图(b )开关管的驱动波形(c) VF波形、双半桥电路变换半桥电路变换也被称为图8-5(a )所示的半桥变频电路。 商用交流电源通过电源滤波器、整流滤波器，被变换为图所示的直流电压Ui的V1、V2是功率开关管的IGBT即TR为射频波变压器，l、C3构成LC电子滤波器，二极管VD3、VD4构成全波整流元件。 图8-5半桥电路变换及波形(a )电路(b )波形、半桥电路变换的工作原理：两个输

10、入电容器C1、C2的电容相同，a点的电压UA是输入电压Ui的一半，有UC1UC2 Ui2。 开关管V1和V2的驱动信号分别为ug1和ug2，从控制电路产生如图8-5(b )所示的相互反相的两个PWM信号。 当ug1为高电平时，ug2为低电平，V1为导通，V2为截止。 电容器C1的两端的电压经由VD1被施加至高频变压器的初级侧，此时，在v1v2均截止时，uV1Ui2的初级侧绕组的电压为零，即uV10。在ug2为高电平的期间，V2导通、V1截止，当电容器C2的两端的电压被施加到射频波变压器的初级侧时，uV1 -Ui2。 其波形示于图8-5(b )。 可知在1个开关周期t内，电压互感器上的电压分别为

11、正、负、零值这一点与正励磁电路变换不同。 为了防止开关管V1、V2导通而导致电源短路，驱动信号ug1、ug2之间必须保持一定的死区时间，即两者在云同步处为零的时间。 在uV1Ui2的情况下，与变压器的副边连接的二极管VD3导通、VD4截止，整流输出电压的方向与图示的Uo方向相同在开关管V1和V2被关断的云同步时，电压互感器的副边电压为零，但此时电感量l释放能量，且在电容器C3的作用下，输出电压保持恒定。 半桥电路变换的特征在于，在1个切换周期t内，在前半周期流过高频变压器的电流和在后半周期流过的电流的大小相等，方向相反，因此，电压互感器的核心在磁滞回线BH的两端动作，核心被用于一盏茶。 一个开

12、关管接通时，处于断开状态的另一个开关管所接受的电压与输入电压相等，在开关管从接通变为断开的瞬间，泄漏电感量的间谍电压被二极管VD1或VD2钳位，因此开关管所接受的电压绝对超过输入电压二极管VD1和VD2也用作回流二极管，并且施加至高频变压器的电压仅仅是输入电压的一半。 为了得到与后述的全桥电路变换相同的输出电力，开关管中必须流过2倍的电流，所以半桥电路通过降压扩散来实现大输出。 另外，驱动信号ug1和ug2需要相互隔离的PWM信号。 半桥电路变换适用于数百瓦到数千瓦的开关电源。 3全桥电路变换将半桥电路的2个电解电容器C1和C2更换为另2个开关管，与对应的驱动电路组合，即可构成图8-6所示的全

13、桥电路。 此外，在图8-6全桥电路变换中，驱动信号ug1与ug4相同，ug2与ug3相同，并且ug1、ug4与ug2、ug3反相。 其动作原理为，在ug1和ug4为高电平、ug2和ug3为低电平时，开关管V1和V4接通，V2和V3断开，电源电压经由V1和V4施加于高频变压器的1次侧，此时，电压互感器的1次侧电压成为uV1Ui。 在ug1和ug4为低电平、ug2和ug3为高电平时，开关管V2和V3导通，V1、V4截止，电压互感器的原边电压为uV1-Ui。 与半桥电路相比，初级绕组的电压增加了2倍，但各开关管的耐压仍为输入电压。 在图8-6中，与电压互感器的副边连接的二极管VD5、VD6是整流二极

14、管，实现了全波整流。 电感器l、电容器c构成LC电子滤波器，实现整流输出电压的滤波。 在开关管V1、V2、V3、V4的集电极和发射极之间反向连接有钳位二极管VD1、VD2、VD3、VD4，由于这些个的钳位二极管的作用，在开关管从导通变为截止时， 使电压互感器的一次磁化电流的能量和泄漏电感量存储引起的间谍时钟电压的最高值不超过电源电压Ui，并且将磁化电流的能量种子文件回电源，可以提高整体的效率。 全桥电路变换适用于数百瓦到数千瓦的开关电源。 除上述电路变换外，常用的隔离型射频波电路还有回扫强制类型转换电路、云推送拉强制类型转换电路、双正向强制类型转换电路。8.1.3开关电源的应用、图8-7直流操

15、作电源电路(a )主电路、图8-7直流工作电源电路(b )控制电路、单交流进线EMI滤波器电磁干扰作用EMI是英语电子电路的简称。 为了防止开关电源产生的噪声进入电力网或电力网噪声进入开关电源内部，必须对开关电源的输入端应用EMI滤波器，以妨碍开关电源的正常工作。 该滤波器也被称为电源滤波器，从电源投入产出中去除射频波噪声(150 kHz30 MHz )。图8-8展示可将共模和差动模式干扰作用信号抑制为云同步的通用高性能EMI滤波器。图8-8交流进线EMI滤波器，该图的a、n间为电源的相电压，g为电源的接地线。 由Cc1、Cc2和Lc构成的低通滤镜被用于抑制共模噪声信号。 共模噪声信号通常是与

16、电源电压并行且同极性的噪声信号。 由于电源噪声信号的频率远高于商用频率的50 Hz，所以经由电容器Cc1和Cc2去除噪声。 其中Lc为核心电感量，具有体积比普通电感量小、电感量值大的特点，在该电路中称为共模电感量，其两组线圈的匝数相等，卷绕方向相反。 共模噪声信号的极性相同，在Lc中产生大的阻抗，并且可抑制共模信号进入后续的整流电路。 极性相反，对于与电源串联的差动模式的噪声信号，如果Lc产生的阻抗为零，则以Cd1、Ld组成的低通滤镜抑制噪声信号。 当启动2个浪涌抑制电路并接通电源时，平滑电容器C1和C2被充电，接通电源的瞬间的电容器相当于短路，因此产生大的浪涌电流，其大小依赖于启动时的交流电

17、压的相位和输入滤波器的阻抗。 抑制启动浪涌电流的最简单方法是在整流桥的直流侧和平滑电容器之间串联连接具有负温度系数的热敏电阻。 起动时的电阻在低温状态下，显示出很大的电阻，可以抑制起动电流。 启动后，电阻温度上升，电阻值下降，保证电源效率高。 启动后电阻变小，但电阻在电源工作中有一定损耗，电源效率降低，因此该方法只适用于小功率电源。 在大功率电路中，在将上述热敏电阻更换为通常的电阻的同时，在电阻的两端并联晶体闸流管，在电源启动时断开晶体闸流管，通过电阻限制启动浪涌电流。 平滑电容器的充电过程完成后，启动晶体闸流管使其导通，可以达到减少短路电阻损失的目的，限制启动浪涌电流。 3输出控制电路控制电

18、路是开关电源的核心，且确定所述开关电源的动稳定性。 该开关电源如图8-9所示，采用双闭环控制方式。 电压环通过外圈控制，发挥着稳定输出电压的作用。 电流环是内圈控制，起到稳定输出电流的作用。 交流电源经过电源滤波、整流再滤波，得到电压的给定信号UOG，输出电压经过采样电路，得到反种子文件电压UOF。 UOF将UOF与经由种子文件背电路提供到的端子的信号UOG进行比较，以形成使用PI调节器调节的误差信号的提供信号IOG。 在将IOG与感应电流的环回信号IOF进行比较，其误差信号在由PI调节器(比例积分调节器)调整之后，被传送到PWM控制支重轮SG3525，与控制支重轮内部的三角波进行比较，生成PWM信号，该信号由驱动电路驱动电路变换的IGBT。 另外，图8-9的直流开关电源操纵系统的原理分块图为，在输出电压因各种原因而在规定的电压中没有变化的情况下，即种子文件回电压UOF小于规定的电压UOG的情况下，调压器放大误差而使输出电压上升，即增大电感量电流的规定IOG。 预定感应电流的增加实现了增加电