現(xiàn)代電源技術(shù)A

1、1,現(xiàn)代電源技術(shù),教程,2,參考教材： 開關(guān)電源 實用技術(shù) 設(shè)計與應(yīng)用 周志敏 周紀海 編著 人民郵電出版社 新型智能開關(guān)電源技術(shù) 劉賢興 李眾 李捷輝 編著 機械出版社,3,教程的目的與要求： 現(xiàn)代電源技術(shù)是一門涉及眾多學(xué)科的的復(fù)雜技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域很廣，是電力電子從業(yè)人員必修的一門課程 修完該課程應(yīng)達到以下基本要求 1，了解電源技術(shù)的現(xiàn)狀，發(fā)展，及研究熱點 2，熟悉電源關(guān)鍵器件特性類型及應(yīng)用 3，掌握電源各種先進技術(shù) 4，學(xué)會簡易電源的設(shè)計方法，安裝及調(diào)試技能 5，學(xué)會計算機軟件仿真，分析方法 成績評定： 總成績理論分實踐分（包含平時分） 課程內(nèi)容安排,4,第一章 現(xiàn)代電源技術(shù)概述 11 電源

2、技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 1-1-1 功率半導(dǎo)體技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 1-1-2 電源技術(shù)的新進展 12 電源的構(gòu)成及特點 1-2-1 現(xiàn)代電源的構(gòu)成原理及特點 1-2-2 開關(guān)電源的分類 1-3 電源主要參數(shù)分析 第二章 電源中的電力電子器件與基礎(chǔ)電路 21 電力電子器件 22 基礎(chǔ)電路 2-2-1 EMI濾波電路 2-2-2 整流與濾波電路 2-2-3 功率變換電路 2-2-4 控制與驅(qū)動電路 2-2-5 保護電路,5,第三章 現(xiàn)代電源領(lǐng)域新技術(shù) 31 PFC技術(shù) 32 同步整流技術(shù) 33 軟開關(guān)技術(shù) 34 高頻磁技術(shù) 35 均流技術(shù) 36 DC/DC變換技術(shù) 第四章 電源中的電子變壓器 41 變壓器

3、的設(shè)計與計算 42 變壓器的典型應(yīng)用 第五章 開關(guān)電源電磁兼容性所涉及的內(nèi)容 51 EMI產(chǎn)生的形式 52 EMS的測量 53 雷電產(chǎn)生的EMP 54 ESD的性能指標 第六章 開關(guān)電源的設(shè)計與應(yīng)用,6,第一章 現(xiàn)代電源技術(shù)概述 11 現(xiàn)代電源技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 現(xiàn)狀：溶入先進的電路技術(shù)PFC技術(shù)，同步整流技術(shù) ， 軟開關(guān)技術(shù) 高頻磁技術(shù)，均流技術(shù)，DC/DC技術(shù) 先進的半導(dǎo)體技術(shù)PIC器件，模塊器件 PWM/MOSFET復(fù)合IC功率開關(guān) 智能模塊 IPM 如：TOPSwitch系列 仙童1M系列 ST的VIPer 系列 三星公司KA系列 水平： 效率高達93 穩(wěn)壓精度 0。5 功率因數(shù) 單相

4、0。970。999 噪聲電壓寬頻噪聲，衡重噪聲 發(fā)展方向：高效率，小型化，集成化，智能化高可靠性,7,1-1-1 功率半導(dǎo)體技術(shù)新進展 功率開關(guān)器件發(fā)展階段 50年代 60年代 70年代 80年代 90年代 可控硅 SCR 快速晶閘管 可關(guān)斷晶閘管GTO 1 高壓GTO 大容量大功率高性能 （晶閘管） 2 IGCT 省吸收與IGBT結(jié)合 3 MCT 優(yōu)勢互補 （MOS晶閘管） 電力晶體管GTR 1 IGBT 1 高速IGBT 2 功率MOSFET 2低電荷功率 MOSFET 水平： SCR -8000A/12KV 光控SCR-4000A/8KV 快速SCR-800A/2KV /20KHZ GT

5、R-800A/1800V/2KHZ ,600A/1400V/5KHZ ,3A/600V100KHZ 功率MOSFET-60V/200A/2MHZ 500V/50A/100KHZ IGBT 1，UIGBT-滿足低電壓驅(qū)動和表面,8,功率二極管的發(fā)展 PIN功率二極管 SBD肖特基勢壘功率二極管 耐高壓，大電流， 極高的開關(guān)頻率 低泄漏電流低導(dǎo)通損耗 開關(guān)頻率不高 不適于高電壓大電流的應(yīng)用 POWER-IC 器件的發(fā)展 PWM/MOSFET 二合一IC 集功率開關(guān)，控制電路，保護電路與一體， 性價比較高。 TOPS wich系列二合一功率IC TOP220, TOP230, TOP250, 仙童公

6、司 5L系列 0380 1M系列 0880 廣泛應(yīng)用于小家電，通訊設(shè)備等 IGBT功率模塊 復(fù)合功率模塊PIM 智能功率模塊IPM 電力模塊IPEM 電力電子模塊PEEB 水平 12001800A 600A 1800-3300V 2000V,9,1-1-2 電源領(lǐng)域技術(shù)新進展功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù) PFC的概念起源于1980年 ，重視和推廣在80年代末，主要制定了IEC555-2，IEC1000-3-2 使得研究 PFC術(shù)研究成為 電源界熱點 現(xiàn)在關(guān)注：一是二級PFC技術(shù)，二是單級PFC技術(shù) 同步整流技術(shù)同步整流的概念：當(dāng)輸出為低電壓大電流時整流損耗成為功率變換器主要損耗所以提出采用低導(dǎo)通

7、電阻的MOSFET進行整流。同步整流是通過控制MOSFET的驅(qū)動電路來利用功率MOSFET實現(xiàn)整流功能的技術(shù) 發(fā)展：同步整流技術(shù)出現(xiàn)得較早，但早期的技術(shù)很難轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品，這是由于當(dāng)時驅(qū)動技術(shù)不成熟，可靠性不高。經(jīng)過幾年的發(fā)展，同步整流技術(shù)已經(jīng)成熟。由于開發(fā)成本的原因，目前只在技術(shù)含量較高的開關(guān)電源模塊中得到應(yīng)用。優(yōu)勢：同步整流技術(shù)提高了電源效率，它同時給 電源模塊帶來了許多新的進步。同步整流技術(shù)符合高效節(jié)能的要求，適應(yīng)新一代芯片電壓的要求，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。但目前只有較少的公司掌握了該項技術(shù)，并且實現(xiàn)的成本也很高，而且還有很多應(yīng)用領(lǐng)域未得到開拓。隨著用于同步整流的MOSFET批量投入市場，

8、專用驅(qū)動芯片的出現(xiàn)，以及控制技術(shù)的不斷完善，同步整流技術(shù)將成為一種主流電源技術(shù)，逐步應(yīng)用于廣泛的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。,10,軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)的概念：是利用電容于電感諧振使得開關(guān)器件中電流（電壓）按正弦或準正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流過另時，器件關(guān)斷；當(dāng)電壓過另時，器件開通，實現(xiàn)開關(guān)損耗為另軟開關(guān)技術(shù)：可分為1，PFM 2, PWM 3 , PS方式發(fā)展動態(tài)：自20世紀80年代中期起，采用PWM控制技術(shù)的高功率密度DC/DC變換器模塊走進了世界市場。如今，已廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域中。1997年，在已經(jīng)行了將近30年的世界范圍的軟開關(guān)基礎(chǔ)理論研究之后，美國Vicor開關(guān)電源公司最先推出了VI300系列軟開關(guān)高密

9、度DC/DC產(chǎn)品。第二代產(chǎn)品是以Vicor公司有專利權(quán)的零電流開關(guān)（ZCS）和零電壓開關(guān)（ZVS）軟開關(guān)控制技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合了控制集成、封裝、鐵氧體、噪音和散熱技術(shù)等方面的最新成果，產(chǎn)品達到了與理想功率器件極為接近的境地。第二代產(chǎn)品與第一代產(chǎn)品相比，功率密度增加了兩倍，即為120W/in3。第二代產(chǎn)品的出現(xiàn)預(yù)示著它們將是DC/DC變換器未來的主流產(chǎn)品。DC/DC技術(shù) 研究熱點：低電壓大電流高功率DC/DC變換技術(shù)，已從前些年的3。3 V降至現(xiàn)在的1。1V左右，電流目前已可達幾十安至幾百安。同時，電源的輸出指標，如紋波，精度，效率，欠沖，過沖等技術(shù)指標也得到進一步提高。使得這一分支的研究在當(dāng)今乃

10、至今后一段時間多將成為電源的研究熱點。,11,高頻磁技術(shù)： 電力電子高頻磁技術(shù)是將電力電子技術(shù)與磁技術(shù)結(jié)合起來高頻磁技術(shù) 是電力電子技術(shù)中的重要內(nèi)容。功率磁元件是所有電源中必不可少的關(guān)鍵器件。它擔(dān)負著磁能傳遞，儲存以及濾波功能。其體積和重量一般占到電路20 30 10年內(nèi)重點發(fā)展：高頻低功耗高磁導(dǎo)率材料和片式化的表面貼裝軟磁 材料在非晶軟磁金金屬和磁記錄材料方面，發(fā)展納米材料 70年代初20KHZ電子變壓器取代了工頻變壓器使得變壓器體積減小6080重量減輕75 ，目前開關(guān)頻率已從20KHZ提高到10MHZ,12,12 電源的構(gòu)成與分類 1 開關(guān)電源的基本構(gòu)成 開關(guān)電源的基本電路如圖21所示 輸

11、入回路 功率變換器 Vi 濾波 整流及濾波 功率開關(guān) 高頻變壓器 整流 濾波 V 0 AC/DC DC/DC PWM控制器 輸入回路將交流輸入電壓整流成為較平滑的直流高壓 功率變換器將直流高壓變換為頻率大于20KHZ的高頻脈沖電壓 整流及濾波電路將高頻脈沖電壓轉(zhuǎn)換穩(wěn)定的直流輸出電壓 PWM控制器將輸出直流電壓進行取樣控制功率器件的驅(qū)動脈沖寬度，從而調(diào)整開通 時 間以使輸出電壓可調(diào)且穩(wěn)定。 2 開關(guān)電源的特點 （1）重量輕，體積小 采用高頻技術(shù)，去掉了工頻變壓器，在同等的輸出功率下，體積。重量可縮減10/1 （2）功率因數(shù)高 經(jīng)PFC的開關(guān)電源功率因數(shù)一般都在0。93以上而且不受負載的變 化 影

12、響 （3）可聽噪聲低 在線性電源中，工頻變壓器及濾波電感產(chǎn)生噪聲大于60分貝，而開 關(guān)電源僅為45分貝左右。 （4）效率高 帶PFC的開關(guān)電源整機效率可達88，較好的可達91以上。,13,(5)沖擊電流小 開機沖擊電流可限制在額定輸入電流水平 3 開關(guān)電源的分類 開關(guān)電源按電流種類的入出可分為AC/DC, DC/DC兩大類 DC/DC類開關(guān)電源 DC/DC類開關(guān)電源是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流載波器 按工作方式：一是脈寬調(diào)制方式T不變改變調(diào)制頻率t；二是頻率調(diào)制方式t不變，改變T 具體電路有以下幾類： 1 Buck電路稱為降壓載波器，U0小于Ud,，極性入出相同 2 Bo

13、st電路稱為升壓載波器，U0大于Ud ， 極性入出相同 3 Buck-Bost降壓或升壓載波器 U0大于或小于U d極性入出相反，電感傳輸 4 Cuck 電路 降壓或升壓載波器 U0大于或小于U d極性入出相反，電容傳輸 AC/DC 變換器 AC/DC變換器是將交流變換為直流，電路結(jié)構(gòu)形式有多種 1按驅(qū)動方式分，有自勵式和他勵式； 2按工作方式分，有單端正激和反激，推挽式，半橋式，全橋式，降壓式，升壓式和升降壓 式等， 3 按電路組成分 ，有諧振型和非諧振； 4按控制方式分，有PWM式，PFM式，PWM與PFM混合式； 5按電源是否隔離和反饋控制信號耦合方式分，有隔離式非隔離式和變壓器耦合式，

14、光電耦合式,14,13 開關(guān)電源幾個主要技術(shù)參數(shù)分析 1 輸出電壓精度 2 電壓調(diào)整率 3 負載調(diào)整率 4 輸出紋波與噪音 5 溫度系數(shù) 6 效率 7 功率因數(shù) 8 功率密度,15,第二章 電源中的電力電子器件與基礎(chǔ)電路 21 電力電子器件 1,功率MOSFET 功率MOSFET是以金屬層的柵極隔著氧化層，利用電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管 功率MOSFET按導(dǎo)電溝道可以為P溝道和N溝道；按柵極電壓幅度可以分成 耗盡型（當(dāng)柵極電壓為零時漏，源極之間就存在導(dǎo)電溝道）和增強型（對于 N(P)溝道器件，柵極電壓大于或小于零時才存在導(dǎo)電溝道，功率MOSFET 主要是N溝道增強型。 功率MOSFE

15、T的結(jié)構(gòu) 功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號如圖21所示 功率MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu),又稱為VMOSFET 工作原理 截止 導(dǎo)通,16,功率MOSFET的基本特性 靜態(tài)特性： 轉(zhuǎn)移特性：漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。 ID較大時， ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。 輸出特性：截止區(qū)對應(yīng)于GTR的截止區(qū)；飽和區(qū)對應(yīng)于GTR的放大區(qū)；非飽和區(qū)對應(yīng)于GTR的飽和區(qū)。MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。 動態(tài)特性：開通延遲時間td（on）指Up前沿時刻到US等于UT并開始出現(xiàn)ID的時刻間的時間段。上升時間t

16、r指UGS從UT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段。 ID穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。UGSP的大小和ID的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)，UGS達到UGSP后，在UP作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但ID已不變。開通時間ton指開通延遲時間與上升時間之和。關(guān)斷延遲時間td(off)指Up下降到零起，Cin通過RS和RG放電，UGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，ID開始減小為零的時間段。下降時間tf指UGS從UGSP繼續(xù)下降起，ID減小，到UGSUT時溝道消失，ID下降到零位置的時間段。關(guān)斷時間toff指關(guān)斷延遲時間和下降時間之和。 開關(guān)速度：MOFSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很

17、大關(guān)系。使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻R0，減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。,17,絕緣柵雙級晶體管IGBT IGBT的結(jié)構(gòu):在N溝道MOSFET的漏極N層上又附加上一層P層的PNPN+的四層結(jié)構(gòu)。IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結(jié)構(gòu)，是一個有MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管，Roff為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 工作原理：N溝道IGBT通過在柵極發(fā)射極間加閥值電壓UTH以上的（正）電壓，在柵極電極正下方的P層上形成反型層（溝道），開始從發(fā)射極電極下的N層注入電子。 基本特性: 靜態(tài)特性:轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系，與MSOSFET的轉(zhuǎn)

18、移特性類似。 動態(tài)特性:開通過程與MOSFET相似，因為開通過程中IGBT在大部分時間內(nèi)作為MOSFET運行。,18,22 基礎(chǔ)電路 2-2-1 EMI濾波電路 開關(guān)電源設(shè)計應(yīng)考慮抑制干擾，而濾波是一種抑制干擾有效方法，不僅可以抑制傳輸線上 傳導(dǎo)干擾，同時對輻射發(fā)射也具有顯著抑制效果，圖2-2-1是開關(guān)電源輸入級常用一種EMI 濾波器 電路分析：圖22是對共模噪聲和差模噪聲都有效的濾波器電路。其中，L1、L2、C1為抑制差模噪聲回路，L3、C2、C3構(gòu)成抑制共模噪聲回路。L1、L2的鐵芯應(yīng)選擇不易磁飽和的材料及MF特性優(yōu)良的鐵芯材料。C1使用陶瓷電容或聚酯薄膜電容，應(yīng)有足夠的耐壓值，其容量一般

19、取0.220.47uF。L3為共模電感，對共模噪聲具有較高的阻抗、較好的抑制效果。,19,2-2-2 整流與濾波電路 開關(guān)整流器是電源系統(tǒng)中最重要的部分，包括全橋式整流、全波整流、半波整流、恒功率整流、普通限流整流和倍流整流等。 全橋式整流：由一個二極管組成一個橋式整流電路，V00.9Vi。 全波整流：由兩個二極管組成一個全波整流電路，V00.9Vi。 半波整流：由一個二極管組成半波整流電路。 恒功率整流：突出特點是在規(guī)定的交流輸入電壓和直流輸出電壓范圍內(nèi)均能給出額定功率。 普通限流整流：其輸出特性可分為兩類，即恒流和恒壓特性。在恒流普通限流型整流器中，其輸出電流保持不變；在恒壓普通限流型整流

20、器中，其輸出電壓保持不變。 倍流整流：由一個沒有中心抽頭的高頻變壓器次級繞組、兩個電感量相等而且同繞在一個磁芯上的電感器、兩個整流二極管和輸出電容器組成。其最突出的特點是高頻變壓器次級繞組沒有中心抽頭，而且流過變壓器線圈和濾波電感器的電流只是輸出負載電流的一半。,20,2-2-3 功率變換電路 在高頻開關(guān)電源功率轉(zhuǎn)換電路中，單斷變換器(正激、反激式)與雙端變換器（推挽式、半橋、全橋式）的本質(zhì)區(qū)別，在于其高頻變壓器的磁芯只工作在第一象限，即處于磁滯回線一邊。 按變壓器的副邊開關(guān)整流二極管的不同接線方式，單斷變換器有兩種類型： a.單端正激式變換電路 b.單端反激式變換電路 2.2.3.1單端反激

21、式變換電路 1.基本工作原理（下圖） ton時，Q1通，E+加在原邊Lp兩端，ip線形增加，儲能；副邊Ls電壓上正下負，D1反偏截止。 toff時， Q1截止， ip降為，原邊Lp兩端電壓極性反向，副邊Ls電壓隨著變?yōu)樯县撓抡?D1正向?qū)?。此后，儲存在變壓器中的磁能向負載傳遞釋放電能。 當(dāng)單斷反激式變換器在原邊開關(guān)管導(dǎo)通時儲存能量，開關(guān)管截止時才向負載釋放能量，故高頻變壓器既起到變壓隔離作用，又是電感儲能元件。因此，又稱單端反激式變換器為“電感儲能式變換器”。 2.電路特點 a. 由于原邊、副邊的電感量為常數(shù)，使原邊和副邊電流按線形規(guī)律升降，其電流工作狀態(tài)有三種：非連續(xù)態(tài)、臨界態(tài)及連續(xù)狀態(tài)

22、； b一般用在小功率場合 c利用率不高 注意設(shè)計原則：必須使高頻變壓器磁芯的磁通復(fù)位。即：必須讓高壓開關(guān)管在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通和截止期間，加在高頻變壓器原邊繞組上的伏秒數(shù)相等。,21,單端反激式變換器簡圖,22,2-2-3 功率變換電路 2.2.3.3推挽式功率變換電路（34） 1.基本工作原理 VT1、VT2中交替導(dǎo)通時，W1和W2有相應(yīng)的電流流過，變換器二次側(cè)將有功率輸出。 2.電路特點 a由于功率開關(guān)器件的發(fā)射極共地，無須隔離基極驅(qū)動電路，簡化 b兩個功率開關(guān)器件輪流導(dǎo)通可獲得較大的功率輸出； c功率開關(guān)的耐壓值應(yīng)當(dāng)大于2Vin 2.2.3.4全橋式功率變換電路 1.基本工作原理 變壓器連

23、接在四橋臂中間，相對的兩對功率開關(guān)器件VT1-VT4和VT2-VT3交替導(dǎo)通或截止，使變壓器的二次側(cè)有功率輸出。 當(dāng)功率開關(guān)器件VT1-VT4導(dǎo)通時， VT2-VT3則截止，這時， VT2-VT3兩端承受的電壓為輸入電壓Vin，在功率開關(guān)器件關(guān)斷過程中產(chǎn)生的尖峰電壓被二極管VD1VD4鉗位于輸入電壓Vin。 2.電路特點 1）全橋式功率開關(guān)器件的耐壓值只要大于Vinmax即可 2）使用鉗位二極管VD1VD4，有利于提高電源效率； 3）電路使用了四個功率開關(guān)器件，四組驅(qū)動電路需要隔離。 應(yīng)用：主要應(yīng)用于大功率變換電路中，由于驅(qū)動電路復(fù)雜且均需隔離，因此在電路設(shè)計和工藝結(jié)構(gòu)布局中要有足夠的考慮。,23,推挽功率變換電路,24,全橋功率變換電路,25,2-2-3 功率變換電路 2.2.3.5半橋式功率變換電路 1.基本工作原理 與全橋功率變換電路相比，兩個功率器件改為兩個容量相等的電容代替。C1和C2的主要作用是實現(xiàn)靜態(tài)時的分壓，使 Va= Vin/2。