934529974第1章 开关电源概论(ppt).ppt

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1、开关电源技术Switched-Mode Power Supply Technology,三峡大学电气与新能源学院蒋冰华,课程的性质、目的与任务,开关电源技术是电气信息类专业方向的一门任选课。本课程要求学生学习DC/DC高频开关电源工作原理与工程设计方法。内容包括PWM变换器和软开关PWM变换器的电路拓扑、原理、控制及动态分析等；功率M0SFET、IGBT、MCT等功率半导体器件的特性与应用；集成控制电路；磁元件特性与设计计算方法；开关电源中有源功率因数校正，同步整流与并联均流等技术。,前言第1章 绪论 第2章 PWM开关电路拓扑 第3章 软开关技术 第4章 开关电源控制系统的原理 第5章 常用

2、电力电子器件 第6章 无源器件 第7章 功率电路的设计 第8章 控制电路的设计 第9章 功率因数校正技术 第10章 开关电源的电磁兼容 第11章 开关电源设计实例,主要教学内容：,主要教学要求：,了解电力电子元器件在高频开关工作状态下工作特性，掌握其在实际应用中的注意要点和选择原则。熟悉DC/DC变换器的拓扑结构，掌握不同形式变换器电路的应用特点和范围。了解、掌握开关元器件（包括电容、电感、变压器等）的选择方法。了解掌握常见吸收回路和热损耗设计技术，熟悉电磁噪声常见的抑制方法。了解开关电源实际电路的设计路线，了解其设计技能。,考核方式：考试，成绩评定：平时成绩：30%；课程结束卷面成绩（70%

3、）。使用教材：裴文庆 杨旭 王兆安编著.机械工业出版社 2010 参 考 书：1 侯振义等编著直流开关电源技术及应用:电子工业出版社,20062 张占松，蔡宣三编开关电源的原理与设计，北京电子工业出版社，19993 林渭勋:现代电力电子电路,浙江大学出版社,20024 林辉:电力电子技术,武汉理工大学出版社,20025 赵良炳：现代电力电子技术基础，清华大学出版社，19956 赵效敏编开关电源的设计与应用，上海上海科学普及出版社，1995,概述,电源产品属性与分类传统直流电源电路的组成电能变换型式现代电源技术构成电力电子变换新技术及其在电源中的应用开关稳压电路的特点和分类串联开关型稳压电路并联

4、开关型稳压电路集成式脉冲调制开关稳压器电路,1 电源产品属性与分类,电源产品属性 实际需要:供变电:AC/DC、DC/AC、DC/DC、AC、脉冲 备用电:UPS、EPS、直流储能系统 电力品质改善:无功补偿、谐波滤波、交流稳压 电力驱动系统：机车电源 综合能源利用:风能、太阳能、海洋能 产品性能要素 实用性能：功能、环境、技术性能/价格比 可靠性能：使用寿命、可维护性 安全性能：,电源产品属性与分类,电源产品属性与分类,我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于化学电源。在充电电池材料方面，美国研制人员发现锰的一种碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放电时间长，多次充电后仍

5、保持性能良好的环保型充电电池。,化学电源,电能变换型式,交流直流：整流器直流交流：逆变器交流交流：变频器直流直流：高低电压等级变换、V/I及I/V变换电能变换涉及到的若干问题：效率、体积重量、可靠性、干扰、性能、安全性、成本,现代电源技术构成,基础技术:电力电子技术、微电子、自动控制、电磁理论及材料、热工技术、电磁兼容实用技术：参数稳压、线性反馈调节、磁放大器、相控、变频、PWM、SPWM、矢量控制、软开关、均流、电测前沿技术：逆变器软开关技术、三相PFC、谐波滤波、动态电压调节及无功补偿、高效电能储能系统、电池智能管理、DSP优化控制策略。,电力电子变换新技术及其在电源中的应用,软开关技术：

6、矢量控制技术谐波/基波检测、瞬时无功测量交流无绳动态均流电池能量在线测试谐振型、多电平逆变器DSP及高性能微处理器实时控制算法程序,稳压电源的工作原理,稳压电源：通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。1)、线性稳压电源：指起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的直流稳压电源。2)、开关稳压电源：简称开关电源(Switching Power Supply)，指起电压调整功能的器件始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。,直流电源电路的基本功能是将交流电转变为单方向的直流电的转换电路。从结构来看，有四个部分组成，分别是降压电路、整流电路、滤波电路和稳压电路。,传统直流电源电路的组成,各电路部分功能：

7、降压电路：将电网电压降为所需要的交流电压，主要器件是降压变压器。整流电路：将交流电变化为单方向脉动的直流电，主要利用二极管的单向导电性实现。稳压电路：避免电源输出电压随电网电压、负载以及电路工作的环境温度的变化而变化；维持输出电压的稳定。滤波电路：去掉整流电路输出的直流电中的纹波，得到比较平滑的直流电，主要利用贮能元件电容、电感实现。,线性稳压电源：优点：优良的纹波及动态响应特性；缺点：（1）输入采用50Hz工频变压器，体积庞大；（2）电压调整器件工作在线性放大区内,损耗大,效率低；（3）过载能力差。,线性稳压电源方框图,线性稳压电源的工作原理,开关电源定义及主要特点,开关型稳压电源就是采用功

8、率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性电源来说纹波较大（一般1%VO(P-P)，好的可做到十几mV(P-P)或更小)。它的功率可自几瓦几千瓦均有产品。,开关电源主要特点,如果间接直流变流电路输入端的直流电源是由交流电网整流得来，所构成的交直交直电路，通常被称为开关电源。由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，体积和重量都远小于相控整流电源。工作频率的提高有利于控制性能的提高。,开关稳压电路的特点,当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零，在开关管截止时，其集电极电流为零，所以其功耗小

9、，效率可高达70%95%。功耗小，散热器也随之减小，开关型稳压电源直接对电网电压进行整流滤波调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器；,开关稳压电路的特点,开关型稳压电源开关工作频率在几十至几百千赫，滤波电容器、电感器数值较小，具有重量轻，体积小等特点。由于功耗小，机内温升低，带来了整机的稳定性和可靠性提高。对电网的适应能力也有较大的提高。如一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V+10%，而开关型稳压电源在电网电压从110V-260V范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。,开关型稳压电源的分类：按调整管与负载的连接方式可分为串联型和并联型。按稳压的控制方式可分为脉冲宽度调制型（PW

10、M）、脉冲频率调制型（PFM）和混合调制（即脉宽-频率调制）型。按调整管是否参与振荡可分为自激式和他激式。按使用开关管的类型可分为晶体管、VMOS管和晶闸管型。,开关稳压电路的分类,变压器式开关电源。变压器式开关电源还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。,开关稳压电路的分类,变压器开关电源的最大优点：可以同时输出多组不同数值的电压。改变输出电压和输出电流很容易，只需改变变压器的匝数比和漆包线截面积的大小即可；另外，变压器初、次级互相隔离，不需共用同一个地。因此，变

11、压器开关电源也有人把它称为离线式开关电源。,串联开关型稳压电路调整管与负载串联，输出电压总是小于输入电压，故称为降压型稳压电路。(1).换能电路的基本原理输入电压UI是未经稳压的直流电压；晶体管T为调整管，即开关管；电压uB为矩形波，控制开关管的工作状态；L和电容C组成滤波电路，D为续流二极管。,串联开关型稳压电路,串联开关型稳压电路,当uB为高电平时，T饱和导通，D因承受反偏电压而截止，电感L存储能量，电容C充电；发射极电位uE=UI-UCESUI。当uB为低电平时，T截止，此时虽然发射极电流为零，但是L释放能量，其感生电动势使D导通，与此同时C放电，负载电流方向不变，uE=-UD0。,串联

12、开关型稳压电源的结构框图如图。包括调整管及其开关驱动电路（电压比较器）、取样电路（电阻R1和R2）、三角波发生电路、基准电压电路、比较放大电路、滤波电路（电感L、电容C和续流二极管D）等。,经分析推导可得输入电压与输入电压的关系为：,改变占空比q，即可改变输出电压的大小。,(2).串联开关型稳压电路的组成,在换能电路中，如果电感L数值太小，在Ton期间储能不足，那么在Toff还未结束时，能量已经放尽，将导致输出电压为零，出现台阶，这是不允许的。,(3).串联开关型稳压电路工作原理,并联型开关电源的工作原理,采用集成PWM电路的开关电源,集成脉宽调制器(PWM)电路将基准电压源、三角波电压发生器

13、、比较器等集成到一块芯片上，制成各种封装的集成电路，特点是：能使电路简化、使用方便、工作可靠、性能提高。采用PWM的开关电源，既可以降压，又可以升压，既可以把市电直接转换成需要的直流电压（ACDC变换），还可以用于使用电池供电的便携设备(DCDC变换)。,采用MAX668的PWM电路,MAX668 buck-boost dc-dc升压降压DCDC,MAX,MAX668/MAX6691.8V to 28V Input,PWM Step-UpControllers in MAX,The MAX668/MAX669 constant-frequency,Pulse-width modulating(

14、PWM),current-mode DC-DC controllers are designed for a wide range of DC-DC conversion applications including step-up,SEPIC,flyback,and isolated output configurations.,单片开关电源OP202Y设计的高精度开关稳压电源,采用CW3524集成控制器组成的脉宽调制式串联型开关稳压电源实用电路如图所示，该稳压电源输出电压U0=5V，输出电流I0=1A。,例 集成式脉冲调制开关稳压器电路,+,-,CW3524 芯片共有16只引脚，各引脚功能

15、如图所示。P15、P8分别接输入电压U i的正、负端；P12、P11和P14、P13为驱动开关调整管基极的开关信号的两个输出端（即脉宽调制式电压比较器输出信号UO2）；,(1)CW3524 集成控制器,基准电压源,两个输出端可单独使用，亦可并联使用。连接时一端接开关调整管基极，另一端接P8脚（即地）；P1、P2分别为比较放大器A1的反相和同相输入端；P16为基准电压源输出端；P6、P7分别为三角波振荡器外接振荡元件RT和CT的联结端，P9为与防止自激的相位校正元件R4和C4的联接端。,开关调整管U1、U2均为PNP型硅功率管，U1选3CD15，U2选3CG14；U3为续流二极管；L和C组成型滤

16、波电路，L=0.9mH,C=470F；R1和R2组成采样分压器电路；R3和R4是基准电压源的分压电路；R5为限流电阻，R6 为过载保护取样电阻。RT一般在1.8k-100k之间选取，CT一般在0.1F-1000F之间选取。控制器的最高频率为300kHz，工作时一般取在100kHz以下。,(2)外电路,电路中开关调整管采用的是PNP型管，因此比较放大器的反相输入端和同相输入端的输入信号与框图虚框中所示的应该对调；另外，Uo2高电平脉宽变宽时，PNP型管导通时间反而变短，分析时应予以注意。,（1）CW3524 内部的基准电压源UR=5V，由P16脚引出，通过R3和R4（都是5k）分压，以0.5UR

17、=2.5V加在比较放大器的反相输入端（P1脚）；输出电压Uo通过R1和R2（都是 5k）分压，以0.5Uo=2.5V加在比较放大器的同相输入端（P2脚），此时，比较放大器因 U+=U-，其输出Uo1=0。调整管在集成控制器作用下，开关稳压电路输入电压Ui=28V时，输出电压为稳定值5V。当输出电压因输入电压（电网波动引起）或负载变化引起变动时，若UoUo1为正，Uo2高电平脉宽变宽（P12输出高电平脉宽变宽）开关调整管（PNP）导通时间变短（to）Uo，Uo维持不变。,工作原理及稳压过程,在触发脉冲作用下，U1处于开关状态，当U1基极电压为正时饱和导通，Ui对L1进行充电，充电电流为I1，此时

18、L1储存能量；当U1基极为负时，U1截止，储存在变压器初级线圈中的能量通过次级线圈L2及二极管U2向电容C充电，产生输出直流电压。当输入的交流电源电压波动或负载电流发生变化，引起输出电压Uo变化时，通过取样比较电路组成的控制电路去改变开关调整管的导通与截止时间，使输出电压得以稳定。开关管的导通时间to增大时，输出电压升高；反之，导通时间to减小时，输出电压就降低。当由于某种原因使输出电压升高时，通过取样比较电路使U1提前截止，引起toUo，使输出电压保持稳定。,稳压工作过程,小功率稳压电源一般采用串联反馈式稳压方式，功率要求较高的则采用开关稳压电路。串联反馈式稳压电路调整管工作于线性放大区，开

19、关稳压电路的功率管则工作在开关状态，利用开关管的导通和截止时间转换去控制和稳定主出电压；相对于串联反馈式稳压电路而言，开关电源的效率高、体积小、重量轻越来越应用广泛。,稳压电源小结,50Hz单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压经EMI防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波，然后再将滤波后的直流电压经变换电路变换为数十或数百kHz的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压(或升压)后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。通过取样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。,高频开关电源原理框图,高频开关电源的工作原理,开关电源原理

20、框图,开关管占空比定义为：D=Ton/Ts；其中Ts为开关管的开关周期,Ton为一个周期内导通用时间。两种改变占空比的控制方式：1）脉冲宽度调制控制(PWM)2）脉冲频率调制控制(PFM),PWM控制方式,1）脉冲宽度控制：保持开关频率(开关周期Ts)不变，通过改变Ton来改变占空比 D，从而达到改变输出电压的目的。,如果占空比D越大，则经滤波 后的输出电压也就越高。,保持导通时间Ton不变，通过改变开关频率(即开关周期)而达到改变占空比的目的。工作频率不固定，造成滤波器设计困难。,2）脉冲频率控制：,开关电源的应用,直流操作电源电路原理图,主电路采用半桥变换电路，额定输出直流电压为220V，

21、输出电流为10A。,各功能块的具体电路简介：,(1)交流进线滤波器,交流进线EMI滤波器,作用：防止开关电源产生的噪声进入电网，或者防止电网的噪声进入开关电源内部，干扰开关电源的正常工作。该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。,各功能块的具体电路简介：,(1)交流进线滤波器,交流进线EMI滤波器,电路结构：Cc1、Lc和Cc2构成的低通滤波器用来抑制共模干扰信号，其中Lc称为共模电感，其两组线圈匝数相等，但绕向相反，对差模信号的阻抗为零，而对共模信号产生很大的阻抗。Cd1、Ld和Cd2构成的低通滤波器则用来抑制差模干扰信号。,(2)启动浪涌电流抑制电路 对小功率电源：在整流桥的直流侧和滤波电容

22、之间串联具有负温度系数的热敏电阻。对大功率电路：将上述热敏电阻换成普通电阻，同时在电阻的两端并接晶闸管开关。,启动浪涌电流抑制电路,限流电阻,启动浪涌电流抑制电路,(3)输出整流电路小功率电源通常采用半波整流电路，而对于大功率电源则采用全波或桥式整流电路。,输出整流电路,全波整流,(4)PWM控制器(电路)（SG3525）该开关电源采用双环控制方式，电压环为外环控制，电流环为内环控制。输出电压的反馈信号UOF与电压给定信号UOG相减，其误差信号经PI调节器后形成输出电感的电流给定，再与电感电流的反馈信号IOF相减得电流误差信号，经PI调节器后送入PWM控制器SG3525，然后与控制器内部三角波

23、比较形成PWM信号。该PWM信号再通过驱动电路去驱动主电路IGBT。,开关电源的应用,PWM控制器SG3525引脚说明,SG3525的内部结构,脚：误差放大器反相输入端；脚：误差放大器同相输入端；脚：同步信号输入端，同步脉冲的频率应比振荡器频率fS要低一些；脚：振荡器输出；脚：振荡器外接定时电阻RT端，RT值为2k150k；脚：振荡器外接电容CT端，振荡器频率为fS 1/CT(0.7RT+3R0);其中R0为脚与脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间，定时电容范围为0.001F0.1F；脚：振荡器放电端，外接电阻来控制死区时间，电阻范围为0500；脚：软起动端，外接软起动电容，该电容由内部Uref

24、的50A恒流源充电。脚：误差放大器的输出端；脚：PWM信号封锁端，该脚为高电平时，输出驱动脉冲信号被封锁,用于故障保护；脚：A路驱动信号输出；脚：接地;脚：输出级集电极电压；脚：B路驱动信号输出；脚：电源，其范围因为8V35V；脚：内部+5V基准电压输出。,(5)IGBT驱动电路该驱动模块为混合集成电路，将IGBT的驱动和过流保护集于一体，能驱动电压为600V和1200V系列电流容量不大于400A IGBT。,IGBT驱动电路,开关电源优点：（1）功耗小、效率高。（2）体积小、重量轻。（3）稳压范围宽。（4）电路形式灵活多样。开关电源缺点：存在开关噪声干扰。,开关电源技术最新发展动向开关电源低

25、功耗化技术 开关电源低噪声化技术 开关电源小型化技术,台湾明纬集团公司(MEAN WELL)开关电源产品,D-120B1.全球适用AC输入电源2.效率高，工作温度低3.软启动电路,有效降低AC输入冲击4.体积小,重量轻5.100%满负荷烧机测试6.内装EMI滤波器,纹波极小7.105度输出电容器8.短路,过载,过电压保护1.直流输出电压:5V,24V2.额定输出电流:6A,4A3.输出电流范围:2-10A,0.4-4A4.直流输出功率:126W5.效率:80%6.输入电压范围:88-132VAC由开关选择47-63Hz;248-370VDC7.输入电流:2.5A/115V,1.25A/230V8.外形尺寸:199*110*50mm,作业1,1.1 线性稳压电源的电路构成、工作原理、优缺点。1.2 开关稳压电源的电路构成、工作原理、优缺点。1.3 开关稳压电源的主要技术指标,