《直流电源交流》PPT课件.ppt
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1、直流电源知识交流,2007.7,内容简介,直流电源概述基础知识相控稳压电源高频开关电源电力直流系统电力专用逆变电源及UPS,概述,直流稳压电源广泛地应用于通信、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防等领域,作为电子设备的能源供给者,处于非常重要的地位。直流电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程。线性电源和相控电源存在效率低、体积大、1+1冗余投资大等不足之处。远远不能满足目前的电力工程发展需要,而以体积小、重量轻、效率高、输出纹波极低、动态响应快、控制精度高、模块可叠加输出、N+1冗余等为特点的高频开关电源正成为电源的主体,并向着高频小型化、高效率、高可靠性的方向发展。
2、,整流电路一、单相半波整流电路,基础知识,由于整流二极管具有单向导电特性,因此,当u2为正半周时,A端电位高于B端电位,整流二极管VD正偏导通(忽略二极管正向导通压降);而当u2为负半周时,B端的电位高于A端,整流二极管VD反偏截止,因而在u2的一个周期内,负载电阻RL的电压波形如图b所示。由于流过负载的电流和加在负载两端的电压只有半个周期的正弦波,故称半波整流。,输出平均电压:,b波形图,二、单相桥式整流电路,输出平均电压:,三、三相桥式整流电路,u,2,u,d1,u,d2,u,2L,u,d,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,a,u,c,u,
3、b,w,t,1,O,w,t,O,w,t,输出平均电压:,常用元器件主要有电阻、电容、电感、二极管、三极管、MOS管、IGBT、可控硅、高频变压器等。,开关电源主要使用元器件,相控型稳压电源,在由变压器和二极管组成的整流电路中,当输入交流电压确定时,直流输出电压也确定,如果需要改变直流输出电压,可以采用由晶闸管组成的可控整流电路。这种靠改变晶闸管的导通来控制整流器输出电压的,这种类型的电源称为相位控制型电源,简称相控电源。,相控型稳压电源,单相半波可控整流电路,直流输出电压平均值为:,相控型稳压电源,单相桥式全控控整流电路,直流输出电压平均值为:,相控型稳压电源,三相桥式全控控整流电路,直流输出
4、电压平均值为:,相控型稳压电源,通过反馈控制电路,控制触发角 的大小,可以实现输出电压控制相控电源工作在工频状态,频率低,所以变压器体积大,动态响应慢,电压纹波大,效率低,高频开关稳压电源,相对于线性稳压电源而言,开关稳压电源指电压调整功能的器件以开关方式进行工作的一种直流稳压电源。主要指利用高频开关功率器件并通过交换技术而制成的高频开关稳压电源,简称开关电源(Switching Power Supplies,缩写SPS)。因开关电源的功率变换器件工作在高频状态,从而大大减小了变压器的体积,电源具有体积小、重量轻,动态响应快、电压纹波小的优点。已经逐步取代相控电源,成为电源的主选。开关电源按控
5、制方式划分,大致可分为脉宽调制(PWM)开关电源,脉频(PFM)调制开关电源,混合调制(脉宽和脉频同时改变)开关电源等。当开关频率较低时,脉频调制(PFM)方式需要较大的隔离变压器和输入输出滤波器,为此,开关工作频率要足够高。全球范围内,脉宽调制(PWM)方式得到最广泛的应用。,高频开关稳压电源,高频开关电源基本原理,高频开关稳压电源,EMI滤波电路 EMI滤波电路,用来减小电网干扰对开关电源的影响,同时抑制电源模块产生的干扰噪声进入电网,影响其他电气设备运行。对于电源主要考虑传导噪声,主要采用滤波技术。滤波器有电阻滤波器、电感滤波器、电容滤波器以及放电器等。,电源输入,负载输出,简单滤波器示
6、意图,高频开关稳压电源,全桥整流电路 全桥整流电路将输入交流整流成脉动直流。有源功率因数校正电路 高频开关电源一般采用电容滤波的方式,交流输入电压经整流后直接加在滤波电容两端,以得到较为平直的直流电压。整流器-电容滤波电路是一个非线性元件和储能元件的组合,只有交流输入电压高于滤波电容两端电压时,滤波电容才开始充电,因此,虽然输入交流电压是正弦,但输入电流波形是宽度很窄的脉冲,这种脉冲状电流的谐波分量很大,输入总谐波失真可高达100%130%。,有源功率因数校正电路,有源功率因数校正电路,个人电脑PWM电源输入电流THD频谱,有源功率因数校正电路,B.输电系统:谐波电流一方面在输电线路上产生谐波
7、电压降,另一方面,增加了输电线路上的电流有效值从而引起附加输电损耗。在电缆输电的情况下,谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度,这影响了电缆的使用寿命,谐波的影响将使电缆的使用寿命平均降低约60%。,高次谐波的危害:,A.电容器:电容器的阻抗与频率成反比,高次谐波的容抗比基波电压作用下的容抗小得多,谐波电流畸变比谐波电压畸变大得多,即便谐波电压的幅值不大,也会产生较大的谐波电流。,有源功率因数校正电路,C.变压器:变压器在高次谐波电压的作用下,将产生集肤效应和邻近效应,在绕组中引起附加损耗,同时使铁损相应增加。3的倍数次零序电流会在三角接法的绕组内产生环流,这一额外的环流可能会使
8、绕组电流超过额定值。,D.继电保护、自动装置:谐波电流能够改变保护继电器的动作特性,这与继电器的特点和原理有关。当有谐波畸变时,依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。高次谐波对过电流、欠电压、距离、周波等继电器均会起拒动和误动的影响,使保护装置失灵和动作不稳定。,E.电力测量:测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的,如果供电的波形发生畸变,仪表则容易产生误差。电度表对设计参数以外的频率的响应不灵敏,频率越高,误差越大,而且为负误差。,有源功率因数校正电路,IEC1000-3-2(1995)对电源装置高次谐波的限制 对于相电流小于16A的电源装置,IEC1000-3-2规定了不同高次谐波
9、的绝对值。,有源功率因数校正电路,有源功率因数校正技术(简称AFPC),在整流桥与滤波电容之间串联一高频变换器,通过控制功率器件的导通与关断时间,强制输入电流与输入交流电压同相,从而达到抑制谐波的目的。功率因数可提高至0.950.99,输入电流THD小于10%,有功功率输出提高30%以上。既治理了电网的谐波“污染”,又提高了电源的整体效率。节约电能30%,成本上升1530%。单相APFC国内外开发较早,技术已相当成熟;三相APFC则拓扑类型较多,还在发展。在10KW以下的功率等级,三相BOOST单开关拓扑比较经济实用,国内已有应用的报道,输入端功率因数可达到0.920.93。,有源功率因数校正
10、电路,BOOST功率因数校正器电路原理图,有源功率因数校正电路,采用APFC后输入电流波形平均值为正弦波,相位与电压波形一致,功率因数提高 一般,APFC的输出为直流380-400V,DC-DC变换器是开关电源的核心部分。它通过功率开关管的开断,将直流电压变为脉冲状的交流电压,此交流电压通过高频变压器隔离并可变换成任意大小的交流电压,再经过二极管进行二次整流与电容平滑后变为直流输出电压。控制电路将输出电压的一部分和基准电压进行比较,来控制开关管的通断时间,从而调整输出直流电压。,DC-DC变换电路,隔离DC-DC变换电路可分为单端电路和双端电路:单端电路:变压器中流过的是直流脉动电流,如正激电
11、路和反激电路。双端电路:变压器中的电流为正负对称的交流电流。如半桥、全桥和推挽电路。,DC-DC变换电路,正激电路,DC-DC变换电路,输出电流连续情况下输出电压:,反激电路,DC-DC变换电路,输出电流连续情况下输出电压:,半桥电路,DC-DC变换电路,输出电流连续情况下输出电压:,半桥电路原理图,半桥电路的理想化波形,全桥电路,DC-DC变换电路,输出电流连续情况下输出电压:,全桥电路原理图,全桥电路的理想化波形,推挽电路,DC-DC变换电路,输出电流连续情况下输出电压:,推挽电路原理图,推挽电路的理想化波形,DC-DC变换电路,各种不同的间接直流变流电路的比较,输出整流滤波电路,全波整流
12、和全桥整流,全波整流电路和全桥整流电路原理图a)全波整流电路 b)全桥整流电路双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路和全桥整流电路。,输出整流滤波电路,全桥电路的特点优点:二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值,变压器的绕组结构较为简单。缺点:电感L的电流流过两个二极管,回路中存在两个二极管压降,损耗较大,而且电路中需要4个二极管,元件数较多。适用场合:高压输出的情况下。,输出整流滤波电路,全波整流电路的特点优点:电感L的电流只流过一个二极管,回路中只有一个二极管压降,损耗小,而且整流电路中只需要2个二极管,元件数较少。缺点:二极管断态时承受的反压是二倍的交流电压幅值,对器件耐压要求较高,
13、而且变压器二次侧绕组有中心抽头,结构较复杂。适用场合:输出电压较低的情况下(100V)。,开关电源现阶段的发展方向,更高的功率密度、更高的变换效率及更好的动态特性 为使开关电源轻、小、薄,发展趋势是高频化。高频化是传统的PWM开关损耗加大、效率降低、噪声增加。实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。CAD技术 利用CAD设计开关电源系统,做稳定性分析、电路仿真、印制板设计、热传导分析、EMI分析及可靠性预估等。,开关电源现阶段的发展方向,更好的环保特性及可靠性 相对于线性稳压电源而言,开关电源有较大的电磁干扰及对交流电源的谐波污染。为此,国际上有很多管制条例。例如针
14、对中小功率电器的IEC555-2,针对大功率设备的IEC555-4,最新也是最严格的标准是IEC1000-3-2,谐波电流发射限值(设备每相输入电流16A)。开关电源必须采用更有效的谐波噪声抑制措施。,开关电源方面的技术革新,软开关技术 这是相对于PWM硬开关技术,为适应小体积高效率的要求发展的开关电压和电流波形不交叠的技术,即零电压零电流技术。最典型的应用是90年代中期开始的全桥ZVS-PWM技术。90年代末南航的阮新波提出了滞后臂串加二极管的较实用的全桥移相ZVZCS方案。目前,该技术在各大电源生产厂家得到广泛应用。一般的,530V输入、220V输出的DC/DC满载效率可达96%。,开关电
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