整流与变换设备课件.pptx

第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-291主要内容主要内容 通信整流技术的发展通信整流技术的发展 高频开关整流器高频开关整流器高频开关整流器的组成高频开关整流器的组成高频开关整流器主要技术高频开关整流器主要技术 开关电源系统简介开关电源系统简介开关电源系统开关电源系统开关电源各单元功能开关电源各单元功能 开关电源系统的故障处理与维护开关电源系统的故障处理与维护第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-292重点难点重点难点 本章重点本章重点整流技术整流技术功率因数校正技术功率因数校正技术DC/DC转换技术转换技术均流技术均流技术电源整流设备中的常用器件电源整流设备中的常用器件监控单元日常操作监控单元日常操作开关电源系统的故障处理开关电源系统的故障处理 本章难点本章难点功率因素校正技术功率因素校正技术高频开关整流器功率转换技术高频开关整流器功率转换技术第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-293 我们知道，电子设备所需的我们知道，电子设备所需的直流电源直流电源，一般都是采用，一般都是采用由交流电网供电由交流电网供电，经，经“整流整流”、“滤波滤波”、“稳压稳压”后获得。后获得。 整流：整流：指指把大小、把大小、方向方向都变化的交流电变成都变化的交流电变成单向脉动单向脉动的的直流电直流电，能完成整，能完成整流任务的设备称为流任务的设备称为整流器整流器。 滤波：滤波：指指滤除脉动直流电中的滤除脉动直流电中的交流成分交流成分，使得，使得输出波形平滑输出波形平滑，能完成滤波，能完成滤波任务的设备称为任务的设备称为滤波器滤波器。 稳压：稳压：指指输入电压波动输入电压波动或或负载变化负载变化引起引起输出电压变化输出电压变化时，能时，能自动调整使输自动调整使输出电压维持在原值出电压维持在原值。 通信整流技术的发展通信整流技术的发展 经历的几代变革经历的几代变革20世纪世纪50年代末的年代末的饱和电抗器控制饱和电抗器控制的的稳压稳压稳流稳流硒整流器硒整流器；20世纪世纪60年代的年代的硅二极管硅二极管稳压稳流整流器；稳压稳流整流器；20世纪世纪60年代末年代末70年代初稳压稳流年代初稳压稳流可控硅整流器可控硅整流器；20世纪世纪80年代末年代末90年代初的年代初的高频开关整流器高频开关整流器；3.1 3.1 概述概述第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-294 几个概念几个概念整流整流整流整流就是调整气流、水流或电流的形态就是调整气流、水流或电流的形态整流电路整流电路整流电路整流电路是利用是利用二极管的单向导电性二极管的单向导电性将正负变化的交流电压将正负变化的交流电压变为单向变为单向脉动电压的电路脉动电压的电路。在交流电源的作用下，在交流电源的作用下，整流二极管周期性地整流二极管周期性地导通导通和和截止截止，使使负载负载得到得到脉动脉动直流电直流电。在电源的正半周，二级管导通，使负载上的电流与电压。在电源的正半周，二级管导通，使负载上的电流与电压波形形状完全相同；在电源电压的负半周，二极管处于反向截止状态波形形状完全相同；在电源电压的负半周，二极管处于反向截止状态，承受电源负半周电压，负载电压几乎为零。，承受电源负半周电压，负载电压几乎为零。 常用的整流电路有：常用的整流电路有：半波整流半波整流全波整流全波整流桥式整流桥式整流工频：工频：指工业上用的交流电源的频率，单位赫兹（指工业上用的交流电源的频率，单位赫兹（Hz）它是电气质量的重要）它是电气质量的重要指标之一。工频一般指市电的频率指标之一。工频一般指市电的频率,在我国是在我国是50Hz,其他国家也有其他国家也有60Hz的的 第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-295 整流器整流器整流器整流器是把是把交流电交流电（AC）转换为转换为直流电（直流电（DC）装置的总称装置的总称。 它它有两个主要功能有两个主要功能将交流电（将交流电（AC）变成直流电）变成直流电(DC)，经滤波后，经滤波后供给负载供给负载，或者，或者供给逆供给逆变器变器；给蓄电池提供充电电压给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用。因此，它同时又起到一个充电器的作用。 通信整流技术的发展通信整流技术的发展 20世纪世纪50年代末年代末的饱和电抗器控制的稳压稳流的饱和电抗器控制的稳压稳流硒整流器硒整流器 20世纪世纪60年代年代的硅二极管取代硒整流片的稳压稳流的硅二极管取代硒整流片的稳压稳流硅整流器硅整流器 20世纪世纪60年代末年代末70年代初年代初稳压稳流稳压稳流可控硅整流器可控硅整流器， 20世纪世纪80年代末年代末90年代初年代初的的高频开关整流器高频开关整流器 通信用整流设备经历了几代变革。通信用整流设备经历了几代变革。90年代以后，随着年代以后，随着计算机控制技术计算机控制技术、功率半导体技术功率半导体技术和和超大规模集成电路生产工艺超大规模集成电路生产工艺的飞速发展，的飞速发展，高频开关整流高频开关整流器产品也越来越成熟，性价比逐步提升器产品也越来越成熟，性价比逐步提升，目前已经逐步取代了可控硅整流，目前已经逐步取代了可控硅整流器，并且还在不断地朝着高频化、高效率、大功率、小型智能化、清洁环器，并且还在不断地朝着高频化、高效率、大功率、小型智能化、清洁环保的方向发展。保的方向发展。第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-296 稳压电源稳压电源 稳压电源（稳压电源（stabilized voltage supply）是能是能为负载提供为负载提供稳定交流电源稳定交流电源或或稳定直流电源稳定直流电源的电子装置的电子装置。包括以下两大类。包括以下两大类 交流稳压电源交流稳压电源直流稳压电源直流稳压电源 稳压电源的发展历史稳压电源的发展历史 1955年年美国的科学家美国的科学家罗那（罗那（G.H.Royer）首先研制成功了首先研制成功了利用磁芯的饱利用磁芯的饱和和来进行来进行自激振荡自激振荡的的晶体管直流变换器晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式。此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转旋转和和机械振子式机械振子式换流设备换流设备。由于晶体由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态开关状态，所以由此而制成的稳压电，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。由于地应用于航天及军事电子设备。由于那时的微电子设备及技术十分落后那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以，所以这个时期的这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-297 20世纪世纪60年代，由于微电子技术的快速发展，年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了高反压的晶体管出现了，从此从此直流变换器直流变换器就可以直接由就可以直接由市电经市电经整流整流、滤波后输入、滤波后输入，不再需要工频变不再需要工频变压器降压了压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围，从而极大地扩大了它的应用范围，并在此基础上诞生了无工并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器，又使。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。 20世纪世纪70年代以后，年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器无工频变压器开关开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。稳压电源成为各种电源的佼佼者。 稳压电源的主要功能稳压电源的主要功能 稳定电压稳定电压当电网电压出现瞬间波动时，稳压电源会以当电网电压出现瞬间波动时，稳压电源会以10-30ms的响应速度对电的响应速度对电压幅值进行补偿，使其稳定在压幅值进行补偿，使其稳定在2%以内。以内。 第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-298多功能综合保护多功能综合保护稳压器除了最基本的稳定电压功能以外，还应具有过压保护（超过输稳压器除了最基本的稳定电压功能以外，还应具有过压保护（超过输出电压的出电压的+10%）、欠压保护（低于输出电压的）、欠压保护（低于输出电压的-10%）、缺相保护）、缺相保护、短路过载保护最基本的保护功能。、短路过载保护最基本的保护功能。尖脉冲抑制（可选）尖脉冲抑制（可选）电网有时会出现幅值很高，脉宽很窄的尖脉冲，它会击穿耐压较低的电网有时会出现幅值很高，脉宽很窄的尖脉冲，它会击穿耐压较低的电子元件。稳压电源的抗浪涌组件能够对这样的尖脉冲起到很好的抑电子元件。稳压电源的抗浪涌组件能够对这样的尖脉冲起到很好的抑制作用。制作用。隔离传导性隔离传导性EMI电磁干扰（可选）电磁干扰（可选）数控设备多采用数控设备多采用AC/DC整流整流+PFC高频功率因数校正，自身有一定的高频功率因数校正，自身有一定的干扰性同时对干扰源也有严格要求。稳压电源的滤波组件能够有效隔干扰性同时对干扰源也有严格要求。稳压电源的滤波组件能够有效隔离电网对设备的干扰同时也能有效隔离设备对电网的干扰。离电网对设备的干扰同时也能有效隔离设备对电网的干扰。防雷（可选）防雷（可选）应具有的防雷击能力。应具有的防雷击能力。第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-299 稳压电源的种类稳压电源的种类目前，通信和其他电子设备采用的稳压电源主要有目前，通信和其他电子设备采用的稳压电源主要有线性稳压电源线性稳压电源 线性稳压电源中，线性稳压电源中，调整元件调整元件串联在串联在负载回路中负载回路中，其作用就像一只其作用就像一只可变电阻可变电阻，输入电压或负载变化时输入电压或负载变化时，串联调整元件的压降改变，串联调整元件的压降改变，从而使输出电压稳定不变从而使输出电压稳定不变。当输入电压过高时，串联调整管的功。当输入电压过高时，串联调整管的功耗很大，因此效率很低。当输入电压波动范围为耗很大，因此效率很低。当输入电压波动范围为20 %时，时，5 V稳压器的典型效率只有稳压器的典型效率只有35%，输入电压波动范围小于，输入电压波动范围小于16%时时， 典型效率也只能达到典型效率也只能达到50%。 线性稳压器的主要优点是电路比较简单，稳压精度较高，输出纹线性稳压器的主要优点是电路比较简单，稳压精度较高，输出纹波电压也较低。近年来，推出的低压差波电压也较低。近年来，推出的低压差(输入和输出电压之差很低输入和输出电压之差很低的的)线性稳压器，不仅具有线性稳压器的全部优点，而且效率也有线性稳压器，不仅具有线性稳压器的全部优点，而且效率也有明显提高，目前已广泛应用于小功率低电压的电子设备中。明显提高，目前已广泛应用于小功率低电压的电子设备中。第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2910相控型稳压电源相控型稳压电源 相控型稳压电源的基本工作原理是：相控型稳压电源的基本工作原理是：当输入电压或负载变化时，当输入电压或负载变化时， 改变晶闸管的导通角改变晶闸管的导通角，可使输出电压稳定不变可使输出电压稳定不变。与线性稳压电源。与线性稳压电源相比，相比，由于调整元件由于调整元件(晶闸管晶闸管)工作于开关状态，所以工作于开关状态，所以功耗较小功耗较小， 效率也较高效率也较高，通常可达到，通常可达到70%。要求输入和输出隔离时，相控型。要求输入和输出隔离时，相控型稳压电源的输入端必须加入工频变压器。稳压电源的输入端必须加入工频变压器。由于工作频率很低由于工作频率很低(50 Hz)，所以变压器的体积和重量都很大，所以变压器的体积和重量都很大，同时输出端的滤波电感和，同时输出端的滤波电感和滤波电容的体积和重量也很大。滤波电容的体积和重量也很大。开关型稳压电路开关型稳压电路在开关型稳压电源中，在开关型稳压电源中，调整管工作于开关状态调整管工作于开关状态。输入输入电电压压或或负载负载变化变化时，时，改变控制信号改变控制信号的的脉冲宽度脉冲宽度，就可改变，就可改变调整管调整管的的导通时间导通时间，从而使输出电压稳定不变从而使输出电压稳定不变。调整管。调整管导通时，两端的压降接近于零，导通功耗很小；调整管导通时，两端的压降接近于零，导通功耗很小；调整管关断时，流过的电流基本上为零，关断功耗非常小，因关断时，流过的电流基本上为零，关断功耗非常小，因此开关型电源的效率很高。此开关型电源的效率很高。目前通信用开关稳压电源的效率已达到目前通信用开关稳压电源的效率已达到90%以上。以上。第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2911 整流和滤波电路整流和滤波电路1. 电路组成电路组成单相桥式整流电路如图单相桥式整流电路如图3.1（a）所示，图）所示，图3.1（b） 是其简化电路。是其简化电路。 （a） 电路原理图电路原理图 （b）电路简化图）电路简化图 图图3.1 单相桥式整流电路单相桥式整流电路第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2912滤波电路滤波电路滤波电路的主要元件是电容和电感，以电容滤波电路最常用。滤波电路的主要元件是电容和电感，以电容滤波电路最常用。电容滤波的特点电容滤波的特点 (1) 滤波后的输出电压滤波后的输出电压中直流分量中直流分量提高提高了，交流分量降了，交流分量降低了。低了。 (2) 电容滤波电容滤波适用于负载电流较小适用于负载电流较小的场合。的场合。 (3) 存在存在浪涌电流浪涌电流。可在。可在整流二极管两端并接一只整流二极管两端并接一只0.01F的电容器的电容器来防止浪涌电流烧坏整流二极管。来防止浪涌电流烧坏整流二极管。 (4) RL C值的改变可以值的改变可以影响输出直流电压影响输出直流电压的大小。的大小。第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2913 稳压电路稳压电路并联型稳压电路并联型稳压电路并联型稳压电路如图并联型稳压电路如图3.2所示所示图图3.2 并联型直流稳压电路并联型直流稳压电路l其稳压过程分述如下：其稳压过程分述如下：当交流电网波动而当交流电网波动而RL未变动时，若电网电压未变动时，若电网电压上升，则：上升，则：UiULIZIURUL当电网未波动而负载当电网未波动而负载RL变动时，若变动时，若RL 减小减小，则，则ILIURULIZIURUL并联型稳压电路并联型稳压电路结构简单结构简单，但，但受稳压管最大电流限制受稳压管最大电流限制，又，又不能任意调节不能任意调节输出电压输出电压，所以，所以只适用于只适用于输出电压不需调节，负载电流小，要求不甚高输出电压不需调节，负载电流小，要求不甚高的场合。的场合。第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2914T T1 1T T2 2T T3 3串联型稳压电路串联型稳压电路串联型稳压电路如图串联型稳压电路如图3.3所示。该电路由四部分组成。所示。该电路由四部分组成。图图3.3 串联型稳压电路串联型稳压电路l (1) 采样单元采样单元采样单元有采样单元有R1、R2、和、和RP组组成，与负载成，与负载RL并联，通过它可并联，通过它可以反映输出电压以反映输出电压Uo的变化。的变化。l (2) 基准单元基准单元基准单元由限流电阻基准单元由限流电阻R3与与稳稳压管压管T3组成组成l（3）放大单元）放大单元l 放大单元由放大单元由三极管三极管T2组成。组成。l（4）调整单元）调整单元调整单元由三极管调整单元由三极管T1组成组成，它是，它是串联型稳压电路的核心元件。串联型稳压电路的核心元件。T1必必须选择大功率三极管须选择大功率三极管 。第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-29152. 工作原理工作原理串联型稳压电路串联型稳压电路的的自动稳压过程自动稳压过程按按电网波动电网波动和和负载电阻负载电阻变动变动两种情况分述如下：两种情况分述如下：UiUoUfUBE2IB2IC2UCE2 UBE1IB1UCE1UoRLUoUfUBE2IB2IC2UCE2 UBE1IB1UCE1Uo 当当Ui或或RL 时的调整过程与上述相反。时的调整过程与上述相反。由上分析可知，这是一个由上分析可知，这是一个负反馈系统负反馈系统。正。正因为电路内有因为电路内有深度电压串联负反馈深度电压串联负反馈，所以才能使输出电压稳定。，所以才能使输出电压稳定。第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2916 三端集成稳压器三端集成稳压器 目前，目前，集成稳压器集成稳压器已达已达百余种百余种，并且成为，并且成为模拟集成电路模拟集成电路的的一个重要一个重要分支。它具有输出电流大，输出电压高，体积小，安装调试方便，分支。它具有输出电流大，输出电压高，体积小，安装调试方便，可靠性高等优点，在电子电路中应用十分广泛可靠性高等优点，在电子电路中应用十分广泛集成稳压器有集成稳压器有三端三端及及多端多端两种外部结构形式。两种外部结构形式。输出电压输出电压有可有可调调和和固定固定两种形式两种形式：固定式输出电压为标准值，使用时不能再调节；固定式输出电压为标准值，使用时不能再调节；可调式可通过外接元件，在较大范围内调节输出电压。可调式可通过外接元件，在较大范围内调节输出电压。此外，还有输出正电压和输出负电压的集成稳压器。此外，还有输出正电压和输出负电压的集成稳压器。稳压电源以小功率三端集成稳压器应用最为普遍。常用的型稳压电源以小功率三端集成稳压器应用最为普遍。常用的型号有号有W78系列系列W79系列系列W317系列系列W337系列。系列。第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2917 高频开关整流器高频开关整流器 开关整流器开关整流器是是电源系统电源系统中中最重要的部分最重要的部分，它的，它的技术是否先进技术是否先进，关系着开关，关系着开关电源系统的功能和可靠性。因此，一些自主开发的厂商很注重电源系统的功能和可靠性。因此，一些自主开发的厂商很注重开关整流器开关整流器技术性能技术性能的改进，其目的是使开关整流器的的改进，其目的是使开关整流器的可靠性可靠性和和效率效率得到很大提高，得到很大提高，使其使其成本成本和和高频电磁干扰高频电磁干扰降低。降低。 高频开关整流器的发展高频开关整流器的发展可靠性的提升可靠性的提升 可靠性是电源系统一个永恒的课题可靠性是电源系统一个永恒的课题，随着，随着集成技术的发展成熟集成技术的发展成熟，结构设计，结构设计的趋于合理，的趋于合理，高频开关电源采用的元器件的数量大大减少高频开关电源采用的元器件的数量大大减少，电解电容电解电容、光光耦合器耦合器及及风扇风扇等等决定电源寿命的器件决定电源寿命的器件质量也得到提高质量也得到提高，以及增加了各种保，以及增加了各种保护功能，使高频开关整流器的护功能，使高频开关整流器的MTBF（平均无故障时间）延长，从而提高（平均无故障时间）延长，从而提高了可靠性。了可靠性。稳定性的提高稳定性的提高 稳定高质量的直流电输出是衡量整流器的一个重要的指标稳定高质量的直流电输出是衡量整流器的一个重要的指标。高频化以及高高频化以及高性能、高增益控制电路的采用性能、高增益控制电路的采用，使高频开关整流器的稳压精度大大提高使高频开关整流器的稳压精度大大提高，各种各种滤波电路的应用使得输出杂音减小滤波电路的应用使得输出杂音减小，其，其供电质量较供电质量较相控整流器相控整流器有了明有了明显的提高显的提高。第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2918小型化小型化小型化是高频开关整流器相比传统相控整流器的一大优势小型化是高频开关整流器相比传统相控整流器的一大优势。由于。由于变压器变压器工作频率的提高工作频率的提高以及以及集成电路集成电路的大量使用的大量使用，使得高频开关，使得高频开关整流器的体积大大缩小。整流器的体积大大缩小。有些高频开关整流器内部有有些高频开关整流器内部有CPU，有些，有些没有。但没有。但对于整个开关电源系统而言，都设有监控模块对于整个开关电源系统而言，都设有监控模块，采用智，采用智能化管理，可与计算机通信，实现集中监控。能化管理，可与计算机通信，实现集中监控。高效率高效率高效率也是高频开关整流器发展的趋势高效率也是高频开关整流器发展的趋势。功率器件功率器件生产技术的进生产技术的进步，步，其功耗减小其功耗减小；计算机辅助设计使得开关整流器设计拓扑和参；计算机辅助设计使得开关整流器设计拓扑和参数趋于合理，即所谓的数趋于合理，即所谓的最简结构最简结构和和最佳工况最佳工况；功率因数校正技术功率因数校正技术的采用，的采用，使得高频开关整流器的效率大大提高使得高频开关整流器的效率大大提高。第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2919 高频开关电源的特点高频开关电源的特点 重量轻、体积小重量轻、体积小与相控电源相比较，在输出相同功率的情况下，体积及重量减小很多与相控电源相比较，在输出相同功率的情况下，体积及重量减小很多 节能高效节能高效一般效率在一般效率在90左右。左右。 功率因数高功率因数高当配有有源功率因数校正电路时，其功率因数近似为当配有有源功率因数校正电路时，其功率因数近似为1，且基本不受，且基本不受负载变化的影响。负载变化的影响。 稳压精度高、可闻噪音低稳压精度高、可闻噪音低在常温满载情况下，其稳压精度都在在常温满载情况下，其稳压精度都在5以下。以下。 维护简单、扩容方便维护简单、扩容方便模块化结构。可在运行中更换损坏模块，不影响通信。增减模块方便模块化结构。可在运行中更换损坏模块，不影响通信。增减模块方便 智能化程度较高智能化程度较高有有CPU和计算机通信接口，便于集中监控，无人值守。和计算机通信接口，便于集中监控，无人值守。第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2920高频开关整流器目前需要解决的问题高频开关整流器目前需要解决的问题 解决高频化与噪声的矛盾问题解决高频化与噪声的矛盾问题。 提高工作频率提高工作频率能使能使动态响应动态响应更快，这对于更快，这对于配合高速微处理器配合高速微处理器工作工作是必须的，也是是必须的，也是减小体积的重要途径减小体积的重要途径。损耗增加，同时增加了更。损耗增加，同时增加了更多的高频噪声，这些噪声既对整流器自身工作会带来影响，也会多的高频噪声，这些噪声既对整流器自身工作会带来影响，也会使得其他电子设备受到干扰。使得其他电子设备受到干扰。 如何进一步提高效率，提高功率密度如何进一步提高效率，提高功率密度 损耗的增加制约了整机效率的提高；额外的噪声也必须增加更多损耗的增加制约了整机效率的提高；额外的噪声也必须增加更多的噪声抑止电路，也就加大了整流器的复杂性和体积，使得整流的噪声抑止电路，也就加大了整流器的复杂性和体积，使得整流器的器的可靠性可靠性和和功率密度功率密度下降下降 开发高性能的功率器件、电感、电容和变压器，提高整机的可靠性开发高性能的功率器件、电感、电容和变压器，提高整机的可靠性 高性能碳化硅半导体器件高性能碳化硅半导体器件 、高频磁性元件和大容量高寿命的电容、高频磁性元件和大容量高寿命的电容器的开发。器的开发。第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2921通信高频开关整流器的组成通信高频开关整流器的组成传统的晶闸管相控整流器传统的晶闸管相控整流器工作频率低工作频率低，要求，要求变压器变压器和和滤波元件滤波元件的的体积大体积大，重量大和耗能高，重量大和耗能高，随着大功率器件和微电子技术的发展，高频开关整随着大功率器件和微电子技术的发展，高频开关整流器已逐渐取代晶闸管相控整流器流器已逐渐取代晶闸管相控整流器。高频开关整流器组成高频开关整流器组成高频开关整流器也称为无工频变压器整流器，主要由高频开关整流器也称为无工频变压器整流器，主要由主电路主电路、辅助电路辅助电路和和控控制电路制电路三部分三部分组成，如图组成，如图3-4所示所示 第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2922 主电路主电路 高频开关整流器的主电路如图高频开关整流器的主电路如图3-4所示，包括所示，包括交流滤波交流滤波、整流整流、功率功率因数校正因数校正、直流直流-直流（直流（DC-DC）变换）变换、直流滤波直流滤波等。等。 交流滤波：交流滤波：交流滤波处于交流滤波处于整流模块的输入端口整流模块的输入端口，这一部分包含，这一部分包含低低通滤波通滤波、浪涌抑制浪涌抑制等电路等电路 整流电路一般整流电路一般采用无采用无工频工频变压器变压器单相或三相桥式硅整流电路，它单相或三相桥式硅整流电路，它把单相或三相交流电变为直流电，并向功率因数校正电路提供稳把单相或三相交流电变为直流电，并向功率因数校正电路提供稳定的直流电源定的直流电源 功率因数校正电路功率因数校正电路：为了：为了消除消除由由整流电路引起整流电路引起的的谐波电流谐波电流污染电污染电网网和和减小无功损耗减小无功损耗，必须用功率因数校正电路提升功率因数。，必须用功率因数校正电路提升功率因数。 直流直流-直流变换电路：直流变换电路：由由逆变逆变和和高频整流高频整流两部分组成，两部分组成，逆变部分将逆变部分将直流高压变换为高频低压直流高压变换为高频低压。高频整流部分将高频电压变换为电信高频整流部分将高频电压变换为电信设备所需要的直流低压设备所需要的直流低压（-48，-24V）。直流）。直流-直流变换电一般采直流变换电一般采用用PWM方式控制。方式控制。 直流滤波直流滤波：滤除高频开关整流器输出侧的尖峰和杂波等噪声电压：滤除高频开关整流器输出侧的尖峰和杂波等噪声电压 第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2923控制电路控制电路除主电路这外的其它电路都可称之为控制电路，它包括除主电路这外的其它电路都可称之为控制电路，它包括 检测放大电路检测放大电路 U/W（电压（电压/脉宽）转换电路或脉宽）转换电路或U/f（电压（电压/频率）转换电路频率）转换电路 时钟振荡器（或恒频脉冲发生器）时钟振荡器（或恒频脉冲发生器） 驱动电路及保护电路驱动电路及保护电路控制电路应为功率开关管控制电路应为功率开关管激励信号激励信号，应能，应能将主电路输出电压的将主电路输出电压的微小变化微小变化转换成转换成脉宽或频率变化脉宽或频率变化，实现自动调整输出电压的目，实现自动调整输出电压的目的。负载发生短路或过流时的。负载发生短路或过流时应有保护功能应有保护功能，辅助电源辅助电源为为控制电控制电路提供必要的能源路提供必要的能源。辅助电源辅助电源辅助电源提供高频开关整流器中辅助电源提供高频开关整流器中控制电路控制电路等部分的等部分的直流电源电直流电源电压压，通常采用单端反激变换器。，通常采用单端反激变换器。 第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2924 高频变换原理高频变换原理 高频开关整流器的工作原理是高频开关整流器的工作原理是市电直接由二极管整流后市电直接由二极管整流后，经，经功率因数校正功率因数校正电路电路，功率变换电路功率变换电路，把，把直流电源直流电源变换成变换成高频率的交流电流高频率的交流电流，再，再经高频整经高频整流流成成电信设备需要的低电压直流电源电信设备需要的低电压直流电源。 采用高频变换技术减小变压器体积可以认为是高频开关整流器的核心技术采用高频变换技术减小变压器体积可以认为是高频开关整流器的核心技术 高频开关整流器的分类高频开关整流器的分类 按调制方式分：按调制方式分： 有脉冲宽度调制（有脉冲宽度调制（PWM） 脉冲频率调制（脉冲频率调制（PFM） 混合调制混合调制 按采用的开关技术分：按采用的开关技术分： 硬开关硬开关 工作在电流不为零时的强迫关断，和电压不为零时的强迫导通工作在电流不为零时的强迫关断，和电压不为零时的强迫导通 软开关软开关 工作在零电流关断和零电压导通状态工作在零电流关断和零电压导通状态 第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2925按主电路结构分为按主电路结构分为谐振型谐振型 谐振型整流器是谐振型整流器是采用软开关技术设计采用软开关技术设计的的 。开关损耗小，工作频率。开关损耗小，工作频率高，可达高，可达10MHz以上以上 非谐振型非谐振型 采用采用硬开关技术设计硬开关技术设计 。开关频率不能太高开关频率不能太高。但其电路结构比较简。但其电路结构比较简单，技术比较成熟单，技术比较成熟 按交流电的输入类型分为：按交流电的输入类型分为：单相单相三相三相按变换器的级数（按变换器的级数（Stage）分为：）分为：单级（单级（Single stage）双级（双级（Two stage）第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-29263.2 3.2 高频开关整流器主要技术高频开关整流器主要技术 3.2.1 高频开关元件高频开关元件 在高频开关整流器中，在高频开关整流器中，功率转换电路功率转换电路是其主要组成部分，是其主要组成部分，高频开关高频开关整流器的整流器的工作频率工作频率实际上就是实际上就是功率转换电路的功率转换电路的工作频率工作频率，它，它取决于取决于开关管的工作频率开关管的工作频率。所以功率转换电路中高频开关管性能的高低（。所以功率转换电路中高频开关管性能的高低（比如开关管导通和关断速度、开关压降损耗等等）在整流器中起着比如开关管导通和关断速度、开关压降损耗等等）在整流器中起着至关重要的作用至关重要的作用 。目前目前高频开关整流器高频开关整流器采用的采用的高频功率开关器件高频功率开关器件通常有：通常有：功率场控晶体管（功率场控晶体管（MOSFET）绝缘门极晶体管（绝缘门极晶体管（IGBT）两者混合管两者混合管功率集成器件等等功率集成器件等等第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2927功率场控晶体管功率场控晶体管（功率（功率MOSFET）功率功率MOSFET是一种是一种单极型电压控制器件单极型电压控制器件，其，其优点优点是具有是具有驱动功率小驱动功率小、工作速度高工作速度高、无二次击穿无二次击穿和和安全区宽安全区宽等优点。等优点。功率功率MOSFET结构结构采用采用垂直导电沟道垂直导电沟道，并，并将许多小单元功率将许多小单元功率MOSFET管芯并联管芯并联集成，故集成，故可增大可增大漏极电流漏极电流和和功率功率。用大规模集成电路工艺用大规模集成电路工艺将管芯并联构成将管芯并联构成的可称为的可称为VVMOSFET将将VVMOSFET的的V型槽尖顶削去型槽尖顶削去的称为的称为VUMOSFET采用双重扩期工艺制成的具有垂直导电双扩散采用双重扩期工艺制成的具有垂直导电双扩散VDMOSFET 图图3-5 VMOS管的结构管的结构 图图3-6 MOS管的符号管的符号第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2928功率功率MOSFET的工作原理的工作原理当在当在NMOS管的管的栅极是加正电压栅极是加正电压，则，则氧化膜下氧化膜下P型层型层两边表面两边表面感感应出负电荷应出负电荷，而，而形成形成N型导电沟道型导电沟道，同时在，同时在漏极两极间加上正电漏极两极间加上正电压压，电子从源极通过两个沟道，电子从源极通过两个沟道，N-外延层，外延层，N+基片到达漏极，基片到达漏极，NMOS管电路原理如图管电路原理如图3-7所示所示 图图3-7 NMOS管原理图管原理图第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2929 功率功率MOSFET的特性的特性 功率功率MOSFET管的主要性能指标用电压、电流和工作频率来衡量。管的主要性能指标用电压、电流和工作频率来衡量。 电流与电压电流与电压功率功率MOSFET电流以最大漏电流为指标（电流以最大漏电流为指标（IDMAX）。它表示功）。它表示功率率MOSFET工作在饱和状态下的漏极电流量，或某工作在饱和状态下的漏极电流量，或某VGS输出特性输出特性曲线平坦区域的电流值，决定曲线平坦区域的电流值，决定IDMAX的主要因素为单位管芯面的主要因素为单位管芯面积的沟道宽度，沟道宽度达则积的沟道宽度，沟道宽度达则IDMAX值大。值大。 工作频率工作频率工作频率通常为工作频率通常为30kHz100kHz 。 功率功率MOSFET的特点的特点 驱动功率小，驱动电路简单，功率增益高，是一种驱动功率小，驱动电路简单，功率增益高，是一种电压控制器件电压控制器件。开。开关速度快，不需要加反向偏置。关速度快，不需要加反向偏置。 多个管子可并联工作多个管子可并联工作，导通电阻具正温度系数，具有自动均流能力，导通电阻具正温度系数，具有自动均流能力 开关速度受温度影响非常小开关速度受温度影响非常小，在高温运行时，不存在温度失控现象，在高温运行时，不存在温度失控现象 功率功率MOSFET无二次击穿无二次击穿问题。问题。 第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2930 功率功率MOSFET使用注意事项使用注意事项 栅极电路的阻抗非常高栅极电路的阻抗非常高，易受静电损坏易受静电损坏。 不能用常规电流电压表测试不能用常规电流电压表测试（包括万用表）。（包括万用表）。 在进行引线焊接时，在进行引线焊接时，操作者应用佩带接地的专用腕带操作者应用佩带接地的专用腕带，且工作台与焊，且工作台与焊接工具均应接地，地面也应接地。接工具均应接地，地面也应接地。 导通时电流冲击大，导通时电流冲击大，易产生过电流易产生过电流。并联工作时，。并联工作时，易产生高频震荡易产生高频震荡 绝缘门极晶体管绝缘门极晶体管（IGBT） 绝缘门极晶体管绝缘门极晶体管又称又称门极绝缘双极晶体管门极绝缘双极晶体管，简称，简称IGBT，人，人们往往们往往习惯性地称其为绝缘栅双极晶体管习惯性地称其为绝缘栅双极晶体管，或绝缘栅晶体管，或绝缘栅晶体管，它，它是一种是一种VMOSFET和和双极型晶体管双极型晶体管的的复合器件复合器件。 增强型沟道增强型沟道IGBT的简化等效电路如图的简化等效电路如图3-8（a）所示。该）所示。该结构结构相当于一个增强型沟道相当于一个增强型沟道VMOSFET驱动驱动PNP晶体管晶体管，其图形符号及工作电压极性和电流方向，如图其图形符号及工作电压极性和电流方向，如图3-5所示，图所示，图（b）为国家标准图形符号。为门极，习惯上常称栅极，）为国家标准图形符号。为门极，习惯上常称栅极，为集电极，为发射极。为集电极，为发射极。 第第3章章 整流与变换整流与变换2022-4-2931 IGBT具有以下特点：具有以下特点： IGBT从输入端看，类似于从输入端看，类似于VMOSFET，IGBT的的导通导通和和关断关断由由栅极电栅极电压压来控制，当栅射电压来控制，当栅射电压UGE大于开启电压大于开启电压VGE时，时，IGBT导通，当导通，当栅射电压小于开启电压时，栅射电压小于开启电压时，IGBT截止。截止。 IGBT从输出端看从输出端看，类似于双极型晶体管类似于双极型晶体管，导通压降小，饱和压降一，导通压降小，饱和压降一般在般在24V之间，故导通损耗小。此外，之间，故导通损耗小。此外，IGBT能够做得比能够做得比VMOSFET耐压更高，电流容量更大耐压更高，电流容量更大。 IGBT的的开关速度开关速度在在VMOSFET与双极型晶体管之间。与双极型晶体管之间。 IGBT存在擎住效应。存在擎住效应。 光耦驱动电路光耦驱动电路 常用的光耦合器常用的光耦合器 发光二极管晶体管发光二极管晶体管发光二极管发光二