开关电源原理与应用讲义111019.doc

《开关电源原理与应用讲义111019.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关电源原理与应用讲义111019.doc（35页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流开关电源原理与应用讲义111019.精品文档.开关电源的原理与应用课件下载方法：进入综合信息门户教学资源网络教学综合平台中，在课程编号中输入（0806034034）出现（开关电源的原理与应用）点击进入后左侧信息中点击（课程互动）左侧信息中点击（教学材料）显示（开关电源讲义-2011）点击后显示（开关电源的原理与应用）-点击下载序论开关电源的技术领域属于电力电子技术电力电子技术电力学、电子技术、控制理论三个学科的交叉.电力电子技术的概念及研究领域电力电子技术（Power Electronics）是以电力电子器件（Power Electronic

2、 Device）为基础，利用电路和控制理论对电能进行交换和控制的技术，即应用于电力应用领域的电子技术。电力电子技术也称为电力电子学或功率电子学。电力电子技术由电力学、电子学、和控制理论三个学科交叉形成，是目前较为活跃的应用型学科。电力电子技术通常分为器件的制造技术和电力电子电路的应用技术即变流技术两大部分。其中，器件制造技术包括各种电力电子器件的设计、制造、参数测试、模型分析等。而目前所用的电力电子器件基本都采用半导体材料制成，所以电力电子器件也称为电力半导体器件。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。电能有交流（Alternating Current, AC）和直流（Direct Cu

3、rrent, DC）两大类。交流电能有电压大小、相位、频率和相数的差别，直流电能有大小和极性的差别。在电能的实际应用中，常常需要在两种电能之间，或是对同一种电能的一个或多个参数（如电压、电流、频率等）进行变换，这就是电力变换（Power Conversion），也就是电力电子变流技术。电力变换可总结为以下四种类型：交流直流（ACDC）变换整流，将交流电能变换为直流电能。直流交流（DCAC）变换逆变，将直流电能变为交流电能，是整流的逆过程。交流交流（ACAC）变换包括交流调压和交流变频，即改变交流电能的参数。直流直流（DCDC）变换直流斩波，是对直流电能的参数进行变换。所以，电力电子技术对电能进

4、行变换和控制的任务就是变换电能的形态和控制电能的流动(如：电动车)，向用户提供满足性能要求的电能。.电力电子技术的发展历史1.电力电子器件的发展历史电力电子技术的发展历史，与电力电子器件的发展历史密不可分。电力电子器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。1958年，美国通用电气公司研制出世界上第一只工业用晶闸管（Thyristor），也称SCR，这标志着电力电子技术时代的诞生。20世纪60年代开始到70年代阶段，晶闸管得到了飞速发展，从低压小电流到高压大电流的各系列晶闸管产品广泛应用于各种变流装置，同时，逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件也相继问世，电力电子技

5、术的发展进入了晶闸管时代。20世纪70年代中后期，以门极关断（GTO）晶闸管、大功率晶体管（GTR）和电力场效应晶体管（电力MOSFET）为代表的全控型器件得到迅速发展。到了20世界80年代后期，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）等复合型器件相继问世，它们综合看MOSFET、GTO等期间的优点，性能更加优越。.电力电子电路的发展历史和电力电子器件相适应，电力电子电路的发展经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代几个发展阶段。20世纪70年代开始，出现了世界范围的能源危机，交流电机变频调速因具有节能效果显著的特点而得到迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为010

6、0Hz的交流电。在7080年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用晶闸管、大功率晶体管（GTR）和门极关断晶闸管（GTO）成为当时电力电子器件的主角，类似的应用还包括高压直流输电、静止式无功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，电力电子电路的发展进入逆变器时代。但变频装置的工作频率还较低，主要局限在中低频范围内。20世纪80年代开始，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件。新型电力电子器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠

7、，而且使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型化和轻量化，实现机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。电力电子电路的发展进入了变频器时代。.电力电子技术的应用在高度发达的今天，电能是国民经济和人民生活非常重要的能源，而作为对电能进行变换和控制的电力电子装置也是无处不在。电力电子技术的应用领域已从传统的机械、石化、纺织、冶金、电力、铁路、航空、航海等领域，进一步扩展到汽车、通信、家用电器、医疗设备、照明等领域。（1） 一般工业应用据不完全统计，在目前所有能源中，电能约占40%，电能中55%以上是通过各种电机消耗的，而为各种电机供电的电源都是电力电子装置。此外，电化学、电

8、解、电镀等所需要的整流电源，冶金工业中的中频、高频感应加热电源，直流电弧炉电源等都是电力电子装置。（2）交通运输中的应用电力机车、城市电车、地铁都采用电力电子装置进行调速和控制。电动汽车的电机也需要电力电子装置进行电力变换和控制。飞机、船舶需要多种不同性能的电源，也离不开电力电子技术。（3）.电力系统中的应用直流输电具有输电距离远、调节性能好、过电压水平低、线路损耗小的优点，近年来得到迅速发展，我国也已投建了多条高压直流输电线。直流输电送电端的换流阀都采用晶闸管变流装置。（4）.新能源中的应用近年来，风力发电、太阳能发电、潮汐发电等各种可能再生能源的应用越来越受重视，这些新型发电方式都需要电力

9、电子技术参与调节和控制。同时，这些发电方式发出的电能在联网和储能时也离不开电力电子装置。（5）电子装置在家用电器中的应用各种电子装置都需要不同电压等级的直流电源供电，近年来高频开关电源引起具有体积小、重量轻、效率高的特点，已经取代了传统的线性稳压电源。家用电器中，各种节能灯的镇流器、电视机、变频空调、变频冰箱等，都采用了电力电子技术。.电力电子技术的发展趋势电力电子技术的发展趋势主要包括电力电子器件的发展趋势、电力电子电路的发展趋势和控制技术的发展趋势几方面。电力电子器件的发展方向主要是高频化、集成化、模块化和智能化。随着电力电子器件的频率的提高，电力电子装置的性能得到大力改善，体积减少，重量

10、降低、效率提高，所以电力电子器件的高电压、大电流和高频化是今后电力电子技术创新的主导方向。电力电子控制技术的发展与脉冲宽度调制（PWM）控制技术是密不可分的。目前最流行的PWM技术可以分为开环和闭环、线性和非线性。随着现代控制理论、微电子技术、计算机技术的飞速发展，现代电力电子装置正在向高电压、大容量、高频化、易驱动、高功率密度和全数字化、智能控制方向发展。5.电力电子电路的仿真由于电力电子电路中的电力电子器件具有非线性特性，给电力电子电路讨论和分析带来了一定的困难，使电路计算的复杂程度增加。对于电力电子电路的分析，一般采用波形分析和分段线性化的处理方法。现代计算机仿真技术为电力电子电路的分析

11、和系统的分析提供了崭新的方法，使复杂的电力电子电路分析和设计变得更加容易和简单。所谓仿真，指的是在计算机平台上虚拟实际的物理系统，用数学模型代替实际的物理器件和电路，从而实现对实际电路的工作过程的研究和讨论。随着数值算法的不断完善，已经出现了大量的通用数学仿真语言和软件。现代仿真软件经营模块化，更适合工程上的问应用。各种仿真软件成为科研、设计及学生学习的必备工具和好手。电力电子电路的仿真软件有很多，目前最常用的主要有PSPICE软件和MATLAB的Simulink平台。通过仿真软件的使用，电力电子电路设计人员可以在进行实验前，先进行电路仿真分析，确定合理应用的主电路和控制方式，大大减小了电力电

12、子装置开发和设计的工作量，缩短了开发和设计时间。所以，电力电子仿真软件的学习对于从事电力电子装置开发和应用的工程技术人员来说是非常重要的。第一部分 开关电源相关的预备知识（一） 滤波电路、储能元件的工作原理、电压时间成积。（1）滤波器的分类按元件分为：有源滤波器、无源滤波器、陶瓷滤波器、晶体滤波器、机械滤波器、锁相环滤波器、开关电容滤波器等。按信号处理的方式分类：模拟滤波器、数字滤波器。按通频带分：有源滤波器可分为：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）等。还有一些特殊滤波器：如满足一定频响特性、相移特性的特殊滤波器，例如，线性相移滤波器、时延滤

13、波器、音响中的计杈网络滤波器、电视机中的中声表面波滤波器等。开关电源中常用的无源滤波器：RC、LC、型、T型电路结构RC型优点：成本低缺点：存在电阻，产生损耗较大，电流越大损耗越大LC型优点：电感L和电容C是储能元件，理论上理想状态时内部等效电阻为0，因此无功率损耗，但实际上存在，但等效电阻很小，因此损耗很小。 缺点：体积大，成本高*简单介绍有源滤波器：RLC元件和有源器件（三极管、场效应管、运算放大器等）组合，可进行无衰减地滤波。滤波波形- 从充放电理论和阻抗理论说明滤波作用（2）储能元件电容元件C: ,，可得， 从而可知C上的电压不能突变，突变会引起很大的i电容储存的能量：, 储存的能量与

14、充电过程无关，取决于最后U的大小 画图说明电感元件L：，从而可知i不能突变。, 储存的能量与过程无关，取决于最后i的大小 画图说明* 恒定电压时电感的电压时间乘积： ，U为常数时, , 因此 ，* Ut称为电压时间乘积 一个电感中施加一定时间的电压后断开,则电感两端的电压为多少?接通电压时储存的能量和断开时释放的能量守恒，因此可得 （3）释放模式* 注：开关切换时，电感电压的极性反转，释放模式中面积相同即可。（4）发生高压的举例*根据电路换路定律，说明高压发生的机理及克服方法开关切换动作发生的瞬间 开关切换动作发生前 , 开关切换动作发生后 设RL=10时 UL=10V,RL=1000时 UL

15、=1000V, 开关切换时，电感极性反向，电压大小取决于RL大小。（二） 各种波形发生器原理，矩形波，三角波，锯齿波，正弦波(1)一般比较器只有一个比较点，满足(2) 施密特比较器具有两个比较点，且比较后自动改变下一个比较点电压输出高电平时： UCC ，输出高电平时： -UCC ， 双电源时，设|+UCC|=|-UCC|= 10V UH ，R1= R2 = 1K时，UrefH=5V, UrefH=-5V单电源构成：输出为高电平时, ,输出为低电平时,设UC=10V，R1= R2 ,UZ=5V时, UrefH=2.5+5=7.5V , UrefL=2.5V*如果R2的位置上替换稳压管,则波形如何

16、？（3）矩形波、三角波发生器（双电源）工作过程分析: 1. 上电后 UC=0,设为输出高电平,UO=UH ,通过R对C充电2. 当UC UrefH时，输出低电平,UO = UL，C的电压通过R放电3. 当UC UrefL时，UO = UH,重新开始充电这时周期为: T = T1 + T2 ,由于T1 = T2 ,可利用一阶电路的全响应公式 , US 为电源，U0 为初始电压，可得 *与电源电压+UCC和-UCC 无关 - 频率稳定（4）可调节占空比D的电路占空比定义：, 因此 , 思路：改变充电和放电支路的时间常数a、充电时通过D1,Rf1b、放电时通过D2,Rf2 因此可调节占空比D （5）

17、锯齿波发生器 Rf20时，放电时间短，形成锯齿波 （6）正弦波发生器A.可用专用的发生器集成电路产生B.单片机和DA结合产生C.可利用方波、三角波、梯形波产生原理：在方波或三角波中虑除高频部分滤波器个数越多效果越好思考题：方波、三角波、梯形波哪一个更接近正弦波？（三）、各种PWM发生器的工作原理与设计PWM（Pulse Width Modulation）占空比可变的脉冲波-频率可变、可不变。平均值：* 因此改变D可以改变输出电压UO（1）利用锯齿波、三角波产生PWM波形原理（2）集成电路NE555工作原理（Timer，定时器）注：内部具有三个R，对电源电压进行分压，()当时，RS触发器置位，输

18、出U3为高电平，三极管截止当时，RS触发器清零，输出U3为低电平，三极管饱和U4为低电平时，清零，输出U3为低电平设计举例：电容上的电压 ，式中为充电电压，为初始电压充电时 , 的电压为，因此 可得 从而 放电时，的电压为,因此 ，可得思考题：1、怎样获得占空比任意可调的脉冲波？2、怎样获得占空为50的脉冲波？-可用二极管或充电电阻可直接接到输出端3、分析图示电路图：怎样获得梯形波和正弦波？ (3)用比较器组成PWM型开关电源（4）用NE555组成PWM型开关电源分析：（1）当UC UH时，输出低电平一直到当UC UL时，U3 = 0V，Q截止，L的电压极性反相，L中的能量经D传送到C和RL，

19、同时电容CT中的电压经RB放电（3）当UC Ui通常 Uceo 2.6Ui （2）续流二极管D的选择a、D的正向额定电流大于等于开关管的集电极电流或负载R上的电流b、D的反向耐压值大于Uic、为了减小开关引起的输出波纹电压和提高效率，二极管D应选用导通速度快、反向恢复速度快的二极管普通二极管开关速度慢，正向压降较大0.51V，通常用在工频电流的整流IN4000系列， IN4001（100V/1A） 、IN4005、IN4007快恢复二极管开关速度很快，可减少开和关时产生的损耗，但正向压降较大0.51VFR107（700V/1A）、FR207（700V/2A）、FR307 FR507超快恢复二极

20、管开关速度比快恢复二极管更快，正向压降较大0.51VHER107（700V/1A）、HER207、HER307肖特基二极管开关速度最快，正向压降小 0.20.5V，可提高效率，价格较贵SR160（60V/1A）、SR260、SR360、SR560SR1100（100V/1A）、SR2100、SR5100（3）储能电感L的选择电感的作用：电感中的电流不能突变，由于L的存在，在开关时电流时渐变，使开关管承受的冲击电流很小L选择过小，引起很大的脉冲电流，储存的能量少，UO波动大，有临界值（4）输出滤波电容C的选择C过小，滤波作用减少，纹波电压 大 ，过大则浪费且体积大1.2.5 混合型串联降压型开关

21、电源频率、占空比改变（选讲）PWM型开关电源工作时，输出电压按周期进行调节，频率不变，D改变混合型串联开关电源工作时，只要输出电压改变，频率和D改变工作原理：当输出电压比设定值高时，比较器输出为低电平，开关截止当输出电压比设定值低时，比较器输出为高电平，开关导通工作波形：输出电压：根据电路特性，OP1的输出的纹波电压：取决于比较器的灵敏度，灵敏度越高，纹波电压越小1.2.6 用NE555设计混合型串联降压型开关电源（选讲）输出电压计算： ， 结论：RA越大输出电压越大需要提到输出功率时，接入功率三极管，利用电流放大作用输出功率取决于功率三极管的IC思考题：如何设计输出电压为的电路？1.3升压型

22、开关电源（反激式串联型）1.3.1电路结构具体电路工作波形图1.3.2工作原理（稳压过程）（1）储能过程：Q1为ON时 L储能，D截止电容C中的能量传送负载（2）释放过程：Q1为OFF时L两端上的极性反转，电压通过D对C和RL传送能量（3）稳压过程：（4）波形（5）计算输出电压Q1为ON时，L两端电压为: Ui - Uces Ui Q1为OFF时，L两端电压为: UO- Ui 因此 结论：a、,UO与D为反比, UOUi ，因此只能升压b、D=0时，UO = Ui，(开关Q1不导通时)c、D=0.5时，UO = 2Ui，D=1时，开关Q1总是导通时UO (绝对禁止)1.3.3重要参数计算(1)

23、功率开关Q1的选择UceoUO+UD UO 留有20的余量时，0.8UceoUO Uceo1.25UO(2) Q1的Ic选择能量守恒，因此 Po=Pi ,IiUi=IoUo , Q1导通时Ii = IC工作时应留有20%的余量，因此0.8IC Ii(3)二极管UD的选择a、反向耐压Q为ON时，D反偏电压为UO留20%的余量，0.8UD UO UD 1.25UOb、正向导通电流IDIiID, IiUiIOUO 留50%的余量c、二极管正向导通时功率损耗PD设二极管导通时压降为UDS ，则（4）输出滤波电容Ca、C的容量影响 b、耐压值UC, UC = UO ,留50%的余量, UC 2UO c、

24、电容温度范围电解电容工作温度一般为85，高温为125，条件允许用 125（5）储能电感L的选择1.4极性反转型开关稳压电源1.4.1电路结构（并联型） 升压型电路 极性反转型开关稳压电源1.4.2工作原理（1）稳压过程|UO|UA|UTEUC脉宽加大L中的储存能量增加|UO|（2）储能过程和释放过程UC为高Q1 导通L储能D截止，RL从C获得能量UC为低Q1截止L极性反转D通，能量通过D向RL和C释放（3）波形与升压型差不多，简略（4）输出电压计算Q1为ON时，UL= UiTon = UiDT; Q1为OFF时，UL=-UOTOFF=-UO(1-D)T从而可得 结论：a、Ui与D非线性关系，U

25、O 总是负值b、D=0.5时，UO =-Ui 大小相同，极性相反c、 当D 0.5时UO 的绝对值大于Ui，起升压作用，这种变换器可用于升压或降压1.4.3重要参数计算 与升压型电路相比除了极性不同以外其他基本一致（略）1.5开关稳压电源中的控制、驱动和保护电路1.5.1控制电路 控制电路包括取样、比较、基准源、振荡器、调制电路（PWM或PFM）等1.5.2驱动电路（1）对驱动信号波形的要求a、上升沿陡，幅度大，ON时尽量过驱动，以减少导通时上升时间b、对驱动信号有一定的驱动功率三极管是电流控制元件，因此输出电流越大驱动电流越大场效应管是电压控制元件，理想情况下ON或OFF时不需要电流，但实际

26、上输入端有寄生电容使脉冲波形变坏，因此也需要一定的驱动功率c、正向驱动结束时，下降沿陡，甚至反向驱动，使开关管很快退出饱和区d、三极管的理想驱动波形为（2）驱动电路的种类a、单端式脉冲变压器驱动电路使用变压器b、抗饱和驱动电路防止过饱和和退出时间过长c、固定反偏压驱动电路d、比例驱动电路三极管时Ic大时自动增大Ibe、互补驱动电路NPN和PNP组成的射级跟随器f、发射极开路时驱动电路与a相似教材3637有实际电路。1.5.3保护电路（1）保护电路的要求a、软启动自动保护电路的延迟时间大于一次整流时电容的充电时间b、过流、过压、欠压、过热等保护电路中的采样反馈，关断功率管所用时间小于一个工作周期

27、动作快c、过流保护电路中，过流故障排除后稳压电源应自动恢复工作（2）保护电路的种类a、过流保护 b、过压保护 c、欠压保护 d、过热保护 e、开机软启动保护1.6开关稳压电源中的几个重要问题 1、二次击穿现象一次击穿：电压Uce Ueceo时，IC突然增加（雪崩击穿）二次击穿：一次击穿后，IC增加到某一值（C点）时Uce突然下降，IC剧增，原因不确定2、一次与二次击穿的区别a、二次击穿后Uce比一次击穿更小b、一次击穿是可逆的（如果限制IC可重新使用），二次击穿是不可逆（损坏）c、一次击穿的原因是UceUeYOUceo而产生，二次击穿是给功率管所加的能量和积累 时间长短有关d、产生一次击穿的原

28、因是明确的UceUeYOUceo，但二次击穿的原因不完全明确3、安全工作区 选用功率管时应注意： （1） 设计时要在功率开关的额定值的基础上留有一定的富余量。（2） 要选择不易产生二次击穿的合金型功率开关，而不能选择较易产生二次击穿的扩散型漂移功率开关。（3） 一定要采取较好的散热措施，创造良好的散热条件和环境，使功率开关的温升不要太高。（4） 电流和电压波动幅度不能太严重，并且要极力避免基极开路工作现象。（5） 在功率开关的工作过程中，要严格避免突然加很大的输入信号和负载短路现象。（6） 在开关稳压电源电路中，一定要彻底消除寄生振荡和开路时所产生的过流、过压现象。（7） 采用多个功率开关串联的方法增大Uceo时，一定要采取措施来限制基极正偏压和反偏压的幅度，以防止产生功率开关的正