整流与变换设备.pptx

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1、2023/4/171重点难点本章重点整流技术功率因数校正技术DC/DC转换技术均流技术电源整流设备中的常用器件监控单元日常操作开关电源系统的故障处理本章难点功率因素校正技术高频开关整流器功率转换技术第1页/共57页2023/4/172我们知道，电子设备所需的直流电源，一般都是采用由交流电网供电，经“整流”、“滤波”、“稳压”后获得。整流：指把大小、方向都变化的交流电变成单向脉动的直流电，能完成整流任务的设备称为整流器。滤波：指滤除脉动直流电中的交流成分，使得输出波形平滑，能完成滤波任务的设备称为滤波器。稳压：指输入电压波动或负载变化引起输出电压变化时，能自动调整使输出电压维持在原值。通信整流技

2、术的发展经历的几代变革20世纪50年代末的饱和电抗器控制的稳压稳流硒整流器；20世纪60年代的硅二极管稳压稳流整流器；20世纪60年代末70年代初稳压稳流可控硅整流器；20世纪80年代末90年代初的高频开关整流器；3.1概述第2页/共57页2023/4/173几个概念整流整流就是调整气流、水流或电流的形态整流电路整流电路是利用二极管的单向导电性将正负变化的交流电压变为单向脉动电压的电路。在交流电源的作用下，整流二极管周期性地导通和截止，使负载得到脉动直流电。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

3、几乎为零。常用的整流电路有：半波整流全波整流桥式整流工频：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指标之一。工频一般指市电的频率,在我国是50Hz,其他国家也有60Hz的 第3页/共57页2023/4/174整流器整流器是把交流电（AC）转换为直流电（DC）装置的总称。它有两个主要功能将交流电（AC）变成直流电(DC)，经滤波后供给负载，或者供给逆变器；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。通信整流技术的发展20世纪50年代末的饱和电抗器控制的稳压稳流硒整流器20世纪60年代的硅二极管取代硒整流片的稳压稳流硅整流器20世纪60年代末70年代初稳压稳流可

4、控硅整流器，20世纪80年代末90年代初的高频开关整流器通信用整流设备经历了几代变革。90年代以后，随着计算机控制技术、功率半导体技术和超大规模集成电路生产工艺的飞速发展，高频开关整流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。第4页/共57页2023/4/175稳压电源稳压电源（stabilizedvoltagesupply）是能为负载提供稳定交流电源或稳定直流电源的电子装置。包括以下两大类 交流稳压电源直流稳压电源稳压电源的发展历史1955年美国的科学家罗那（）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进

5、行自激振荡的晶体管直流变换器。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寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子式换流设备。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，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，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以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。第5页/共57页2023/4/17620世纪60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，

6、从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，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频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器，又使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。20世纪70年代以后，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，使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开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。稳压电源的主要功能 稳定电压当电网电压出现瞬间波动时，稳

7、压电源会以10-30ms的响应速度对电压幅值进行补偿，使其稳定在2%以内。第6页/共57页2023/4/177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（超过输出电压的+10%）、欠压保护（低于输出电压的-10%）、缺相保护、短路过载保护最基本的保护功能。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。隔离传导性EMI电磁干扰（可选）数控设备多采用AC/DC整流+PFC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离电网对设备的干

8、扰同时也能有效隔离设备对电网的干扰。防雷（可选）应具有的防雷击能力。第7页/共57页2023/4/178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线性稳压电源线性稳压电源中，调整元件串联在负载回路中，其作用就像一只可变电阻，输入电压或负载变化时，串联调整元件的压降改变，从而使输出电压稳定不变。当输入电压过高时，串联调整管的功耗很大，因此效率很低。当输入电压波动范围为20%时，5V稳压器的典型效率只有35%，输入电压波动范围小于16%时，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的)

9、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。第8页/共57页2023/4/179相控型稳压电源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，改变晶闸管的导通角，可使输出电压稳定不变。与线性稳压电源相比，由于调整元件(晶闸管)工作于开关状态，所以功耗较小，效率也较高，通常可达到70%。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。由于工作频率很低(50Hz)，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滤波电容的体积和重量也很大。开关型稳压电路在开关型稳压电源中，调整管工作于开关状态。输入电压或负载

10、变化时，改变控制信号的脉冲宽度，就可改变调整管的导通时间，从而使输出电压稳定不变。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90%以上。第9页/共57页2023/4/1710整流和滤波电路1.电路组成单相桥式整流电路如图3.1（a）所示，图3.1（b）是其简化电路。（a）电路原理图（b）电路简化图图3.1单相桥式整流电路第10页/共57页2023/4/1711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。电容滤波的特点(1)滤波后的输出电压中直流分量提高了，交流

11、分量降低了。(2)电容滤波适用于负载电流较小的场合。(3)存在浪涌电流。可在整流二极管两端并接一只0.01F的电容器来防止浪涌电流烧坏整流二极管。(4)RLC值的改变可以影响输出直流电压的大小。第11页/共57页2023/4/1712稳压电路并联型稳压电路并联型稳压电路如图3.2所示图3.2 并联型直流稳压电路其稳压过程分述如下：当交流电网波动而RL未变动时，若电网电压上升，则：UiULIZIURUL当电网未波动而负载RL变动时，若RL 减小，则ILIURULIZIURUL并联型稳压电路结构简单，但受稳压管最大电流限制，又不能任意调节输出电压，所以只适用于输出电压不需调节，负载电流小，要求不甚

12、高的场合。第12页/共57页2023/4/1713T1T2T3串联型稳压电路串联型稳压电路如图3.3所示。该电路由四部分组成。图3.3 串联型稳压电路(1)采样单元采样单元有R1、R2、和RP组成，与负载RL并联，通过它可以反映输出电压Uo的变化。(2)基准单元基准单元由限流电阻R3与稳压管T3组成（3）放大单元 放大单元由三极管T2组成。（4）调整单元调整单元由三极管T1组成，它是串联型稳压电路的核心元件。T1必须选择大功率三极管。第13页/共57页2023/4/17142.工作原理串联型稳压电路的自动稳压过程按电网波动和负载电阻变动两种情况分述如下：UiUoUfUBE2IB2IC2UCE2

13、UBE1IB1UCE1UoRLUoUfUBE2IB2IC2UCE2UBE1IB1UCE1Uo当Ui或RL时的调整过程与上述相反。由上分析可知，这是一个负反馈系统。正因为电路内有深度电压串联负反馈，所以才能使输出电压稳定。第14页/共57页2023/4/1715三端集成稳压器目前，集成稳压器已达百余种，并且成为模拟集成电路的一个重要分支。它具有输出电流大，输出电压高，体积小，安装调试方便，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三端及多端两种外部结构形式。输出电压有可调和固定两种形式：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。此外，还有

14、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。常用的型号有W78系列W79系列W317系列W337系列。第15页/共57页2023/4/1716高频开关整流器开关整流器是电源系统中最重要的部分，它的技术是否先进，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开关整流器技术性能的改进，其目的是使开关整流器的可靠性和效率得到很大提高，使其成本和高频电磁干扰降低。高频开关整流器的发展可靠性的提升可靠性是电源系统一个永恒的课题，随着集成技术的发展成熟，结构设计的趋于合理，高频开关电源采用的元器件的数量大大减少，电解电容、光耦合器及风扇等决定电源寿命的

15、器件质量也得到提高，以及增加了各种保护功能，使高频开关整流器的MTBF（平均无故障时间）延长，从而提高了可靠性。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。高频化以及高性能、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，各种滤波电路的应用使得输出杂音减小，其供电质量较相控整流器有了明显的提高。第16页/共57页2023/4/1717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。由于变压器工作频率的提高以及集成电路的大量使用，使得高频开关整流器的体积大大缩小。有些高频开关整流器内部有CPU，有些没有。但对于整个开关电源系统而言，都设有监控模块，采用智能

16、化管理，可与计算机通信，实现集中监控。高效率高效率也是高频开关整流器发展的趋势。功率器件生产技术的进步，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数趋于合理，即所谓的最简结构和最佳工况；功率因数校正技术的采用，使得高频开关整流器的效率大大提高。第17页/共57页2023/4/1718高频开关电源的特点重量轻、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节能高效一般效率在90左右。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1，且基本不受负载变化的影响。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5以下。维护简单、扩容方便模块化结构。可在运行

17、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有CPU和计算机通信接口，便于集中监控，无人值守。第18页/共57页2023/4/1719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。提高工作频率能使动态响应更快，这对于配合高速微处理器工作是必须的，也是减小体积的重要途径。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，使得整流器的可靠性和功率密度下降开发高性能的功率器件、电感、电容

18、和变压器，提高整机的可靠性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器的开发。第19页/共57页2023/4/1720通信高频开关整流器的组成传统的晶闸管相控整流器工作频率低，要求变压器和滤波元件的体积大，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也称为无工频变压器整流器，主要由主电路、辅助电路和控制电路三部分组成，如图3-4所示第20页/共57页2023/4/1721主电路高频开关整流器的主电路如图3-4所示，包括交流滤波、整流、功率因数校正、直流-直流（DC-DC）变换、直流滤波等。交流滤波：

19、交流滤波处于整流模块的输入端口，这一部分包含低通滤波、浪涌抑制等电路 整流电路一般采用无工频变压器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定的直流电源功率因数校正电路：为了消除由整流电路引起的谐波电流污染电网和减小无功损耗，必须用功率因数校正电路提升功率因数。直流-直流变换电路：由逆变和高频整流两部分组成，逆变部分将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设备所需要的直流低压（-48，-24V）。直流-直流变换电一般采用PWM方式控制。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 第21页/共57页2023/4/1722控

20、制电路除主电路这外的其它电路都可称之为控制电路，它包括检测放大电路U/W（电压/脉宽）转换电路或U/f（电压/频率）转换电路时钟振荡器（或恒频脉冲发生器）驱动电路及保护电路控制电路应为功率开关管激励信号，应能将主电路输出电压的微小变化转换成脉宽或频率变化，实现自动调整输出电压的目的。负载发生短路或过流时应有保护功能，辅助电源为控制电路提供必要的能源。辅助电源辅助电源提供高频开关整流器中控制电路等部分的直流电源电压，通常采用单端反激变换器。第22页/共57页2023/4/1723高频变换原理高频开关整流器的工作原理是市电直接由二极管整流后，经功率因数校正电路，功率变换电路，把直流电源变换成高频率

21、的交流电流，再经高频整流成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高频开关整流器的分类按调制方式分：有脉冲宽度调制（PWM）脉冲频率调制（PFM）混合调制按采用的开关技术分：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 软开关 工作在零电流关断和零电压导通状态 第23页/共57页2023/4/1724按主电路结构分为谐振型谐振型整流器是采用软开关技术设计的。开关损耗小，工作频率高，可达10MHz以上非谐振型采用硬开关技术设计。开关频率不能太高。但其电路结构比较简单，技术比较成熟按交流电的输入类型分为：单相三相按变换器的级数（

22、Stage）分为：单级（Singlestage）双级（Twostage）第24页/共57页2023/4/17253.2高频开关整流器主要技术高频开关元件在高频开关整流器中，功率转换电路是其主要组成部分，高频开关整流器的工作频率实际上就是功率转换电路的工作频率，它取决于开关管的工作频率。所以功率转换电路中高频开关管性能的高低（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。目前高频开关整流器采用的高频功率开关器件通常有：功率场控晶体管（MOSFET）绝缘门极晶体管（IGBT）两者混合管功率集成器件等等第25页/共57页2023/4/1726功率场控晶体管（功率MOSFE

23、T）功率MOSFET是一种单极型电压控制器件，其优点是具有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿和安全区宽等优点。功率MOSFET结构采用垂直导电沟道，并将许多小单元功率MOSFET管芯并联集成，故可增大漏极电流和功率。用大规模集成电路工艺将管芯并联构成的可称为VVMOSFET将VVMOSFET的V型槽尖顶削去的称为VUMOSFET采用双重扩期工艺制成的具有垂直导电双扩散VDMOSFET 图3-5 VMOS管的结构 图3-6 MOS管的符号第26页/共57页2023/4/1727功率MOSFET的工作原理当在NMOS管的栅极是加正电压，则氧化膜下P型层两边表面感应出负电荷，而形成N型导电沟道，同时

24、在漏极两极间加上正电压，电子从源极通过两个沟道，N-外延层，N+基片到达漏极，NMOS管电路原理如图3-7所示 图3-7 NMOS管原理图第27页/共57页2023/4/1728功率MOSFET的特性功率MOSFET管的主要性能指标用电压、电流和工作频率来衡量。电流与电压功率MOSFET电流以最大漏电流为指标（IDMAX）。它表示功率MOSFET工作在饱和状态下的漏极电流量，或某VGS输出特性曲线平坦区域的电流值，决定IDMAX的主要因素为单位管芯面积的沟道宽度，沟道宽度达则IDMAX值大。工作频率工作频率通常为30kHz100kHz。功率MOSFET的特点驱动功率小，驱动电路简单，功率增益高

25、，是一种电压控制器件。开关速度快，不需要加反向偏置。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功率MOSFET无二次击穿问题。第28页/共57页2023/4/1729功率MOSFET使用注意事项栅极电路的阻抗非常高，易受静电损坏。不能用常规电流电压表测试（包括万用表）。在进行引线焊接时，操作者应用佩带接地的专用腕带，且工作台与焊接工具均应接地，地面也应接地。导通时电流冲击大，易产生过电流。并联工作时，易产生高频震荡绝缘门极晶体管（IGBT）绝缘门极晶体管又称门极绝缘双极晶体管，简称IGBT，人们往往习惯性地称其为绝缘栅双

26、极晶体管，或绝缘栅晶体管，它是一种VMOSFET和双极型晶体管的复合器件。增强型沟道IGBT的简化等效电路如图3-8（a）所示。该结构相当于一个增强型沟道VMOSFET驱动PNP晶体管，其图形符号及工作电压极性和电流方向，如图3-5所示，图（b）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。第29页/共57页2023/4/1730IGBT具有以下特点：IGBT从输入端看，类似于VMOSFET，IGBT的导通和关断由栅极电压来控制，当栅射电压UGE大于开启电压VGE时，IGBT导通，当栅射电压小于开启电压时，IGBT截止。IGBT从输出端看，类似于双极型晶体管，导通压降小，饱和

27、压降一般在24V之间，故导通损耗小。此外，IGBT能够做得比VMOSFET耐压更高，电流容量更大。IGBT的开关速度在VMOSFET与双极型晶体管之间。IGBT存在擎住效应。光耦驱动电路常用的光耦合器发光二极管晶体管发光二极管晶体管型光耦合器是由砷化镓发光二极管和硅光敏晶体管组成。二极管二极管和晶体管放大型它用光敏二极管作受光器件，再用晶体管把光电流放大输出 第30页/共57页2023/4/1731常用的光耦合器电路举例（TLP250驱动电路）包括光耦合器、前级放大及比较器、触发器、功率放大器等部分 功率开关二极管由于工作频率高，它们不能采用普通硅整流二极管，而必须采用快恢复二极管、超快恢复二

28、极管或肖特基二极管等开关速度快的功率开关二极管。二极管的开关特性二极管反向恢复时间 二极管正向恢复时间 几种快速功率二极管快恢复二极管超快恢复二极管肖特基二极管第31页/共57页2023/4/1732具有共模电感的抗干扰滤波器抗干扰（EMI）滤波器由电感、电容组成，用于滤除噪声电压。噪声电压即干扰电压，包括尖峰电压、谐波电压和杂波电压，其频率较高。抗干扰滤波器在起抗干扰滤波作用的时，必须能够顺利流过主电路的工作电流，工作电流在抗干扰滤波器上应不产生压降。概念线路上两线之间的噪声电压称为差模噪声电压，两线共有的对地噪声电压称为共模噪声电压。电路中实际的噪声电压常是两者的合成通信用高频开关整流器中

29、，常用具有共模电感的抗干扰滤波器来作输入滤波器以及接在直流变换器后面的输出滤波器。工作原理 输入侧向输出侧传递的共模噪声抑制输出侧向输入侧传递的反灌共模噪声抑制L1与C1能抑制 接机壳电容的电容量限制对差模噪声的抑制 第32页/共57页2023/4/1733共模电感共模电感为对称的两线圈电感，两线圈的绕法及对应端如图3-13所示通常磁芯采用有较高导磁率的环形铁氧体，线圈匝数少，两线圈之间有足够的绝缘电压。工作回路的电流iw通过两线圈产生的两个磁动势iwN大小相等、方向相反，合成磁势为零，因此不产生沿着磁芯闭合的工作磁通，仅通过周围空间有少量漏磁通，磁路中可不设气隙。可见对工作电流而言，每个线圈

30、的电感都为零。图3-13共模电感共模噪声电流i分别通过两线圈（例如都从同名端流入）所产生的磁动势相加，总磁势为2Ni，共同产生沿磁芯闭合的磁通，在忽略漏感时能产生倍磁通。因此对共模噪声而言，两线圈的互感与自感使等效电感L1和L2都增大为自感的倍。第33页/共57页2023/4/1734功率因数校正电路功率因数的定义功率因数（PowerFactor，PF）的定义为有功功率与视在功率之比。整流器的功率因数为：P为输入有功功率；S为输入视在功率；UL为电网电压有效值；IR为输入电流有效值；I1为输入电流中的基波电流有效值；I1/IR为输入电流基波因数，COS为位移因数，即正弦基波电流与电网电压相位差

31、的余弦，又称相移功率因数。由上式可知，整流器的功率因数又可定义为基波因数与位移因数的乘积交流供电系统功率和功率因素的测量采用的仪器通常是电力谐波分析仪，如F41B。第34页/共57页2023/4/1735目前很多通信设备采用直流供电，需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题高次谐波及功率因数校正市电经整流后对电容充电，其输入电流波形为不连续的脉冲，如图2所示。这种电流除了基波分量外，还含有大量的谐波，其有效值I为 式中：I1，I2，In，分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量 谐波

32、电流使电力系统的电压波形发生畸变,我们将各次谐波有效值与基波有效值的比称之为总谐波畸变(THD)。THD用来衡量电网的污染程度。第35页/共57页2023/4/1736脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变，它对自身及同一系统的其它电子设备产生恶劣的影响，如引起电子设备的误操作，如空调停止工作等；引起电话网噪音；引起照明设备的障碍，如荧光灯闪灭；造成变电站的电容，扼流圈的过热、烧损。我们知道，功率因数定义为PF=有效功率/视在功率，是指被有效利用的功率的百分比。没有被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动，不仅增加线路损耗，而且成为污染源。抑制谐波分量即可达到减小THD，提高功率因数的目的。第

33、36页/共57页2023/4/1737功率因数校正的必要性i2的有效值与平均值之比大，要求整流元件的额定容量大；相应地i1持续时间短、峰值大，i1分解得出的正弦基波分量较小，且同uAC有相位差，故PF较小，约0.6左右；同时谐波分量大，对电网造成干扰；三次谐波电流在电网中线上叠加，可能使零线电流比相线电流大，零线可能发热损坏为解决上述问题，通信用高频开关整流器必须采用功率因数校正电路，使整流器的功率因数符合我国通信行业标准的规定。功率因素校正工作原理在开关整流器中，功率因素校正的基本方法有两种：无源功率因素校正和有源功率因素校正。第37页/共57页2023/4/1738无源功率因素校正电路无源

34、功率因素校正法是在开关整流器的输入端加入电感量很大的低频电感，以减小滤波电容充电电流尖峰。方法简单，但效果不理想，一般校正后的功率因素（PF）可达0.85，并且加入的电感体积大，增加了开关整流器的体积。因此目前用得较多的是有源功率因素校正。有源功率因素校正电路有源功率因数校正(APFC)电路主电路可以是升压型的(BOOST)电路，也可以是降压型的(BUCK)电路，其工作模式可以是连续导电(CCM)，也可以是不连续导电(DCM)，如果其输出带隔离变压器的话，根据隔离变压器的工作原理又分为正激式和反激式。有源功率因数校正（ActivePowerFactorCorrection，PFC）电路，目前多

35、采用平均电流模式控制的PWM升压变换器，控制芯片有UC3854、UC3854A/B等。第38页/共57页2023/4/1739有源功率因素校正电路的功能使整流器的输入电流基本上为正弦波，并与电网电压同相；实现预稳压，输出波形平滑且比较稳定的约400V直流电压。主电路升压变换器的输入电压：ui=ud(输入电压正弦波绝对值)升压变换器升压变换器由L、VT、VD和C2组成。功率开关管的开关频率至少为20kHz（相应的开关周期为50s），这就是说VT在交流电源每半个周期（10ms）内至少开关200次。为使功率因数校正电路的输出电压uo波形平滑并较稳定，驱动脉冲的占空比D必须有规律地变化。控制原理系统采

36、用双环路控制，即由稳压控制环路与输入电流波形控制环路来控制。第39页/共57页2023/4/1740功率转换电路在高频开关整流器中，将大功率的高压直流（几百伏）转换成低压直流（几十伏），是由功率转换电路完成的。转换标准一是功率转换过程中效率是否高；二是大功率电路其体积是否小。转换过程高压直流高压交流降压变压器低压交流低压直流 变压器体积与工作频率成反比 高压直流高压高频交流高频降压变压器低压高频交流低压直流的过程。PWM型功率转换电路谐振型功率转换电路时间比例控制稳压原理 第40页/共57页2023/4/1741集成PWM控制器脉宽调制控制电路脉宽调制（PWM）控制电路是开关电源的重要组成部分

37、。作用是产生PWM信号，向功率开关管或它的驱动电路提供前后沿陡峭、占空比可变、工作频率不变的矩形脉冲列。对PWM控制电路的基本要求满足开关电源输出电压稳定度及动态品质的要求；与主回路配合，使开关电源具有规定的输出电压值及其调节范围；能实现开关电源的软启动；能实现开关电源的过流、过压保护。现在PWM控制电路普遍采用单片集成PWM控制器，其型号较多，通常分为电压型控制器和电流型控制器两类，电流型控制又分为峰值电流模式控制和平均电流模式控制。电压型集成控制器只有电压反馈控制，可以满足开关电源稳定输出电压等要求。第41页/共57页2023/4/1742通信用高频开关整流器主电路举例 图3-28单相输入

38、的通信用高频开关整流器主电路举例第42页/共57页2023/4/1743均流电路自动稳压方式并联运行的整流器必须有均流措施，使其输出电流均衡。否则，由于各整流器的输出电压和等效内阻实际上不可能完全一致，其中有些整流器将会负载过重，从而影响系统的可靠性，甚至造成并联失败。均流电路作用均流电路用来使并联运行的整流器输出电流自动均衡。实现均流的方法在通信用高频开关电源中广泛采用的，主要是最大电流法均流和平均电流法均流。平均电流法自动均流平均电流法均流总线上的电压为各整流模块电流放大器输出电压的平均值。最大电流法自动均流自动设定主模块和从模块的方法，输出电流最大的整流模块自动成为主模块，其他模块则为从

39、模块。第43页/共57页2023/4/1744通信用高频开关整流器的若干技术指标效率效率是指电网电压为额定值、直流输出电压为稳压上限值、输出电流为额定值时，直流输出功率与交流输入有功功率之比的百分数。负载效应（负载调整率）负载效应是指交流输入电压为额定值，直流输出电流在额定值的5%100%范围变化，直流输出电压偏离整定值的变化率。源效应（电网调整率）源效应是指直流输出电流为额定值，交流输入电压在额定值的85%110%范围内变化，直流输出电压偏离整定值的变化率。稳压精度稳压精度是指交流输入电压在85%110%之间变化，负载电流在5%100%范围内变化，直流输出电压偏离整定值的变化率。第44页/共

40、57页2023/4/1745宽频杂音电压宽频杂音电压是指整流器输入电压与输出电流为额定值时，直流输出电压中一定频宽内的交流分量的方均根值。电话衡重杂音电压电话衡重杂音电压是指整流器输入电压与输出电流为额定值时，直流输出电压中的交流分量通过国际电信联盟规定的电话衡重网络(A)后测得的杂音电压值。峰峰值杂音电压峰峰值杂音电压是指整流器输入电压与输出电流为额定值时，直流输出电压中在020MHz频带内交流分量的峰峰间电压值。离散频率杂音电压离散频率杂音电压是指整流器输入电压与输出电流为额定值时，直流输出电压中在规定频带内单个频率的杂音电压。第45页/共57页2023/4/17463.3开关电源系统介绍

41、开关电源系统简述目前通信用高频开关整流器一般做成模块的形式开关电源系统组成交流配电单元直流配电单元整流模块监控模块监控单元监控单元是整个开关电源系统的“总指挥”，起着监控各个模块的工作情况，协调各模块正常工作的作用。监控单元主要实现对开关电源系统的信息查询、参数设置、系统控制、告警处理、电池管理和后台通信等功能。从监控对象的角度我们将监控模块分为交流配电单元监控单元、整流模块监控单元、蓄电池组监控单元、直流配电单元监控单元、自诊断单元和通信单元6个功能单元第46页/共57页2023/4/1747开关电源系统示意图 图3-33开关电源系统示意图第47页/共57页2023/4/1748交流配电单元

42、监控单元监测三相交流输入电压值（是否过高、过低，有无缺相、停电），频率值，电流值以及MOA避雷器是否保护损坏等情况。能显示它们的值以及状态，当不符合事先设定的值时，发出声光告警，记录相关事件发生的详细情况，以备维护人员查询。整流模块监控单元监测整流模块的输出直流电压、各模块电流及总输出电流，各模块开关机状态、故障与否、浮充或均充状态以及限流与否。控制整流模块的开关机、浮充或均充。显示相关信息以及记录事件发生的详细情况。蓄电池组监控单元监测蓄电池组总电压、充电电流或放电电流，记录放电时间以及放电容量、电池温度等。第48页/共57页2023/4/1749直流配电单元监控单元监测系统总输出电压、总输

43、出电流、各负载分路电流以及各负载分路熔丝和开关情况。自诊断单元监测监控单元本身各部件和功能单元工作情况。通信单元设置与远端计算机连接的通信参数（包括通信速率、通信端口地址），负责与远端计算机的实时通信。第49页/共57页2023/4/17503.4开关电源系统的故障处理与维护维护的意义为了确保通信设备正常工作，对高频开关电源的故障处理和维护是一项非常重要的工作。开关电源虽然具有很多优点，但设备发生故障是难免的，对故障的迅速、正确排除，减少故障所造成的损失是项重要的基本任务。智能化的开关电源也需要人工维护目前开关电源已实现智能化。通过接口与计算机相连实现集中监控，当系统发生故障时，系统监控单元能

44、显示故障事件发生的具体部位、时间等等。维护人员利用监控单元的这些信息能初步判断故障的性质。但由于目前高频开关电源系统智能化程度还远远没有达到真正能代替人的所谓“人工智能”的程度，很多实际故障发生后的判断处理仍然需要有经验的电源维护人员根据故障现象，进行缜密分析，作出正确的检查、判断及处理。第50页/共57页2023/4/1751系统检查维修的基本步骤当设备发生故障后，需进行维修。系统检查维修的基本步骤如下：查看系统有无声光告警指示由于开关电源系统各模块均有相应的告警提示，如整流模块故障后其红色告警指示灯点亮，同时系统蜂鸣器发出声告警。观察具体故障现象或告警信息提示例如观察具体故障现象与监控单元

45、提示是否一致，有无历史告警信息等，有时可能会出现处理故障的检修方法，即可完成故障检修。形成处理故障的检修方法根据故障现象或告急信息，对本开关电源作出正确的分析即形成处理故障的检修方法，即可完成故障检修。第51页/共57页2023/4/1752开关电源的故障分类开关电源的故障可分为正常的告警类故障、非正常告警类故障、功能丧失类不告警故障以及性能不良不告警故障四类，如图3-34所示。图 3-34 故障分类第52页/共57页2023/4/1753正确的告警类故障这一故障发生时，系统配电模块、整流模块会有相应的故障指示，查看监控的单元由相应的告警信息，各监控单元提示的故障信息与实际情况一致。非正常告警

46、类故障这一类故障发生时，虽然系统有故障灯亮、告警声响等现象，但情况与监控单元告警信息不一致或监控单元无相应告警信息。功能丧失类不告警故障这一类故障发生时，系统的功能发生异常或丧失，但系统没有任何告警提示。性能不良不告警故障这一类故障发生时，系统检测的参数不符合系统性能指标，发生检测不准或参数不对等情况。在实际检修过程中，可以根据故障现象归入上述一种或多种情况。第53页/共57页2023/4/1754故障检修流程图3-35 故障检修流程第54页/共57页2023/4/1755本章小结高频开关电源的地位与优点高频开关整流器作为通信电源系统的核心，其优点可归为纳体积小、重量轻；功率因数高；节能高效；

47、稳压精度高、可闻噪音低；维护简单、扩容方便；智能化程度较高。高频开关整流器组成高频开关整流器由主电路和控制电路、检测电路、辅助电源组成。开关整流器稳压原理开关整流器稳压原理是时间比例控制的原理，即通过改变开关接通时间和工作周期的比例，来调整输出电压。具体方式有：脉冲宽度调制方式，脉冲频率调制方式和混合调制方式。功率因数校正的基本方法在高频开关整流器中，功率因数校正的基本方法有两种：无源功率因数校正和有源功率因数校正。高频开关整流器中主要的滤波电路高频开关整流器中主要的滤波电路有：输入滤波、工频滤波和输出滤波。第55页/共57页2023/4/1756开关电源的故障种类开关电源的故障多种多样，可分为正常告警类故障、非正常告警类故障、功能丧失类不告警故障、性能不良不告警故障，应根据系统的实际情况，作出不同的检修流程图，加以分析判断。第56页/共57页2023/4/1757感谢您的观看！第57页/共57页