典型电力电子装置介绍.

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1、第8章 典型电力电子装置介绍 第8章 典型电力电子装置介绍 8.1 开关电源 8.2 UPS不间断电源 8.3 有源功率因数校正器 第8章 典型电力电子装置介绍 8.1 开关电源 8.1.1 开关电源的基本工作原理 1 线性稳压电源的工作原理及其特点 稳压电源通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。 电子技术课程中所介绍的直流稳压电源一般是线性稳压电 源, 它的特点是起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区 ， 其原理框图如图8-1所示, 由50Hz工频变压器、整流器、滤 波器和串联调整稳压器组成。 第8章 典型电力电子装置介绍 图 8-1 线性稳压电源 第8章 典型电力电子装置介绍 它的基本工作

2、原理为：工频交流电源经过变压器降压、 整流、滤波后成为一稳定的直流电。图8-1中其余部分是起 电压调节，实现稳压作用的控制部分。电源接上负载后， 通过采样电路获得输出电压，将此输出电压与基准电压进行 比较。如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电 路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压 增加，直到与基准值相等；如果输出电压大于基准电压， 则通过调节器使输出减小。 第8章 典型电力电子装置介绍 这种稳压电源具有优良的纹波及动态响应特性， 但同时 存在以下缺点： (1) 输入采用50 Hz工频变压器， 体积庞大。 (2) 电压调整器件（如图8-1所示的三极管）工作在线性 放大区

3、内，损耗大，效率低。 (3) 过载能力差。 第8章 典型电力电子装置介绍 2 开关稳压电源的基本工作原理 开关稳压电源简称开关电源（Switching Power Supply）， 这种电源中，起电压调整，实现稳压控制功能的器件始终以开 关方式工作。图8-2所示为输入输出隔离的开关电源原理框图 。 图 8-2 开关电源的基本框图 第8章 典型电力电子装置介绍 其主电路的工作原理为：50 Hz单相交流220 V电压或三相 交流220 V/380 V电压首先经EMI防电磁干扰的电源滤波器滤波 （这种滤波器主要滤除电源的高次谐波），直接整流滤波（不 经过工频变压器降压，滤波电路主要滤除整流后的低频脉

4、动谐 波），获得一直流电压；然后再将此直流电压经变换电路变换 为数十或数百千赫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。 控制电路的工作原理是：电源接上负载后，通过取样电路 获得其输出电压，将此电压与基准电压做比较后，将其误差值 放大，用于控制驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比 ，使输出电压升高（或降低），以获得一稳定的输出电压。 第8章 典型电力电子装置介绍 3 开关稳压电源的控制原理 开关电源中，变换电路起着主要的调节稳压作用，这是通 过调节功率开关管的占空比来实现的。设开关管的开关周期为T ， 在一个周期内，导通时间

5、为ton，则占空比定义为Dtont。 在开关电源中，改变占空比的控制方式有两种，即脉冲宽度调 制（PWM）和脉冲频率调制（PWF）。在脉冲宽度控制中，保 持开关频率（开关周期T）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， 即D越大，滤波后输出电压也 就越大；D越小，滤波后输出电压越小, 如图8-3所示。 第8章 典型电力电子装置介绍 图 8-3 PWM控制方式 第8章 典型电力电子装置介绍 频率控制方式中，保持导通时间ton不变，通过改变频率 （即开关周期T）而达到改变占空比的一种控制方式。 由于 频率控制方式的工作频率是变化的，造成后续电路滤波器的 设计比较困难，因此

6、，目前绝大部分的开关电源均采用PWM 控制。 第8章 典型电力电子装置介绍 4 开关稳压电源的特点 开关稳压电源具有如下的优点： (1） 功耗小、 效率高。 开关管中的开关器件交替工作在导通截止导通的开 关状态，转换速度快， 这使得功率损耗小，电源的效率可以 大幅度提高，可达9095。 (2） 体积小、重量轻。 开关电源效率高， 损耗小，可以省去较大体积的散热器 ； 用起隔离作用的高频变压器取代工频变压器，可大大减小 体积，降低重量；因为开关频率高，输出滤波电容的容量和 体积也可大为减小。 第8章 典型电力电子装置介绍 (3） 稳压范围宽。 开关电源的输出电压由占空比来调节，输入电压的变化 可

7、以通过占空比的大小来补偿。这样，在工频电网电压变化 较大时， 它仍能保证有较稳定的输出电压。 (4） 电路形式灵活多样。 设计者可以发挥各种类型电路的特长， 设计出能满足不 同应用场合的开关电源。 开关电源的缺点主要是存在开关噪声干扰。 第8章 典型电力电子装置介绍 在开关电源中，开关器件工作在开关状态，它产生的交 流电压和电流会通过电路中的其它元器件产生尖峰干扰和谐 振干扰，对这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除 和屏蔽，就会严重影响整机正常工作。此外，这些干扰还会 串入工频电网，使电网附近的其它电子仪器、设备和家用电 器受到干扰。因此，设计开关电源时，必须采取合理的措施 来抑制其本身

8、产生的干扰。 第8章 典型电力电子装置介绍 8.1.2 隔离式高频变换电路 在开关稳压电源的主电路中，调频变换电路是核心部分 ， 其电路形式多种多样，下面介绍输入输出隔离的开关电源 常用的几种高频变换电路的结构和工作原理。 1 正激式变换电路（Forward） 所谓正激式变换电路，是指开关电源中的变换器不仅起 着调节输出电压使其稳定的作用，还作为振荡器产生恒定周 期T的方波， 后续电路中的脉冲变压器也具有振荡器的作用 。 第8章 典型电力电子装置介绍 该电路的结构如图8-4（a）所示。工频交流电源通过电源 滤波器、整流滤波器后转换成该图中所示的直流电压Ui；V1为 功率开关管，多为绝缘栅双极型

9、晶体管IGBT（其基极的驱动电 路图中未画出）；TR为高频变压器；L和C1组成LC滤波器；二 极管VD1为半波整流元件，VD2为续流二极管；RL为负载电阻； Uo为输出稳定的直流电压。 当控制电路使V1导通时，变压器原、副边均有电压输出且 电压方向与图示参考方向一致，所以二极管VD1导通，VD2截止 ， 此时电源经变压器耦合向负载传输能量，负载上获得电压， 滤波电感L储能。 第8章 典型电力电子装置介绍 当控制电路使V1截止时，变压器原、副边输出电压为零 。 此时，变压器原边在V1导通时储存的能量经过线圈N3和二 极管VD3反送回电源。变压器的副边由于输出电压为零，所 以二极管VD1截止，电感

10、L通过二极管VD2续流并向负载释放 能量，由于电容C1的滤波作用，此时负载上所获得的电压保 持不变，其输出电压为 式中k为变压器的变压比，D为方波的占空比, N1 , N2为变压器 原、副边绕组的匝数。由上式可看出，输出电压Uo仅由电源 电压Ui和占空比D决定。 第8章 典型电力电子装置介绍 图 8-4 正激变换电路 (a) 原理图； (b) 开关管驱动波形； (c) VF波形 第8章 典型电力电子装置介绍 2 半桥变换电路 半桥变换电路又可称为半桥逆变电路，如图8-5（a）所示 。 工频交流电源通过电源滤波器、整流滤波器后转换成图中 所示的直流电压Ui；V1、V2为功率开关管IGBT；TR为

11、高频变 压器， L、C3组成LC滤波电路，二极管VD3、VD4组成全波整 流元件。 第8章 典型电力电子装置介绍 图 8-5 半桥变换电路及波形 (a) 电路； (b) 波形 第8章 典型电力电子装置介绍 半桥变换电路的工作原理：两个输入电容C1、C2的容量相同 ， 其中A点的电压UA是输入电压Ui的一半，即有UC1UC2 Ui 2。 开关管V1和V2的驱动信号分别为ug1和ug2，由控制电路产 生两个互为反相的PWM信号，如图8-5（b）所示。当ug1为高电 平时， ug2为低电平，V1导通，V2关断。电容C1两端的电压通过 VD1施加在高频变压器的原边，此时uV1Ui2，在V1和V2共同

12、关断期间，原边绕组上的电压为零，即uV10。当ug2为高电平 期间，V2导通，V1关断，电容C2两端的电压施加在高频变压器 的原边， 此时uV1 -Ui2。其波形如图8-5（b）所示。可以看 出，在一个开关周期T内，变压器上的电压分别为正、 负、 零 值， 这一点与正激变换电路不同。为了防止开关管V1、V2同时 导通造成电源短路，驱动信号ug1、ug2之间必须具有一定的死区 时间，即二者同时为零的时间。 第8章 典型电力电子装置介绍 当uV1Ui2时，变压器副边所接二极管VD3导通，VD4 截止，整流输出电压的方向与图示Uo方向相同；当uV1-Ui 2时，二极管VD4导通，VD3截止，整流输出

13、电压的方向也与 图示Uo方向相同；在二极管VD3 、VD4导通期间， 电感 L 开始储能。在开关管V1、V2同时截止期间，虽然变压器副边 电压为零，但此时电感L释放能量，又由于电容C3的作用使输 出电压恒定不变。 第8章 典型电力电子装置介绍 半桥变换电路的特点为，在一个开关周期T内，前半个周期 流过高频变压器的电流与后半个周期流过的电流大小相等，方 向相反，因此，变压器的磁芯工作在磁滞回线BH的两端，磁 芯得到充分利用。在一个开关管导通时，处于截止状态的另一 个开关管所承受的电压与输入电压相等，开关管由导通转为关 断的瞬间，漏感引起的尖峰电压被二极管VD1或VD2箝位，因 此开关管所承受的电

14、压绝对不会超过输入电压，二极管VD1、 VD2还作为续流二极管具有续流作用， 施加在高频变压器上的 电压只是输入电压的一半。欲得到与下面将介绍的全桥变换电 路相同的输出功率，开关管必须流过两倍的电流，因此半桥式 电路是通过降压扩流来实现大功率输出的。另外，驱动信号ug1 和ug2需要彼此隔离的PWM信号。 半桥变换电路适用于数百瓦至数千瓦的开关电源。 第8章 典型电力电子装置介绍 3 全桥变换电路 将半桥电路中的两个电解电容C1和C2换成另外两只开关管 ， 并配上相应的驱动电路即可组成图8-6所示的全桥电路。 图 8-6 全桥变换电路 第8章 典型电力电子装置介绍 驱动信号ug1与ug4相同，

15、ug2与ug3相同，而且ug1、ug4与ug2、 ug3互为反相。其工作原理如下： 当ug1与ug4为高电平，ug2与ug3为低电平时，开关管V1和V4 导通，V2和V3关断，电源电压通过V1和V4施加在高频变压器的 原边，此时变压器原边电压为uV1Ui。当ug1和ug4为低电平， ug2与ug3为高电平时，开关管V2和V3导通，V1、V4关断，变压 器原边电压为uV1-Ui。与半桥电路相比，初级绕组上的电压 增加了一倍， 而每个开关管的耐压仍为输入电压。 第8章 典型电力电子装置介绍 图8-6中变压器副边所接二极管VD5、VD6为整流二极管， 实现全波整流。电感L、电容C组成LC滤波电路，实

16、现对整流 输出电压的滤波。 开关管V1、V2、V3和V4的集电极与发射极之间反接有箝位 二极管VD1、VD2、VD3和VD4，由于这些箝位二极管的作用， 当开关管从导通到截止时，变压器初级磁化电流的能量以及漏 感储能引起的尖峰电压的最高值不会超过电源电压Ui，同时还 可将磁化电流的能量反馈给电源，从而提高整机的效率。全桥 变换电路适用于数百瓦至数千瓦的开关电源。 除了上述变换电路外，常用的隔离型高频电路还有反激型 变换电路、推挽型变换电路和双正激型变换电路。 第8章 典型电力电子装置介绍 8.1.3 开关电源的应用 图 8-7 直流操作电源电路 (a) 主电路； 第8章 典型电力电子装置介绍 图 8-7 直流操作电源电路 (b) 控制电路 第8章 典型电力电子装置介绍 1 交流进线EMI滤波器 电磁干扰EMI为英文ElectroMagnetic Interference的缩写。 为了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