开关电源技术C资料讲解

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1、开关电源技术,北京邮电大学培训中心 闫 石,课程内容,一、概论 二、开关电源变换器原理技术 三、开关电源变换器实例 实验,参考文献,1. 开关电源的原理与设计 张占松、蔡宣三 编著 2. 智能型高频开关电源系统的原理使用与维护 -王家庆 主编 人民邮电出版社 3. 通信用高频开关电源 人民邮电出版社 4. 电力电子技术 丁道宏 主编 航空工业出版社 5. 现代通信电源技术,一、开关电源概论,1.通信电源的分级,变电站,备用发 电机组,市 电 油机 转 换,整流器,直流屏,蓄电池,交流不间断电源,通信设备,通信设备,市电,第一级电源 (Primary Power Supply),第二级电源 (S

2、econdary Power Supply),第三级电源 (Tertiary Power Supply),2.开关电源的定义,开关变换器: 凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一形态的主电路都叫做开关变换器电路。 开关电源: 转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节。,开关电源基本构成框图,整 流,滤 波,开关电源控制器,Uin,Uout,开关电源的特点,1.重量轻，体积小: 是相控电源体积的1/10 2. 功率因数高: 相控 0.7 ,小负载 0.3， 有功率因数的开关电源在0.93以上 3.可闻噪声低: 工频变压器 大于60 dB ,开关电源 45dB 4. 效率高: 一般8

3、8%以上， 5. 冲击电流小: 可接近额定电流 6.模块式结构: 可更换模块， 2M的19英寸机架 48V/1000A, 输出功率60KW,开关电源的特点,7. 稳压精度高 : 可达0.2% 8. 维护、监控方便: 对与较大的电源系统可采用计算机进行监控,通信中对开关电源的要求,欧洲通信标准化委员会制定的第二级电源与通信设备界面上的技术规范(ETS300132) 直流电压允许变化范围 -40.5 -57 VDC 直流电压变化 直流冲击电流 5I 额定 (10ms) 杂音电压 无线电频率干扰符合EN55022或IEC CISPR22标准 安全、接地要求等,通信中对开关电源的要求,主要技术要求:

4、电压变动范围要求、频率变化要求、波形要求。 电压暂降、短时中断和电压变化的要求: IEC1000-4-11;GB/T17626.11 浪涌耐量要求(雷击): IEC801-5; IEC1000-4-5; GB/T 17626.5 无线电频率干扰要求: EN55022,CISRR22; GB9254 谐波电流要求: IEC1000-3-2, IEC 1000-3-4 安全、接地要求,通信中对开关电源的要求,直流输出电压及其调节范围 48V系统 : 48.00V 57.60 (充电) 静态稳压精度 整流器输出限流和电池充电限流 功率限制/恒功率输出特性,通信中对开关电源的要求,输出端杂音电压 电话

5、衡重杂音: 2mv 峰峰值杂音: 0 300Hz, 400mv 宽频杂音电压: 3.4KHz 150 KHz, 100mv有效值 150KHz 30MHz, 30mv有效值 离散频率杂音电压: 3.4 150KHz 5mv 有效值; 150 200KHz 3mv 有效值; 200 500KHz 2mv 有效值; 0.5 30MHz 1mv 有效值;,通信中对开关电源的要求,动态响应 EMC要求 并联运行 效率 功率因数 电流谐波 可靠性,相关国家标准,GB/T 762-1996 标准电流 GB/T 2423.1-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试 验A：低温试验方法 GB/T 2433

6、.2-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试 验B：高温试验方法 GB/T 2423.9-1989 电工电子产品基本环境试验规程 试验Cb：设备用恒定湿热试验方法 GB/T 2423.10-1995 电工电子产品基本环境试验第二部分，试验方法试验Fc和导则：振动(正弦),相关国家标准,GB/T 2828-1987 逐批检查计数抽样程序及抽样表(适 用于连续批的检查) GB/T 2829-1987 周期检查计数抽样程序及抽样表(适用于生产过程稳定性的检查) GB/T 3859.1-1993 半导体变流器 基本要求的规定 GB/T 3873-1993 通信设备产品包装通用技术条件 GB/T 4

7、720-1984 电控设备 第一部分 低压电器电控 设备 GB/T 16821-1997 通信用电源设备通用试验方法,相关国家标准,YDN 023-1996 通信电源设备和空调集中监控系统技术要求 YD/T 638.3-93 通信电源设备型号命名方法 YD/T 944-1998 通信电源设备的防雷技术要求和测试方法 YD/T 983-1998 通信电源设备电磁兼容性限值及测量方法 SJ2811.2-87 通用直流稳定电源测试方法,3.开关电源变换器的基本手段,1. PWM变换器: 脉宽调制法( Pulse Width Modulation ): 保持开关频率恒定但改变接通时间长短(脉冲的宽度)

8、，使负载变化时，负载电压变化不大 PWM开关变换器: 用脉宽调制方式控制电子开关的开关变换器,3.开关电源变换器的基本手段,PWM开关变换器实现的优点和不足 优点:控制容易，技术成熟，适应范围广， 输入电流突然停电时，输出电压保持时间长:例如计算机系统 不足:开关损耗大，频率不能很高,软开关: 用控制方法使电子开关在其两端电压为零时导通电流，或使流过电子开关电流为零时关断。,3.开关电源变换器的基本手段,2.谐振变换器: 谐振: 串联谐振:正弦电压加在理想的(无寄生电阻)电感和电容串联电路上，当正弦频率为某一值时，容抗与感抗相等，电路的阻抗为零，电路电流达无穷大 并联谐振:正弦电压加在理想的电

9、感和电容并联电路上，当正弦频率为某一值时，容抗与感抗相等，电路的总导纳为零，电感、电容元件上的电压为无穷大 ZVS(零电压开通): 电子开关器件两端电压振荡为零时，使电子开关导通流过电流。 ZCS(零电流关断): 流过电子开关器件的电流振荡到零时，使电子开关断开。,3.开关电源变换器的基本手段,谐振变换器: 利用谐振现象，使电子开关器件上电压或电流按正弦规律变化，以创造零电压开通或零电流关断的条件，以这种技术为主导的变换器。 串联谐振变换器 并联谐振变换器,3.开关电源变换器的基本手段,准谐振: 当正向和反向LC回路值不一样，即振荡频率不同，电流幅值也不同，所以振荡频率不对称，一般正向正弦半波

10、大于负向正弦半波。 准谐振变换器: 利用准谐振现象，使电子开关器件上的电压或电流按正弦规律变化，从而创造了零电压或零电流的条件，以这种技术为主导的变换器 多谐振变换器: 谐振回路、参数超过两个的变换器,3.开关电源变换器的基本手段,3.零开关-PWM变换器 在准谐振变换器中，增加一个辅助开关控制的电路，使变换器一周期内，一部分时间按ZCS或ZVS准谐振变换器，另一部分时间按PWM变换器工作，称为ZCS-PWM变换器或ZVS-PWM变换器,4.开关变换器的分类,按输入和输出的隔离性: 有隔离和无隔离 按拓扑结构分: Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta 按激励

11、形式: 自激式: 单管式、推挽式 他激式: 调频、调宽、调幅、谐振 PWM: 正激式、反激式、半桥式和全桥式 谐振: 串联谐振、并联谐振、串并联谐振 零电压开关和零电压开关,二、开关电源 基础电路,开关电源的功率转换电路模型 控制电路 谐振变换器 功率因数校正电路,基本电路模型 - Buck 变换器,降压变换器、串联开关稳压电源 开关闭合时，电能储存于电感和电容中(同时也馈向负载)。 开关打开后，储存于电感和电容中的能量继续供给负载。 二极管构成电流回路,降压型转换器,基本电路模型 - Boost 变换器(升压型),开关闭合，电感中储存能量。 开关打开时，电感中储存的能量通过二极管供给负载，同

12、时对电容充电。 负载电压跌落时，电容再放电，输出可获得高于输入的电压。,基本电路模型 Buck-Boost (反转电路),开关接通，电感中流过电流，储存能量。 开关断开，电感中电流流向负载。 由于二极管的接法，负载得到反极性的电压。 负载电压跌落时，电容再向负载放电。,基本电路模型 Flyback (回扫型),回扫型变换器,回扫型开关电源,隔离低损耗 容易实现多种电源输出 高效率 在较高工作频率下(例如400KHz以上)体积小巧,特性分析,简化的电路原理图,开关电源的功率转换电路,1.单端反激式变换器,电路特点,变压器初级磁通是单向的，故称该变压器为单端变压器 输出电容器C和负载在开关管截止时

13、从变压器次级获得能量，故称为反激式。,反激式变换波形器,特性分析,反激式: 在V1导通期间V3反偏，V1截止时V3正偏，供给负载功率 耐压: V1集电极承受最大电压值: Vcemax = Uin+nUomax 变压器: 利用率不高 应用: 一般利用在小功率场合,实际电路举例,单端他激式开关电源,UC3842,保护环节,电路特性,1. 输入电压 : 95 VAC to 130 VAC(50 Hz/60 Hz) 2. 隔离电压 : 3750 V 3. 开关频率 : 40 KHz 4. 效率 满负荷 : 70 % 5. 输出电压 : A. + 5 V, 5 % : 1 A to 4 A load 纹

14、波 : 50 mV P-P Max. B. + 12 V, 3 % : 0.1 A to 0.3 A load 纹波 : 100 mV P-P Max. C. -12 V, 3 % : 0.1 A to 0.3 A load 纹波 : 100 mV P-P Max.,VIPer100 典型应用,2.单端正激变换电路,正激式变换器波形,i,特性分析,正激: 导通时输入馈电给负载，截止时L供电给负载。 耐压: 单管正激，开关管最大电压为2Uin 双管正激，开关管最大电压为 Uin 变压器: 单管变压器利用率不高，工艺制作上要求加馈能线圈 用途: 双管正激并联电路输出功率大，输出方波频率加倍，易于滤

15、波。开关管耐压减半约为输入电压Uin,取消变压器馈能线圈等优点。因此，广泛应用大功率变换电路中，可靠性高，简单的电路。,+,_,+,_,+,Uin,Uout,RL,Io,Lo,V3,V4,iL,T,C,双正激开关电路,K1,K2,电路特点,(1) 两个正激电路并联，T1和T2反相180驱动，功率增大一倍，输出频率增加一倍，纹波及动态响应改善。 (2) K1和K2串联(K3、K4), 开关管耐压减半; (3) 取消了反馈线圈，V1、V2、V3、V4为馈能路径，降低了变压器的制作工艺等要求; (4) 具有死区限制特性，两部分电路不存在共态导通问题，可靠性较高。,3.推挽式功率变换电路,+,V1,V2,Uin,L,_,+,W1,W2,Uout,推挽式功率变换电路典型波形图,t,Uce,t,Ic,T,Toff,Ton,0,0,Uin,2Uin,电路特点,优点: 功率器件发射极相连，两组基极驱动电路彼此间就无需隔离，使得驱动电路和过流保护电路简化。 只要两个高压开关管便能获得较大功率的输出。 缺点: 开关管必须承受较高的电压大于2Uin，为防止磁心材料的偏磁饱和，电路的两个开关管饱和特性和开关特性要求各种工作条件和温度下都尽可能配对，更增加了选择元器件的难度。 原边绕组只有一半时间工作，高频变压器利用率太低 应用