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1、现代电力电子技术在开关电源中的应用,现代电力电子技术在开关电源中的应用,1开关电源的背景简介 2开关电源的原理及工作方式 3电力电子技术在开关电源中的发展前景,1开关电源的背景简介,1.1 开关电源的背景 1.2 开关电源的组成,1.1 开关电源的背景,开关电源又称开关稳压电源，指起电压调整功能的器件始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。 开关电源最早起源于上世纪50年代初，美国宇航局以小型化、轻量化、为目标，为搭载火箭开发了开关电源。 20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入
2、快速发展时期。 21世纪是信息化的时代，信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。,1.2 开关电源的组成,从开关电源的组成来看，它主要由两部分组成：功率级和控制级。功率级的主要任务是根据不同的应用场合及要求，选择不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件考虑设计成本；控制级的主要任务则是根据电路电信号选择合适的控制方式，目前的开关电源以PWM控制方式居多。,图1 开关电源实物图,2.开关电源的原理及工作方式,2.1工作原理 2.2控制方式 2.3开关电源的优缺点 2.4开关电源的应用,2.2.1 工作原理,50Hz单相交流220V电压或三相交流22
3、0V/380V电压经EMI防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波，然后再将滤波后的直流电压经变换电路变换为数十或数百kHz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。通过取样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。,图1 开关电源原理框图,2.2.2控制方式,开关管占空比定义为：D=Ton/Ts； 其中Ts为开关管的开关周期,Ton为一个周期内导通用时间 。 两种改变占空比的控制方式 ： 1）脉冲宽度调制控制(PWM) 2）脉冲频率调制控制(PFM) 图2 开关电源原理方框图,1） 脉冲宽度控
4、制：保持开关频率(开关周期Ts)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。 2）脉冲频率控制：保持导通时间Ton不变，通过改变开关频率(即开关周期)而达到改变占空比的目的。 工作频率不固定，造成滤波器设计困难。,图3 PWM控制方式,2.3 开关电源的优缺点,开关电源优点： （1）功耗小、效率高； （2）体积小、重量轻； （3）稳压范围宽； （4）电路形式灵活多样； 开关电源缺点： 主要是存在开关噪声干扰。,2.4 开关电源的应用,2.4.1 主电路 主电路采用半桥变换电路，额定输出直流电压为220V，输出电流为10A。,图4 直流操作电源电路原理图,2.4 开关电源的
5、应用,2.4.2 各功能块的具体电路简介： (1) 交流进线滤波器 作用：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源内部，干扰开关电源的正常工作。该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。 电路结构： Cc1、Lc和Cc2构成的低通滤波器用来抑制共模干扰信号，其中Lc称为共模电感，其两组线圈匝数相等，但绕向相反，对差模信号的阻抗为零，而对共模信号产生很大的阻抗。 Cd1、Ld和Cd2构成的低通滤波器则用来抑制差模干扰信号。 图5 交流进线EMI滤波器,2.4 开关电源的应用,2.4.3 启动浪涌电流抑制电路 小功率电源：在整流桥的直流侧和滤波电容之间串联具有负温度系数的热敏电阻
6、。 大功率电路：将上述热敏电阻换成普通电阻，同时在电阻的两端并接晶闸管开关。 2.4.4 输出整流电路 小功率电源通常采用半波整 流电路，而对于大功率电源 则采用全波或桥式整流电路。,图6 半波整流电路,2.4 开关电源的应用,2.4.5 控制电路（SG3525） 该开关电源采用双环控制方式，电压环为外环控制，电流环为内环控制。输出电压的反馈信号UOF与电压给定信号UOG相减，其误差信号经PI调节器后形成输出电感的电流给定，再与电感电流的反馈信号IOF相减得电流误差信号，经PI调节器后送入PWM控制器SG3525，然后与控制器内部三角波比较形成PWM信号。该PWM信号再通过驱动电路去驱动主电路
7、IGBT。 2.4.6 IGBT驱动电路 该驱动模块为混合集成电 路，将IGBT的驱动和过 流保护集于一体，能驱动 电压为600V和1200V系列 电流容量不大于400AIGBT。,图7 IGBT驱动电路,2.4 开关电源的应用,2.4.7 PWM控制器SG3525引脚说明 脚：误差放大器反相输入端； 脚：误差放大器同相输入端； 脚：同步信号输入端，同步脉冲的频率应比振荡器频率fS要低一些； 脚：振荡器输出； 脚：振荡器外接定时电阻RT端，RT值为2k150k； 脚：振荡器外接电容CT端，振荡器频率为fS 1/CT(0.7RT+3R0);其中R0为脚与脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间，定时电
8、容范围为0.001F0.1F； 脚：振荡器放电端，外接电阻来控制死区时间，电阻范围为0500； 脚：软起动端，外接软起动电容，该电容由内部Uref的50A恒流源充电。 脚：误差放大器的输出端； 脚：PWM信号封锁端，该脚为高电平时，输出驱动脉冲信号被封锁,用于故障保护 脚：A路驱动信号输出； 脚：接地; 脚：输出级集电极电压； 脚：B路驱动信号输出； 脚：电源，其范围因为8V35V； 脚：内部+5V基准电压输出。,图8.8 SG3525的内部结构,3. 电力电子技术在开关电源中的发展前景,1、小型化、薄型化、轻量化、高频化开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积；在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。 2、高可靠性开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。 3、低噪声开关电源的缺点之一是噪声大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。4、采用计算机辅助设计和控制采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。,谢 谢！,
