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1、,整流与变换设备,,本 章 内 容,通信整流技术的发展 通信高频开关整流器的组成 高频开关整流器主要技术 开关电源系统简述 监控单元日常操作介绍 开关电源系统的故障处理与维护,,本章重点、难点,本章重点 通信高频开关整流器的组成及原理 开关电源系统组成及原理 本章难点 功率因数校正电路 高频开关整流器滤波电路 电磁兼容性问题 开关电源系统的故障处理与维护,,本章的目的和要求,掌握通信高频开关整流器的组成框图和各部分的作用，理解高频开关整流器的优点。 掌握开关电源系统各模块的组成结构及各模块的作用，理解监控单元各功能单元的具体作用。 掌握高频开关整流器主要技术在整流器中的作用与地位，掌握主要功率
2、开关器件MOSFET、IGBT特点，理解功率转换电路原理、PFC电路基本思想，理解电磁兼容性概念以及高频整流器中滤波电路的主要形式。 理解监控单元日常操作方法，了解开关电源系统的故障处理与维护的步骤方法。 了解通信用整流器发展历史及趋势。,,通信整流技术的发展概述,整流与变换的内容提要,1,通信高频开关整流器的组成,2,高频开关整流器主要技术,3,监控单元日常操作,5,开关电源系统简述,4,开关电源系统的故障处理与维护,6,日常检查项目内容、方法及意义,7,,5.2.1 通信整流技术的发展概述,高频开关整流器的特点 1重量轻、体积小。适合于分散供电方式。 2节能高效。一般效率在90左右。 3功
3、率因数高。 4稳压精度高、可闻噪音低。 5维护简单、扩容方便。 6智能化程度较高。,,5.2.2 高频开关电源系统的组成,高频开关系统由交流配电单元、整流模块、直流配电单元和监控模块组成开关电源系统。,,1、主电路,交流输入滤波：处于整流模块的输入端，包括低通滤波器、浪涌抑制等电路。其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂音反馈到公共电网。 整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，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：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来提升功率因数。 逆变：将直流电变为高频交流电，这是高频开关的核心部分，在一定范围
4、内，频率越高，体积重量与输出功率之比越小。 输出整流与滤波：由高频整流滤波及抗电磁干扰等电路组成组成，提供稳定可靠的直流电源。,,2、控制电路,一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。,,3、检测电路,除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据供值班人员观察、记录。,,4、辅助电源,提供开关整流器本身所有电路工作所需的各种不同要求的电源（交直流各种等级的电压电源）。,,5.2.2.2 高频变换减小变压器体积原理,U=4BSfN （51）
5、式中：U是变压器电压，单位为V B是磁通，单位为Gs S是变压器铁芯截面积，单位为2 F是变压器工作频率，单位为Hz N是变压器绕组匝数 从公式51可以看出，在变压器电压和磁通（与电流有关）一定的情况下，即变压器功率一定的情况下，工作频率越高，变压器的铁芯截面积可以做得越小，绕组匝数也可以越少。,,5.2.2.3 高频开关整流器分类,DCAC逆变电路是高频开关整流器的主要组成部分。根据其工作原理的不同，高频开关整流器可分为PWM型和谐振型两类。 PWM型高频开关整流器具有控制简单，稳态直流增益与负载无关等优点，整流器中的功率开关器件工作在强迫关断和强迫导通方式下，在开关截止和导通期间有一定的开
6、关损耗，而且开关损耗随开关频率的提高而增加，故限制了整流器开关工作频率进一步提高。 谐振型高频开关整流器则可以使其工作在更高的频率下工作而开关损耗很小，其又可分为串联谐振型、并联谐振型和准谐振型几种，目前应用较为普通的是准谐振型高频开关整流器。,,5.2.3 高频开关整流器主要技术,5.3.1功率转换电路 5.3.2高频开关元器件 5.3.3功率因数校正电路,,5.2.3.1 功率转换电路,根据DCAC逆变电路工作原理的不同，高频开关整流器可分为PWM型和谐振型两类。 功率转换电路：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,,1. PWM型功率转换电路,PWM型功率转换电路控制简
7、单，有推挽、全桥、半桥以及单端反激，单端正激等形式 。 开关管在导通和关断时的损耗大。主要是由于开关管的通断都是强制的（有时称为硬开关）。在开关过程中，开关管的电压、电流波形存在交叠的现象，从而产生了开关损耗（p=u*i）。,,推挽式功率转换电路及波形,,工作原理,当BG1导通时，变压器初级电流途径为：E（）N1BG1E（），变压器次级导电回路为：N2（5）D2RLN2（3）。 当BG2导通时，变压器初级导电回路为：E（）N1BG2E（），变压器次级导电回路为：N2（4）D1RLN2（3）。,,强制通断时电压和电流的交叠,,2谐振型功率转换电路,利用谐振现象，通过适当地改变开关管的电压、电流波
8、形关系来达到减小开关损耗的目的。 谐振型功率转换电路有串联、并联和准谐振几种。 准谐振功率转换电路又分为两种，一种是零电流谐振开关式，一种是零电压谐振开关式。,,3时间比例控制稳压原理,改变开关接通时间ton和工作周期T的比例，亦即改变脉冲的占空比，来调整输出电压的方法，称为“时间比例控制”,缩写为TRC TRC有三种实现方式，即脉冲宽度调制方式（PWM） ，脉冲频率调制方（ PFM）和混合调制方式。,,开关型稳压电源示意图,,工作原理,开关以一定的时间间隔重复地接通和断开，输入电流断续地向负载端提供能量。经过储能元件（电感L和电容C2）的平滑作用，使负载得到连续而稳定的能量。,,TRC控制方
9、式,TRC有三种实现方式，即脉冲宽度调制方式，脉冲频率调制方式和混合调制方式。 （1）脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，缩写PWM），PWM方式指开关工作周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。 （2）脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，缩写PFM），PFM是指导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率（即工作周期）来改变占空比的方式。 （3）混合调制，是指导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。,,5.2.3.2 高频开关元器件,高频功率开关器件通常有功率MOSFET、IGBT管、以及两者混合
10、管、功率集成器件等等。,,1功率场控晶体管（功率MOSFET）,依据导电沟道可分PMOS管和NMOS管。 以NMOS管为例，当在NMOS管栅极施加正压，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，同时在漏源两极间加上正电压，电子从源极通过两个沟道，N外延层，N基片到达漏极。,,（1）功率MOSFET结构,,功率MOSFET的特性,主要性能指标用电压、电流、工作频率来衡量。 电压以漏极击穿电压（BVDS）为指标。 电流以最大漏极电流（IDmax）为指标。 由于功率MOSFET为少子导电器件，开关时间很短。工作频率通常为30KHz100KHz。,,特点,一种电压控制器件，不需要加反向
11、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。 在高温运行时，不存在温度失控现象。 无二次击穿问题。 大电流工作过程，因温度升高而使导通电阻增大许多倍，故导通功耗大。,,2绝缘门极晶体管（IGBT）,是一种混合器件，集MOSFET与GTR于一身 。 当栅极的正向电压驱动时，MOSFET内形成沟道，且为PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。,,结构,,特点,为混合器件，驱动功率容量小，也是一种电压型器件 导通过程压降小，元件电流密度大。 关断时会出现电流拖尾现象，所以关断时间长，使工作频率受到限制。,,3.MOSFET与IGBT的混合管,目的是结合了MOSFET工作频率
12、快（无拖尾）和IGBT导通压降小的优点。,,MOSFET与IGBT结合实例,,5.2.3.3 功率因数校正电路,功率因数PF（Power Factor）是指交流输入有功功率P与视在功率S的比值。,基波因数，即基波电流有效值I1与电网电流有效值IR之比。 IR：电网电流有效值 I1：基波电流有效值 UL：电网电压有效值 cos：基波电流与基波电压的位移因数,,提高功率因数的方法,当线性电路且为纯电阻性负载时，PF=1 在感性线性负载电路，无谐波电流 ，采用移相电容器来补偿无功功率，便可提高cos, PFcos 在非线性电路中(如开关型整流器),通过功率因数校正电路将畸变电流波形校正为正弦波，同时
13、迫使它跟踪输入正弦电压相位的变化 。,,无功功率因数校正的开关电源存在的问题,（1）谐波严重污染公共电网，干扰其他用电设备。 （2）在输出功率一定的条件下，输入电流有效值较大，增大了传输线衰耗。 （3）增加了前级设备的功率容量，如UPS，发电机组、电源线、路断器规格等，增加了基建投资。 （4）当采用三相四线制供电时，三及三的倍数的谐波在中线中同相位，合成后中线电流大，有可能超过中线配制的线径，会造成中线严重过载，而且按安全规定，中线无保护装置，这将造成中线过热，引起火灾。,,3、功率因数校正工作原理,基本方法有两种：无源功率因数校正和有源功率因数校正。 （1）无源功率因数校正法：在开关整流器的
14、输入端加入电感量很大的低频电感 （2）有源功率因数校正法：减小输入电流谐波，而且使输入电流与输入电网电压几乎同相为正弦波，从而大大提高功率因数PF 。目前大功率场合应用较广泛的PFC电路有：恒频峰值电流控制技术和平均电流控制技术等 。,,平均电流控制技术方式 PFC,,工作原理,在Boost PFC电路中，Q管导通，L贮能，通过电感的电流IL增加，而Q管截止时，二极管D导通，电容C充电，流过电感电流IL减小。这样使电感电路中电流IL可跟踪基准信号波形。即IL的平均值I与整流后的电压波形接近同相。,,5.2.3.4 滤波电路和电磁兼容性,所谓电磁兼容是指各种设备在共同的电磁环境中能正常工作的共存状态。其英文缩写为EMC ，简单的分为骚扰（disturbance）和抗扰（immunity）。 为了抑制噪声影响自身和外界，高频开关整流器内部电路一般采用滤波、屏蔽、接地、合理布局、选择电磁兼容性能更好的元件和电路并，在安装开关电源时，注意输入线路和输出线路的隔离、输出线绞合或平行配线、机架地线合信号地线分开、配置必要的输入浪涌抑制等等。,,1高频开关整流器滤波电路,高频开关整流器中主要的滤波电路分为输入滤波、工频滤波和输出滤波。 输入滤波是接在交流电网和开关整流器输入之间的滤波装置，其作用是抑制交流电网中的高频干扰串入整流器，同时也抑制整流器对
