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1、第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源 7.2 有源功率因数校正装置 7.3 不间断电源 7.4 晶闸管中频电源 7.5 通用变频器,高 校 教 材 网,http:/,现代电力电子技术已经成为信息产业与传统产业之间的重要接口，强电与弱电之间的重要桥梁。它不仅是机电一体化中的一项关键技术，而且也是在广泛的应用领域里支持多项高新技术发展的基础技术。当微电子技术与电力电子技术紧密结合时，具有现代电力电子技术特征的应用装置就显示了它独到的功能。,第七章 电力电子装置应用实例,高 校 教 材 网,http:/,随着全控型器件(目前主要是功率MOSFET与IGBT)的广泛应用以及脉宽调制(PWM)
2、技术的成熟，高频开关稳压电源获得极快发展。,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,7.1.1 概述,开关稳压电源简称开关电源（Switching Power Supply），其基本工作原理是：将电网50Hz的交流电直接进行整流滤波变为高压直流电，通过开关管组成的逆变电路得到2050kHz的高频交流电，再经过高频变压器降压后进行整流和滤波，得到所需的直流电。,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,开关电源的核心部分是用全控型器件在逆变电路中以高频率的开通与关断进行功率变换，故此类电源简称开关电源。由于功率管工作在开关状态，变压器和滤波器工作在
3、高频状态，所以开关电源效率高，体积小。,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,本节以某产品28V/100A开关电源为例，分析主电路与脉宽调制(PWM)控制的工作原理。该电源主要技术指标如下： 输入电压：单相交流220V15% 输出电压：直流28V 输出电流：100A 电压调整率：1% 负载调整率：1% 输出纹波：Urms50mV、Urp-p150mV 额定效率：80% 功率因数：0.8 MTBF(平均无故障时间)：6000h,高 校 教 材 网,http:/,7.1.2 开关电源主电路工作原理,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,调压稳压
4、的基本原理是：当开关电源由于负载减小或交流输入电压的升高引起输出直流电压升高时，由PWM环节控制，使逆变器中IGBT导通时间缩短，逆变器输出脉宽变窄，从而使输出电压下降；反之使逆变器输出脉宽变宽，由此实现输出直流电压的稳定与调节。,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,图7-1 开关电源的原理框图,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,图7-2为开关电源主电路，220V交流输入，经开关S、电源滤波器、桥式整流，变换为300V左右的直流电，再经限流电阻(200/8W四个并联)输入高频逆变器，进行功率变换。逆变
5、器为电压型半桥式电路，由两只IGBT管(VIl、VI2)、电容（C1、C2）以及高频变压器组成，将直流电变换为20kHz的正负矩形波电压。该高频交变电压经变压器T1降压后，送至全波整流与滤波电路，得到稳定的28V直流电压。,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,图7-2 开关电源主电路,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,1、半桥式逆变器的工作原理,图7-3 半桥式逆变电路,电压型逆变器的特点是输出电压为矩形波、输出电流近似正弦波，电路如图7-3所示。,高 校 教 材 网,http:/,2、高频整流 20
6、kHz高频交流的整流由高频变压器和全波整流电路组成。高频变压器对电路工作是十分重要的，其作用是电压变换、功率传递和输入、输出隔离。工作时要防止变压器磁路饱和，否则励磁电流会大大增加。,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,3、滤波、软启动和软开关 高频装置必须考虑射频干扰(RFI)与电磁干扰(EMI)以及谐波影响，用于有效抑制和吸收电网可能出现的强脉冲对电源的干扰，同时线路滤波器具有良好的共模和差模插入损耗，有效地抑制电源产生的高频干扰信号影响电网。 开关电源一般设置交流限流延时，当交流电源合闸时，为了
7、限止对大电容的充电电流，防止整流桥过流，在合闸时串接限流电阻(200/8W)，一般调整在500ms后将电阻短接。,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,3、滤波、软启动和软开关 软启动功能是指在脉宽调制控制中，启动时使IGBT管驱动信号的脉宽由零逐渐展宽，使直流输出电压与电流逐步建立，避免启动冲击。 软开关技术是高频开关电路中实现零电压开通(ZVS)、零电流关断(ZCS)的先进技术，是减少开关损耗，提高开关频率和取消缓冲电路的有效手段。,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,7.1.3 控制电路,图7-4
8、CW494集成脉宽调制器管脚排列及内部功能框,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,CW494集成脉宽调制器是控制部分的核心。该集成块与美国TEXAS公司生产的TL495功能一致。其管脚排列及内部功能框图如图7-4所示。 1、锯齿波振荡器 振荡频率由5、6脚外接RT、CT参数决定f1/(RTCT)，对于双端输出，其振荡频率调整为2倍的逆变器频率（40kHz）。,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,2、脉宽调制控制(PWM) 脉宽调制主要由PWM比较器实现，振荡器产生的锯齿波经反相输入比较器负端，与两个误差
9、放大器输出的误差电压进行比较，其输入输出波形如图7-5所示，当误差电压小于锯齿波电压(已反相)时输出低电平，当误差电压大于锯齿波电压时，输出高电平。图中画出了两种不同误差电压时，比较器输出脉冲的波形。改变误差电压即可方便地调节脉冲宽度。,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,图7-5 PWM比较器输入输出波形,高 校 教 材 网,http:/,3、死区时间控制 对于桥式逆变电路，从一个IGBT管关断到另一个IGBT管导通之间，必须留有死区时间，死区时间由死区控制比较器来实现。CW494的最小输出死区时间由4脚外接电阻设定，通常设定死区时间约为振荡周期
10、的5%。,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.1 开关电源,4、稳压与过电压、过电流保护 稳压和保护功能由两个误差放大器来完成。通常误差放大器输入“负”端接基准电压，可由14脚分压供给，“正”端接开关电源的电压、电流采样信号。当交流输入欠电压或过电压时误差电压增大，使误差电压与锯齿波无交点，不输出脉冲，封锁逆变桥，实现过电压、欠电压保护。,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.2 有源功率因数校正装置,7.2.1 概 述,随着电力电子技术的发展，越来越多的电力电子设备接入电网运行。这些
11、设备的输入端一般是桥式整流和电容滤波电路，其二极管只有在输入电压大于直流输出电压时才导通，时间很短。因此，输入电流是尖顶波，造成交流输入电流严重畸变，由此产生大量的谐波注入电网。,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.2 有源功率因数校正装置,7.2.1 概 述,电网谐波电流不仅引起变压器和供电线路过热，影响电器的性能，并且产生电磁干扰，影响其他电子设备正常运行。许多国家和组织制订了限制用电设备谐波的标准，对用电设备注入电网的谐波和功率因数都作了明确具体的限制。这就要求生产电力电子装置的厂家必须采取措施来抑制其产品的谐波，提高功率因数。,高 校 教 材 网,htt
12、p:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.2 有源功率因数校正装置,抑制谐波的传统方法是采用无源校正，即在主电路中串入无源LC滤波器。该方法虽然简单可靠，并且在稳态条件下不产生电磁干扰，但是，它有以下缺点： 1、滤波效果与电网阻抗、频率有关，动态性能差。 2、滤波元件可能会与电网阻抗发生并联谐振，导致系统无法正常工作。 3、滤波要求越高，滤波器体积越大。,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.2 有源功率因数校正装置,解决上述问题的有效方法是在整流桥与滤波电容之间加一级功率因数校正环节。在电力电子设备中采用功率因数校正(PFC)技术，对于降低高次谐波电流对电网的干
13、扰、提高设备效率、节约能源是十分必要的。,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.2 有源功率因数校正装置,7.2.2 有源功率因数校正的工作原理 有源功率因数校正技术(Active Power Filter Correction，简称APFC或PFC)就是在传统的整流电路中加入有源开关，通过控制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的变化，从而获得接近正弦波的输入电流和接近l的功率因数。目前，单相电路的PFC技术已经成熟，三相PFC电路处于研制阶段。,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.2 有源功率因数校正装置,图7-6 升压PF
14、C电路,有源功率因数校正电路的形式多种多样，从原理上说，任何一种DC/DC变换电路都可用作PFC主电路。,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.2 有源功率因数校正装置,PFC的工作原理如下：输出电压Uo与基准电压Ur比较后，误差信号经电压误差放大器VA放大后送入乘法器，与全波整流电压取样信号相乘以后形成基准电流信号。基准电流信号与电流反馈信号相减，误差信号经电流误差放大器CA后再与锯齿波相比较形成PWM信号。,高 校 教 材 网,http:/,第七章 电力电子装置应用实例,7.2 有源功率因数校正装置,然后经驱动电路控制主电路开关S的通断，使电流跟随基准电流信号变化。由于基准电流信号同时受输入交流电压和输出直流电压的控制，因此，当电路的实际电流与基准电流一致时，既能实现输出电压恒定，又能保证输入电流为正弦波，并且与电网电压同相，从而获得接近于1的功率因数。,高 校 教 材 网,http:/,集成电路UC3854是美国Unitrode公司生产的PFC控制专用器件，也是目前使用最多的一种PFC集成控制电路，用于控制图7-6所示的PFC变换电路。它内部集成了PFC控制电路所需要的所有功能，应用时，只需增添少量的外围电路，便可构成完整的PFC控制电路。,第七章 电力电子装置应用实例,7.2 有源功率因数校正装置,7.2.3 PFC集成控制电路UC
