现代电源技术A课件

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1、1,现代电源技术,教程,2,参考教材： 开关电源 实用技术 设计与应用 周志敏 周纪海 编著 人民邮电出版社 新型智能开关电源技术 刘贤兴 李众 李捷辉 编著 机械出版社,3,教程的目的与要求： 现代电源技术是一门涉及众多学科的的复杂技术，应用领域很广，是电力电子从业人员必修的一门课程 修完该课程应达到以下基本要求 1，了解电源技术的现状，发展，及研究热点 2，熟悉电源关键器件特性类型及应用 3，掌握电源各种先进技术 4，学会简易电源的设计方法，安装及调试技能 5，学会计算机软件仿真，分析方法 成绩评定： 总成绩理论分实践分（包含平时分） 课程内容安排,4,第一章 现代电源技术概述 11 电源

2、技术的现状与发展 1-1-1 功率半导体技术的现状与发展 1-1-2 电源技术的新进展 12 电源的构成及特点 1-2-1 现代电源的构成原理及特点 1-2-2 开关电源的分类 1-3 电源主要参数分析 第二章 电源中的电力电子器件与基础电路 21 电力电子器件 22 基础电路 2-2-1 EMI滤波电路 2-2-2 整流与滤波电路 2-2-3 功率变换电路 2-2-4 控制与驱动电路 2-2-5 保护电路,5,第三章 现代电源领域新技术 31 PFC技术 32 同步整流技术 33 软开关技术 34 高频磁技术 35 均流技术 36 DC/DC变换技术 第四章 电源中的电子变压器 41 变压器

3、的设计与计算 42 变压器的典型应用 第五章 开关电源电磁兼容性所涉及的内容 51 EMI产生的形式 52 EMS的测量 53 雷电产生的EMP 54 ESD的性能指标 第六章 开关电源的设计与应用,6,第一章 现代电源技术概述 11 现代电源技术的现状与发展 现状：溶入先进的电路技术PFC技术，同步整流技术 ， 软开关技术 高频磁技术，均流技术，DC/DC技术 先进的半导体技术PIC器件，模块器件 PWM/MOSFET复合IC功率开关 智能模块 IPM 如：TOPSwitch系列 仙童1M系列 ST的VIPer 系列 三星公司KA系列 水平： 效率高达93 稳压精度 0。5 功率因数 单相

4、0。970。999 噪声电压宽频噪声，衡重噪声 发展方向：高效率，小型化，集成化，智能化高可靠性,7,1-1-1 功率半导体技术新进展 功率开关器件发展阶段 50年代 60年代 70年代 80年代 90年代 可控硅 SCR 快速晶闸管 可关断晶闸管GTO 1 高压GTO 大容量大功率高性能 （晶闸管） 2 IGCT 省吸收与IGBT结合 3 MCT 优势互补 （MOS晶闸管） 电力晶体管GTR 1 IGBT 1 高速IGBT 2 功率MOSFET 2低电荷功率 MOSFET 水平： SCR -8000A/12KV 光控SCR-4000A/8KV 快速SCR-800A/2KV /20KHZ GT

5、R-800A/1800V/2KHZ ,600A/1400V/5KHZ ,3A/600V100KHZ 功率MOSFET-60V/200A/2MHZ 500V/50A/100KHZ IGBT 1，UIGBT-满足低电压驱动和表面,8,功率二极管的发展 PIN功率二极管 SBD肖特基势垒功率二极管 耐高压，大电流， 极高的开关频率 低泄漏电流低导通损耗 开关频率不高 不适于高电压大电流的应用 POWER-IC 器件的发展 PWM/MOSFET 二合一IC 集功率开关，控制电路，保护电路与一体， 性价比较高。 TOPS wich系列二合一功率IC TOP220, TOP230, TOP250, 仙童公

6、司 5L系列 0380 1M系列 0880 广泛应用于小家电，通讯设备等 IGBT功率模块 复合功率模块PIM 智能功率模块IPM 电力模块IPEM 电力电子模块PEEB 水平 12001800A 600A 1800-3300V 2000V,9,1-1-2 电源领域技术新进展 功率因数校正（PFC）技术 PFC的概念起源于1980年 ，重视和推广在80年代末，主要制定了IEC555-2，IEC1000-3-2 使得研究 PFC术研究成为 电源界热点 现在关注：一是二级PFC技术，二是单级PFC技术 同步整流技术 同步整流的概念：当输出为低电压大电流时整流损耗成为功率变换器主要损耗所以提出采用低

7、导通电阻的MOSFET进行整流。 同步整流是通过控制MOSFET的驱动电路来利用功率MOSFET实现整流功能的技术 发展：同步整流技术出现得较早，但早期的技术很难转换为产品，这是由于当时驱动 技术不成熟，可靠性不高。经过几年的发展，同步整流技术已经成熟。由于开发成本 的原因，目前只在技术含量较高的开关电源模块中得到应用。 优势：同步整流技术提高了电源效率，它同时给 电源模块带来了许多新的进步。 同步整流技术符合高效节能的要求，适应新一代芯片电压的要求，有着非常广阔的应 用前景。但目前只有较少的公司掌握了该项技术，并且实现的成本也很高，而且还有 很多应用领域未得到开拓。随着用于同步整流的MOSF

8、ET批量投入市场，专用驱动芯片 的出现，以及控制技术的不断完善，同步整流技术将成为一种主流电源技术，逐步应 用于广泛的工业生产领域。,10,软开关技术 软开关技术的概念：是利用电容于电感谐振使得开关器件中电流（电压）按正弦或准正弦规律 变化。当电流过另时，器件关断；当电压过另时，器件开通，实现开关损耗为另 软开关技术：可分为1，PFM 2, PWM 3 , PS方式 发展动态：自20世纪80年代中期起，采用PWM控制技术的高功率密度DC/DC变换器模块走进了世界市场。如今，已广泛应用在各种领域中。1997年，在已经行了将近30年的世界范围的软开关基础理论研究之后，美国Vicor开关电源公司最先

9、推出了VI300系列软开关高密度DC/DC产品。第二代产品是以Vicor公司有专利权的零电流开关（ZCS）和零电压开关（ZVS）软开关控制技术为基础，结合了控制集成、封装、铁氧体、噪音和散热技术等方面的最新成果，产品达到了与理想功率器件极为接近的境地。第二代产品与第一代产品相比，功率密度增加了两倍，即为120W/in3。第二代产品的出现预示着它们将是DC/DC变换器未来的主流产品。 DC/DC技术 研究热点：低电压大电流高功率DC/DC变换技术，已从前些年的3。3 V降至现在的1。1V左右，电流目前已可达几十安至几百安。同时，电源的输出指标，如纹波，精度，效率，欠冲，过冲等技术指标也得到进一步

10、提高。使得这一分支的研究在当今乃至今后一段时间多将成为电源的研究热点。,11,高频磁技术： 电力电子高频磁技术是将电力电子技术与磁技术结合起来高频磁技术 是电力电子技术中的重要内容。功率磁元件是所有电源中必不可少的关键器件。它担负着磁能传递，储存以及滤波功能。其体积和重量一般占到电路20 30 10年内重点发展：高频低功耗高磁导率材料和片式化的表面贴装软磁 材料在非晶软磁金金属和磁记录材料方面，发展纳米材料 70年代初20KHZ电子变压器取代了工频变压器使得变压器体积减小6080重量减轻75 ，目前开关频率已从20KHZ提高到10MHZ,12,12 电源的构成与分类 1 开关电源的基本构成 开

11、关电源的基本电路如图21所示 输入回路 功率变换器 Vi 滤波 整流及滤波 功率开关 高频变压器 整流 滤波 V 0 AC/DC DC/DC PWM控制器 输入回路将交流输入电压整流成为较平滑的直流高压 功率变换器将直流高压变换为频率大于20KHZ的高频脉冲电压 整流及滤波电路将高频脉冲电压转换稳定的直流输出电压 PWM控制器将输出直流电压进行取样控制功率器件的驱动脉冲宽度，从而调整开通 时 间以使输出电压可调且稳定。 2 开关电源的特点 （1）重量轻，体积小 采用高频技术，去掉了工频变压器，在同等的输出功率下，体积。重量可缩减10/1 （2）功率因数高 经PFC的开关电源功率因数一般都在0。

12、93以上而且不受负载的变 化 影响 （3）可听噪声低 在线性电源中，工频变压器及滤波电感产生噪声大于60分贝，而开 关电源仅为45分贝左右。 （4）效率高 带PFC的开关电源整机效率可达88，较好的可达91以上。,13,(5)冲击电流小 开机冲击电流可限制在额定输入电流水平 3 开关电源的分类 开关电源按电流种类的入出可分为AC/DC, DC/DC两大类 DC/DC类开关电源 DC/DC类开关电源是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流载波器 按工作方式：一是脉宽调制方式T不变改变调制频率t；二是频率调制方式t不变，改变T 具体电路有以下几类： 1 Buck电路称为降压载波器，U0小

13、于Ud,，极性入出相同 2 Bost电路称为升压载波器，U0大于Ud ， 极性入出相同 3 Buck-Bost降压或升压载波器 U0大于或小于U d极性入出相反，电感传输 4 Cuck 电路 降压或升压载波器 U0大于或小于U d极性入出相反，电容传输 AC/DC 变换器 AC/DC变换器是将交流变换为直流，电路结构形式有多种 1按驱动方式分，有自励式和他励式； 2按工作方式分，有单端正激和反激，推挽式，半桥式，全桥式，降压式，升压式和升降压 式等， 3 按电路组成分 ，有谐振型和非谐振； 4按控制方式分，有PWM式，PFM式，PWM与PFM混合式； 5按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，

14、有隔离式非隔离式和变压器耦合式，光电耦合式,14,13 开关电源几个主要技术参数分析 1 输出电压精度 2 电压调整率 3 负载调整率 4 输出纹波与噪音 5 温度系数 6 效率 7 功率因数 8 功率密度,15,第二章 电源中的电力电子器件与基础电路 21 电力电子器件 1,功率MOSFET 功率MOSFET是以金属层的栅极隔着氧化层，利用电场的效应来控制半导体的场效应晶体管 功率MOSFET按导电沟道可以为P沟道和N沟道；按栅极电压幅度可以分成 耗尽型（当栅极电压为零时漏，源极之间就存在导电沟道）和增强型（对于 N(P)沟道器件，栅极电压大于或小于零时才存在导电沟道，功率MOSFET 主要是N沟道增强型。 功率MOSFET的结构 功率MOSFET的内部结构和电气符号如图21所示 功率MOSFET大都采用垂直导电结构,又称为VMOSFET 工作原理 截止 导通,16,功率MOSFET的基本特性 静态特性：