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1、第第3章章 整流与变整流与变换换主要内容主要内容通信整流技术的发展通信整流技术的发展高频开关整流器高频开关整流器高频开关整流器的组成高频开关整流器的组成高频开关整流器主要技术高频开关整流器主要技术开关电源系统简介开关电源系统简介开关电源系统开关电源系统开关电源各单元功能开关电源各单元功能开关电源系统的故障处理与维护开关电源系统的故障处理与维护2024/7/241第第3章章 整流与变整流与变换换重点难点重点难点本章重点本章重点整流技术整流技术功率因数校正技术功率因数校正技术DC/DC转换技术转换技术均流技术均流技术电源整流设备中的常用器件电源整流设备中的常用器件监控单元日常操作监控单元日常操作开
2、关电源系统的故障处理开关电源系统的故障处理本章难点本章难点功率因素校正技术功率因素校正技术高频开关整流器功率转换技术高频开关整流器功率转换技术2024/7/242第第3章章 整流与变整流与变换换我们知道，电子设备所需的我们知道，电子设备所需的直流电源直流电源，一般都是采用，一般都是采用由交流电网供电由交流电网供电，经，经“整流整流”、“滤波滤波”、“稳压稳压”后获得。后获得。整流：整流：指指把大小、把大小、方向方向都变化的交流电变成都变化的交流电变成单向脉动单向脉动的的直流电直流电，能完成整，能完成整流任务的设备称为流任务的设备称为整流器整流器。滤波：滤波：指指滤除脉动直流电中的滤除脉动直流电
3、中的交流成分交流成分，使得，使得输出波形平滑输出波形平滑，能完成滤波，能完成滤波任务的设备称为任务的设备称为滤波器滤波器。稳压：稳压：指指输入电压波动输入电压波动或或负载变化负载变化引起引起输出电压变化输出电压变化时，能时，能自动调整使输自动调整使输出电压维持在原值出电压维持在原值。通信整流技术的发展通信整流技术的发展经历的几代变革经历的几代变革20世纪世纪50年代末的年代末的饱和电抗器控制饱和电抗器控制的的稳压稳压稳流稳流硒整流器硒整流器；20世纪世纪60年代的年代的硅二极管硅二极管稳压稳流整流器；稳压稳流整流器；20世纪世纪60年代末年代末70年代初稳压稳流年代初稳压稳流可控硅整流器可控硅
4、整流器；20世纪世纪80年代末年代末90年代初的年代初的高频开关整流器高频开关整流器；3.1 概述概述2024/7/243第第3章章 整流与变整流与变换换几个概念几个概念整流整流整流整流就是调整气流、水流或电流的形态就是调整气流、水流或电流的形态整流电路整流电路整流电路整流电路是利用是利用二极管的单向导电性二极管的单向导电性将正负变化的交流电压将正负变化的交流电压变为单向变为单向脉动电压的电路脉动电压的电路。在交流电源的作用下，在交流电源的作用下，整流二极管周期性地整流二极管周期性地导通导通和和截止截止，使使负载负载得到得到脉动脉动直流电直流电。在电源的正半周，二级管导通，使负载上的电流与电压
5、。在电源的正半周，二级管导通，使负载上的电流与电压波形形状完全相同；在电源电压的负半周，二极管处于反向截止状态，波形形状完全相同；在电源电压的负半周，二极管处于反向截止状态，承受电源负半周电压，负载电压几乎为零。承受电源负半周电压，负载电压几乎为零。 常用的整流电路有：常用的整流电路有：半波整流半波整流全波整流全波整流桥式整流桥式整流工频：工频：指工业上用的交流电源的频率，单位赫兹（指工业上用的交流电源的频率，单位赫兹（Hz）它是电气质量的重要）它是电气质量的重要指标之一。工频一般指市电的频率指标之一。工频一般指市电的频率,在我国是在我国是50Hz,其他国家也有其他国家也有60Hz的的 202
6、4/7/244第第3章章 整流与变整流与变换换整流器整流器整流器整流器是把是把交流电交流电（AC）转换为转换为直流电（直流电（DC）装置的总称装置的总称。 它它有两个主要功能有两个主要功能将交流电（将交流电（AC）变成直流电）变成直流电(DC)，经滤波后，经滤波后供给负载供给负载，或者，或者供给逆变供给逆变器器；给蓄电池提供充电电压给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用。因此，它同时又起到一个充电器的作用。 通信整流技术的发展通信整流技术的发展20世纪世纪50年代末年代末的饱和电抗器控制的稳压稳流的饱和电抗器控制的稳压稳流硒整流器硒整流器20世纪世纪60年代年代的硅二极管取代
7、硒整流片的稳压稳流的硅二极管取代硒整流片的稳压稳流硅整流器硅整流器20世纪世纪60年代末年代末70年代初年代初稳压稳流稳压稳流可控硅整流器可控硅整流器，20世纪世纪80年代末年代末90年代初年代初的的高频开关整流器高频开关整流器通信用整流设备经历了几代变革。通信用整流设备经历了几代变革。90年代以后，随着年代以后，随着计算机控制技术计算机控制技术、功功率半导体技术率半导体技术和和超大规模集成电路生产工艺超大规模集成电路生产工艺的飞速发展，的飞速发展，高频开关整流器高频开关整流器产品也越来越成熟，性价比逐步提升产品也越来越成熟，性价比逐步提升，目前已经逐步取代了可控硅整流器，目前已经逐步取代了可
8、控硅整流器，并且还在不断地朝着高频化、高效率、大功率、小型智能化、清洁环保的并且还在不断地朝着高频化、高效率、大功率、小型智能化、清洁环保的方向发展。方向发展。2024/7/245第第3章章 整流与变整流与变换换稳压电源稳压电源稳稳压压电电源源（stabilizedvoltagesupply）是是能能为为负负载载提提供供稳稳定定交交流流电电源源或或稳定直流电源稳定直流电源的电子装置的电子装置。包括以下两大类。包括以下两大类 交流稳压电源交流稳压电源直流稳压电源直流稳压电源稳压电源的发展历史稳压电源的发展历史1955年年美美国国的的科科学学家家罗罗那那（G.H.Royer）首首先先研研制制成成功
9、功了了利利用用磁磁芯芯的的饱饱和和来来进进行行自自激激振振荡荡的的晶晶体体管管直直流流变变换换器器。此此后后，利利用用这这一一技技术术的的各各种种形形式式的的精精益益求求精精直直流流变变换换器器不不断断地地被被研研制制和和涌涌现现出出来来，从从而而取取代代了了早早期期采采用用的的寿寿命命短短、可可靠靠性性差差、转转换换效效率率低低的的旋旋转转和和机机械械振振子子式式换换流流设设备备。由由于于晶晶体体管管直直流流变变换换器器中中的的功功率率晶晶体体管管工工作作在在开开关关状状态态，所所以以由由此此而而制制成成的的稳稳压压电电源源输输出出的的组组数数多多、极极性性可可变变、效效率率高高、体体积积小
10、小、重重量量轻轻，因因而而当当时时被被广广泛泛地地应应用用于于航航天天及及军军事事电电子子设设备备。由由于于那那时时的的微微电电子子设设备备及及技技术术十十分分落落后后，不不能能制制作作出出耐耐压压高高、开开关关速速度度较较高高、功功率率较较大大的的晶晶体体管管，所所以以这这个个时时期期的的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。2024/7/246第第3章章 整流与变整流与变换换20世纪世纪60年代，由于微电子技术的快速发展，年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了高反压的晶体管出现了，从此从此直流变换器直流变
11、换器就可以直接由就可以直接由市电经市电经整流整流、滤波后输入、滤波后输入，不再需要工频变不再需要工频变压器降压了压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围，从而极大地扩大了它的应用范围，并在此基础上诞生了无工并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器，又使。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。20世纪世纪70年代以后，年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体
12、管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器无工频变压器开关稳开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。压电源成为各种电源的佼佼者。稳压电源的主要功能稳压电源的主要功能 稳定电压稳定电压当电网电压出现瞬间波动时，稳压电源会以当电网电压出现瞬间波动时，稳压电源会以10-30ms的响应
13、速度对电的响应速度对电压幅值进行补偿，使其稳定在压幅值进行补偿，使其稳定在2%以内。以内。 2024/7/247第第3章章 整流与变整流与变换换多功能综合保护多功能综合保护稳压器除了最基本的稳定电压功能以外，还应具有过压保护（超过输稳压器除了最基本的稳定电压功能以外，还应具有过压保护（超过输出电压的出电压的+10%）、欠压保护（低于输出电压的）、欠压保护（低于输出电压的-10%）、缺相保护、）、缺相保护、短路过载保护最基本的保护功能。短路过载保护最基本的保护功能。尖脉冲抑制（可选）尖脉冲抑制（可选）电网有时会出现幅值很高，脉宽很窄的尖脉冲，它会击穿耐压较低的电网有时会出现幅值很高，脉宽很窄的尖
14、脉冲，它会击穿耐压较低的电子元件。稳压电源的抗浪涌组件能够对这样的尖脉冲起到很好的抑电子元件。稳压电源的抗浪涌组件能够对这样的尖脉冲起到很好的抑制作用。制作用。隔离传导性隔离传导性EMI电磁干扰（可选）电磁干扰（可选）数控设备多采用数控设备多采用AC/DC整流整流+PFC高频功率因数校正，自身有一定的高频功率因数校正，自身有一定的干扰性同时对干扰源也有严格要求。稳压电源的滤波组件能够有效隔干扰性同时对干扰源也有严格要求。稳压电源的滤波组件能够有效隔离电网对设备的干扰同时也能有效隔离设备对电网的干扰。离电网对设备的干扰同时也能有效隔离设备对电网的干扰。防雷（可选）防雷（可选）应具有的防雷击能力。
15、应具有的防雷击能力。2024/7/248第第3章章 整流与变整流与变换换稳压电源的种类稳压电源的种类目前，通信和其他电子设备采用的稳压电源主要有目前，通信和其他电子设备采用的稳压电源主要有线性稳压电源线性稳压电源线性稳压电源中，线性稳压电源中，调整元件调整元件串联在串联在负载回路中负载回路中，其作用就像一只其作用就像一只可变电阻可变电阻，输入电压或负载变化时输入电压或负载变化时，串联调整元件的压降改变，串联调整元件的压降改变，从而使输出电压稳定不变从而使输出电压稳定不变。当输入电压过高时，串联调整管的功。当输入电压过高时，串联调整管的功耗很大，因此效率很低。当输入电压波动范围为耗很大，因此效率
16、很低。当输入电压波动范围为20%时，时，5V稳压稳压器的典型效率只有器的典型效率只有35%，输入电压波动范围小于，输入电压波动范围小于16%时，时，典型效率也只能达到典型效率也只能达到50%。线性稳压器的主要优点是电路比较简单，稳压精度较高，输出纹线性稳压器的主要优点是电路比较简单，稳压精度较高，输出纹波电压也较低。近年来，推出的低压差波电压也较低。近年来，推出的低压差(输入和输出电压之差很低输入和输出电压之差很低的的)线性稳压器，不仅具有线性稳压器的全部优点，而且效率也有线性稳压器，不仅具有线性稳压器的全部优点，而且效率也有明显提高，目前已广泛应用于小功率低电压的电子设备中。明显提高，目前已
17、广泛应用于小功率低电压的电子设备中。2024/7/249第第3章章 整流与变整流与变换换相控型稳压电源相控型稳压电源相相控控型型稳稳压压电电源源的的基基本本工工作作原原理理是是：当当输输入入电电压压或或负负载载变变化化时时，改改变变晶晶闸闸管管的的导导通通角角，可可使使输输出出电电压压稳稳定定不不变变。与与线线性性稳稳压压电电源源相相比比，由由于于调调整整元元件件(晶晶闸闸管管)工工作作于于开开关关状状态态，所所以以功功耗耗较较小小，效效率率也也较较高高，通通常常可可达达到到70%。要要求求输输入入和和输输出出隔隔离离时时，相相控控型型稳稳压压电电源源的的输输入入端端必必须须加加入入工工频频变
18、变压压器器。由由于于工工作作频频率率很很低低(50Hz)，所所以以变变压压器器的的体体积积和和重重量量都都很很大大，同同时时输输出出端端的的滤滤波波电电感感和和滤波电容的体积和重量也很大。滤波电容的体积和重量也很大。开关型稳压电路开关型稳压电路在开关型稳压电源中，在开关型稳压电源中，调整管工作于开关状态调整管工作于开关状态。输入输入电电压压或或负载负载变化变化时，时，改变控制信号改变控制信号的的脉冲宽度脉冲宽度，就可改变，就可改变调整管调整管的的导通时间导通时间，从而使输出电压稳定不变从而使输出电压稳定不变。调整管。调整管导通时，两端的压降接近于零，导通功耗很小；调整管导通时，两端的压降接近于
19、零，导通功耗很小；调整管关断时，流过的电流基本上为零，关断功耗非常小，因关断时，流过的电流基本上为零，关断功耗非常小，因此开关型电源的效率很高。此开关型电源的效率很高。目前通信用开关稳压电源的效率已达到目前通信用开关稳压电源的效率已达到90%以上。以上。2024/7/2410第第3章章 整流与变整流与变换换整流和滤波电路整流和滤波电路1.电路组成电路组成单相桥式整流电路如图单相桥式整流电路如图3.1（a）所示，图）所示，图3.1（b）是其简化电路。是其简化电路。（a）电路原理图电路原理图（b）电路简化图）电路简化图图图3.1单相桥式整流电路单相桥式整流电路2024/7/2411第第3章章 整流
20、与变整流与变换换滤波电路滤波电路滤波电路的主要元件是电容和电感，以电容滤波电路最常用。滤波电路的主要元件是电容和电感，以电容滤波电路最常用。电容滤波的特点电容滤波的特点(1)滤波后的输出电压滤波后的输出电压中直流分量中直流分量提高提高了，交流分量降了，交流分量降低了。低了。(2)电容滤波电容滤波适用于负载电流较小适用于负载电流较小的场合。的场合。(3)存在存在浪涌电流浪涌电流。可在。可在整流二极管两端并接一只整流二极管两端并接一只0.01F的电容器的电容器来防止浪涌电流烧坏整流二极管。来防止浪涌电流烧坏整流二极管。(4) RLC值的改变可以值的改变可以影响输出直流电压影响输出直流电压的大小。的
21、大小。2024/7/2412第第3章章 整流与变整流与变换换稳压电路稳压电路并联型稳压电路并联型稳压电路并联型稳压电路如图并联型稳压电路如图3.2所示所示图图3.2 并联型直流稳压电路并联型直流稳压电路l其稳压过程分述如下：其稳压过程分述如下：当交流电网波动而当交流电网波动而RL未变动时，若电网电压未变动时，若电网电压上升，则：上升，则：UiULIZIURUL当电网未波动而负载当电网未波动而负载RL变动时，若变动时，若RL 减小，减小，则则ILIURULIZIURUL并联型稳压电路并联型稳压电路结构简单结构简单，但，但受稳压管最大电流限制受稳压管最大电流限制，又，又不能任意调节不能任意调节输出
22、电压输出电压，所以，所以只适用于只适用于输出电压不需调节，负载电流小，要求不甚高的输出电压不需调节，负载电流小，要求不甚高的场合。场合。2024/7/2413第第3章章 整流与变整流与变换换T T1 1T T2 2T T3 3串联型稳压电路串联型稳压电路串联型稳压电路如图串联型稳压电路如图3.3所示。该电路由四部分组成。所示。该电路由四部分组成。图图3.3 串联型稳压电路串联型稳压电路l (1) 采样单元采样单元采样单元有采样单元有R1、R2、和、和RP组组成，与负载成，与负载RL并联，通过它可并联，通过它可以反映输出电压以反映输出电压Uo的变化。的变化。l (2) 基准单元基准单元基准单元由
23、限流电阻基准单元由限流电阻R3与与稳稳压管压管T3组成组成l（3）放大单元）放大单元l 放大单元由放大单元由三极管三极管T2组成。组成。l（4）调整单元）调整单元调整单元由三极管调整单元由三极管T1组成组成，它是，它是串联型稳压电路的核心元件。串联型稳压电路的核心元件。T1必必须选择大功率三极管须选择大功率三极管 。2024/7/2414第第3章章 整流与变整流与变换换2.工作原理工作原理串联型稳压电路串联型稳压电路的的自动稳压过程自动稳压过程按按电网波动电网波动和和负载电阻变负载电阻变动动两种情况分述如下：两种情况分述如下：UiUoUfUBE2IB2IC2UCE2UBE1IB1UCE1UoR
24、LUoUfUBE2IB2IC2UCE2UBE1IB1UCE1Uo当当Ui或或RL时的调整过程与上述相反。时的调整过程与上述相反。由上分析可知，这是一个由上分析可知，这是一个负反馈系统负反馈系统。正。正因为电路内有深因为电路内有深度电压串联负反馈度电压串联负反馈，所以才能使输出电压稳定。，所以才能使输出电压稳定。2024/7/2415第第3章章 整流与变整流与变换换三端集成稳压器三端集成稳压器目前，目前，集成稳压器集成稳压器已达已达百余种百余种，并且成为，并且成为模拟集成电路模拟集成电路的的一个重要一个重要分支。它具有输出电流大，输出电压高，体积小，安装调试方便，分支。它具有输出电流大，输出电压
25、高，体积小，安装调试方便，可靠性高等优点，在电子电路中应用十分广泛可靠性高等优点，在电子电路中应用十分广泛集成稳压器有集成稳压器有三端三端及及多端多端两种外部结构形式。两种外部结构形式。输出电压输出电压有可有可调调和和固定固定两种形式两种形式：固定式输出电压为标准值，使用时不能再调节；固定式输出电压为标准值，使用时不能再调节；可调式可通过外接元件，在较大范围内调节输出电压。可调式可通过外接元件，在较大范围内调节输出电压。此外，还有输出正电压和输出负电压的集成稳压器。此外，还有输出正电压和输出负电压的集成稳压器。稳压电源以小功率三端集成稳压器应用最为普遍。常用的型稳压电源以小功率三端集成稳压器应
26、用最为普遍。常用的型号有号有W78系列系列W79系列系列W317系列系列W337系列。系列。2024/7/2416第第3章章 整流与变整流与变换换高频开关整流器高频开关整流器开关整流器开关整流器是是电源系统电源系统中中最重要的部分最重要的部分，它的，它的技术是否先进技术是否先进，关系着开关，关系着开关电源系统的功能和可靠性。因此，一些自主开发的厂商很注重电源系统的功能和可靠性。因此，一些自主开发的厂商很注重开关整流器开关整流器技术性能技术性能的改进，其目的是使开关整流器的的改进，其目的是使开关整流器的可靠性可靠性和和效率效率得到很大提高，得到很大提高，使其使其成本成本和和高频电磁干扰高频电磁干
27、扰降低。降低。高频开关整流器的发展高频开关整流器的发展可靠性的提升可靠性的提升可靠性是电源系统一个永恒的课题可靠性是电源系统一个永恒的课题，随着，随着集成技术的发展成熟集成技术的发展成熟，结构设计，结构设计的趋于合理，的趋于合理，高频开关电源采用的元器件的数量大大减少高频开关电源采用的元器件的数量大大减少，电解电容电解电容、光光耦合器耦合器及及风扇风扇等等决定电源寿命的器件决定电源寿命的器件质量也得到提高质量也得到提高，以及增加了各种保，以及增加了各种保护功能，使高频开关整流器的护功能，使高频开关整流器的MTBF（平均无故障时间）延长，从而提高（平均无故障时间）延长，从而提高了可靠性。了可靠性
28、。稳定性的提高稳定性的提高稳定高质量的直流电输出是衡量整流器的一个重要的指标稳定高质量的直流电输出是衡量整流器的一个重要的指标。高频化以及高高频化以及高性能、高增益控制电路的采用性能、高增益控制电路的采用，使高频开关整流器的稳压精度大大提高使高频开关整流器的稳压精度大大提高，各种各种滤波电路的应用使得输出杂音减小滤波电路的应用使得输出杂音减小，其，其供电质量较供电质量较相控整流器相控整流器有了明有了明显的提高显的提高。2024/7/2417第第3章章 整流与变整流与变换换小型化小型化小型化是高频开关整流器相比传统相控整流器的一大优势小型化是高频开关整流器相比传统相控整流器的一大优势。由于。由于
29、变压器变压器工作频率的提高工作频率的提高以及以及集成电路集成电路的大量使用的大量使用，使得高频开关，使得高频开关整流器的体积大大缩小。整流器的体积大大缩小。有些高频开关整流器内部有有些高频开关整流器内部有CPU，有些，有些没有。但没有。但对于整个开关电源系统而言，都设有监控模块对于整个开关电源系统而言，都设有监控模块，采用智，采用智能化管理，可与计算机通信，实现集中监控。能化管理，可与计算机通信，实现集中监控。高效率高效率高效率也是高频开关整流器发展的趋势高效率也是高频开关整流器发展的趋势。功率器件功率器件生产技术的进生产技术的进步，步，其功耗减小其功耗减小；计算机辅助设计使得开关整流器设计拓
30、扑和参；计算机辅助设计使得开关整流器设计拓扑和参数趋于合理，即所谓的数趋于合理，即所谓的最简结构最简结构和和最佳工况最佳工况；功率因数校正技术功率因数校正技术的采用，的采用，使得高频开关整流器的效率大大提高使得高频开关整流器的效率大大提高。2024/7/2418第第3章章 整流与变整流与变换换高频开关电源的特点高频开关电源的特点重量轻、体积小重量轻、体积小与相控电源相比较，在输出相同功率的情况下，体积及重量减小很多与相控电源相比较，在输出相同功率的情况下，体积及重量减小很多节能高效节能高效一般效率在一般效率在90左右。左右。功率因数高功率因数高当配有有源功率因数校正电路时，其功率因数近似为当配
31、有有源功率因数校正电路时，其功率因数近似为1，且基本不受负，且基本不受负载变化的影响。载变化的影响。稳压精度高、可闻噪音低稳压精度高、可闻噪音低在常温满载情况下，其稳压精度都在在常温满载情况下，其稳压精度都在5以下。以下。维护简单、扩容方便维护简单、扩容方便模块化结构。可在运行中更换损坏模块，不影响通信。增减模块方便模块化结构。可在运行中更换损坏模块，不影响通信。增减模块方便智能化程度较高智能化程度较高有有CPU和计算机通信接口，便于集中监控，无人值守。和计算机通信接口，便于集中监控，无人值守。2024/7/2419第第3章章 整流与变整流与变换换高频开关整流器目前需要解决的问题高频开关整流器
32、目前需要解决的问题 解决高频化与噪声的矛盾问题解决高频化与噪声的矛盾问题。提高工作频率提高工作频率能使能使动态响应动态响应更快，这对于更快，这对于配合高速微处理器配合高速微处理器工作工作是必须的，也是是必须的，也是减小体积的重要途径减小体积的重要途径。损耗增加，同时增加了更。损耗增加，同时增加了更多的高频噪声，这些噪声既对整流器自身工作会带来影响，也会多的高频噪声，这些噪声既对整流器自身工作会带来影响，也会使得其他电子设备受到干扰。使得其他电子设备受到干扰。如何进一步提高效率，提高功率密度如何进一步提高效率，提高功率密度损耗的增加制约了整机效率的提高；额外的噪声也必须增加更多损耗的增加制约了整
33、机效率的提高；额外的噪声也必须增加更多的噪声抑止电路，也就加大了整流器的复杂性和体积，使得整流的噪声抑止电路，也就加大了整流器的复杂性和体积，使得整流器的器的可靠性可靠性和和功率密度功率密度下降下降开发高性能的功率器件、电感、电容和变压器，提高整机的可靠性开发高性能的功率器件、电感、电容和变压器，提高整机的可靠性高性能碳化硅半导体器件高性能碳化硅半导体器件 、高频磁性元件和大容量高寿命的电容、高频磁性元件和大容量高寿命的电容器的开发。器的开发。2024/7/2420第第3章章 整流与变整流与变换换通信高频开关整流器的组成通信高频开关整流器的组成传统的晶闸管相控整流器传统的晶闸管相控整流器工作频
34、率低工作频率低，要求，要求变压器变压器和和滤波元件滤波元件的的体积大体积大，重量大和耗能高，重量大和耗能高，随着大功率器件和微电子技术的发展，高频开关整流随着大功率器件和微电子技术的发展，高频开关整流器已逐渐取代晶闸管相控整流器器已逐渐取代晶闸管相控整流器。高频开关整流器组成高频开关整流器组成高频开关整流器也称为无工频变压器整流器，主要由高频开关整流器也称为无工频变压器整流器，主要由主电路主电路、辅助电路辅助电路和和控控制电路制电路三部分三部分组成，如图组成，如图3-4所示所示2024/7/2421第第3章章 整流与变整流与变换换主电路主电路高频开关整流器的主电路如图高频开关整流器的主电路如图
35、3-4所示，包括所示，包括交流滤波交流滤波、整流整流、功率功率因数校正因数校正、直流直流-直流（直流（DC-DC）变换）变换、直流滤波直流滤波等。等。交流滤波：交流滤波：交流滤波处于交流滤波处于整流模块的输入端口整流模块的输入端口，这一部分包含，这一部分包含低低通滤波通滤波、浪涌抑制浪涌抑制等电路等电路 整流电路一般整流电路一般采用无采用无工频工频变压器变压器单相或三相桥式硅整流电路，它单相或三相桥式硅整流电路，它把单相或三相交流电变为直流电，并向功率因数校正电路提供稳把单相或三相交流电变为直流电，并向功率因数校正电路提供稳定的直流电源定的直流电源功率因数校正电路功率因数校正电路：为了：为了消
36、除消除由由整流电路引起整流电路引起的的谐波电流谐波电流污染电污染电网网和和减小无功损耗减小无功损耗，必须用功率因数校正电路提升功率因数。，必须用功率因数校正电路提升功率因数。直流直流-直流变换电路：直流变换电路：由由逆变逆变和和高频整流高频整流两部分组成，两部分组成，逆变部分将逆变部分将直流高压变换为高频低压直流高压变换为高频低压。高频整流部分将高频电压变换为电信高频整流部分将高频电压变换为电信设备所需要的直流低压设备所需要的直流低压（-48，-24V）。直流）。直流-直流变换电一般采直流变换电一般采用用PWM方式控制。方式控制。直流滤波直流滤波：滤除高频开关整流器输出侧的尖峰和杂波等噪声电压
37、：滤除高频开关整流器输出侧的尖峰和杂波等噪声电压 2024/7/2422第第3章章 整流与变整流与变换换控制电路控制电路除主电路这外的其它电路都可称之为控制电路，它包括除主电路这外的其它电路都可称之为控制电路，它包括检测放大电路检测放大电路U/W（电压（电压/脉宽）转换电路或脉宽）转换电路或U/f（电压（电压/频率）转换电路频率）转换电路时钟振荡器（或恒频脉冲发生器）时钟振荡器（或恒频脉冲发生器）驱动电路及保护电路驱动电路及保护电路控制电路应为功率开关管控制电路应为功率开关管激励信号激励信号，应能，应能将主电路输出电压的将主电路输出电压的微小变化微小变化转换成转换成脉宽或频率变化脉宽或频率变化
38、，实现自动调整输出电压的目，实现自动调整输出电压的目的。负载发生短路或过流时的。负载发生短路或过流时应有保护功能应有保护功能，辅助电源辅助电源为为控制电控制电路提供必要的能源路提供必要的能源。辅助电源辅助电源辅助电源提供高频开关整流器中辅助电源提供高频开关整流器中控制电路控制电路等部分的等部分的直流电源电直流电源电压压，通常采用单端反激变换器。，通常采用单端反激变换器。 2024/7/2423第第3章章 整流与变整流与变换换高频变换原理高频变换原理高频开关整流器的工作原理是高频开关整流器的工作原理是市电直接由二极管整流后市电直接由二极管整流后，经，经功率因数校正功率因数校正电路电路，功率变换电
39、路功率变换电路，把，把直流电源直流电源变换成变换成高频率的交流电流高频率的交流电流，再，再经高频整经高频整流流成成电信设备需要的低电压直流电源电信设备需要的低电压直流电源。采用高频变换技术减小变压器体积可以认为是高频开关整流器的核心技术采用高频变换技术减小变压器体积可以认为是高频开关整流器的核心技术高频开关整流器的分类高频开关整流器的分类按调制方式分：按调制方式分：有脉冲宽度调制（有脉冲宽度调制（PWM）脉冲频率调制（脉冲频率调制（PFM）混合调制混合调制按采用的开关技术分：按采用的开关技术分：硬开关硬开关工作在电流不为零时的强迫关断，和电压不为零时的强迫导通工作在电流不为零时的强迫关断，和电
40、压不为零时的强迫导通 软开关软开关 工作在零电流关断和零电压导通状态工作在零电流关断和零电压导通状态 2024/7/2424第第3章章 整流与变整流与变换换按主电路结构分为按主电路结构分为谐振型谐振型谐振型整流器是谐振型整流器是采用软开关技术设计采用软开关技术设计的的 。开关损耗小，工作频率。开关损耗小，工作频率高，可达高，可达10MHz以上以上非谐振型非谐振型采用采用硬开关技术设计硬开关技术设计。开关频率不能太高开关频率不能太高。但其电路结构比较简。但其电路结构比较简单，技术比较成熟单，技术比较成熟按交流电的输入类型分为：按交流电的输入类型分为：单相单相三相三相按变换器的级数（按变换器的级数
41、（Stage）分为：）分为：单级（单级（Singlestage）双级（双级（Twostage）2024/7/2425第第3章章 整流与变整流与变换换3.2 高频开关整流器主要技术高频开关整流器主要技术3.2.1高频开关元件高频开关元件在高频开关整流器中，在高频开关整流器中，功率转换电路功率转换电路是其主要组成部分，是其主要组成部分，高频开关高频开关整流器的整流器的工作频率工作频率实际上就是实际上就是功率转换电路的功率转换电路的工作频率工作频率，它，它取决于取决于开关管的工作频率开关管的工作频率。所以功率转换电路中高频开关管性能的高低。所以功率转换电路中高频开关管性能的高低（比如开关管导通和关断
42、速度、开关压降损耗等等）在整流器中起（比如开关管导通和关断速度、开关压降损耗等等）在整流器中起着至关重要的作用着至关重要的作用 。目前目前高频开关整流器高频开关整流器采用的采用的高频功率开关器件高频功率开关器件通常有：通常有：功率场控晶体管（功率场控晶体管（MOSFET）绝缘门极晶体管（绝缘门极晶体管（IGBT）两者混合管两者混合管功率集成器件等等功率集成器件等等2024/7/2426第第3章章 整流与变整流与变换换功率场控晶体管功率场控晶体管（功率（功率MOSFET）功率功率MOSFET是一种是一种单极型电压控制器件单极型电压控制器件，其，其优点优点是具有是具有驱动功率小驱动功率小、工作速度
43、高工作速度高、无二次击穿无二次击穿和和安全区宽安全区宽等优点。等优点。功率功率MOSFET结构结构采用采用垂直导电沟道垂直导电沟道，并，并将许多小单元功率将许多小单元功率MOSFET管芯并联管芯并联集成，故集成，故可增大可增大漏极电流漏极电流和和功率功率。用大规模集成电路工艺用大规模集成电路工艺将管芯并联构成将管芯并联构成的可称为的可称为VVMOSFET将将VVMOSFET的的V型槽尖顶削去型槽尖顶削去的称为的称为VUMOSFET采用双重扩期工艺制成的具有垂直导电双扩散采用双重扩期工艺制成的具有垂直导电双扩散VDMOSFET 图图3-5 VMOS管的结构管的结构 图图3-6 MOS管的符号管的
44、符号2024/7/2427第第3章章 整流与变整流与变换换功率功率MOSFET的工作原理的工作原理当在当在NMOS管的管的栅极是加正电压栅极是加正电压，则，则氧化膜下氧化膜下P型层型层两边表面两边表面感感应出负电荷应出负电荷，而，而形成形成N型导电沟道型导电沟道，同时在，同时在漏极两极间加上正电漏极两极间加上正电压压，电子从源极通过两个沟道，电子从源极通过两个沟道，N-外延层，外延层，N+基片到达漏极，基片到达漏极，NMOS管电路原理如图管电路原理如图3-7所示所示 图图3-7 NMOS管原理图管原理图2024/7/2428第第3章章 整流与变整流与变换换功率功率MOSFET的特性的特性功率功
45、率MOSFET管的主要性能指标用电压、电流和工作频率来衡量。管的主要性能指标用电压、电流和工作频率来衡量。电流与电压电流与电压功率功率MOSFET电流以最大漏电流为指标（电流以最大漏电流为指标（IDMAX）。它表示功）。它表示功率率MOSFET工作在饱和状态下的漏极电流量，或某工作在饱和状态下的漏极电流量，或某VGS输出特性输出特性曲线平坦区域的电流值，决定曲线平坦区域的电流值，决定IDMAX的主要因素为单位管芯面积的主要因素为单位管芯面积的沟道宽度，沟道宽度达则的沟道宽度，沟道宽度达则IDMAX值大。值大。 工作频率工作频率工作频率通常为工作频率通常为30kHz100kHz 。功率功率MOS
46、FET的特点的特点驱动功率小，驱动电路简单，功率增益高，是一种驱动功率小，驱动电路简单，功率增益高，是一种电压控制器件电压控制器件。开。开关速度快，不需要加反向偏置。关速度快，不需要加反向偏置。多个管子可并联工作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，导通电阻具正温度系数，具有自动均流能力开关速度受温度影响非常小开关速度受温度影响非常小，在高温运行时，不存在温度失控现象，在高温运行时，不存在温度失控现象功率功率MOSFET无二次击穿无二次击穿问题。问题。 2024/7/2429第第3章章 整流与变整流与变换换功率功率MOSFET使用注意事项使用注意事项栅极电路的阻抗非常高栅
47、极电路的阻抗非常高，易受静电损坏易受静电损坏。不能用常规电流电压表测试不能用常规电流电压表测试（包括万用表）。（包括万用表）。在进行引线焊接时，在进行引线焊接时，操作者应用佩带接地的专用腕带操作者应用佩带接地的专用腕带，且工作台与焊，且工作台与焊接工具均应接地，地面也应接地。接工具均应接地，地面也应接地。导通时电流冲击大，导通时电流冲击大，易产生过电流易产生过电流。并联工作时，。并联工作时，易产生高频震荡易产生高频震荡绝缘门极晶体管绝缘门极晶体管（IGBT）绝缘门极晶体管绝缘门极晶体管又称又称门极绝缘双极晶体管门极绝缘双极晶体管，简称，简称IGBT，人，人们往往们往往习惯性地称其为绝缘栅双极晶
48、体管习惯性地称其为绝缘栅双极晶体管，或绝缘栅晶体管，或绝缘栅晶体管，它它是一种是一种VMOSFET和和双极型晶体管双极型晶体管的的复合器件复合器件。增强型沟道增强型沟道IGBT的简化等效电路如图的简化等效电路如图3-8（a）所示。该）所示。该结构结构相当于一个增强型沟道相当于一个增强型沟道VMOSFET驱动驱动PNP晶体管晶体管，其图形符号及工作电压极性和电流方向，如图其图形符号及工作电压极性和电流方向，如图3-5所示，图所示，图（b）为国家标准图形符号。为门极，习惯上常称栅极，）为国家标准图形符号。为门极，习惯上常称栅极，为集电极，为发射极。为集电极，为发射极。 2024/7/2430第第3
49、章章 整流与变整流与变换换IGBT具有以下特点：具有以下特点：IGBT从输入端看，类似于从输入端看，类似于VMOSFET，IGBT的的导通导通和和关断关断由由栅极电栅极电压压来控制，当栅射电压来控制，当栅射电压UGE大于开启电压大于开启电压VGE时，时，IGBT导通，当导通，当栅射电压小于开启电压时，栅射电压小于开启电压时，IGBT截止。截止。IGBT从输出端看从输出端看，类似于双极型晶体管类似于双极型晶体管，导通压降小，饱和压降一，导通压降小，饱和压降一般在般在24V之间，故导通损耗小。此外，之间，故导通损耗小。此外，IGBT能够做得比能够做得比VMOSFET耐压更高，电流容量更大耐压更高，
50、电流容量更大。IGBT的的开关速度开关速度在在VMOSFET与双极型晶体管之间。与双极型晶体管之间。IGBT存在擎住效应。存在擎住效应。 光耦驱动电路光耦驱动电路常用的光耦合器常用的光耦合器发光二极管晶体管发光二极管晶体管发光二极管发光二极管晶体管型晶体管型光耦合器光耦合器是由砷化镓发光二极管和硅光敏晶体管是由砷化镓发光二极管和硅光敏晶体管组成组成 。二极管二极管和晶体管放大型二极管二极管和晶体管放大型它用光敏二极管作受光器件，再用晶体管把光电流放大输出它用光敏二极管作受光器件，再用晶体管把光电流放大输出 2024/7/2431第第3章章 整流与变整流与变换换常用的光耦合器常用的光耦合器电路举
51、例电路举例（TLP250驱动电路）驱动电路）包括光耦合器、前级放大及比较器、触发器、功率放大器等部分包括光耦合器、前级放大及比较器、触发器、功率放大器等部分 功率开关二极管功率开关二极管由于工作频率高，它们不能采用普通硅整流二极管，而必须由于工作频率高，它们不能采用普通硅整流二极管，而必须采用快恢复二极管、超快恢复二极管或肖特基二极管等开关采用快恢复二极管、超快恢复二极管或肖特基二极管等开关速度快的功率开关二极管。速度快的功率开关二极管。 二极管的开关特性二极管的开关特性二极管反向恢复时间二极管反向恢复时间 二极管正向恢复时间二极管正向恢复时间 几种快速功率二极管几种快速功率二极管快恢复二极管
52、快恢复二极管超快恢复二极管超快恢复二极管肖特基二极管肖特基二极管2024/7/2432第第3章章 整流与变整流与变换换具有共模电感的抗干扰滤波器具有共模电感的抗干扰滤波器抗干扰（抗干扰（EMI）滤波器）滤波器由由电感电感、电容电容组成，用于滤除噪声电压。组成，用于滤除噪声电压。噪声电压即干扰电压，包括尖峰电压、谐波电压和杂波电压，其噪声电压即干扰电压，包括尖峰电压、谐波电压和杂波电压，其频率较高。频率较高。抗干扰滤波器在起抗干扰滤波作用的时，必须能够顺利流过主电抗干扰滤波器在起抗干扰滤波作用的时，必须能够顺利流过主电路的工作电流，工作电流在抗干扰滤波器上应不产生压降。路的工作电流，工作电流在抗
53、干扰滤波器上应不产生压降。 概念概念线路上线路上两线之间的噪声电压两线之间的噪声电压称为称为差模噪声电压差模噪声电压，两线共有的对地噪声两线共有的对地噪声电压电压称为称为共模噪声电压共模噪声电压。电路中实际的噪声电压常是两者的合成。电路中实际的噪声电压常是两者的合成通信用通信用高频开关整流器高频开关整流器中，中，常用具有共模电感的抗干扰滤波器来作输常用具有共模电感的抗干扰滤波器来作输入滤波器入滤波器以及接在直流变换器后面的输出滤波器。以及接在直流变换器后面的输出滤波器。 工作原理工作原理 输入侧向输出侧传递的共模噪声抑制输入侧向输出侧传递的共模噪声抑制输出侧向输入侧传递的反灌共模噪声抑制输出侧
54、向输入侧传递的反灌共模噪声抑制L1与与C1能抑制能抑制 接机壳电容的电容量限制接机壳电容的电容量限制对差模噪声的抑制对差模噪声的抑制 2024/7/2433第第3章章 整流与变整流与变换换共模电感共模电感共模电感共模电感为为对称的对称的两线圈两线圈电感电感，两线圈的绕法及对应端如图，两线圈的绕法及对应端如图3-13所示所示通常磁芯采用有较高导磁率的环形铁氧体，线圈匝数少，两线通常磁芯采用有较高导磁率的环形铁氧体，线圈匝数少，两线圈之间有足够的绝缘电压。圈之间有足够的绝缘电压。工作回路的电流工作回路的电流iw通过两线圈产生的两个磁动势通过两线圈产生的两个磁动势iwN大小相等、大小相等、方向相反，
55、合成磁势为零，因此不产生沿着磁芯闭合的工作磁方向相反，合成磁势为零，因此不产生沿着磁芯闭合的工作磁通，仅通过周围空间有少量漏磁通，磁路中可不设气隙。可见通，仅通过周围空间有少量漏磁通，磁路中可不设气隙。可见对工作电流而言，每个线圈的电感都为零。对工作电流而言，每个线圈的电感都为零。图图3-13共模电感共模噪声电流共模电感共模噪声电流i分别通过两线圈（例如都分别通过两线圈（例如都从同名端流入）所产生的磁动势相加，总磁势为从同名端流入）所产生的磁动势相加，总磁势为2Ni，共，共同产生沿磁芯闭合的磁通，在忽略漏感时能产生倍磁通。因同产生沿磁芯闭合的磁通，在忽略漏感时能产生倍磁通。因此对共模噪声而言，
56、两线圈的互感与自感使等效电感此对共模噪声而言，两线圈的互感与自感使等效电感L1和和L2都都增大为自感的倍。增大为自感的倍。 2024/7/2434第第3章章 整流与变整流与变换换功率因数校正电路功率因数校正电路功率因数的定义功率因数的定义功率因数（功率因数（PowerFactor，PF）的定义为有功功率与视在功率）的定义为有功功率与视在功率之比。整流器的功率因数为：之比。整流器的功率因数为： P为输入有功功率为输入有功功率；S为输入视在功率为输入视在功率；UL为电网电压有效值为电网电压有效值；IR为输入电流有效值为输入电流有效值；I1为输入电流中的基波电流有效值为输入电流中的基波电流有效值；I
57、1/IR为为输入电流基波因数输入电流基波因数，COS为位移因数为位移因数，即正弦基波电流与电网电，即正弦基波电流与电网电压相位差的余弦，又称相移功率因数。压相位差的余弦，又称相移功率因数。由上式可知，由上式可知，整流器的功率因数整流器的功率因数又可定义为又可定义为基波因数基波因数与与位移因数的乘积位移因数的乘积交流供电系统交流供电系统功率功率和和功率因素功率因素的的测量采用的仪器测量采用的仪器通常是通常是电力谐波分电力谐波分析仪析仪，如，如F41B。2024/7/2435第第3章章 整流与变整流与变换换目前很多通信设备采用直流供电，需要一个将市电转换为直流的电源目前很多通信设备采用直流供电，需
58、要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。污染。谐波电流的抑制及谐波电流的抑制及功率因数校正功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题是电源设计者的一个重要的课题高次谐波及功率因数校正高次谐波及功率因数校正市电经市电经整流后整流后对对电容充电电容充电，其，其输入电流波形输入电流波形为为不连续的脉冲不连续的脉冲，如图，如图2所所示。这种电流除了基波分量外，还含有大量的谐波，其有效值示。这种电流除了基波分量外，还含有大量的谐波，其有效值I为为 式中：式中：I1，I2，In，分别表示输入电流
59、的基波分量与各次谐波分量，分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量 l谐波电流谐波电流使使电力系统的电压波形电力系统的电压波形发生发生畸变畸变,我们将各次谐波有效值与基波有我们将各次谐波有效值与基波有效值的比称之为总谐波畸变效值的比称之为总谐波畸变(THD) 。THD用来衡量电网的污染程度。用来衡量电网的污染程度。 2024/7/2436第第3章章 整流与变整流与变换换脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变，它对自身及同一系统脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变，它对自身及同一系统的其它电子设备产生恶劣的影响，如的其它电子设备产生恶劣的影响，如引起电子设备的误操作，如空调停止工作等；引起电子设备的误操作
60、，如空调停止工作等；引起电话网噪音；引起电话网噪音；引起照明设备的障碍，如荧光灯闪灭；引起照明设备的障碍，如荧光灯闪灭；造成变电站的电容，扼流圈的过热、烧损。造成变电站的电容，扼流圈的过热、烧损。我们知道，功率因数定义为我们知道，功率因数定义为PF=有效功率有效功率/视在功率，是指被有视在功率，是指被有效利用的功率的百分比。效利用的功率的百分比。没有被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动，不没有被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动，不仅增加线路损耗，而且成为污染源。仅增加线路损耗，而且成为污染源。抑制谐波分量抑制谐波分量即可达到即可达到减小减小THD，提高功率因数的目的。，提
61、高功率因数的目的。 2024/7/2437第第3章章 整流与变整流与变换换功率因数校正的必要性功率因数校正的必要性i2的有效值与平均值之比大，的有效值与平均值之比大，要求整流元件的额定容量大要求整流元件的额定容量大；相应地相应地i1持续时间短、峰值大，持续时间短、峰值大，i1分解得出的正弦基波分量分解得出的正弦基波分量较小，且同较小，且同uAC有相位差，故有相位差，故PF较小，约较小，约0.6左右；同时谐左右；同时谐波分量大，对电网造成干扰；波分量大，对电网造成干扰；三次谐波电流在电网中线上叠加，可能使零线电流比相线电三次谐波电流在电网中线上叠加，可能使零线电流比相线电流大，流大，零线可能发热
62、损坏零线可能发热损坏为解决上述问题，通信用高频开关整流器必须采用功率因数为解决上述问题，通信用高频开关整流器必须采用功率因数校正电路，使整流器的功率因数符合我国通信行业标准的规校正电路，使整流器的功率因数符合我国通信行业标准的规定。定。功率因素校正工作原理功率因素校正工作原理在开关整流器中，在开关整流器中，功率因素校正的基本方法有两种功率因素校正的基本方法有两种：无源功无源功率因素校正率因素校正和和有源功率因素校正有源功率因素校正。2024/7/2438第第3章章 整流与变整流与变换换无源功率因素校正电路无源功率因素校正电路无源功率因素校正法无源功率因素校正法是是在开关整流器的输入端在开关整流
63、器的输入端加入加入电感量电感量很大的很大的低频低频电感电感，以减小滤波电容充电电流尖峰。，以减小滤波电容充电电流尖峰。方法简单，但效果不理想，一般校正后的功率因素（方法简单，但效果不理想，一般校正后的功率因素（PF）可达）可达0.85，并且加入的电感体积大，增加了开关整流器的体积。因此目前用得较并且加入的电感体积大，增加了开关整流器的体积。因此目前用得较多的是多的是有源功率因素校正。有源功率因素校正。有源功率因素校正电路有源功率因素校正电路有源功率因数校正有源功率因数校正(APFC)电路电路主电路可以是升压型的主电路可以是升压型的(BOOST)电路，电路，也可以是也可以是降压型的降压型的(BU
64、CK)电路电路，其工作模式可以是连续导电，其工作模式可以是连续导电(CCM)，也可以是不连续导电，也可以是不连续导电(DCM)，如果其输出带隔离变压器的话，根据，如果其输出带隔离变压器的话，根据隔离变压器的工作原理又分为正激式和反激式。隔离变压器的工作原理又分为正激式和反激式。有源功率因数校正（有源功率因数校正（ActivePowerFactorCorrection，PFC）电路，电路，目前多采用目前多采用平均电流模式平均电流模式控制控制的的PWM升压变换器升压变换器，控制芯片有，控制芯片有UC3854、UC3854A/B等。等。2024/7/2439第第3章章 整流与变整流与变换换有源功率因
65、素校正电路的功能有源功率因素校正电路的功能使使整流器的输入电流整流器的输入电流基本上为正弦波基本上为正弦波，并，并与电网电压同相与电网电压同相；实现实现预稳压预稳压，输出波形平滑且比较稳定的约，输出波形平滑且比较稳定的约400V直流电压。直流电压。主电路主电路升压变换器的升压变换器的输入电压输入电压：ui=ud(输入电压正弦波绝对值输入电压正弦波绝对值)升压变换器升压变换器升压变换器由升压变换器由L、VT、VD和和C2组成。组成。 功率开关管的开关频率至少为功率开关管的开关频率至少为20kHz（相应的开关周期为（相应的开关周期为50s），这就是说），这就是说VT在交流电源每半个周期（在交流电源
66、每半个周期（10ms）内至少开）内至少开关关200次。次。 为使功率因数校正电路的为使功率因数校正电路的输出电压输出电压uo波形平滑并较稳定波形平滑并较稳定，驱动脉，驱动脉冲的冲的占空比占空比D必须有规律地变化必须有规律地变化。控制原理控制原理系统采用系统采用双环路控制双环路控制，即由，即由稳压控制环路稳压控制环路与与输入电流波形控制环路输入电流波形控制环路来来控制。控制。 2024/7/2440第第3章章 整流与变整流与变换换功率转换电路功率转换电路在高频开关整流器中，将在高频开关整流器中，将大功率的高压直流大功率的高压直流（几百伏）转换（几百伏）转换成成低压直流低压直流（几十伏），是由（几
67、十伏），是由功率转换电路功率转换电路完成的。完成的。转换标准转换标准一是功率转换过程中效率是否高；一是功率转换过程中效率是否高；二是大功率电路其体积是否小。二是大功率电路其体积是否小。转换过程转换过程高压直流高压直流高压交流高压交流降压变压器降压变压器低压交流低压交流低压直流低压直流 变压器体积与工作频率成反比变压器体积与工作频率成反比 高压直流高压直流高压高频交流高压高频交流高频降压变压器高频降压变压器低压高频交流低压高频交流低压直低压直流的过程流的过程。PWM型功率转换电路型功率转换电路谐振型功率转换电路谐振型功率转换电路时间比例控制稳压原理时间比例控制稳压原理 2024/7/2441第第
68、3章章 整流与变整流与变换换集成集成PWM控制器控制器脉宽调制控制电路脉宽调制控制电路脉宽调制（脉宽调制（PWM）控制电路是开关电源的重要组成部分。）控制电路是开关电源的重要组成部分。作用作用是产生是产生PWM信号，向功率开关管或它的驱动电路提供前后沿陡峭、信号，向功率开关管或它的驱动电路提供前后沿陡峭、占空比可变、工作频率不变的矩形脉冲列。占空比可变、工作频率不变的矩形脉冲列。对对PWM控制电路的基本要求控制电路的基本要求满足开关电源满足开关电源输出电压稳定度输出电压稳定度及及动态品质的要求动态品质的要求；与主回路配合，使开关电源与主回路配合，使开关电源具有规定的输出电压值具有规定的输出电压
69、值及其及其调节范围调节范围；能实现能实现开关电源的开关电源的软启动软启动；能实现能实现开关电源的开关电源的过流过流、过压过压保护。保护。现在现在PWM控制电路普遍采用控制电路普遍采用单片集成单片集成PWM控制器控制器，其型号较多，通，其型号较多，通常分为常分为电压型控制器电压型控制器和和电流型控制器电流型控制器两类，电流型控制又分为峰值电两类，电流型控制又分为峰值电流模式控制和平均电流模式控制。电压型集成控制器只有电压流模式控制和平均电流模式控制。电压型集成控制器只有电压反馈控制，可以满足开关电源稳定输出电压等要求。反馈控制，可以满足开关电源稳定输出电压等要求。 2024/7/2442第第3章
70、章 整流与变整流与变换换通信用高频开关整流器主电路举例通信用高频开关整流器主电路举例 图图3-28单相输入的通信用高频开关整流器主电路举例单相输入的通信用高频开关整流器主电路举例2024/7/2443第第3章章 整流与变整流与变换换均流电路均流电路自动稳压方式自动稳压方式并联运行并联运行的的整流器整流器必须有必须有均流措施均流措施，使其输出电流，使其输出电流均衡。否则，由于各整流器的输出电压和等效内阻实际上不可能均衡。否则，由于各整流器的输出电压和等效内阻实际上不可能完全一致，其中完全一致，其中有些整流器将会负载过重有些整流器将会负载过重，从而影响系统的可靠，从而影响系统的可靠性，甚至造成并联
71、失败。性，甚至造成并联失败。均流电路作用均流电路作用均流电路用来使并联运行的整流器输出电流自动均衡。均流电路用来使并联运行的整流器输出电流自动均衡。实现均流的方法实现均流的方法在通信用高频开关电源中广泛采用的，在通信用高频开关电源中广泛采用的，主要是最大电流法均流主要是最大电流法均流和和平均平均电流法均流电流法均流。平均电流法自动均流平均电流法自动均流平均电流法均流总线上的电压为各整流模块电流放大器输出电压的平平均电流法均流总线上的电压为各整流模块电流放大器输出电压的平均值。均值。 最大电流法自动均流最大电流法自动均流自动设定主模块和从模块的方法，输出电流最大的整流模块自动成为自动设定主模块和
72、从模块的方法，输出电流最大的整流模块自动成为主模块，其他模块则为从模块。主模块，其他模块则为从模块。 2024/7/2444第第3章章 整流与变整流与变换换通信用高频开关整流器的若干技术指标通信用高频开关整流器的若干技术指标效率效率效率效率是指电网电压为额定值、直流输出电压为稳压上限值、输出电流是指电网电压为额定值、直流输出电压为稳压上限值、输出电流为额定值时，直流输出功率与交流输入有功功率之比的百分数。为额定值时，直流输出功率与交流输入有功功率之比的百分数。负载效应（负载调整率）负载效应（负载调整率）负载效应负载效应是指交流输入电压为额定值，直流输出电流在额定值的是指交流输入电压为额定值，直
73、流输出电流在额定值的5%100%范围变化，直流输出电压偏离整定值的变化率。范围变化，直流输出电压偏离整定值的变化率。源效应（电网调整率）源效应（电网调整率）源效应源效应是指直流输出电流为额定值，交流输入电压在额定值的是指直流输出电流为额定值，交流输入电压在额定值的85%110%范围内变化，直流输出电压偏离整定值的变化率。范围内变化，直流输出电压偏离整定值的变化率。稳压精度稳压精度稳压精度是指交流输入电压在稳压精度是指交流输入电压在85%110%之间变化，负载电流在之间变化，负载电流在5%100%范围内变化，直流输出电压偏离整定值的变化率。范围内变化，直流输出电压偏离整定值的变化率。 2024/
74、7/2445第第3章章 整流与变整流与变换换宽频杂音电压宽频杂音电压宽频杂音电压是指整流器输入电压与输出电流为额定值时，直流输出宽频杂音电压是指整流器输入电压与输出电流为额定值时，直流输出电压中一定频宽内的交流分量的方均根值。电压中一定频宽内的交流分量的方均根值。电话衡重杂音电压电话衡重杂音电压电话衡重杂音电压是指整流器输入电压与输出电流为额定值时，直流电话衡重杂音电压是指整流器输入电压与输出电流为额定值时，直流输出电压中的交流分量通过国际电信联盟规定的电话衡重网络输出电压中的交流分量通过国际电信联盟规定的电话衡重网络(A)后后测得的杂音电压值。测得的杂音电压值。峰峰峰值杂音电压峰值杂音电压峰
75、峰峰值杂音电压是指整流器输入电压与输出电流为额定值时，直流峰值杂音电压是指整流器输入电压与输出电流为额定值时，直流输出电压中在输出电压中在020MHz频带内交流分量的峰频带内交流分量的峰峰间电压值。峰间电压值。离散频率杂音电压离散频率杂音电压离散频率杂音电压是指整流器输入电压与输出电流为额定值时，直流离散频率杂音电压是指整流器输入电压与输出电流为额定值时，直流输出电压中在规定频带内单个频率的杂音电压。输出电压中在规定频带内单个频率的杂音电压。 2024/7/2446第第3章章 整流与变整流与变换换3.3 开关电源系统介绍开关电源系统介绍开关电源系统简述开关电源系统简述目前通信用高频开关整流器一
76、般做成目前通信用高频开关整流器一般做成模块模块的形式的形式开关电源系统组成开关电源系统组成交流配电单元交流配电单元直流配电单元直流配电单元整流模块整流模块监控模块监控模块监控单元监控单元监控单元是整个开关电源系统的监控单元是整个开关电源系统的“总指挥总指挥”，起着监控各个模块的工，起着监控各个模块的工作情况，协调各模块正常工作的作用。作情况，协调各模块正常工作的作用。 监控单元主要实现对开关电源系统的信息查询、参数设置、系统控制、监控单元主要实现对开关电源系统的信息查询、参数设置、系统控制、告警处理、电池管理和后台通信等功能。告警处理、电池管理和后台通信等功能。从监控对象的角度我们将监控模块分
77、为交流配电单元监控单元、整流从监控对象的角度我们将监控模块分为交流配电单元监控单元、整流模块监控单元、蓄电池组监控单元、直流配电单元监控单元、自诊断模块监控单元、蓄电池组监控单元、直流配电单元监控单元、自诊断单元和通信单元单元和通信单元6个功能单元个功能单元2024/7/2447第第3章章 整流与变整流与变换换开关电源系统示意图开关电源系统示意图 图图3-33开关电源系统示意图开关电源系统示意图2024/7/2448第第3章章 整流与变整流与变换换交流配电单元监控单元交流配电单元监控单元监测三相交流输入电压值（是否过高、过低，有无缺相、停电）监测三相交流输入电压值（是否过高、过低，有无缺相、停
78、电），频率值，电流值以及，频率值，电流值以及MOA避雷器是否保护损坏等情况。能显避雷器是否保护损坏等情况。能显示它们的值以及状态，当不符合事先设定的值时，发出声光告示它们的值以及状态，当不符合事先设定的值时，发出声光告警，记录相关事件发生的详细情况，以备维护人员查询。警，记录相关事件发生的详细情况，以备维护人员查询。整流模块监控单元整流模块监控单元监测整流模块的输出直流电压、各模块电流及总输出电流，各监测整流模块的输出直流电压、各模块电流及总输出电流，各模块开关机状态、故障与否、浮充或均充状态以及限流与否。模块开关机状态、故障与否、浮充或均充状态以及限流与否。控制整流模块的开关机、浮充或均充。
79、显示相关信息以及记录控制整流模块的开关机、浮充或均充。显示相关信息以及记录事件发生的详细情况。事件发生的详细情况。蓄电池组监控单元蓄电池组监控单元监测蓄电池组总电压、充电电流或放电电流，记录放电时间以监测蓄电池组总电压、充电电流或放电电流，记录放电时间以及放电容量、电池温度等。及放电容量、电池温度等。 2024/7/2449第第3章章 整流与变整流与变换换直流配电单元监控单元直流配电单元监控单元监测系统总输出电压、总输出电流、各负载分路监测系统总输出电压、总输出电流、各负载分路电流以及各负载分路熔丝和开关情况。电流以及各负载分路熔丝和开关情况。自诊断单元自诊断单元监测监控单元本身各部件和功能单
80、元工作情况。监测监控单元本身各部件和功能单元工作情况。通信单元通信单元设置与远端计算机连接的通信参数（包括通信速设置与远端计算机连接的通信参数（包括通信速率、通信端口地址），负责与远端计算机的实时率、通信端口地址），负责与远端计算机的实时通信。通信。2024/7/2450第第3章章 整流与变整流与变换换3.4 开关电源系统的故障处理与维护开关电源系统的故障处理与维护 维护的意义维护的意义为了确保通信设备正常工作，对高频开关电源的故障处理和维护是为了确保通信设备正常工作，对高频开关电源的故障处理和维护是一项非常重要的工作。一项非常重要的工作。开关电源虽然具有很多优点，但设备发生故障是难免的，对故
81、障的开关电源虽然具有很多优点，但设备发生故障是难免的，对故障的迅速、正确排除，减少故障所造成的损失是项重要的基本任务。迅速、正确排除，减少故障所造成的损失是项重要的基本任务。智能化的开关电源也需要人工维护智能化的开关电源也需要人工维护目前开关电源已实现智能化。通过接口与计算机相连实现集中监控，目前开关电源已实现智能化。通过接口与计算机相连实现集中监控，当系统发生故障时，系统监控单元能显示故障事件发生的具体部位、当系统发生故障时，系统监控单元能显示故障事件发生的具体部位、时间等等。维护人员利用监控单元的这些信息能初步判断故障的性时间等等。维护人员利用监控单元的这些信息能初步判断故障的性质。但由于
82、目前高频开关电源系统智能化程度还远远没有达到真正质。但由于目前高频开关电源系统智能化程度还远远没有达到真正能代替人的所谓能代替人的所谓“人工智能人工智能”的程度，很多实际故障发生后的判断的程度，很多实际故障发生后的判断处理仍然需要有经验的电源维护人员根据故障现象，进行缜密分析，处理仍然需要有经验的电源维护人员根据故障现象，进行缜密分析，作出正确的检查、判断及处理。作出正确的检查、判断及处理。2024/7/2451第第3章章 整流与变整流与变换换系统检查维修的基本步骤系统检查维修的基本步骤当设备发生故障后，需进行维修。系统检查维修的基本步骤当设备发生故障后，需进行维修。系统检查维修的基本步骤如下
83、：如下：查看系统有无声光告警指示查看系统有无声光告警指示由于开关电源系统各模块均有相应的告警提示，如整流模块故障由于开关电源系统各模块均有相应的告警提示，如整流模块故障后其红色告警指示灯点亮，同时系统蜂鸣器发出声告警。后其红色告警指示灯点亮，同时系统蜂鸣器发出声告警。观察具体故障现象或告警信息提示观察具体故障现象或告警信息提示例如观察具体故障现象与监控单元提示是否一致，有无历史告警例如观察具体故障现象与监控单元提示是否一致，有无历史告警信息等，有时可能会出现处理故障的检修方法，即可完成故障检信息等，有时可能会出现处理故障的检修方法，即可完成故障检修。修。形成处理故障的检修方法形成处理故障的检修
84、方法根据故障现象或告急信息，对本开关电源作出正确的分析即形成根据故障现象或告急信息，对本开关电源作出正确的分析即形成处理故障的检修方法，即可完成故障检修。处理故障的检修方法，即可完成故障检修。2024/7/2452第第3章章 整流与变整流与变换换开关电源的故障分类开关电源的故障分类开关电源的故障可分为开关电源的故障可分为正常的告警类故障正常的告警类故障、非正常告警类故非正常告警类故障障、功能丧失类不告警故障功能丧失类不告警故障以及以及性能不良不告警故障性能不良不告警故障四类，四类，如图如图3-34所示。所示。图图 3-34 故障分类故障分类2024/7/2453第第3章章 整流与变整流与变换换
85、正确的告警类故障正确的告警类故障这一故障发生时，系统配电模块、整流模块会有相应的故障指示，查这一故障发生时，系统配电模块、整流模块会有相应的故障指示，查看监控的单元由相应的告警信息，各监控单元提示的故障信息与实际看监控的单元由相应的告警信息，各监控单元提示的故障信息与实际情况一致。情况一致。非正常告警类故障非正常告警类故障这一类故障发生时，虽然系统有故障灯亮、告警声响等现象，但情况这一类故障发生时，虽然系统有故障灯亮、告警声响等现象，但情况与监控单元告警信息不一致或监控单元无相应告警信息。与监控单元告警信息不一致或监控单元无相应告警信息。功能丧失类不告警故障功能丧失类不告警故障这一类故障发生时
86、，系统的功能发生异常或丧失，但系统没有任何告这一类故障发生时，系统的功能发生异常或丧失，但系统没有任何告警提示。警提示。性能不良不告警故障性能不良不告警故障这一类故障发生时，系统检测的参数不符合系统性能指标，发生检测这一类故障发生时，系统检测的参数不符合系统性能指标，发生检测不准或参数不对等情况。不准或参数不对等情况。在实际检修过程中，可以根据故障现象归入上述一种或多种情况。在实际检修过程中，可以根据故障现象归入上述一种或多种情况。2024/7/2454第第3章章 整流与变整流与变换换故障检修流程故障检修流程图图3-35 故障检修流程故障检修流程2024/7/2455第第3章章 整流与变整流与
87、变换换本章小结本章小结高频开关电源的地位与优点高频开关电源的地位与优点高频开关整流器作为通信电源系统的核心，其优点可归为纳体积小、重量高频开关整流器作为通信电源系统的核心，其优点可归为纳体积小、重量轻；功率因数高；节能高效；稳压精度高、可闻噪音低；维护简单、扩容轻；功率因数高；节能高效；稳压精度高、可闻噪音低；维护简单、扩容方便；智能化程度较高。方便；智能化程度较高。高频开关整流器组成高频开关整流器组成高频开关整流器由主电路和控制电路、检测电路、辅助电源组成高频开关整流器由主电路和控制电路、检测电路、辅助电源组成。开关整流器稳压原理开关整流器稳压原理开关整流器稳压原理是时间比例控制的原理，即通
88、过改变开关接通时间和开关整流器稳压原理是时间比例控制的原理，即通过改变开关接通时间和工作周期的比例，来调整输出电压。具体方式有：脉冲宽度调制方式，脉工作周期的比例，来调整输出电压。具体方式有：脉冲宽度调制方式，脉冲频率调制方式和混合调制方式。冲频率调制方式和混合调制方式。功率因数校正的基本方法功率因数校正的基本方法在高频开关整流器中，功率因数校正的基本方法有两种：无源功率因数校在高频开关整流器中，功率因数校正的基本方法有两种：无源功率因数校正和有源功率因数校正。正和有源功率因数校正。高频开关整流器中主要的滤波电路高频开关整流器中主要的滤波电路高频开关整流器中主要的滤波电路有：输入滤波、工频滤波和输出滤波。高频开关整流器中主要的滤波电路有：输入滤波、工频滤波和输出滤波。2024/7/2456第第3章章 整流与变整流与变换换开关电源的故障种类开关电源的故障种类开关电源的故障多种多样，可分为正常告警类故障、非正常开关电源的故障多种多样，可分为正常告警类故障、非正常告警类故障、功能丧失类不告警故障、性能不良不告警故障，告警类故障、功能丧失类不告警故障、性能不良不告警故障，应根据系统的实际情况，作出不同的检修流程图，加以分析应根据系统的实际情况，作出不同的检修流程图，加以分析判断。判断。 2024/7/2457
