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現代電源技術
來源: 作者: 發布時間: 2018-08-01 次瀏覽 分享到:
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1-2??? 電源的構成與分類1? 開關電源的基本構成輸入回路-將交流輸入電壓整流成為較平滑的直流高壓功率變換器-將直流高壓變換為頻率大于20KHZ的高頻脈沖電壓整流及濾波電路-將高頻脈沖電壓轉...

           1-2    電源的構成與分類

           1  開關電源的基本構成

           輸入回路-將交流輸入電壓整流成為較平滑的直流高壓

           功率變換器-將直流高壓變換為頻率大于20KHZ的高頻脈沖電壓

           整流及濾波電路-將高頻脈沖電壓轉換穩定的直流輸出電壓

           PWM控制器——將輸出直流電壓進行取樣控制功率器件的驅動脈沖寬度,從而調整開通 時間以使輸出電壓可調且穩定。

           2 開關電源的特點

          (1)重量輕,體積小  采用高頻技術,去掉了工頻變壓器,在同等的輸出功率下,體積。重量可縮減10/1

          (2)功率因數高     經PFC的開關電源功率因數一般都在0.93以上而且不受負載的變化影響

          (3)可聽噪聲低     在線性電源中,工頻變壓器及濾波電感產生噪聲大于60分貝,而開 關電源僅為45分貝左右。

          第一章     現代電源技術概述

          1-1        現代電源技術的現狀與發展

         現狀:先進的電路技術-PFC技術,同步整流技術 ,軟開關技術、高頻磁技術,均流技術,DC/DC技術 、先進的半導體技術-PIC器件,模塊器件

         水平: 效率-高達93%       穩壓精度- 0.5

         功率因數 -單相 0.97-0.999                          

         噪聲電壓-寬頻噪聲,衡重噪聲                                

         發展方向:高效率,小型化,集成化,智能化高可靠性

         1-1-1       功率半導體技術新進展

                                                          功率開關器件發展階段

         50年代              60年代               70年代                       80年代                     90年代

         可控硅 SCR        快速晶閘管        可關斷晶閘管GTO      1高壓GTO               大容量大功率高性能  

       (晶閘管)                                                                      2IGCT                      省吸收與IGBT結合

                                                                                              3MCT                       優勢互補

                                                                                              MOS晶閘管

                                                          電力晶體管GTR             1IGBT                       1 高速IGBT

                                                                                              2功率MOSFET           2低電荷功率MOSFET

                                                      

                                               

                                                   功率二極管的發展

 PIN功率二極管                                                     SBD肖特基勢壘功率二極管

 耐高壓,大電流,                                                 極高的開關頻率

 低泄漏電流低導通損耗  

 開關頻率不高                                                       不適于高電壓大電流的應用

                                    

                                          POWER-IC 器件的發展

 PWM/MOSFET  二合一IC      集功率開關,控制電路,保護電路與一體,性價比較高。

 TOPS wich系列二合一功率IC    TOP220,   TOP230, TOP250,仙童公司,5L系列   0380   1M系列    0880

 廣泛應用于小家電,通訊設備等

 IGBT功率模塊      復合功率模塊PIM      智能功率模塊IPM       電力模塊IPEM

電力電子模塊PEEB

水平                          1200-1800A                     600A

                                 1800-3300V                      2000V

1-1-2         電源領域技術新進展

功率因數校正(PFC)技術

PFC的概念起源于1980年,重視和推廣在80年代末,主要制定了IEC555-2,IEC1000-3-2,使得研究PFC術研究成為電源界熱點

現在關注:一是二級PFC技術,二是單極PFC技術

同步整流技術

同步整流的概念:當輸出為低電壓大電流時整流損耗成為功率變換器主要損耗,所以提出采用低導通電阻的MOSFET進行整流。同步整理一是通過控制MOSFET的驅動電路來利用功率MOSFET實現整流功能的技術

發展:同步整流技術出現得較早,但早期的技術很難轉換為產品,這是由于當時驅動技術不成熟,可靠性不高。經過幾年的發展,同步整流技術已經成熟。由于開發成本的原因,目前只在技術含量較高的開關電源模塊中得到應用。

優勢:同步整流技術提高了電源效率,它同時給電源模塊帶來了許多新的進步。同步整流技術符合高效節能的要求,適合新一代芯片電壓的要求,有著非常廣闊的應用前景。但目前只有較少的公司掌握了該項技術,并且實現的成本也很高,而且還有很多應用領域未得到開拓。隨著用于同步整流的MOSFET批量投入市場,專用驅動芯片的出現,以及控制技術的不斷完善,同步整流技術將成為一種主流電源技術,逐步應用于廣泛的工業生產領域。

軟開關技術

軟開關技術的概念:是利用電容于電感諧振使得開關器件中電流(電壓)按正弦或準正弦規律變化。當電流過零時,器件關斷;當電壓過零時,器件開通,實現開關損耗為另軟開關技術:可分為1,PFM 2,  PWM 3 , PS方式

發展動態:自20世紀80年代中期起,采用PWM控制技術的高功率密度DC/DC變換器模塊走進了世界市場。如今,已廣泛應用在各種領域中。1997年,在已經行了將近30年的世界范圍的軟開關基礎理論研究之后,美國Vicor開關電源公司最先推出了VI-300系列軟開關高密度DC/DC產品。第二代產品是以Vicor公司有專利權的零電流開關(ZCS)和零電壓開關(ZVS)軟開關控制技術為基礎,結合了控制集成、封裝、鐵氧體、噪音和散熱技術等方面的最新成果,產品達到了與理想功率器件極為接近的境地。第二代產品與第一代產品相比,功率密度增加了兩倍,即為120W/in3。第二代產品的出現預示著它們將是DC/DC變換器未來的主流產品。

DC/DC技術

研究熱點:低電壓大電流

高頻磁技術:

電力電子高頻磁技術是將電力電子技術與磁技術結合起來高頻磁技術是電力電子技術中的重要內容。功率磁元件是所有電源中必不可少的關鍵器件。它擔負著磁能傳遞,儲存以及濾波功能。其體積和重量一般占到電路20-30%

 10年內重點發展:高頻低功耗高磁導率材料和片式化的表面貼裝軟磁 材料在非晶軟磁金金屬和磁記錄材料方面,發展納米材料;

70年代初20KHZ電子變壓器取代了工頻變壓器使得變壓器體積減小60-80%重量減輕75%,目前開關頻率已從20KHZ提高到10MHZ

第二章   電源中的電力電子器件與基礎電路

2-1    電力電子器件

2-2    基礎電路

2-2-1   EMI濾波電路

開關電源設計應考慮抑制干擾,而濾波是一種抑制干擾有效方法,不僅可以抑制傳輸線上傳導干擾,同時對輻射發射也有顯著抑制效果,圖2-2-1是開關電源輸入級常用一種EMI濾波器

電路分析:圖2-2是對共模噪聲和差模噪聲都有效的濾波器電路。其中,L1、L2、C1為抑制差模噪聲回路,L3、C2、C3構成抑制共模噪聲回路。L1、L2的鐵芯應選擇不易磁飽和的材料及M-F特性優良的鐵芯材料。C1使用陶瓷電容或聚酯薄膜電容,應有足夠的耐壓值,其容量一般取0.22~0.47uF。L3為共模電感,對共模噪聲具有較高的阻抗、較好的抑制效果。

2-2-2   整流與濾波電路

2-2-3   功率變換電路

在高頻開關電源功率轉換電路中,單斷變換器(正激、反激式)與雙端變換器(推挽式、半橋、全橋式)的本質區別,在于其高頻變壓器的磁芯只工作在第一象限,即處于磁滯回線一邊。按變壓器的副邊開關整流二極管的不同接線方式,單斷變換器有兩種類型: a.單端正激式變換電路     b.單端反激式變換電路

2.2.3.1單端反激式變換電路

1.基本工作原理

ton時,Q1通,E+加在原邊Lp兩端,ip線形增加,儲能;副邊Ls電壓上正下負,D1反偏截止。

toff時,Q1截止,ip降為0,原邊Lp兩端電壓極性反向,副邊Ls電壓隨著變為上負下正,D1正向導通。此后,儲存在變壓

器中的磁能向負載傳遞釋放電能。

當單斷反激式變換器在原邊開關管導通時儲存能量,開關管截止時才向負載釋放能量,故高頻變壓器既起到變壓隔離作用,又是電感儲能元件。因此,又稱單端反激式變換器為“電感儲能式變換器”。

2.電路特點

a. 由于原邊、副邊的電感量為常數,使原邊和副邊電流按線形規律升降,其電流工作狀態有三種:非連續態、臨界態及連續狀態;

b.一般用在小功率場合

c.利用率不高

注意設計原則:必須使高頻變壓器磁芯的磁通復位。即:必須讓高壓開關管在一個周期內的導通和截止期間,加在高頻變壓器原邊繞組上的伏-秒數相等。

2-2-3   功率變換電路

2.2.3.2單端正激式變換電路

1.基本工作原理

Q1導通時,D1導通,電路向負載RL輸送能量,同時輸出濾波電感L0儲存能量;Q1截止時,電感L0儲存能量通過續流二極管D2向負載釋放

2.電路特點

          a.導通時輸入饋電給負載,截止時L供電給負載; b.N3起到去磁復位功能外,同時,與二極管D3一起組成箍位電路防止Q1截止期間及瞬態過程中高頻變壓器漏感引起電壓尖峰疊加在Q1上;c.若去磁繞組與原邊繞組匝數相等,并保持緊耦合,Q1承受的電壓最大為2E

          設計中注意原則:由于高頻變壓器工作在磁滯回線的一側,必須遵守磁通復位原則,即導通脈寬不能超出周期的一半。

          雙管正激并聯電路

          具有輸出功率大,輸出方波頻率加倍,易于濾波,開關管耐壓值減半約等于輸入電壓Vn,取消了變壓器去磁繞組等優點,因此廣泛應用于大功率變換電路中,是可靠性高,制造不復雜的主要電路之一。

         2-2-3   功率變換電路

         2.2.3.3推挽式功率變換電路

         1.基本工作原理

         VT1、VT2中交替導通時,W1和W2有相應的電流流過,變換器二次側將有功率輸出。

         2.電路特點

         a.由于功率開關器件的發射極共地,無須隔離基極驅動電路,簡化

         b.兩個功率開關器件輪流導通可獲得較大的功率輸出;

         c.功率開關的耐壓值應當大于2Vin

         2.2.3.4全橋式功率變換電路

         1.基本工作原理

         變壓器連接在四橋臂中間,相對的兩對功率開關器件VT1-VT4和VT2-VT3交替導通或截止,使變壓器的二次側有功率輸出。當功率開關器件VT1-VT4導通時, VT2-VT3則截止,這時,VT2-VT3兩端承受的電壓為輸入電壓Vin,在功率開關器件關斷過程中產生的尖峰電壓被二極管VD1~VD4鉗位于輸入電壓Vin。

         2.電路特點

         1)全橋式功率開關器件的耐壓值只要大于Vinmax即可

         2)使用鉗位二極管VD1~VD4,有利于提高電源效率

         3)電路使用了四個功率開關器件,四組驅動電路需要隔離。

         應用:主要應用于大功率變換電路中,由于驅動電路復雜且均需隔離,因此在電路設計和工藝結構布局中要有足夠的考慮。

         2-2-3   功率變換電路

         2.2.3.5半橋式功率變換電路

         1.基本工作原理

         與全橋功率變換電路相比,兩個功率器件改為兩個容量相等的電容代替。C1和C2的主要作用是實現靜態時的分壓,使 Va= Vin/2

         2.電路特點當VT1導通、VT2截止時,電源向  C2充電;當VT2導通、VT1截止時,輸入電流向C1充電。VT1導通、VT2截止時,VT2兩端承受的電壓為輸入直流電壓Vin。這也是開關管承受的最大電壓。

         2.電路特點

         a.在高頻變壓器上施加的電壓只有全橋功率變換電路的一半,在同等功率輸出的條件下,半橋開關管的工作電流需要增加一倍;

         b.突出優點,具有抗不平衡能力;

         應用:中等功率容量的電源;

         串聯型半橋功率變換電路,可降低耐壓要求;采用并聯方式,可增大輸出電流的容量

         2.2.3.6功率變換電路的比較與應用

         1.變壓器利用率

         單端正激-反激變換器次芯中磁滯回線僅在第一象限內變化,變壓器利用率底;推挽式、全橋式、半橋式功率變換電路用的磁芯在全磁滯回線工作。利用率高,在輸出同等功率的條件下所用的磁芯體積相應縮小;

         2.對功率器件的要求

         推挽式、全橋式、半橋式功率變換電路的功率開關器件在一個周期內各導通一次承受的電流相對 較小,并且在功率變換電路二次輸出整流后的準方波也將成倍增加,使直流脈動成分相應減少。在單端式和推挽式功率變換電路中,功率開關器件的耐壓值為輸入直流電壓的兩倍;在橋式功率變換電路中,耐壓值僅等于輸入電壓值。

         3.對控制驅動電路的要求

          推挽式、全橋式、半橋式變換電路其驅動脈沖必須小于T/2,同時要有一定的死區。死區持續時間應當微大于功率開關器件的存儲時間,以防止直通。單端正激-反激變換器無需專門的死區控制。從驅動電路的要求看,橋式功率變換電路需要隔離,故工藝結構和布局設計考慮較為復雜。














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