开关电源及其软开关技术

开关电源及其软开关技术任课教师：张冬梅手机：[phone]/690572邮箱：[e-mail]课堂要求纪律：1、请不要无故迟到、缺课，必须请假的同学请提前提交请假条和并且出示证明。2、遵守上课纪律，上课期间请把手机调成静音、不要聊天、随便进出课室以及扰乱课堂纪律。3、请迟到的同学保持安静，从后门进入。成绩评定期末考试（闭卷):70%平时成绩30%出勤率及课堂表现10%平时作业20%第一章概述•1.1开关电源的发展概况•1.2开关电源的基本构成•1.3本课程目标1.1开关电源的发展概况1.1.1开关电源国内发展状况1.1.2开关电源的国外发展情况1.1.3开关电源的发展趋势1.1.1开关电源国内发展状况一、开关电源的发展历程•1963年，开始研制可控整流器。•1965年，开始研制逆变器和直流-直流变换器。•80年代，开始生产20kHz直流-直流变换器，但质量很不稳定。•80年代后期，第一批引进澳大利亚技术：48V/50A、开关频率40kHz和48V/100A、开关频率20kHz高频开关电源。1.1.1开关电源国内发展状况二、开关电源的发展现状1.技术发展•功率MOSFET和IGBT使中小型开关电源工作频率达400kHz（AC/DC)或1MHz（DC/DC)。•软开关技术实现高频，减小电源体积，提高电源效率，如：国产6kW通信开关电源效率可达93%。•控制技术的发展和专用芯片的生产，简化电路，提高动态性能和可靠性。1.1.1开关电源国内发展状况•有源功率因素校正技术（APFC），提高了AC/DC开关电源的功率因素。•新磁性材料和新型变压器的开发，新型电容器和EMI滤波技术进步，专用集成控制芯片的研制，促进开关电源的小型化。•集成化和模块化缩小了电源的体积和减小了重量。DC/DC开关电源的功率密度可达7.3W/cm3。集成化是开关电源的一个重要的发展方向。1.1.1开关电源国内发展状况2.生产发展•我国已经形成一批上亿元甚至10亿以上产值的电源企业，有些产品已进入国际公司。1.1.1开关电源国内发展状况3.市场发展我国信息产业，国防工业，家电行业，特别是电信业的迅猛发展，是电源市场发展的强大动力。目前成规模的企业有几十家，武汉普天，台达，梅兰日兰，艾默生等等，分为3种类型：(1)自主研发。(2)中外合资。(3)进口部件国内组装，直接销售到国外市场。1.1.1开关电源国内发展状况4.标准制定•20世纪90年代，颁布了《通信用高频开关整流器》和《通信局（站）电源系统总计数要求》等标准。•我国开关电源行业标准急需修订，完善技术指标，改善测试方法，增加内容如：动态响应，电磁兼容等，为把好产品质量提供依据。1.1.2开关电源的国外发展情况一、开关电源的发展历程•1955年，美国GH.Roger发明了自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器。•1964年，美国科学家提出取消工频变压器串联开关的电源的设想。•1969年，研制成功25kHz的开关电源。•80年代，英国研制了完整的48V成套电源：整流单元，直流-直流变换器，直流-交流逆变器，配电设备，蓄电池组，微处理器组成的监控系统。1.1.2开关电源的国外发展情况二、开关电源的发展现状•开关整流器的高频大功率智能化发展：澳大利亚，加拿大，日本等国家可以生产200A的MOSFET开关整流器（模块）；大多数发达国家的开关整流器开关频率均在50kHz左右。•国外用于通信设备的机架电源的DC/DC变换频率均在500kHz、输出功率为300W以下。•法国新研制了500W/1MHz和韩国研制了500W/2MHzDC/DC变换器均采用谐振变换技术和零电压、零电流技术。1.1.3开关电源的发展趋势•小型化，薄型化，轻量化，高频化•高可靠性•低噪声•采用计算机辅助设计和控制1.1.3开关电源的发展趋势一.小型化，薄型化，轻量化，高频化•开关电源的高频化：在一定范围内提高开关频率，能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，抑制干扰，改善系统的动态性能。•开关电源的小型化：体积和重量主要是由储能元件决定的。实质就是尽可能减小其中储能元件的体积。开关频率的高频化是电源的主要发展方向，高频化带来的效益是小型化。1.1.3开关电源的发展趋势•开关电源的频率技术水平:1.目前市场上的开关电源中的功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫兹。2.采用功率MOSFET，开关电源的频率可达几百千赫兹。3.利用谐振电路，开关电源频率可达兆赫以上。1.1.3开关电源的发展趋势二.高可靠性从寿命的角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等部件决定着电源的寿命。为了提高平均无故障时间：•简化电路：尽可能使用较少的元器件，提高集成度。•增加保护功能。1.1.3开关电源的发展趋势三.低噪声•开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声会随之增大。•采用谐振变换技术，原理上既可以提高频率也以降低噪声。•减低噪声影响是开关电源的又一发展方向。1.1.3开关电源的发展趋势四.采用计算机辅助设计(CAD）和控制•采用建模，仿真和CAD设计工具，如：Pspice，Multisim，SIMetrix，Matlab/Simulink等等设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。•在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。1.1.3开关电源的发展趋势开关电源的技术发展方向：•高性能碳化硅（SiC)功率半导体。•高频磁技术•新型电容器•功率因素校正AC-DC开关变换技术•高频开关电源的电磁兼容研究•开关电源的设计测试技术•低电压，大电流开关电源的开发•低电压，大电流DC-DC变换器模块1.2高频开关的组成开关电源的实际运用一：台式电脑电源。1.2高频开关的组成开关电源的实际运用二：3kW风力发电机转换器。1.2高频开关的组成开关电源的实际运用三：通信UPS、整流器。1.2高频开关的组成开关电源的实际运用三：通信UPS、整流器。1.2高频开关的组成图1-1高频变压器开关电源电路原理方框图1.2高频开关的组成•主电路1.输入滤波电器：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公共电网。2.整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。3.逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关的核心部分。4.输出整流滤波:根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。1.2高频开关的组成•控制电路1.从输出端取样→经与设定标准进行比较→控制逆变器，改变其频率或脉宽→达到稳定输出。2.根据测试提供的数据→经保护电路鉴别→控制电路提供对整机进行各种保护措施。1.2开关电源的基本构成•检测电路1.提供保护电路中正在运行中的各种参数2.提供各种显示仪表数据给值班人员观察，记录。提供所有单一电路所谓不同要求电源。•辅助电源1.3本课程目标•学习各种开关电源拓扑结构、各部分电路的工作原理，输入输出波形。•学习工程实际中开关电源电路的设计方法，包括：参数计算，元器件选型，电子线路板设计，电路焊接，测试波形，分析结果等等。第二章时间比率控制稳压原理与特点•2.1时间比率控制稳压原理•2.2TRC控制方式和特点•2.3TRC控制变换器型开关电源的工作原理和特点2.1时间比率控制稳压原理一、串联线性调整型稳压电源图2-1串联线性调整型稳压电源示意图2.1时间比率控制稳压原理OVLWEIR图2-1是晶体管串联线性调整型稳压电源示意图，输入电压E和输出电压Vo之间串联着一个可变电阻RW，在稳态条件下，输入电源E和输出电压之间，有下述关系：图2-1串联线性调整型稳压电源示意图2.1时间比率控制稳压原理•当E或RL变化时，可以调整RW的电阻，使输出电压Vo保持不变，这就是串联线性调整型稳压电源的基本工作原理。•可变电阻RW可用晶体管代替，这时晶体管工作在输出特性的线性区。•输入电源向负载连续地提供能量。OVLWEIR2.1时间比率控制稳压原理•电压调整元件上的功率损耗：2TP()oLLWEVIIR•结论：E和Vo之间的差值越大，流过晶体管的电流越大，晶体管上的功率损耗也越大，稳压电源的效率就越低。2.1时间比率控制稳压原理传统的晶体管串联调整型稳压电源是连续控制的线性稳压电源。•优点：稳定性好，输出纹波电压小，使用可靠。•缺点：体积大且笨重的工频变压器和滤波器。功耗大，效率低，需要大功率调整管。需要体积很大的散热器。2.1时间比率控制稳压原理二、开关型稳压电源图2-2开关型稳压电源示意图2.1时间比率控制稳压原理•开关K以一定时间间隔重复地接通和断开：图2-2开关型稳压电源示意图1.K接通时，电源E向负载提供能量。2.K断开时，电源E中断对负载提供能量。•电源E向负载提供能量是断续的。2.1时间比率控制稳压原理1.K接通时，储存能量。2.K断开时，向负载释放。•开关电源要有一套储能装置：图2-2开关型稳压电源示意图T2.1时间比率控制稳压原理在电路AB间得到的电压波形如图，电压平均值EAB：ABEontTE改变ton/T，使输出电压EAB保持不变。时间比率控制(TimeRatioControl，TRC)：改变接通时间ton和工作周期T比例，即改变脉冲的占空比。其中，ton为开关每次接通时间，T为开关通断的周期。2.1时间比率控制稳压原理开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关管输出脉冲信号的占空比调制输出电压。•优点：功耗小，效率可达70%-95%。可靠性，稳定性高。重量轻，体积小：散热器体积小；不需要工频变压器；工作频率高，滤波电容电感数值小。对电网输入的适应能力提高。2.2TRC控制方式和特点TRC控制方式：脉冲宽度调制方式、脉冲频率调制方式、混合调制方式脉冲宽度调制方式（PulseWidthModulation,PWM):开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。优点：周期恒定，滤波电路容易设计。缺点：连续可调的导通时间很小，会导致电压不稳定，要接一定数量的假负载。2.2TRC控制方式和特点脉冲频率调制方式（PulseFrequencyModulation,PFM）：导通脉冲宽度恒定，通过改变工作频率改变占空比。优点：因为ton/T可以在很宽范围内变化，输出电压可调范围较PWM大；只需要极小假负载。缺点：滤波电路要适应较宽的频段。假负载：假负载在很多开关电源中应用，主要的作用还是增加电源在空载时的稳定性。因为在设计电源时，由于器件或电路的限制，不论是脉宽调制，频率调制，都有一个调节的上限和下限的问题。空载时可能无法满足调节的下限，造成不稳定。2.2TRC控制方式和特点混合调制方式：导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定的方式。ton和T相对地变化,使频率变化不大的情况下，输出电压的可调范围非常大。2.3TRC控制变换器型开关电源的工作原理和特点（a)PWM方式无工频变压器开关电源框图2.3TRC控制变换器型开关电源的工作原理和特点（b)PFM方式无工频变压器开关电源框图2.3TRC控制变换器型开关电源的工作原理和特点电源结构主回路：从电网将能量传递给负载的回路控制回路：其余的一、主回路工频电网交流电压（220V/50Hz)→输入滤波器、输入整流滤波电路→高压直流脉动电压（约300V）→高压开关晶体管→高频交变矩形脉冲波→变压器→升压或降压→副边整流二极管→两倍于原边开关频率的矩形波→输出滤波器→平滑、连续、低纹波直流电压。2.3TRC控制变换器型开关电源的工作原理和特点二、控制回路提供高压开关晶体管基极驱动脉冲，完成稳定的输出电压控制和对电源或负载提供保护和发出告警。组成部分：检测比较放大电路，电压-脉冲转换电路（或电压-频率转换电路），时钟振荡器（或恒脉宽发生电路），基极驱动电路，过压过流保护电路，辅助电源等等。2.3TRC控制变换器型开关电源的工作原理和特点1、PWM方式•恒定频率的振荡源-时钟振荡器：输出比较基准。•脉冲宽度调制的电路（电压-脉宽转换电路：V/W)：将检测比较放大电路放大的误差电压信