【正文】 第 8章 典型電力電子裝置介紹 第 8章 典型電力電子裝置介紹 開(kāi)關(guān)電源 UPS不間斷電源 有源功率因數(shù)校正器 第 8章 典型電力電子裝置介紹 開(kāi)關(guān)電源 開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理 1． 線性穩(wěn)壓電源的工作原理及其特點(diǎn) 穩(wěn)壓電源通常分為線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源 。 電子技術(shù)課程中所介紹的直流穩(wěn)壓電源一般是線性穩(wěn)壓電源 , 它的特點(diǎn)是起電壓調(diào)整功能的器件始終工作在線性放大區(qū) ， 其原理框圖如圖 81所示 , 由 50Hz工頻變壓器 、 整流器 、 濾波器和串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器組成 。 第 8章 典型電力電子裝置介紹 圖 81 線性穩(wěn)壓電源 ＋－RL Uo取樣基礎(chǔ)電壓放大器整流濾波電路工頻變壓器交流輸入 第 8章 典型電力電子裝置介紹 它的基本工作原理為：工頻交流電源經(jīng)過(guò)變壓器降壓 、 整流 、 濾波后成為一穩(wěn)定的直流電 。 圖 81中其余部分是起電壓調(diào)節(jié) ， 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用的控制部分 。 電源接上負(fù)載后 ， 通過(guò)采樣電路獲得輸出電壓 ， 將此輸出電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較 。 如果輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓 ，則將誤差值經(jīng)過(guò)放大電路放大后送入調(diào)節(jié)器的輸入端 ，通過(guò)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使輸出電壓增加 ， 直到與基準(zhǔn)值相等；如果輸出電壓大于基準(zhǔn)電壓 ， 則通過(guò)調(diào)節(jié)器使輸出減小 。 第 8章 典型電力電子裝置介紹 這種穩(wěn)壓電源具有優(yōu)良的紋波及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 ， 但同時(shí)存在以下缺點(diǎn)： (1) 輸入采用 50 Hz工頻變壓器 ， 體積龐大 。 (2) 電壓調(diào)整器件 （ 如圖 81所示的三極管 ） 工作在線性放大區(qū)內(nèi) ， 損耗大 ， 效率低 。 (3) 過(guò)載能力差。 第 8章 典型電力電子裝置介紹 2． 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)電源 ， 這種電源中 ， 起電壓調(diào)整 ， 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制功能的器件始終以開(kāi)關(guān)方式工作 。圖 82所示為輸入輸出隔離的開(kāi)關(guān)電源原理框圖 。 圖 82 開(kāi)關(guān)電源的基本框圖 E M I濾波器交流輸入 整流濾波變換電路高頻變壓器整流濾波器直流輸出控制驅(qū)動(dòng)取樣比較放大 第 8章 典型電力電子裝置介紹 其主電路的工作原理為： 50 Hz單相交流 220 V電壓或三相交流 220 V/380 V電壓首先經(jīng) EMI防電磁干擾的電源濾波器濾波 （ 這種濾波器主要濾除電源的高次諧波 ） ，直接整流濾波 （ 不經(jīng)過(guò)工頻變壓器降壓 ， 濾波電路主要濾除整流后的低頻脈動(dòng)諧波 ） ， 獲得一直流電壓；然后再將此直流電壓經(jīng)變換電路變換為數(shù)十或數(shù)百千赫的高頻方波或準(zhǔn)方波電壓 ， 通過(guò)高頻變壓器隔離并降壓 （ 或升壓 ） 后 ， 再經(jīng)高頻整流 、 濾波電路 ， 最后輸出直流電壓 。 第 8章 典型電力電子裝置介紹 ? 控制電路的工作原理是：電源接上負(fù)載后，通過(guò)取樣電路獲得其輸出電壓，將此電壓與基準(zhǔn)電壓做比較后，將其誤差值放大，用于控制驅(qū)動(dòng)電路，控制變換器中功率開(kāi)關(guān)管的占空比，使輸出電壓升高（或降低），以獲得一穩(wěn)定的輸出電壓。 第 8章 典型電力電子裝置介紹 3． 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的控制原理 開(kāi)關(guān)電源中 ， 變換電路起著主要的調(diào)節(jié)穩(wěn)壓作用 ， 這是通過(guò)調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)管的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的 。 設(shè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)周期為 T， 在一個(gè)周期內(nèi) ， 導(dǎo)通時(shí)間為 ton， 則占空比定義為 D＝ ton／ t。 在開(kāi)關(guān)電源中 ， 改變占空比的控制方式有兩種 ， 即脈沖寬度調(diào)制（ PWM） 和脈沖頻率調(diào)制 （ PWF） 。 在脈沖寬度控制中 ， 保持開(kāi)關(guān)頻率 （ 開(kāi)關(guān)周期 T） 不變 ， 通過(guò)改變 ton來(lái)改變占空比 D， 從而達(dá)到改變輸出電壓的目的 ， 即 D越大 ， 濾波后輸出電壓也就越大； D越小 ， 濾波后輸出電壓越小 , 如圖 83所示 。 第 8章 典型電力電子裝置介紹 圖 83 PWM控制方式 tonT 不變ton 第 8章 典型電力電子裝置介紹 頻率控制方式中 ， 保持導(dǎo)通時(shí)間 ton不變 ， 通過(guò)改變頻率 （ 即開(kāi)關(guān)周期 T） 而達(dá)到改變占空比的一種控制方式 。 由于頻率控制方式的工作頻率是變化的 ， 造成后續(xù)電路濾波器的設(shè)計(jì)比較困難 ， 因此 ， 目前絕大部分的開(kāi)關(guān)電源均采用 PWM控制 。 第 8章 典型電力電子裝置介紹 4． 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的特點(diǎn) 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源具有如下的優(yōu)點(diǎn)： (1) 功耗小 、 效率高 。 開(kāi)關(guān)管中的開(kāi)關(guān)器件交替工作在導(dǎo)通 — 截止 — 導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)狀態(tài) ， 轉(zhuǎn)換速度快 ， 這使得功率損耗小 ， 電源的效率可以大幅度提高 ， 可達(dá) 90％ ～ 95％ 。 (2) 體積小 、 重量輕 。 開(kāi)關(guān)電源效率高 ， 損耗小 ， 可以省去較大體積的散熱器； 用起隔離作用的高頻變壓器取代工頻變壓器 ， 可大大減小體積 ， 降低重量；因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率高 ， 輸出濾波電容的容量和體積也可大為減小 。 第 8章 典型電力電子裝置介紹 (3) 穩(wěn)壓范圍寬 。 開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓由占空比來(lái)調(diào)節(jié) ， 輸入電壓的變化可以通過(guò)占空比的大小來(lái)補(bǔ)償 。 這樣 ， 在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí) ， 它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓 。 (4) 電路形式靈活多樣 。 設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類(lèi)型電路的特長(zhǎng) ， 設(shè)計(jì)出能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的開(kāi)關(guān)電源 。 開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)主要是存在開(kāi)關(guān)噪聲干擾。 第 8章 典型電力電子裝置介紹 在開(kāi)關(guān)電源中 ， 開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) ， 它產(chǎn)生的交流電壓和電流會(huì)通過(guò)電路中的其它元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾 ， 對(duì)這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制 、 消除和屏蔽 ， 就會(huì)嚴(yán)重影響整機(jī)正常工作 。 此外 ， 這些干擾還會(huì)串入工頻電網(wǎng) ， 使電網(wǎng)附近的其它電子儀器 、 設(shè)備和家用電器受到干擾 。 因此 ， 設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí) ， 必須采取合理的措施來(lái)抑制其本身產(chǎn)生的干擾 。 第 8章 典型電力電子裝置介紹 在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的主電路中 ， 調(diào)頻變換電路是核心部分 ， 其電路形式多種多樣 ， 下面介紹輸入輸出隔離的開(kāi)關(guān)電源常用的幾種高頻變換電路的結(jié)構(gòu)和工作原理 。 1． 正激式變換電路 （ Forward） 所謂正激式變換電路 ， 是指開(kāi)關(guān)電源中的變換器不僅起著調(diào)節(jié)輸出電壓使其穩(wěn)定的作用 ， 還作為振蕩器產(chǎn)生恒定周期 T的方波 ， 后續(xù)電路中的脈沖變壓器也具有振蕩器的作用 。 第 8章 典型電力電子裝置介紹 該電路的結(jié)構(gòu)如圖 84（ a） 所示 。 工頻交流電源通過(guò)電源濾波器 、 整流濾波器后轉(zhuǎn)換成該圖中所示的直流電壓 Ui； V1為功率開(kāi)關(guān)管 ， 多為絕緣柵雙極型晶體管 IGBT（ 其基極的驅(qū)動(dòng)電路圖中未畫(huà)出 ） ； TR為高頻變壓器； L和 C1組成 LC濾波器；二極管 VD1為半波整流元件 ， VD2為續(xù)流二極管； RL為負(fù)載電阻； Uo為輸出穩(wěn)定的直流電壓 。 當(dāng)控制電路使 V1導(dǎo)通時(shí) ， 變壓器原 、 副邊均有電壓輸出且電壓方向與圖示參考方向一致 ， 所以二極管 VD1導(dǎo)通 ，VD2截止 ， 此時(shí)電源經(jīng)變壓器耦合向負(fù)載傳輸能量 ， 負(fù)載上獲得電壓 ， 濾波電感 L儲(chǔ)能 。 第 8章 典型電力電子裝置介紹 當(dāng)控制電路使 V1截止時(shí) ， 變壓器原 、 副邊輸出電壓為零 。 此時(shí) ， 變壓器原邊在 V1導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的能量經(jīng)過(guò)線圈 N3和二極管 VD3反送回電源 。 變壓器的副邊由于輸出電壓為零 ， 所以二極管 VD1截止 ， 電感 L通過(guò)二極管VD2續(xù)流并向負(fù)載釋放能量 ， 由于電容 C1的濾波作用 ，此時(shí)負(fù)載上所獲得的電壓保持不變 ， iio kDUDUNNU ??12式中 k為變壓器的變壓比 ， D為方波的占空比 , N1 , N2為變壓器原 、 副邊繞組的匝數(shù) 。 由上式可看出 ， 輸出電壓Uo僅由電源電壓 Ui和占空比 D決定 。 第 8章 典型電力電子裝置介紹 圖 84 正激變換電路 (a) 原理圖； (b) 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形； (c) VF波形 TVD1VF＋－VD2LC1RL＋－UoN2N3VD3V1＋－Ui( a )( b )( c )＋ 第 8章 典型電力電子裝置介紹 2． 半橋變換電路 半橋變換電路又可稱為半橋逆變電路 ， 如圖 85（ a）所示 。 工頻交流電源通過(guò)電源濾波器 、 整流濾波器后轉(zhuǎn)換成圖中所示的直流電壓 Ui； V V2為功率開(kāi)關(guān)管 IGBT； TR為高頻變壓器 ， L、 C3組成 LC濾波電路 ， 二極管 VD VD4組成全波整流元件 。 第 8章 典型電力電子裝置介紹 圖 85 半橋變換電路及波形 (a) 電路； (b) 波形 ＋uV1TVD3VD4LC3＋－Uoug1V1VD1C1Aug2V2VD2－＋－Ui( a ) ( b )uV1ug2ug1C2＋＋＋ 第 8章 典型電力電子裝置介紹 半橋變換電路的工作原理：兩個(gè)輸入電容 C C2的容量相同 ， 其中 A點(diǎn)的電壓 UA是輸入電壓 Ui的一半 ， 即有 UC1＝ UC2 ＝ Ui／ 2。 開(kāi)關(guān)管 V1和 V2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別為 ug1和 ug2， 由控制電路產(chǎn)生兩個(gè)互為反相的 PWM信號(hào) ， 如圖 85（ b） 所示 。 當(dāng) ug1為高電平時(shí) ， ug2為低電平 ，V1導(dǎo)通 ， V2關(guān)斷 。 電容 C1兩端的電壓通過(guò) VD1施加在高頻變壓器的原邊 ，此時(shí) uV1＝ Ui／ 2， 在 V1和 V2共同關(guān)斷期間 ， 原邊繞組上的電壓為零 ，即 uV1＝ 0。 當(dāng) ug2為高電平期間 ， V2導(dǎo)通 ， V1關(guān)斷 ， 電容 C2兩端的電壓施加在高頻變壓器的原邊 ， 此時(shí) uV1 ＝ Ui／ 2。 其波形如圖 85（ b）所示 。 可以看出 ， 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期 T內(nèi) ， 變壓器上的電壓分別為正 、 負(fù) 、 零值 ，