【正文】 ..................................................................... 50 第五章 設(shè)計總結(jié)與問題討論 ..............................................52 本文完成的主要工作 ........................................................................................... 52 設(shè)計工作的總結(jié) .................................................................................................. 52 值得進一步探討的問題 ....................................................................................... 53 致 謝 ..............................................................54 參考 文獻： ............................................................55 附 錄 ..............................................................56 江 蘇 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 論 文 1 第一章 緒 論 隨著社會信息和工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，作為電子電路、電器和電動設(shè)備的工作動力的電源裝置的需求量日益增長，并對其體積、重量、效率、可靠性和性能等方面提出了更高的要求。 線性電源 線性電源的工作過程為：工頻電壓先經(jīng)工頻變壓器降壓后，進行整流濾波，然后經(jīng)過功率管放大輸出，再將取樣電壓和基準(zhǔn)電壓比較后經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動功率管進行輸出電壓調(diào)整，最后輸出紋波電壓和性能符合要求的直流電壓。 線性電源的缺點是 ：① 由于功率管工作在放大區(qū)，當(dāng)需要輸出大功率時，功率管本身功耗隨著輸出功率的增大而增加，因此，整個電源損耗大、效率低 ；② 需要工頻變壓器，使得電源體積大、重量重，效率大大降低 ；③ 為了濾掉低頻紋波分量，需要較大的濾波電容。圖 給出了基本的開關(guān)電源原理框圖，實際上，開關(guān)電源包括隔 離型和非隔離型，圖中所示為非隔離型電路框圖。其工作過程為：單相交流電壓 第一章 緒 論 2 工 頻變 壓器整流濾波功 率 管驅(qū) 動 電 路電 路 取 樣基 準(zhǔn) 電 壓比 較 放 大輸入輸出濾 波 電 路脈 寬 調(diào) 制 器 圖 開關(guān)電源原理圖 經(jīng)整流濾波后，通過功率管的開關(guān)形成脈動直流電壓，再經(jīng)濾波電路輸出較平穩(wěn)的直流電壓。 開關(guān)電源 的優(yōu)點： ① 功耗小、效率高； ② 體積小、重量輕； ③ 可以做到寬范圍電壓輸入，穩(wěn)定電壓輸出； ④ 濾波器的體積大為減小。② 電路結(jié)構(gòu)相對于線性電源復(fù)雜，故障率較高，維修困難。 60 年代末，隨著晶閘管及其派生器件的出現(xiàn)，開關(guān)電源逐漸取代了晶體管線性穩(wěn)壓電源，誕 生了無工頻變壓器穩(wěn)壓開關(guān)電源，效率可達到 65%~70%，而線性電源僅為 30%~40%。 70 年代后期，隨著各種功率晶體管、高頻電容、開關(guān)二極管、高頻變壓器磁芯等器件被成功地研制出，使開關(guān)電源的發(fā)展走上了通過提高工作頻率實現(xiàn)小型化的道路。 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國的晶體管直流變換器及開關(guān)穩(wěn)壓電源的研制工作始于 60 年代初期，到 60年代中期進入實用階段， 70 年代初開始研制無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源。工作頻率為 100kHz~200kHz 的高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源于 90 年代初試制成功，已走向 應(yīng) 用階段。目前國內(nèi)正在致力于研制高工作頻率、多功能化、高效率的開關(guān)電源。 根 據(jù)有關(guān)資料報道，西方發(fā)達國家已經(jīng)提高開關(guān)電源 的 工作頻率 至 1MHz，甚至幾十 MHz，并已應(yīng)用。要縮小與西方發(fā)達國家 在 開關(guān)電源研制 方面的差距 ， 尚需 加快 研發(fā)的 步伐。這是面臨的第一個問題。但 工作 頻率提高后，對整個電路中的元器件又 提出 了新的要求。 開關(guān)電源高頻化后， 因 開關(guān)管的開關(guān)速度 提高，會受到電路中分布電感和電容或二極管存儲電荷 效應(yīng) 而產(chǎn)生較大的浪涌和噪聲，再通過電路中元器件進一步產(chǎn)生較強的尖峰干擾和諧波干擾，加之變壓器在高頻變換狀態(tài)下由于漏感、寄生第一章 緒 論 4 電感等因素產(chǎn)生的電磁干擾，都可能對電路中的元器件及電網(wǎng)造成污染。 功率因數(shù)校正技術(shù)簡介 功率因數(shù)校正的由來 交直流（ AC/DC） 變換器 是 電子產(chǎn)品 不可缺少的部分 ， 圖 所示 是 最簡單的 AC/DC 變換器，它是由普通二極管整流橋?qū)崿F(xiàn)，其輸出是不可調(diào)節(jié)的直流電壓Ud，一個大電容 Cd 用來濾除低頻紋波。F/400V，輸入交流電源為 220V/50Hz。 可見，由于此整流濾波電路是由非線性元件和儲能元件組成：二極管和電解電容，整流二極管的導(dǎo)通角很小，輸入電流波形為脈沖狀，因此，雖然輸入交流電壓是 正弦波，但輸入交流電流波形卻發(fā)生嚴(yán)重畸變。 Time I(V1)0A Frequency0Hz I(V1)0A200mA400mA 圖 輸入電流波形圖 圖 輸入電流諧波分布 功率因數(shù) PF 通常定義為： SPPF? （ 11）其中 P 為有功功率，定義為 2 2 0 V / 5 0 H zD 1 N 4 0 0 78 0 181。設(shè)交流輸入電壓為正弦，輸入電流為非正弦。 設(shè)基波電流 I1落后 u，相位差為 ф ?？梢姡β室驍?shù)是由基波電流相移和電流波形畸變這兩個因素共同決定。定 義為： 212n2ns1h IIIIT HD ????? （ 17）式中， Ih 為所有諧波電流分量的總有效值。 表 諧波電流分布數(shù)值 諧波分量 (n) 3 5 7 9 11 In/I1 第一章 緒 論 6 則 22222 ??????T H D 根據(jù)式 (18)可得 11 1 21 ????? T H DII 而 cosф≤ 1，故 PF≤ 。 諧波的危害及功率因數(shù)校正的意義 電流波形畸變和大量的諧波會給系統(tǒng)本身及其周圍的電磁環(huán)境帶來一系列的危害，主要表現(xiàn)在以下幾個方面 [2~3]： （ 1） 諧波成分惡化供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。 （ 3） 諧波成分影響供用電系統(tǒng)的安全。 （ 5） 高次諧波干擾通信系統(tǒng)。不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，如國際電氣電子工程師協(xié)會 (IEEE)、國際電工委員會 (IEC)和 國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)都推出了各自建議的諧波標(biāo)準(zhǔn)，其中最有影響力的是 IEEE519992[4]、IEC5552(修訂版本 )和 IEC6100032, 我國也于 1993 年制定了限制諧波的規(guī)定和國家標(biāo)準(zhǔn) [5]。 功率因數(shù)校正器的主要優(yōu)點是： ① 可獲得較高的功率因數(shù)，如 ~，甚至到 1； ② 諧波畸變率 THD 小，可在較寬的電壓輸入范圍 (如 90Vac~264Vac)和寬頻帶下工作； ③ 體積小、重量輕； ④ 輸出電壓穩(wěn)定度較高。 江 蘇 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 論 文 7 功率因數(shù)校正技術(shù)的分類 從 應(yīng) 用機理看， 功率因數(shù)校正 （ Power Factor Correction， PFC） 分為無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正 （ Active Power Factor Correction， APFC）兩大類 。有源功率因數(shù)校正中，按工作模式可分為連續(xù)導(dǎo)電模式 （ Continuous Conduction Mode， CCM）和不連續(xù)導(dǎo)電模式 （ Discontinuous Conduction Mode， DCM） ；按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 可 分 為單級模式和雙級模 式 [6]。 在圖 中，二極管用 Philips 的 BYT12P1000 模型，其 他 元件參數(shù)如圖 中所示。根據(jù)圖 可估算出圖 所示 AC/DC 變換電路的功 率因 數(shù) PF≤ ，可見用簡單的電路就可達到提高功率因數(shù)的目的。 無源 PFC 技術(shù)的主要優(yōu)點是：簡單，成本低 ，可靠性高， EMI ??；主要缺點是：體積 、重量大，難以得到高的功率因數(shù)，工作性能與頻率、負(fù)載、輸入電壓變化有關(guān)，電感電容的充放電電流過大。R1 0 kI 圖 一種簡單的無源功率因數(shù)校正電路 第一章 緒 論 8 2 有源 PFC 技術(shù) 隨著功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，開關(guān)變換技術(shù)突飛猛進，現(xiàn)代有源功率因數(shù)校正技術(shù)應(yīng)運而生，逐漸代替了早期采用晶閘管電路的有源功率因數(shù)校正技 術(shù) ,這種校正技術(shù)具有體積小、重量輕、效率高，功率因數(shù)可接近 1 等優(yōu)點。 80年代末，提出了利用某些拓?fù)潆?路工作在不連續(xù)導(dǎo)電工作模式 （ DCM） 下所表現(xiàn)出的輸出電流自動跟隨輸出電壓的特性，來實現(xiàn)接近 1 的輸入功率因數(shù)校正方法，這 一 PFC 技術(shù)稱為自動功率因數(shù)校正或電壓跟隨器 （ Voltage Follower） 。與乘法器型 PFC 電路相比，電壓跟隨型 PFC 電路的控制簡單，僅需要一個輸出電壓控制開關(guān)。 1） 單級 AC/DC 變換器 為了降低開關(guān)變換器的成本及提高變換器的效率，許多學(xué)者將穩(wěn)壓 和功率因數(shù)校正 (PFC)集中到一個功率級中 [9]。 2） 臨界導(dǎo)電模式 在 DCM 模式下 Boost 型功率因數(shù)校正電路中，當(dāng)限定 PFC 拓?fù)潆娐饭ぷ髟贑CM 和 DCM 的臨界點時，稱此時 PFC 拓?fù)錇榕R界導(dǎo)電模式 (Critical Conduction Mode，簡稱 CRM)，其基本原理如 圖 所示。這樣電流整形網(wǎng)絡(luò)強制電流跟隨乘法器的波形，當(dāng)電感電流上升到 uref值時，經(jīng)控制邏輯輸出低電平，關(guān)斷開關(guān)管，電感電流開始下降，待零電流檢測到電感電流下降到零時，控制邏 輯輸出高電平來開通開關(guān)管，電感電流再次上升，如此周而復(fù)始 ，循環(huán)不已 。缺點是頻率隨著線路和負(fù)載的變化而變化，電流峰值較高，存在 著 潛在的 EMI 問題。 同步整流技術(shù)概況 同步整流技術(shù)的作用 在輸出電壓較低、電流較大的電源模塊的設(shè)計中，采用傳統(tǒng)的次級整流電 路常用的整流二極管特別是肖特基二極管整流式電源的效率是很低的，這就需要采用另一種效率高的整流方式來降低功耗，提高效率。 A C..+參 考 乘 法 器零 電 流電 流 整 形網(wǎng) 絡(luò) 控 制 邏 輯負(fù)載輸 出電 壓取 樣電 流取 樣+基 準(zhǔn) 電 壓輸 出誤 差 放大 器V D1V D2CV TLuref 圖 臨界導(dǎo)電模式轉(zhuǎn)換器的基本原理 圖 CRM 波形 U re fI a v gI LU 、 It第一章 緒 論 10 同步整流技術(shù)的分類 同步整流技術(shù)的基礎(chǔ)是使用 MOSFET 來代替二極管整流，按驅(qū)動信號類型可分為電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動，其中電壓驅(qū)動的同步整流器可分為自驅(qū)動和外驅(qū)動兩種類型 [11~12]。缺點是兩個 MOSFET 管的驅(qū)動電壓時序 不夠 精確， MOSFET 不能在整個周期內(nèi)代替二極管整流，使得負(fù)載電流流經(jīng)MOSFET 寄生 二極管 VDz2 的時間較長 ， 如圖 中深色陰影部分所示， 這就 造成較大的 損耗，限制了提高效率。 （ 2） 外驅(qū)動（電壓驅(qū)動型）同步整流技術(shù) 外驅(qū)動同步整流技術(shù)中 MOSFET 驅(qū) 動信號需從附加的外驅(qū)動電路獲得。 ~0.2V~1.0VUg s 1Ug s 2Ud s 2000ut主 開 關(guān)管 關(guān) 斷V D z2導(dǎo) 通 圖 正激變換器同步整流波形 .+Vg s 1Ug s 2utUd s 2V D z2V T1V T2V D z1 圖 正激變換器同步整流電路 江 蘇 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 論 文 11 為了盡量減小負(fù)載流過寄生二極管的時間， 須 使次級 的 MOSFET VT 1和 VT2能在一個周期內(nèi)均衡地輪流導(dǎo)通，即兩個 MOSFET 驅(qū)動信號 的占空比為 50%的互補驅(qū)動波形 [14]。但為了避免兩個 MOSFET 同時導(dǎo)通而引起次級短路現(xiàn)象，應(yīng)留有一定的死區(qū)時 間。特別是在開關(guān)頻率較高時，驅(qū)動電路的復(fù)雜程度和成本都較高。 （ 3） 電流驅(qū)動同步整流技術(shù) 電流驅(qū)動同步整