现代电源技术 教程.

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1 现代电源技术 教程

2 参考教材： 设计与应用 周志敏 周纪海 编著 人民邮电出版社 新型智能开关电源技术 刘贤兴 李众 李捷辉 编著 机械出版社
开关电源 实用技术 设计与应用 周志敏 周纪海 编著 人民邮电出版社 新型智能开关电源技术 刘贤兴 李众 李捷辉 编著 机械出版社

3 教程的目的与要求： 现代电源技术是一门涉及众多学科的的复杂技术，应用 领域很广，是电力电子从业人员必修的一门课程 修完该课程应达到以下基本要求 1，了解电源技术的现状，发展，及研究热点 2，熟悉电源关键器件特性类型及应用 3，掌握电源各种先进技术 4，学会简易电源的设计方法，安装及调试技能 5，学会计算机软件仿真，分析方法 成绩评定： 总成绩＝理论分＋实践分（包含平时分） 课程内容安排

4 第一章 现代电源技术概述 1－1 电源技术的现状与发展 功率半导体技术的现状与发展 电源技术的新进展 1－2 电源的构成及特点 现代电源的构成原理及特点 开关电源的分类 1-3 电源主要参数分析 第二章 电源中的电力电子器件与基础电路 2－1 电力电子器件 2－2 基础电路 EMI滤波电路 整流与滤波电路 功率变换电路 控制与驱动电路 保护电路

5 第三章 现代电源领域新技术 3－1 PFC技术 3－2 同步整流技术 3－3 软开关技术 3－4 高频磁技术 3－5 均流技术 3－6 DC/DC变换技术 第四章 电源中的电子变压器 4－1 变压器的设计与计算 4－2 变压器的典型应用 第五章 开关电源电磁兼容性所涉及的内容 5－1 EMI产生的形式 5－2 EMS的测量 5－3 雷电产生的EMP 5－4 ESD的性能指标 第六章 开关电源的设计与应用

6 第一章 现代电源技术概述 1－1 现代电源技术的现状与发展 现状：溶入先进的电路技术－PFC技术，同步整流技术 ，
第一章 现代电源技术概述 1－1 现代电源技术的现状与发展 现状：溶入先进的电路技术－PFC技术，同步整流技术 ， 软开关技术 高频磁技术，均流技术，DC/DC技术 先进的半导体技术－PIC器件，模块器件 PWM/MOSFET复合IC功率开关 智能模块 IPM 如：TOPSwitch系列 仙童1M系列 ST的VIPer 系列 三星公司KA系列 水平： 效率－高达93％ 稳压精度－ 0。5 功率因数 －单相 0。97－0。999 噪声电压－宽频噪声，衡重噪声 发展方向：高效率，小型化，集成化，智能化高可靠性

7 1-1-1 功率半导体技术新进展 功率开关器件发展阶段 50年代 60年代 70年代 80年代 90年代
功率半导体技术新进展 功率开关器件发展阶段 50年代 年代 年代 年代 年代 可控硅 SCR 快速晶闸管 可关断晶闸管GTO 高压GTO 大容量大功率高性能 （晶闸管） IGCT 省吸收与IGBT结 合 3 MCT 优势互补 （MOS晶闸管） 电力晶体管GTR IGBT 高速IGBT 2 功率MOSFET 低电荷功率 MOSFET 水平： SCR A/12KV 光控SCR A/8KV 快速SCR A/2KV /20KHZ GTR---800A/1800V/2KHZ ,600A/1400V/5KHZ ,3A/600V100KHZ 功率MOSFET V/200A/2MHZ 500V/50A/100KHZ IGBT 1，UIGBT----满足低电压驱动和表面

8 POWER-IC 器件的发展 功率二极管的发展 PIN功率二极管 SBD肖特基势垒功率二极管 耐高压，大电流， 极高的开关频率
耐高压，大电流， 极高的开关频率 低泄漏电流低导通损耗 开关频率不高 不适于高电压大电流的应用 POWER-IC 器件的发展 PWM/MOSFET 二合一IC 集功率开关，控制电路，保护电路与一体， 性价比较高。 TOPS wich系列二合一功率IC TOP220, TOP230, TOP250, 仙童公司 L系列 M系列 广泛应用于小家电，通讯设备等 IGBT功率模块 复合功率模块PIM 智能功率模块IPM 电力模块IPEM 电力电子模块PEEB 水平 －1800A A V V

9 电源领域技术新进展 功率因数校正（PFC）技术 PFC的概念起源于1980年 ，重视和推广在80年代末，主要制定了IEC555-－2，IEC 使得研究 PFC术研究成为 电源界热点 现在关注：一是二级PFC技术，二是单级PFC技术 同步整流技术 同步整流的概念：当输出为低电压大电流时整流损耗成为功率变换器主要损耗所以提出采用低导通电阻的MOSFET进行整流。 同步整流－是通过控制MOSFET的驱动电路来利用功率MOSFET实现整流功能的技术 发展：同步整流技术出现得较早，但早期的技术很难转换为产品，这是由于当时驱动 技术不成熟，可靠性不高。经过几年的发展，同步整流技术已经成熟。由于开发成本 的原因，目前只在技术含量较高的开关电源模块中得到应用。 优势：同步整流技术提高了电源效率，它同时给 电源模块带来了许多新的进步。 同步整流技术符合高效节能的要求，适应新一代芯片电压的要求，有着非常广阔的应 用前景。但目前只有较少的公司掌握了该项技术，并且实现的成本也很高，而且还有 很多应用领域未得到开拓。随着用于同步整流的MOSFET批量投入市场，专用驱动芯片 的出现，以及控制技术的不断完善，同步整流技术将成为一种主流电源技术，逐步应 用于广泛的工业生产领域。

10 软开关技术 软开关技术的概念：是利用电容于电感谐振使得开关器件中电流（电压）按 正弦或准正弦规律 变化。当电流过另时，器件关断；当电压过另时，器件开通，实现开关损耗 为另 软开关技术：可分为1，PFM 2, PWM 3 , PS方式 发展动态：自20世纪80年代中期起，采用PWM控制技术的高功率密度 DC/DC变换器模块走进了世界市场。如今，已广泛应用在各种领域中。1997 年，在已经行了将近30年的世界范围的软开关基础理论研究之后，美国Vicor 开关电源公司最先推出了VI－300系列软开关高密度DC/DC产品。第二代产 品是以Vicor公司有专利权的零电流开关（ZCS）和零电压开关（ZVS）软开 关控制技术为基础，结合了控制集成、封装、铁氧体、噪音和散热技术等方 面的最新成果，产品达到了与理想功率器件极为接近的境地。第二代产品与 第一代产品相比，功率密度增加了两倍，即为120W/in3。第二代产品的出现 预示着它们将是DC/DC变换器未来的主流产品。 DC/DC技术 研究热点：低电压大电流高功率DC/DC变换技术，已从前些年的3。3 V降至现在的1。1V左右，电流目前已可达几十安至几百安。同时， 电源的输出指标，如纹波，精度，效率，欠冲，过冲等技术指标也得 到进一步提高。使得这一分支的研究在当今乃至今后一段时间多将成 为电源的研究热点。

11 高频磁技术： 电力电子高频磁技术是将电力电子技术与磁技术结合起来高频磁技术 是电力电子技术中的重要内容。功率磁元件是所有电源中必不可少的 关键器件。它担负着磁能传递，储存以及滤波功能。其体积和重量一 般占到电路20 －30％ 10年内重点发展：高频低功耗高磁导率材料和片式化的表面贴装软 磁 材料在非晶软磁金金属和磁记录材料方面，发展纳米材料 70年代初20KHZ电子变压器取代了工频变压器使得变压器体积减小 60－80％重量减轻75 ％ ，目前开关频率已从20KHZ提高到10MHZ,

12 2 开关电源的特点 1－2 电源的构成与分类 1 开关电源的基本构成 开关电源的基本电路如图2－1所示 输入回路 功率变换器
1－2 电源的构成与分类 1 开关电源的基本构成 开关电源的基本电路如图2－1所示 输入回路 功率变换器 Vi 滤波 整流及滤波 功率开关 高频变压器 整流 滤波 V 0 AC/DC DC/DC PWM控制器 输入回路－将交流输入电压整流成为较平滑的直流高压 功率变换器－将直流高压变换为频率大于20KHZ的高频脉冲电压 整流及滤波电路－将高频脉冲电压转换稳定的直流输出电压 PWM控制器——将输出直流电压进行取样控制功率器件的驱动脉冲宽度，从而调整开通 时 间以使输出电压可调且稳定。 2 开关电源的特点 （1）重量轻，体积小 采用高频技术，去掉了工频变压器，在同等的输出功率下，体积。 重量可缩减10/1 （2）功率因数高 经PFC的开关电源功率因数一般都在0。93以上而且不受负载的 变 化 影响 （3）可听噪声低 在线性电源中，工频变压器及滤波电感产生噪声大于60分贝，而 开 关电源仅为45分贝左右。 （4）效率高 带PFC的开关电源整机效率可达88％，较好的可达91％以上。

13 3 开关电源的分类 (5)冲击电流小 开机冲击电流可限制在额定输入电流水平 开关电源按电流种类的入出可分为AC/DC, DC/DC两大类
(5)冲击电流小 开机冲击电流可限制在额定输入电流水平 3 开关电源的分类 开关电源按电流种类的入出可分为AC/DC, DC/DC两大类 DC/DC类开关电源 DC/DC类开关电源是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流载波器 按工作方式：一是脉宽调制方式T不变改变调制频率t；二是频率调制方式t不变，改变T 具体电路有以下几类： 1 Buck电路－称为降压载波器，U0小于Ud,，极性入出相同 2 Bost电路－称为升压载波器，U0大于Ud ， 极性入出相同 3 Buck-Bost－降压或升压载波器 U0大于或小于U d极性入出相反，电感传输 4 Cuck 电路 －降压或升压载波器 U0大于或小于U d极性入出相反，电容传输 AC/DC 变换器 AC/DC变换器是将交流变换为直流，电路结构形式有多种 1按驱动方式分，有自励式和他励式； 2按工作方式分，有单端正激和反激，推挽式，半桥式，全桥式，降压式，升压式和升降 压 式等， 3 按电路组成分 ，有谐振型和非谐振； 4按控制方式分，有PWM式，PFM式，PWM与PFM混合式； 5按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式非隔离式和变压器耦合式，光电 耦合式

14 1－3 开关电源几个主要技术参数分析 1 输出电压精度 2 电压调整率 3 负载调整率 4 输出纹波与噪音 5 温度系数 6 效率 7 功率因数 8 功率密度

15 第二章 电源中的电力电子器件与基础电路 2－1 电力电子器件 1,功率MOSFET
第二章 电源中的电力电子器件与基础电路 2－1 电力电子器件 1,功率MOSFET 功率MOSFET是以金属层的栅极隔着氧化层，利用电场的效应来控制半导体 的场效应晶体管 功率MOSFET按导电沟道可以为P沟道和N沟道；按栅极电压幅度可以分成 耗尽型（当栅极电压为零时漏，源极之间就存在导电沟道）和增强型（对于 N(P)沟道器件，栅极电压大于或小于零时才存在导电沟道，功率MOSFET 主要是N沟道增强型。 功率MOSFET的结构 功率MOSFET的内部结构和电气符号如图2－1所示 功率MOSFET大都采用垂直导电结构,又称为VMOSFET 工作原理 截止 导通

16 功率MOSFET的基本特性 静态特性： 转移特性：漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。 ID 较大时， ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。 输出特性：截止区对应于GTR的截止区；饱和区对应于GTR的放大区；非饱 和区对应于GTR的饱和区。MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和 区之间来回转换。 动态特性：开通延迟时间td（on）指Up前沿时刻到US等于UT并开始出现ID的时刻间的 时间段。上升时间tr指UGS从UT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时 间段。 ID稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和ID的稳 态值有关，UGS达到UGSP后，在UP作用下继续升高直至达到稳态，但ID已不变。 开通时间ton指开通延迟时间与上升时间之和。关断延迟时间td(off)指Up下降到零 起，Cin通过RS和RG放电，UGS按指数曲线下降到UGSP时，ID开始减小为零的时 间段。下降时间tf指UGS从UGSP继续下降起，ID减小，到UGS<UT时沟道消失，ID 下降到零位置的时间段。关断时间toff指关断延迟时间和下降时间之和。 开关速度：MOFSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。使用者无法降低Cin， 但可降低驱动电路内阻R0，减小时间常数，加快开关速度。开关频率越高， 所需要的驱动功率越大。

17 绝缘栅双级晶体管IGBT IGBT的结构:在N沟道MOSFET的漏极N层上又附加上一层P层的P–N–PN+的四层 结构。IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，是一个有MOSFET驱动的 厚基区PNP晶体管，Roff为晶体管基区内的调制电阻。 工作原理：N沟道IGBT通过在栅极−发射极间加阀值电压UTH以上的（正）电压， 在栅极电极正下方的P层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的N–层 注入电子。 基本特性: 静态特性:转移特性——IC与UGE间的关系，与MSOSFET的转移特性类似。 动态特性:开通过程与MOSFET相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间内作 为MOSFET运行。

18 开关电源设计应考虑抑制干扰，而滤波是一种抑制干扰有 效方法，不仅可以抑制传输线上
2－2 基础电路 EMI滤波电路 开关电源设计应考虑抑制干扰，而滤波是一种抑制干扰有 效方法，不仅可以抑制传输线上 传导干扰，同时对辐射发射也具有显著抑制效果，图2-2- 1是开关电源输入级常用一种EMI 滤波器 电路分析：图2－2是对共模噪声和差模噪声都有效的滤波 器电路。其中，L1、L2、C1为抑制差模噪声回路，L3、 C2、C3构成抑制共模噪声回路。L1、L2的铁芯应选择 不易磁饱和的材料及M－F特性优良的铁芯材料。C1使 用陶瓷电容或聚酯薄膜电容，应有足够的耐压值，其容 量一般取0.22～0.47uF。L3为共模电感，对共模噪声 具有较高的阻抗、较好的抑制效果。

19 2-2-2 整流与滤波电路 开关整流器是电源系统中最重要的部分，包括全桥式整流、全波整 流、半波整流、恒功率整流、普通限流整流和倍流整流等。
整流与滤波电路 开关整流器是电源系统中最重要的部分，包括全桥式整流、全波整 流、半波整流、恒功率整流、普通限流整流和倍流整流等。 全桥式整流：由一个二极管组成一个桥式整流电路，V0＝0.9Vi。 全波整流：由两个二极管组成一个全波整流电路，V0＝0.9Vi。 半波整流：由一个二极管组成半波整流电路。 恒功率整流：突出特点是在规定的交流输入电压和直流输出电压范 围内均能给出额定功率。 普通限流整流：其输出特性可分为两类，即恒流和恒压特性。在恒 流普通限流型整流器中，其输出电流保持不变；在恒压普通限流型 整流器中，其输出电压保持不变。 倍流整流：由一个没有中心抽头的高频变压器次级绕组、两个电感 量相等而且同绕在一个磁芯上的电感器、两个整流二极管和输出电 容器组成。其最突出的特点是高频变压器次级绕组没有中心抽头， 而且流过变压器线圈和滤波电感器的电流只是输出负载电流的一半。

20 2-2-3 功率变换电路 按变压器的副边开关整流二极管的不同接线方式，单断变换器有两种类型： a.单端正激式变换电路 b.单端反激式变换电路
功率变换电路 在高频开关电源功率转换电路中，单断变换器(正激、反激式)与双端变换器（推挽式、半桥、 全桥式）的本质区别，在于其高频变压器的磁芯只工作在第一象限，即处于磁滞回线一边。 按变压器的副边开关整流二极管的不同接线方式，单断变换器有两种类型： a.单端正激式变换电路 b.单端反激式变换电路 单端反激式变换电路 1.基本工作原理（下图） ton时，Q1通，E+加在原边Lp两端，ip线形增加，储能；副边Ls电压上正下负，D1反偏截止。 　　　toff时， Q1截止， ip降为０，原边Lp两端电压极性反向，副边Ls电压随着变为上负下正， D1 正向导通。此后，储存在变压器中的磁能向负载传递释放电能。 当单断反激式变换器在原边开关管导通时储存能量，开关管截止时才向负载释放能量，故高频 变压器既起到变压隔离作用，又是电感储能元件。因此，又称单端反激式变换器为“电感储能式 变换器”。 2.电路特点 a. 由于原边、副边的电感量为常数，使原边和副边电流按线形规律升降，其电流工作状态有三种： 非连续态、临界态及连续状态； b一般用在小功率场合 c利用率不高 注意设计原则：必须使高频变压器磁芯的磁通复位。即：必须让高压开关管在一个周期内的导通和截 止期间，加在高频变压器原边绕组上的伏－秒数相等。

21 单端反激式变换器简图

22 2-2-3 功率变换电路 2.2.3.3推挽式功率变换电路（34） 1.基本工作原理
功率变换电路 推挽式功率变换电路（34） 1.基本工作原理 　　VT1、VT2中交替导通时，W1和W2有相应的电流流过，变换器二次侧将有功率输出。 2.电路特点 a由于功率开关器件的发射极共地，无须隔离基极驱动电路，简化 b两个功率开关器件轮流导通可获得较大的功率输出； c功率开关的耐压值应当大于2Vin 全桥式功率变换电路 变压器连接在四桥臂中间，相对的两对功率开关器件VT1-VT4和VT2-VT3交替导通或截止， 使变压器的二次侧有功率输出。 当功率开关器件VT1-VT4导通时， VT2-VT3则截止，这时， VT2-VT3两端承受的电压为 输入电压Vin，在功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管VD1~VD4钳位于输入电压 Vin。 1）全桥式功率开关器件的耐压值只要大于Vinmax即可 2）使用钳位二极管VD1~VD4，有利于提高电源效率； 3）电路使用了四个功率开关器件，四组驱动电路需要隔离。 应用：主要应用于大功率变换电路中，由于驱动电路复杂且均需隔离，因此在电路设计和工艺结构布 局中要有足够的考虑。

23 推挽功率变换电路

24 全桥功率变换电路

25 2-2-3 功率变换电路 2.2.3.5半桥式功率变换电路 1.基本工作原理
功率变换电路 半桥式功率变换电路 1.基本工作原理 与全桥功率变换电路相比，两个功率器件改为两个容量相等的电容代替。C1和 C2的主要作用是实现静态时的分压，使 Va= Vin/2。 2.电路特点当VT1导通、VT2截止时，电源向 C2充电；当VT2导通、VT1截止时，输入电 流向C1充电。 VT1导通、VT2截止时，VT2两端承受的电压为输入直流电压Vin 。这也是开关管承受 的最大电压。 2.电路特点 a.在高频变压器上施加的电压只有全桥功率变换电路的一半，在同等功率输出的条件下， 半桥开关管的工作电流需要增加一倍； 　b.突出优点，具有抗不平衡能力； 应用：中等功率容量的电源； 串联型半桥功率变换电路，可降低耐压要求；采用并联方式，可增大输出电流的容量

26 半桥功率变换电路

27 ２.２.３.６功率变换电路的比较与应用 １.变压器利用率 　　单端正激－反激变换器次芯中磁滞回线仅在第一象限内变化，变压器利用率底； 　　推挽式、全桥式、半桥式功率变换电路用的磁芯在全磁滞回线工作。利用率高，在输 出同等功率的条件下所用的磁芯体积相应缩小； ２.对功率器件的要求 推挽式、全桥式、半桥式功率变换电路的功率开关器件在一个周期内各导通一次承 受的电流相对　较小，并且在功率变换电路二次输出整流后的准方波也将成倍增加， 使直流脉动成分相应减少。 在单端式和推挽式功率变换电路中，功率开关器件的耐压值为输入直流电压的两倍； 在桥式功率变换电路中，耐压值仅等于输入电压值。 ３.对控制驱动电路的要求 　 推挽式、全桥式、半桥式变换电路其驱动脉冲必须小于Ｔ／２，同时要有一定的死 区。死区持续时间应当略微大于功率开关器件的存储时间，以防止直通。 　单端正激－反激变换器无需专门的死区控制。 　　 从驱动电路的要求看，桥式功率变换电路需要隔离，故工艺结构和布局设计考虑较为 复杂。

28 保护电路

29 1 电火花 线切割高频脉冲电源 2 生产流水线PLC控制系统 3 通讯接入设备温度模拟自动控制系统 4 嵌入式简易数控系统 5 电动自行车：仪表板 控制器 智能充电器 6 PCI的二轴 运动 控制卡