2015年电子大赛讲稿

电子大赛课程之一电源技术西安电子科技大学信息处理研究所王水平（13991846490、[e-mail]）主要内容1预备知识2有源功率因数校正技术（APFC）3功率变换器4D类功率放大器课程提纲第1节预备知识1低压差线性稳压器（LDO）2脉宽调制发生器（PWM）3正弦波脉宽调制发生器（SPWM）4晶体管的驱动第2节功率因数校正（PFC）1无源功率因数校正2有源功率因数校正3典型应用电路第3节DC-DC变换器1降压式DC-DC变换器2升压式DC-DC变换器3反极性式DC-DC变换器第4节AC-DC变换器1单端正激式AC-DC变换器2单端反激式AC-DC变换器3推挽式AC-DC变换器4半桥式AC-DC变换器5全桥式AC-DC变换器第5节DC-AC变换器1单相DC-AC变换器2三相DC-AC变换器3DC-AC变换器中输出滤波电路第6节D类功率放大器1H桥功率变换器2音频脉宽调制电路3音频检波电路（大功率滤波电路）第6节变压器设计1临界电感值的计算2变压器的磁复位3设计举例第7节PCB设计1PCB设计中的电磁兼容问题2PCB设计中的散热问题3合理的PCB设计4应用举例第1节预备知识1低压差线性稳压器（LDO）图1低压差线性稳压器原理框图几个重要概念（1）输入与输出电压之间的关系输入电压与输出电压之间的关系：（2）输出电压精度输出电压的精度主要取决于基准源的精度，常常选用TL431来充当该基准源。（3）输入与输出压差输入与输出压差主要取决于所选择的功率调整管，要得到较低的压差就要选择饱和导通时管压降较低的功率调整管，常常选用MOSFET功率开关来担任。（4）动态响应速度动态响应速度主要取决于比较器的速度，因此要得到较高的动态响应速度就必须选择快速的比较器或运放。（5）在稳压电源中的角色在稳压电源中常常充当末级稳压部分的角色，但是常常不能工作于低压差的条件下。112outRRVVref一个应用实例图2低压差线性稳压器应用电路（1）输入电压应比输出电压高1V；（2）大电流输出时，LT1085必须外加散热器；（3）输入输出滤波电解电容的容量和耐压应符合要求；（4）输入与输出端无需外接滤波电感。2PWM发生器图3PWM发生器原理电路图（1）占空比D。PWM信号的占空比D可由下式表示出来：（2）频率F。PWM信号的频率F取决于方波信号的频率，因此要实现对PWM信号频率的调节，只要改变方波发生器的工作频率即可。（3）调制深度。从图中我们便可看出，调制深度主要取决于三角波或锯齿波信号的峰值，也就是其峰值越高，反馈调制信号的变化范围就越大。因此，尽量使所得到的三角波或锯齿波信号中直流为零和峰值最大，便可得到较大的调制深度。（4）在开关电源中的作用。PWM/PFM发生器是开关电源中的心脏。一般情况下，人们均将驱动、控制、保护、软启动和前沿抑制等功能电路都集成于PWM/PFM发生器中，形成一个专用集成电路。这种集成电路具有单路输出式、双路输出式、四路输出式和软开关输出式，单路输出式便可构成单端式DC-DC变换器电路（单端正激式和单端反激式），双路输出式便可构成双端式DC-DC变换器电路（推挽式和半桥式），四路输出式便可构成全桥式DC-DC变换器电路（全桥式），软开关输出式便可构成无电压和电流应力的谐振式变换器。几个重要概念TTTTDoffon13SPWM发生器图4SPWM发生器原理电路在一般的实际应用中，SPWM发生器主要是应用于逆变器电源（UPS）、变频器和D类功放电路中。因此这里需要重点加以说明是，图4中的全波整流后的正弦波信号是由这几部分合成的的信号，一是与输出要求的正弦波频率相同的标准正弦波信号，二是来自于输出端的反馈取样信号。用于DC-AC变换器中的SPWM发生器时序波形图5SPWM发生器1各点时序波形图若输出为PWM信号时，图中的正弦波就为慢变化的直流信号；若为D类功放电路时，图中的正弦波就为不全波整流的音频信号，实际上输出的正弦波脉宽调制信号就变成音频信号脉宽调制信号。1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:28-Jun-2009SheetofFile:E:\学生\王素娟\思考题\思考题1～2.DdbDrawnBy:tu20tu30B点波形C点波形输出SPWM波形用于D类功放中的SPWM发生器时序波形图6用于D类功放的SPWM发生器时序波形第2节功率因数校正（PFC）1功率因数的定义r为基波因数，有时也称其为输入电流的基波有效值，被定义为：r=电流基波有效值／总电流有效值；COSφ为相移功率因数，φ为电流与电压的相位差。2功率因数校正功率因数校正实际上就是将畸变的输入电流校正为正弦电流，并使之与输入电压同相位，从而使功率因数接近于1。3功率因数校正的基本方法功率因数校正的基本方法有无源式功率因数校正和有源式功率因数校正两种，应用最多、效果最好的是后者。4功率因数校正技术/电路（1）无源功率因数校正技术/电路COSrPF（1）无源功率因数校正技术/电路无源式PFC电路一般是采用电感或电容补偿的方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数。当负载为容性负载时就采用串联电感的方法进行补偿，当负载为感性负载时就采用并联电容的方法进行补偿，如图7所示。串联补偿电感和并联补偿电容的大小可由下式确定图7无源功率因数校正基本电路无源式PFC只能将功率因数校正到0.7～0.8，这种PFC的电路结构也较为简单。实际上它利用电感上的电流不能突变和电容上的电压不能突变的原理调节电路中的电压及电流的相位差，使电流和电压趋向于正弦化以提高功率因素。无源式PFC的电路结构笨重，相对于有源式PFC电路功率因数要低得多。LCL212123456ABCD654321DCBALl感性负载L补偿电感C补偿电容Cl容性负载12ACIN12ACIN(a)容性负载串联补偿电感(a)感性负载并联补偿电容（2）有源式功率因数校正技术/电路—峰值电流型峰值电流型PFC的特点为工作频率变化，电流不连续(DCM)，波形如图8所示。DCM采用跟随器方法具有电路简单、易于实现的优点。其缺点：PF和输入电压Vin与输出电压V0的比值有关，即当Vin变化吋，PF值也将发生变化，同时输入电流波形随Vin/Vo的值的加大而使THD变大；开关功率管的峰值电流大(在相同容量情况下，DCM中通过开关器件的峰值电流为CCM的2倍)，从而导致开关功率管损耗增加。所以在大功率APFC电路中，常采用CCM方式。有源式PFC电路实际上也就是升压型开关电源电路（boost），这种PFC电路能将110V或220V的交流市电转变为400V左右的直流高压。有源式PFC电路具有体积小、重量轻、输入电压范围宽和功率因数高（通常可达98%以上）等特点，其缺点为成本较高和电路结构复杂等。这种PFC电路通常都是使用专用的IC去调整输入电流和电压的波形和相位，对电流和电压间的相位差进行补偿，其电路拓扑结构如图9所示，典型应用电路如图11所示，各点时序波形如图10所示。此外，有源式PFC电路还可用作辅助电源，因此在有源式PFC电路中，往往不需要待机变压器，而且有源式PFC电路的输出直流电压的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容。与无源式PFC电路类似，有源式PFC电路工作时也会产生震动噪音，只不过是高频噪音。相对于无源式PFC电路，有源式PFC电路结构复杂，成本较无源式PFC电路要高得多，主要应用于中高端开关电源产品和100W以上的中大功率输出的开关电源中。1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:15-Aug-2011SheetofFile:E:\wsp著作\人邮\修订版\L6562.ddbDrawnBy:12J1220V/50Hz11223344IC1STBR606C1R3R110ΩV1R30.33ΩVD1C2LboostPWM控制驱动器12J2400VDCOUT图9有源式PFC电路拓扑结构图10峰值电流型PFC电路中电流和电压的时序波形1234ABCD4321DCBA123J1220V/50HzF5A/250V11223344IC1STBR606C11μF/400V(CBB)R11.5MΩR21.5MΩR322kΩR4180kΩR5180kΩC210nFC4100nFC322μF/25VINV1CS4MULT3COMP2ZCD5VCC8GND6GD7IC2L6562VD11N4150VD21N5248BC512nFR6100ΩR768kΩT1C7680nFR910ΩC62.2μFR810kΩV1STP12NM50R110.33ΩR100.33ΩVD4STTH5L06VD31N5406NTC2.5ΩR13750kΩR12750kΩR149.53kΩC8220μF/450V123J2400VDC图11有源式PFC典型应用电路1第3节功率变换器1降压式DC-DC变换器图12降压式DC-DC变换器等效原理电路图几个重要概念（1）输入与输出电压之间的关系：（2）功率开关的占空比D：（3）输出纹波电压△Uo的计算：图12实际输出电压中的纹波电压波形（4）功率开关V耗散功率Pc的计算：ioooooUULCTUUUU18221FRCESCCONCESCOFFCCOCttUUItUItUITP2611ioONOFFONONUUTttttDiONiiOFFONONoUTtUDUtttU图13功率开关V的Ic、Uce和Pc的波形功率开关V耗散功率Pc的计算公式告诉我们，要想提高降压式DC-DC变换器的转换效率，降低功率开关V的功率损耗，除了改善功率开关V的转换时间和电源的工作频率以外，选择良好的符合要求的功率开关V也是至关重要的，这一点以后还要较详细地讲到。（5）功率转换效率η：①降压式DC-DC变换器的转换效率与功率开关V的功率损耗成反比。提高开关稳压电源的转换效率，关键在于降低功率开关V本身的功率损耗。②降压式DC-DC变换器的转换效率与储能电感L上的功率损耗也有反比的关系，所以在提高降压式DC-DC变换器转换效率的过程中，如何选择合适的储能电感L也是一个非常重要的环节。③从功率转换效率η的计算公式中还可以看出，输入电流和输入电压与降压式DC-DC变换器的转换效率成正比，因此在设计降压式DC-DC变换器电路时，为了得到有效的输入电流和输入电压，我们一定要选择富裕量大、正向管压降低的一次整流二极管和容量大、等效串联电阻小（SER）、等效串联电感（SEL）小的一次滤波电容。LITttUUItUItUITUIoFRCESCCONCESCOFFCCOii226111降压式DC-DC变换器的设计（1）功率开关V的选择功率开关V的选择首先应该根据输入条件和输出电压、电流、工作场合、负载特性等要求来确定是使用IGBT，还是MOSFET，或者是GTR。一般确定的原则是，输出功率在数十千瓦以上时，就应该选择IGBT；输出功率在数千瓦与数十千瓦之间时，就应该选择MOSFET；输出功率在数千瓦以下时，就应该选择GTR。但是这个原则不是一成不变的，设计者可根据自己的偏爱和对这些器件的熟练程度，在权衡性能、价格等各种因素以后自己选定。一旦功率开关V的类型选定以后，具体的器件型号的选定就应该遵循以下的原则了：①功率开关V的导通饱和压降越小越好。②功率开关V截止时的反向漏电流越小越好。③功率开关V的高频特性要好。④功率开关V的开关时间要短，也就是转换时间要快。⑤功率开关V的基极驱动功率要小。⑥从降压式DC-DC变换器的原理电路中我们就可以看出，功率开关V的输出端连接的是储能电感L，因此在功率开关V截止期间，其集—射极之间的反向耐压就等于储能电感L上的反向电动势与输出电压值Uo之和，近似等于2Uo。因此所选择的功率开关V的反向击穿电压Uc应该满足下