现代电源技术A

1现代电源技术教程2参考教材：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1-1-1功率半导体技术的现状与发展1-1-2电源技术的新进展1－2电源的构成及特点1-2-1现代电源的构成原理及特点1-2-2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2-2-1EMI滤波电路2-2-2整流与滤波电路2-2-3功率变换电路2-2-4控制与驱动电路2-2-5保护电路5第三章现代电源领域新技术3－1PFC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3－6DC/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5－1EMI产生的形式5－2EMS的测量5－3雷电产生的EMP5－4ESD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，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71-1-1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年代可控硅SCR快速晶闸管可关断晶闸管GTO1高压GTO大容量大功率高性能（晶闸管）2IGCT省吸收与IGBT结合3MCT优势互补（MOS晶闸管）电力晶体管GTR1IGBT1高速IGBT2功率MOSFET2低电荷功率MOSFET水平：SCR---8000A/12KV光控SCR-----4000A/8KV快速SCR-----800A/2KV/20KHZGTR---800A/1800V/2KHZ,600A/1400V/5KHZ,3A/600V100KHZ功率MOSFET-----60V/200A/2MHZ500V/50A/100KHZIGBT1，UIGBT----满足低电压驱动和表面8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。TOPSwich系列二合一功率ICTOP220,TOP230,TOP250,仙童公司5L系列03801M系列0880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1200－1800A600A1800-3300V2000V91-1-2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，IEC1000-3-2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，PFM2,PWM3,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。3V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,121－2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V0AC/DCDC/DCPWM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(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：1Buck电路－称为降压载波器，U0小于Ud,，极性入出相同2Bost电路－称为升压载波器，U0大于Ud，极性入出相同3Buck-Bost－降压或升压载波器U0大于或小于Ud极性入出相反，电感传输4Cuck电路－降压或升压载波器U0大于或小于Ud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141－3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UGSUT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IGBTIGBT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。182－2基础电路2-2-1EMI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