功率变换电路
功率变换电路
前端变换器
在过去十多年中，成本低、结构简单、实现容易的高输入功率因数、高效率、低EMI的前端变换器得到了广泛的研究。
系统掉电保持时间（Hold-up time）是前端变换器设计的一个重要指标。
因此要求前端变换器中的DC/DC 变换器的输入电压范围较宽，但这将影响额定输入电压时的性能。
针对这个问题，提出了单级式变换拓扑、延伸绕组、不对称绕组以及辅助升压装置等方法。
由于电压较高，MOSFET 的导通损耗大，体二极管反向恢复特性差，即使采用同步整流（Synchronous rectification, SR）技术对效率的提高也非常有限。
为了提高前端变换器的变换效率，新器件和材料被广泛使用，如采用Cool MOS 减小导通损耗，采用Si C 二极管减小反向恢复损耗等；谐振技术也被广泛采用，通过实现零电压开关（Zero voltage switching, ZVS）、零电流开关（Zero current switching, ZCS）减小开关损耗。
另外，单周期控制、滑模控制、非线性载波控制等控制策略可以简化控制设计，提高了前端变换器的性能。
有源箝位正激变换器如图(a)所示，其优点是电路结构简洁、控制简单，但开关损耗较大，尽管可以利用激磁电感或漏感与箝位电容谐振实现主开关
管的ZVS，但会导致导通损耗增大，因此效率提高不明显。
在动态要求较高的时候，辅助管的电压应力将较大，容易造成变换器失效。
考虑到器件的应力，它不适合在宽输入范围使用。
不对称半桥变换器如图(b)所示，其优点是原边开关管可以实现ZVS，开关管电压应力为输入电压，不足之处在于变压器存在直流偏磁，并且输入与输出电压关系为非单调性，因此它适用于输入电压范围不宽的场合。
半桥变换器如图(c)所示，其开关管的电压应力为输入电压，变压器对称工作，但其变压器原边电压为输入电压的一半，原边电流大。
该变换器适用于中小功率场合。
推挽变换器如图(d)所示，其优点是两个开关管共地，驱动电路简单。
但是开关管的电压应力为输入电压的两倍，而且变压器漏感会在开关管上产生电压尖峰，更加增加了开关管的电压应力。
而开关器件的电压定额越高，其导通电阻就越大，导通损耗就越大。
因此推挽变换器难以实现高效率。
桥变换器如图(e)所示，与上述变换器相比，其开关管数目较多，但开关管电压应力低，且容易实现ZVS，因此适用于中大功率场合。
随着系统的性能指标不断提高，在许多应用场合，单一采用上述变换器很难满足系统的要求，因此提出了两级式架构。
尽管多了一级功率变换，两级式架构仍可以通过合理组合，获得比单级式变换器更高的效率和更好的性能模块电源中的高新技术。
用反激式功率变换器驱动LED的电路(下)
它来 泄放 电容 ｃ 上残 留的电荷 。
表 １ 图 ６中 的 元 件 规 格 型 号
在正 常 工作 时 ， 输 入 电容 ｃ 当 上 的 直 流 电压 下
降 到 ０时 ， 关 管 漏 极 电 压 可 能 下 降 到 源 极 电 压 之 开
电路 ， 流桥 后采 用较 小 的滤 波 电容 Ｃ ， 种做 法 同 整 ，这
临 界 导 通 式 有 源 功 率 因 数 校 正 电 路 是 一 样 的 。 如 果
在输 入 电压 半 周 内能 保 持 开关 管 的 占空 比不 变 （ 实
际应 为导 通 时间 不 变 ， 输 入 为不 变 的直 流 电压 下 ， 在
进 行 控 制 的 ， 以 功 率 因数 不 能 像 临 界 导 通 式 有 源 功 所 率 因 数 校 正 电 路 那 样 达 到 ０ ９ 以上 。 ．９
（ ） 用 回 扫 式 单 级 Ｐ Ｃ线 路 ， 提 高 功 率 因 ２采 Ｆ 能
数 ，Ｆ Ｐ Ｃ＞０ ９ ． ５；
（ ） 全 负 载 下 ， 上 述 输 入 电 压 范 围 内 的 效 率 ３在 在
当输入 端加 入 交 流 电压 后 ， 输 入 电 容 Ｃ 、 在 Ｃ 、 ｃ 及输 入线 路 的寄 生 电感 中将 出 现 充 电浪 涌 电流 ，
直流 总线 上 电压 的最 大值 ， 尖峰 电压 不至过 高 。 电 使
阻 Ｒ 是 电容 Ｃ 。 的泄 放 电 阻 ， 断开 Ａ 在 Ｃ电 源 时 ， 由
Ｃｈ ｎ Ｃｈ ａ ｙ ｅ ｕ ｎ ｕ
（ 续上 期 ）
４ 一 种 用 Ｔ Ｐ ５ Ｙ 组 成 的 ７ Ｗ Ｅ 驱 动 电 路 Ｏ ２０ Ｎ ５ Ｌ Ｄ 采 用 Ｐ ＷＥ Ｎ Ｅ Ｒ ＴＯ Ｓ 公 司 的 芯 片 Ｏ Ｒ Ｉ Ｔ Ｇ Ａ ＩＮ
第三章 功率转换电路
3.3 半桥式功率转换电路
工作过程:
• 当两个开关管BG1和 BG2都截止时，电容C01， C02中点A的电压为E/2。
• 当BG1导通时，C02充 电，C01放电，中点A电 位在BG1导通终了，将下 降E/2-△E。
3.3 半桥式功率转换电路
• 当BG2导通，C01 充 电， C02放电，中点A 电位在BG2导通终了增 至 E/2+△E。
补充三 高频变压器的磁化曲线
磁路：由铁心形成而使磁通集中通过的回路叫磁 路。
铁心中的磁通 称主磁通。
少量磁通通过空气也会构成回路称漏磁通。
漏
主磁通
漏
磁
磁
通
通
变压器的磁路
补充三 高频变压器的磁化曲线
由于 特斯拉单位太大，通常多用mT表示，1T=100 0mT。有时也用高斯（Gs）表示，1T=104 Gs。
补充三 高频变压器的磁化曲线
磁通:磁感应强度B在面积S上的通量积分称为磁
通。单位：韦伯Wb
B dS
S
如果是均匀磁场，即磁场内各点磁感应强度的大小和方
向均相同，且与面积S垂直，则该面积上的磁通为
• 硬磁(永磁)材料：磁滞回线宽、剩磁和矫顽力都很大 的铁磁材料称为硬磁材料，又称为永磁材料。 • 永磁材料磁性能指标： 剩磁 矫顽力 最大磁能积(BH) max
补充三 高频变压器的磁化曲线
磁感应强度B 是表示磁场空间某点的磁场强弱和方 向的物理量，是矢量。 大小：磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通 （磁力线）。单位：特斯拉T或Wb/m2
基本磁化曲线在开关电源变压器磁心被磁场极化时 才会出现，因此该曲线也被称为初始磁化曲线。当 变压器正常工作之后，这种初始状态就不存在了。
大功率DCDC变换器主电路拓扑有很多种
Uc3846详解大功率DC/DC变换器主电路拓扑有很多种，诸如双管正激式、推挽式、半桥式和全桥式等。
控制芯片的种类也非常多，主要分为电流控制型与电压控制型两大类。
电压控制型只对输出电压采样，作为反馈信号进行闭环控制，采用PWM技术调节输出电压，从控制理论的角度看，这是一种单环控制系统。
电流控制型是在电压控制型的基础上，增加一个电流负反馈环节，使其成为双环控制系统，从而提高了电源的性能。
根据对各种拓扑和控制方式的技术成熟程度，工程化实现难度，电气性能以及成本等指标的比较，本文选用半桥式DC/DC变换器作为主电路，电流型PWM控制芯片UC3846作为该系统的控制单元。
1 电压控制型脉宽调制器和电流控制型脉宽调制器[1]图1为电压控制型变换器的原理框图。
电源输出电压的采样反馈值Vf与参考电压Vr进行比较放大，得到误差信号Ve，它与锯齿波信号比较后，PWM比较器输出PWM控制信号，经驱动电路驱动开关管通断，产生高频方波电压，由高频变压器传输至副方，经整流滤波得到所需要的电压。
改变电压给定Vr，即可改变输出电压Vo。
图2为电流控制型变换器的原理框图。
恒频时钟脉冲置位R－S锁存器，输出高电平，开关管导通，变压器原边的电流线性增大，当电流在采样电阻Rs上的压降Vs达到Ve时，PWM比较器翻转，输出高电平，锁存器复位，驱动信号变低，开关管关断，直到下一个时钟脉冲使R－S锁存器置位。
电路就是这样逐个地检测和调节电流脉冲的。
当电源输入电压和/或负载发生变化时，两种控制类型的动态响应速度是不同的。
如果电压升高，则开关管的电流增长速度变快。
对电流控制型而言，只要电流脉冲一达到设定的幅值，脉宽比较器就动作，开关管关断，保证了输出电压的稳定。
对电压控制型而言，检测电路对电流的变化没有直接的反映，一直等到输出电压发生变化后才去调节脉宽，由于滤波电路的滞后效应，这种变化需要多个周期后才能表现出来，显然动态响应速度要慢得多，且输出电压的稳定性也受到一定的影响。
UC3843开关电源经典讲解
开关电源原理一、开关电源的电路组成：开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM 控制器电路、输出整流滤波电路组成。
辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。
开关电源的电路组成方框图如下：二、输入电路的原理及常见电路：1、AC输入整流滤波电路原理：① 防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1组成的电路进行保护。
当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3会烧毁保护后级电路。
②输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。
当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。
因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。
③整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。
若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。
2、 DC输入滤波电路原理：① 输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。
C3、C4为安规电容，L2、L3为差模电感。
② R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路。
在起机的瞬间，由于C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。
当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。
如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在RT1上产生的压降增大，Q1导通使Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。
新能源发电技术-第七章 功率变换技术
过电流检测方法 ➢ 电流传感器检测法； ➢ 饱和电压检测法。
21
第6章 功率变换技术
缓冲电路: ➢ 作用：抑制电力电子器件的过电压和du/dt，或者抑制过电流和di/dt，
减小器件的开关损耗； ➢ 分关断缓冲电路和开通缓冲电路，两者结合在一起为复合缓冲电路。
➢ 优点：不怕桥臂直通和输出短路；电流输入波形好，电流响应快 ➢ 缺点：需要大电感，电源的体积和重量显著增大；需要反向隔离
二极管，造成主电路结构复杂且存在通态损耗
28
第6章 功率变换技术
DC－DC Converter
➢ 将一种直流电变换为另一种固定或可调电压的直流电，也称直流斩波器 （DC Chopper） 常用单开关器件直流变换器主要有6种：降压Buck型，升压Boost型， 降－升压Buck-Boost型，3种升－降/降－升压（Cuk、Sepic和Zeta )型
32
第6章 功率变换技术
di/dt抑制电路
Ri
VDi
Li
uCE iC
无du/dt抑制电路
无di/dt抑制电路
uCE
V
Rs
VDs
Cs
0
du/dt抑制电路
有di/dt抑制电路
有du/dt抑制电路
t
VD
L
22
第6章 功率变换技术
作业：请通过查找资料比较四种典型全控 型器件的优缺点等。
比较内容包括：
1. 容量
2. 开关频率（开通时间、关断时间）
第6章 功率变换技术 功率器件 电力晶体管（GTR）
电力晶体管GTR（巨型晶体管）
第6章 功率变换技术
高频功率软开关变换技术1-3章-PDF
同学推导此式
——张纯江
2.3 Buck-Boost变换器
1、Vo与Vin的关系 在ton期间，电感电流增量为： DTs V V in ΔI L1 = ∫ dt = in DTs 0 L L 在 toff期间，电感电流增量为： (1− D )Ts V V ΔI L 2 = ∫ − o dt = − o (1 − D)Ts 0 L L
• •
由SR、VDF 和L构成高频Buck。 由La、SRa、VDFa构成低频Buck。
——张纯江
假设高频单元的工作频 率为f，低频单元的工作 频率为fa，令f =nfa。 状态a的等效电路图如图 a所示。电感L两端电压 为正，电流iL上升。电 感La两端电压为0，电 流iLa不变。
——张纯江
工作原理分析
A点或B点相对于地为+Ud和Ud，只能采用双极性SPWM。
A
B
——张纯江
——张纯江
——张纯江
2.2 Boost变换器
Vin Vo = 1− D
电压增益：
M=
D ≤1
Vo 1 = Vin 1 − D
(10)
总有 Vo ≥ Vin ，故称DC/DC升压变换器。 输出电压纹波：
ΔVo D = Vo RCf s
为了改善第一个不足，提出了多谐振变换器。 多谐振变换器：在准谐振电路基础上加入多个谐振元件，使谐振回路不只一个；
S Dr
Cr S Lr
Dr
硬开关
零电压准谐振
S Lr
Cr
Cd
Dr
多谐振
——张纯江
1.3 软开关功率变换的提出和发展
2) 零开关PWM变换器：将准谐振变换器与硬开关变换器相结合，通过附加的有源 开关阻断谐振过程，使电路在一周期中一部分时间按准谐振工作，另一部分时间 按PWM方式工作。既具有软开关功能，又具有PWM硬开关恒频调压的特点。 （只解决了上述第二个不足）。
UC3843开关电源经典讲解解读
开关电源原理一、开关电源的电路组成：开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM 控制器电路、输出整流滤波电路组成。
辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。
开关电源的电路组成方框图如下：二、输入电路的原理及常见电路：1、AC输入整流滤波电路原理：① 防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1组成的电路进行保护。
当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3会烧毁保护后级电路。
②输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。
当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。
因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。
③整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。
若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。
2、DC输入滤波电路原理：① 输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。
C3、C4为安规电容，L2、L3为差模电感。
②R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路。
在起机的瞬间，由于C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。
当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。
如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在RT1上产生的压降增大，Q1导通使Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。
功率变换电路12.
静态(vi＝0)时，T1、T2管均截止， vo＝VCC/2 ，所以电容C 上充有 VCC/2的电压，VOQ＝0 正半周(vi＞0)时，T1导通，T2截 止，+VCC→T1 →C →RL→GND。 电容充电。
OTL功率放大器由于静态 时vo' VCC / 2 , 所以要求输 入端(T1、T2基极)上的静 态电压也为 VCC / 2 ，即
vI (VCC / 2) vi
而OCL电路的输入端上不 需要静态电压。
OTL
OCL
大容量(几 百～几千 微法)的电 解电容器
➢ 单电源互补功放电路(OTL)的工作原理
第7章 功率变换电路
1、从功率变换的角度讨论放大电路如何有效地将 直流供电电源的能量转换为负载所需要的信号 功率。
2、如何将交流电网的能量转换为电子电路所要求 的直流电能。
主要讨论：
➢ 低频功率放大电路 ➢ 直流稳压电路
2.7.1 功率放大电路的特点和基本类型
一、 主要特点
➢ 由于输出电压或输出电流的幅度较大，功率放大 电路必须工作在大信号条件下，因而容易产生非 线性失真。如何尽量减小输出信号的失真是首先 要考虑的问题。
➢ 输出信号功率的能量来源于直流电源，应该考虑 转换的效率。
➢ 半导体器件在大信号条件下运用时，电路中应考 虑器件的过热、过流、过压、散热等一系列问题， 并要有适当的保护措施。
甲类单管功放级
Rb
Cb
+
vi
-
+VCC RL
VCC/RL VCC
为了取得最大的动态范围，必须使静态工作点Q位于负载线的中
现代交流伺服系统 第6章 交流伺服系统的功率变换电路
Idc 2
URM 2Uφ
I D(AV)
Idc 3
URM 2UCI
5
6.2.2 滤波电路的设计
• 滤波电路的主要构成 在电压型逆变器中，滤波元件主要是采用电解电容器。
• 滤波电容器的主要参数 滤波电容器的选择主要考虑以下三个因素：电容器的额定电压、滤波电路纹
波电压及电容器的额定纹波电流。 • 纹波电流 ➢ 滤波电容器流过的纹波电流主要包括两部分：从工频电源通过整流电路流入的
➢ 它与RC缓冲电路不同，由于带有缓冲二极管，缓冲电阻值可以取大，能够避
免导通时，集电极电流增大影响IGBT的问题；
➢ 与放电阻止型RCD缓冲电路相比，由于在缓冲电路上产生的损耗非常大，不适
合高频开关电路。
充放电型RCD缓冲电路电阻上产生的损耗可以根据下式计算
P
LI
2 0
f
CSU
2 d
f
2
2
16
6.2.4 缓冲电路的设计表6-1 输入交流电压和Fra bibliotek件额定电压关系
输入交流电压/V
180~220
380~440
480~575
器件额定电压值/V
600
1000~1200
1400
7
6.2.3 逆变电路的设计
• 电流额定值的确定
器件额定电流值由逆变电路容量与伺服电动机功率之间的关系得到
PCN
PM cos
ICMAX
2kolkirp PCN 3U CN
8
6.2.3 逆变电路的设计
（2）正弦波PWM逆变电路开关器件损耗的计算
• IGBT饱和损耗
IGBT的饱和损耗为：
P(sat)AV
1 ICPUCE(sat) (8
2篇7章功率变换
∫ 电源提供的直流功率:
= PE
1 T
T
0 VCC ⋅ iC= dt
VCC ICQ
负载上得到的输出信号功率为:
PO
=
1 2
I
2 cm
RL
Icm ≈ ICQ ≈ V CC /(2RL )
功率输出级的效率为 :
η=
输出信号功率PO
=
1 2
I
2 cm
RL
=η
电源提供的功率PE VCC I CQ
VV= CC22CC //((82RRLL ))
U om
=
VCC
− 2U CES 2
几种电路的比较
变压器耦合乙类推挽：单电源供电，笨重，效率 低，低频特性差。 OTL电路：单电源供电，低频特性差。 OCL电路：双电源供电，效率高，低频特性好。 BTL电路：单电源供电，低频特性好；双端输入 双端输出。
7.2 功率放大电路的分析计算
功率放大电路的主要技术指标：
★★ 无电容滤波，电阻负载时
∫ Vo( AV )
=
1
π
π 0
2V2Sinωtd (ωt)
2
2V2
π
≈
0.9V2
★★ ★ 电容滤波，电阻负载时，估算：VO( AV ) ≈ 1.2V2
为确保二极管安全工作，要求:
= VR 2V2 < VRM
(二极管最大允许反向电压)
ID( AV ) VO( AV ) /(2RL ) < IF (二极管最大整流电流)
1. 稳压电路的性能指标：
1).输出电压 UO
2).输出电流 IL
3).稳压系数
表明电网电压波动时电路的稳压性能。
在负载电流不变时，输出电压相对变化量与输入电压