典型電力電子裝置介紹

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1、第8章典型電力電子裝置介紹8.1開關(guān)電源8.2UPS不間斷電源8.3有源功率因數(shù)校正器8.1開關(guān)電源8.1.1開關(guān)電源的基本工作原理1．線性穩(wěn)壓電源的工作原理及其特點(diǎn)穩(wěn)壓電源通常分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。電子技術(shù)課程中所介紹的直流穩(wěn)壓電源一般是線性穩(wěn)壓電源,它的特點(diǎn)是起電壓調(diào)整功能的器件始終工作在線性放大區(qū)，其原理框圖如圖8-1所示,由50Hz工頻變壓器、整流器、濾波器和串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器組成。圖8-1線性穩(wěn)壓電源它的基本工作原理為：工頻交流電源經(jīng)過變壓器降壓、整流、濾波后成為一穩(wěn)定的直流電。圖8-1中其余部分是起電壓調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用的控制部分。電源接上負(fù)載后，

2、通過采樣電路獲得輸出電壓，將此輸出電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓，則將誤差值經(jīng)過放大電路放大后送入調(diào)節(jié)器的輸入端，通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使輸出電壓增加，直到與基準(zhǔn)值相等；如果輸出電壓大于基準(zhǔn)電壓，則通過調(diào)節(jié)器使輸出減小。這種穩(wěn)壓電源具有優(yōu)良的紋波及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，但同時(shí)存在以下缺點(diǎn)：(1)輸入采用50Hz工頻變壓器，體積龐大。(2)電壓調(diào)整器件（如圖8-1所示的三極管）工作在線性放大區(qū)內(nèi)，損耗大，效率低。(3)過載能力差。2．開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理開關(guān)穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)稱開關(guān)電源，這種電源中，起電壓調(diào)整，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制功能的器件始終以開關(guān)方式工作。圖8-2所示為

3、輸入輸出隔離的開關(guān)電源原理框圖。圖8-2開關(guān)電源的基本框圖其主電路的工作原理為：50Hz單相交流220V電壓或三相交流220V/380V電壓首先經(jīng)EMI防電磁干擾的電源濾波器濾波（這種濾波器主要濾除電源的高次諧波），直接整流濾波（不經(jīng)過工頻變壓器降壓，濾波電路主要濾除整流后的低頻脈動(dòng)諧波），獲得一直流電壓；然后再將此直流電壓經(jīng)變換電路變換為數(shù)十或數(shù)百千赫的高頻方波或準(zhǔn)方波電壓，通過高頻變壓器隔離并降壓（或升壓）后，再經(jīng)高頻整流、濾波電路，最后輸出直流電壓。控制電路的工作原理是：電源接上負(fù)載后，通過取樣電路獲得其輸出電壓，將此電壓與基準(zhǔn)電壓做比較后，將其誤差值放大，用

4、于控制驅(qū)動(dòng)電路，控制變換器中功率開關(guān)管的占空比，使輸出電壓升高（或降低），以獲得一穩(wěn)定的輸出電壓。3．開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制原理開關(guān)電源中，變換電路起著主要的調(diào)節(jié)穩(wěn)壓作用，這是通過調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的占空比來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)開關(guān)管的開關(guān)周期為T，在一個(gè)周期內(nèi)，導(dǎo)通時(shí)間為ton，則占空比定義為D＝ton／t。在開關(guān)電源中，改變占空比的控制方式有兩種，即脈沖寬度調(diào)制（PWM）和脈沖頻率調(diào)制（PWF）。在脈沖寬度控制中，保持開關(guān)頻率（開關(guān)周期T）不變，通過改變ton來改變占空比D，從而達(dá)到改變輸出電壓的目的，即D越大，濾波后輸出電壓也就越大；D越小，濾波后輸出電壓越小,如圖8-3所示。圖

5、8-3PWM控制方式頻率控制方式中，保持導(dǎo)通時(shí)間ton不變，通過改變頻率（即開關(guān)周期T）而達(dá)到改變占空比的一種控制方式。由于頻率控制方式的工作頻率是變化的，造成后續(xù)電路濾波器的設(shè)計(jì)比較困難，因此，目前絕大部分的開關(guān)電源均采用PWM控制。4．開關(guān)穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)開關(guān)穩(wěn)壓電源具有如下的優(yōu)點(diǎn)：(1)功耗小、效率高。開關(guān)管中的開關(guān)器件交替工作在導(dǎo)通—截止—導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度快，這使得功率損耗小，電源的效率可以大幅度提高，可達(dá)90％～95％。(2)體積小、重量輕。開關(guān)電源效率高，損耗小，可以省去較大體積的散熱器；用起隔離作用的高頻變壓器取代工頻變壓器，可大大減小體積，降低

6、重量；因?yàn)殚_關(guān)頻率高，輸出濾波電容的容量和體積也可大為減小。(3)穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源的輸出電壓由占空比來調(diào)節(jié)，輸入電壓的變化可以通過占空比的大小來補(bǔ)償。這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。(4)電路形式靈活多樣。設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類型電路的特長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的開關(guān)電源。開關(guān)電源的缺點(diǎn)主要是存在開關(guān)噪聲干擾。在開關(guān)電源中，開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流會(huì)通過電路中的其它元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，對(duì)這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制、消除和屏蔽，就會(huì)嚴(yán)重影響整機(jī)正常工作。此外，這些干擾還會(huì)串入工頻電網(wǎng)，使電網(wǎng)

7、附近的其它電子儀器、設(shè)備和家用電器受到干擾。因此，設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，必須采取合理的措施來抑制其本身產(chǎn)生的干擾。8.1.2隔離式高頻變換電路在開關(guān)穩(wěn)壓電源的主電路中，調(diào)頻變換電路是核心部分，其電路形式多種多樣，下面介紹輸入輸出隔離的開關(guān)電源常用的幾種高頻變換電路的結(jié)構(gòu)和工作原理。1．正激式變換電路（Forward）所謂正激式變換電路，是指開關(guān)電源中的變換器不僅起著調(diào)節(jié)輸出電壓使其穩(wěn)定的作用，還作為振蕩器產(chǎn)生恒定周期T的方波，后續(xù)電路中的脈沖變壓器也具有振蕩器的作用。該電路的結(jié)構(gòu)如圖8-4（a）所示。工頻交流電源通過電源濾波器、整流濾波器后