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现代电力电子技术在开关电源中的应用 现代电力电子技术在开关电源中的应用 1．开关电源的背景简介 2．开关电源的原理及工作方式 3．电力电子技术在开关电源中的发展前景 1．开关电源的背景简介 1.1 开关电源的背景 1.2 开关电源的组成 1.1 开关电源的背景 开关电源又称开关稳压电源，指起电压调整功能的器件始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。 开关电源最早起源于上世纪50年代初，美国宇航局以小型化、轻量化、为目标，为搭载火箭开发了开关电源。 20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展时期。 21世纪是信息化的时代，信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。 1.2 开关电源的组成 从开关电源的组成来看，它主要由两部分组成：功率级和控制级。功率级的主要任务是根据不同的应用场合及要求，选择不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件考虑设计成本；控制级的主要任务则是根据电路电信号选择合适的控制方式，目前的开关电源以PWM控制方式居多。 图1 开关电源实物图 2.开关电源的原理及工作方式 2.1　工作原理 2.2　控制方式 2.3　开关电源的优缺点 2.4　开关电源的应用 2.2.1 工作原理 50Hz单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压经EMI防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波，然后再将滤波后的直流电压经变换电路变换为数十或数百kHz的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压(或升压)后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。通过取样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。 图1 开关电源原理框图 2.2.2控制方式 开关管占空比定义为：D=Ton/Ts； 其中Ts为开关管的开关周期,Ton为一个周期内导通用时间 。 两种改变占空比的控制方式 ： 1）脉冲宽度调制控制(PWM) 2）脉冲频率调制控制(PFM) 图2 开关电源原理方框图 1） 脉冲宽度控制：保持开关频率(开关周期Ts)不变，通过改变Ton来改变占空比 D，从而达到改变输出电压的目的。 2）脉冲频率控制：保持导通时间Ton不变，通过改变开关频率(即开关周期)而达到改变占空比的目的。 工作频率不固定，造成滤波器设计困难。  图3 PWM控制方式 2.3 开关电源的优缺点 开关电源优点： （1）功耗小、效率高； （2）体积小、重量轻； （3）稳压范围宽； （4）电路形式灵活多样； 开关电源缺点： 主要是存在开关噪声干扰。 2.4 开关电源的应用 2.4.1 主电路 主电路采用半桥变换电路，额定输出直流电压为220V，输出电流为10A。 图4 直流操作电源电路原理图 2.4 开关电源的应用 2.4.2 各功能块的具体电路简介： (1) 交流进线滤波器 作用：防止开关电源产生的噪声进入电网，或者防止电网的噪声进入开关电源内部，干扰开关电源的正常工作。该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。 电路结构： Cc1、Lc和Cc2构成的低通滤波器用来抑制共模干扰信号，其中Lc称为共模电感，其两组线圈匝数相等，但绕向相反，对差模信号的阻抗为零，而对共模信号产生很大的阻抗。 Cd1、Ld和Cd2构成的低通滤波器则用来抑制差模干扰信号。 图5 交流进线EMI滤波器 2.4 开关电源的应用 2.4.3 启动浪涌电流抑制电路 小功率电源：在整流桥的直流侧和滤波电容之间串联具有负温度系数的热敏电阻。 大功率电路：将上述热敏电阻换成普通电阻，同时在电阻的两端并接晶闸管开关。 2.4.4 输出整流电路 小功率电源通常采用半波整 流电路，而对于大功率电源 则采用全波或桥式整流电路。 图6 半波整流电路 2.4 开关电源的应用 2.4.5 控制电路（SG3525） 该开关电源采用双环控制方式，电压环为外环控制，电流环为内环控制。输出电压的反馈信号UOF与电压给定信号UOG相减，其误差信号经PI调节器后形成输出电感的电流给定，再与电感电流的反馈信号IOF相减得电流误差信号，经PI调节器后送入PWM控制器SG3525，然后与控制器内部三角波比较形成PWM信号。该PWM信号再通过驱动电路去驱动主电路IGBT。 2.4.6 IGBT驱动电路 该驱动模块为混合集成电 路，将IGBT的驱动和过 流保护集于一体，能驱动 电压为600V和1200V系列 电流容量不大于400AIGBT。 图7 IGBT驱动电路 2.4 开关电源的应用 2.4.7