PWM 开关电源原理PWM 开关电源原理.doc

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PWM 开关电源原理PWM 开关电源原理

PWM 开关电源 第 1 章 绪 论 随着全球对能源问题的重视,电子产品的耗能问题将愈来愈突出,如何降 低其待机功耗,提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽 然电路结构简单、工作可靠,但它存在着效率低(只有 40%-50%)、体积大、铜 铁消耗量大,工作温度高及调整范围小等缺点。为了提高效率,人们研制出了开 关式稳压电源,它的效率可达 85%以上,稳压范围宽,除此之外,还具有稳压精 度高、不使用电源变压器等特点,是一种较理想的稳压电源。正因为如此,开关 式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中。 1.1 课题背景 1.1.1 开关电源的发展历史 开关稳压电源(以下简称开关电源)取代晶体管线性稳压电源(以下简称线 性电源)已有 30 多年历史,最早出现的是串联型开关电源,其主电路拓扑与线 性电源相仿,但功率晶体管了作于开关状态后,脉宽调制(PWM)控制技术有 了发展,用以控制开关变换器,得到 PWM 开关电源,它的特点是用 20kHz 脉冲 频率或脉冲宽度调制—PWM 开关电源效率可达 65~70%,而线性电源的效率 只有 30~40%。在发生世界性能源危机的年代,引起了人们的广泛关往。线性 电源工作于工频,因此用工作频率为 20kHZ 的 PWM 开关电源替代,可大幅度 节约能源,在电源技术发展史上誉为 20kHZ 革命。 随着 ULSI 芯片尺寸不断减 小,电源的尺寸与微处理器相比要大得多;航天,潜艇,军用开关电源以及用电 池的便携式电子设备(如手提计算机,移动电话等)更需要小型化,轻量化的电 源。因此对开关电源提出了小型轻量要求,包括磁性元件和电容的体积重量要小。 此外要求开关电源效率要更高,性能更好,可靠性更高等。 1.1.2 我国开关电源历程 从我国开关电源的发展过程可以了解国际开关电源发展的一个侧面,虽然一 般说来,我国技术发展水平与国际先进水平平均有 5~10 年差距。 70 年代起, 我同在黑白电视机,中小型计算机中开始应用 5V,20-200A,20kHZ AC-DC 开关 1 PWM 开关电源 电源。80 年代进入大规模生产和广泛应用阶段,并开发研究 0.5~5MHz 准谐振 型软开关电源。80 年代中,我国通信(如程注交换机)电源在 AC-DC 及 DC-DC 开关电源应用领域中所占比重还比较低。80 年代末我国通信电源大规模更新换 代,传统的铁磁稳压-整流电源和晶闸管被相控稳压电源为大功率(48V, 6kw) AC-DC 开关电源(通信系统中常称为开关型整流器 SMR)所取代;并开始在办公 室自动化设备中得到应用。工业应用方面,在锅炉火焰控制,继电保护,激光, 彩色 TV,离子管灯丝发射电流调节,离子注射机,卤钨灯控制等系统中均有应 用。 90 年代我国又研制开发了一批新型专用开关电源,典型例子如下: 1.卫 星开关电源。东方红三号通信卫星、风云一号、二号气象卫星均应用了开关电源。 特点是:多路输出,不可维修性,要求长期不改变性能,设置冗余模块,可靠性 高,EMC 满足空间环境条件,高效,轻小。 2.远程火箭控制系统的 DC-DC 开关 电源,要求发射过程中高度可靠。 3. 1000kW 牵引变流器 4500V/1200A GTO 门 控 250W 开关电源。 4. 40kW 固体脉冲激光器的软开关电源。用 4 台 10kw 全桥 多谐振 ZVS 变换器并联。 5.焊机用双 IGBT 管正激车电压转换—脉定调制(ZVT -PWM)软开关电源。输出 20kW, 500A,开关频率 40kHZ,效率 92%。特点是 负载大范围变化频繁,工作环境恶劣。要求电源冲击电流小,动态特性好,负载 不影响软开关性质。 6.变电所在流操作系统开关电源。供继电保护和自动装置 及蓄电池充电用。代替晶闸管调压系统,输出 10A,180~286V。主开关管用 IGBT 或功率 MOSFET。 7.单相和三相高功率因数整流器(有源功率同数校正器)。 可 以看出 20~30 年中,我国开关电源的应用领域和技术性能有很大进展,这与国 家基础工业和国力增强有密切关系,也和国际先进开关电源技术影响有关。充分 显示了中国电源技术人员的聪明才智和艰苦奋斗的创业精神。 90 年代,中小型 (500W 以下)AC-DC 和 DC-DC 开关电源的特点是:高频化(开关频率达 300- 400kHZ)以达到高功率密度,体小量轻;力求高效和高可靠;低成本;低输出电 压(≤3V);AC 输入端高功率同数等。在今后 5 年内仍然将沿这些方向发展。 主 要技术标志 从技术上看,几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的主 要标志是: 1.新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能。 如功率 MOSFET 和 IGB

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