1、第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-171主要內容主要內容 通信整流技術的發展通信整流技術的發展 高頻開關整流器高頻開關整流器高頻開關整流器的組成高頻開關整流器的組成高頻開關整流器主要技術高頻開關整流器主要技術 開關電源系統簡介開關電源系統簡介開關電源系統開關電源系統開關電源各單元功能開關電源各單元功能 開關電源系統的故障處理與維護開關電源系統的故障處理與維護第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-172重點難點重點難點 本章重點本章重點整流技術整流技術功率因數校正技術功率因數校正技術DC/DC轉換技術轉換技術均流技術均流技術電源整流設備中的常用器件電源整流設備中的常用器件監控

2、單元日常操作監控單元日常操作開關電源系統的故障處理開關電源系統的故障處理 本章難點本章難點功率因素校正技術功率因素校正技術高頻開關整流器功率轉換技術高頻開關整流器功率轉換技術第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-173 我們知道，電子設備所需的我們知道，電子設備所需的直流電源直流電源，一般都是采用，一般都是采用由交流電網供電由交流電網供電，經，經“整流整流”、“濾波濾波”、“穩壓穩壓”后獲得。后獲得。 整流：整流：指指把大小、把大小、方向方向都變化的交流電變成都變化的交流電變成單向脈動單向脈動的的直流電直流電，能完成整，能完成整流任務的設備稱為流任務的設備稱為整流器整流器。 濾波：濾波

3、：指指濾除脈動直流電中的濾除脈動直流電中的交流成分交流成分，使得，使得輸出波形平滑輸出波形平滑，能完成濾波，能完成濾波任務的設備稱為任務的設備稱為濾波器濾波器。 穩壓：穩壓：指指輸入電壓波動輸入電壓波動或或負載變化負載變化引起引起輸出電壓變化輸出電壓變化時，能時，能自動調整使輸自動調整使輸出電壓維持在原值出電壓維持在原值。 通信整流技術的發展通信整流技術的發展 經歷的幾代變革經歷的幾代變革20世紀世紀50年代末的年代末的飽和電抗器控制飽和電抗器控制的的穩壓穩壓穩流穩流硒整流器硒整流器；20世紀世紀60年代的年代的硅二極管硅二極管穩壓穩流整流器；穩壓穩流整流器；20世紀世紀60年代末年代末70年

4、代初穩壓穩流年代初穩壓穩流可控硅整流器可控硅整流器；20世紀世紀80年代末年代末90年代初的年代初的高頻開關整流器高頻開關整流器；3.1 3.1 概述概述第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-174 幾個概念幾個概念整流整流整流整流就是調整氣流、水流或電流的形態就是調整氣流、水流或電流的形態整流電路整流電路整流電路整流電路是利用是利用二極管的單向導電性二極管的單向導電性將正負變化的交流電壓將正負變化的交流電壓變為單向變為單向脈動電壓的電路脈動電壓的電路。在交流電源的作用下，在交流電源的作用下，整流二極管周期性地整流二極管周期性地導通導通和和截止截止，使使負載負載得到得到脈動脈動直流電直

5、流電。在電源的正半周，二級管導通，使負載上的電流與電壓。在電源的正半周，二級管導通，使負載上的電流與電壓波形形狀完全相同；在電源電壓的負半周，二極管處于反向截止狀態波形形狀完全相同；在電源電壓的負半周，二極管處于反向截止狀態，承受電源負半周電壓，負載電壓幾乎為零。，承受電源負半周電壓，負載電壓幾乎為零。 常用的整流電路有：常用的整流電路有：半波整流半波整流全波整流全波整流橋式整流橋式整流工頻：工頻：指工業上用的交流電源的頻率，單位赫茲（指工業上用的交流電源的頻率，單位赫茲（Hz）它是電氣質量的重要）它是電氣質量的重要指標之一。工頻一般指市電的頻率指標之一。工頻一般指市電的頻率,在我國是在我國是

6、50Hz,其他國家也有其他國家也有60Hz的的 第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-175 整流器整流器整流器整流器是把是把交流電交流電（AC）轉換為轉換為直流電（直流電（DC）裝置的總稱裝置的總稱。 它它有兩個主要功能有兩個主要功能將交流電（將交流電（AC）變成直流電）變成直流電(DC)，經濾波后，經濾波后供給負載供給負載，或者，或者供給逆供給逆變器變器；給蓄電池提供充電電壓給蓄電池提供充電電壓。因此，它同時又起到一個充電器的作用。因此，它同時又起到一個充電器的作用。 通信整流技術的發展通信整流技術的發展 20世紀世紀50年代末年代末的飽和電抗器控制的穩壓穩流的飽和電抗器控制的穩壓

7、穩流硒整流器硒整流器 20世紀世紀60年代年代的硅二極管取代硒整流片的穩壓穩流的硅二極管取代硒整流片的穩壓穩流硅整流器硅整流器 20世紀世紀60年代末年代末70年代初年代初穩壓穩流穩壓穩流可控硅整流器可控硅整流器， 20世紀世紀80年代末年代末90年代初年代初的的高頻開關整流器高頻開關整流器 通信用整流設備經歷了幾代變革。通信用整流設備經歷了幾代變革。90年代以后，隨著年代以后，隨著計算機控制技術計算機控制技術、功率半導體技術功率半導體技術和和超大規模集成電路生產工藝超大規模集成電路生產工藝的飛速發展，的飛速發展，高頻開關整流高頻開關整流器產品也越來越成熟，性價比逐步提升器產品也越來越成熟，性

8、價比逐步提升，目前已經逐步取代了可控硅整流，目前已經逐步取代了可控硅整流器，并且還在不斷地朝著高頻化、高效率、大功率、小型智能化、清潔環器，并且還在不斷地朝著高頻化、高效率、大功率、小型智能化、清潔環保的方向發展。保的方向發展。第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-176 穩壓電源穩壓電源 穩壓電源（穩壓電源（stabilized voltage supply）是能是能為負載提供為負載提供穩定交流電源穩定交流電源或或穩定直流電源穩定直流電源的電子裝置的電子裝置。包括以下兩大類。包括以下兩大類 交流穩壓電源交流穩壓電源直流穩壓電源直流穩壓電源 穩壓電源的發展歷史穩壓電源的發展歷史 195

9、5年年美國的科學家美國的科學家羅那（羅那（G.H.Royer）首先研制成功了首先研制成功了利用磁芯的飽利用磁芯的飽和和來進行來進行自激振蕩自激振蕩的的晶體管直流變換器晶體管直流變換器。此后，利用這一技術的各種形式。此后，利用這一技術的各種形式的精益求精直流變換器不斷地被研制和涌現出來，從而取代了早期采用的的精益求精直流變換器不斷地被研制和涌現出來，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉換效率低的壽命短、可靠性差、轉換效率低的旋轉旋轉和和機械振子式機械振子式換流設備換流設備。由于晶體由于晶體管直流變換器中的功率晶體管工作在管直流變換器中的功率晶體管工作在開關狀態開關狀態，所以由此而制成的穩壓電

10、，所以由此而制成的穩壓電源輸出的組數多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當時被廣泛源輸出的組數多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當時被廣泛地應用于航天及軍事電子設備。由于地應用于航天及軍事電子設備。由于那時的微電子設備及技術十分落后那時的微電子設備及技術十分落后，不能制作出耐壓高、開關速度較高、功率較大的晶體管不能制作出耐壓高、開關速度較高、功率較大的晶體管，所以，所以這個時期的這個時期的直流變換器只能采用低電壓輸入，并且轉換的速度也不能太高直流變換器只能采用低電壓輸入，并且轉換的速度也不能太高。第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-177 20世紀世紀60年代，由于微電

11、子技術的快速發展，年代，由于微電子技術的快速發展，高反壓的晶體管出現了高反壓的晶體管出現了，從此從此直流變換器直流變換器就可以直接由就可以直接由市電經市電經整流整流、濾波后輸入、濾波后輸入，不再需要工頻變不再需要工頻變壓器降壓了壓器降壓了，從而極大地擴大了它的應用范圍，從而極大地擴大了它的應用范圍，并在此基礎上誕生了無工并在此基礎上誕生了無工頻降壓變壓器的開關電源頻降壓變壓器的開關電源。省掉了工頻變壓器，又使。省掉了工頻變壓器，又使開關穩壓電源的體積開關穩壓電源的體積和重量大為減小，開關穩壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕和重量大為減小，開關穩壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。

12、20世紀世紀70年代以后，年代以后，與這種技術有關的高頻，高反壓的功率晶體管、高與這種技術有關的高頻，高反壓的功率晶體管、高頻電容、開關二極管、開關變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產出來頻電容、開關二極管、開關變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產出來，使使無工頻變壓器開關穩壓電源得到了飛速的發展無工頻變壓器開關穩壓電源得到了飛速的發展，并且被廣泛地應用于，并且被廣泛地應用于電子計算機、通信、航天、彩色電視機等領域，從而使電子計算機、通信、航天、彩色電視機等領域，從而使無工頻變壓器無工頻變壓器開關開關穩壓電源成為各種電源的佼佼者。穩壓電源成為各種電源的佼佼者。 穩壓電源的主要功能穩壓電源的主要

13、功能 穩定電壓穩定電壓當電網電壓出現瞬間波動時，穩壓電源會以當電網電壓出現瞬間波動時，穩壓電源會以10-30ms的響應速度對電的響應速度對電壓幅值進行補償，使其穩定在壓幅值進行補償，使其穩定在2%以內。以內。 第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-178多功能綜合保護多功能綜合保護穩壓器除了最基本的穩定電壓功能以外，還應具有過壓保護（超過輸穩壓器除了最基本的穩定電壓功能以外，還應具有過壓保護（超過輸出電壓的出電壓的+10%）、欠壓保護（低于輸出電壓的）、欠壓保護（低于輸出電壓的-10%）、缺相保護）、缺相保護、短路過載保護最基本的保護功能。、短路過載保護最基本的保護功能。尖脈沖抑制（可

14、選）尖脈沖抑制（可選）電網有時會出現幅值很高，脈寬很窄的尖脈沖，它會擊穿耐壓較低的電網有時會出現幅值很高，脈寬很窄的尖脈沖，它會擊穿耐壓較低的電子元件。穩壓電源的抗浪涌組件能夠對這樣的尖脈沖起到很好的抑電子元件。穩壓電源的抗浪涌組件能夠對這樣的尖脈沖起到很好的抑制作用。制作用。隔離傳導性隔離傳導性EMI電磁干擾（可選）電磁干擾（可選）數控設備多采用數控設備多采用AC/DC整流整流+PFC高頻功率因數校正，自身有一定的高頻功率因數校正，自身有一定的干擾性同時對干擾源也有嚴格要求。穩壓電源的濾波組件能夠有效隔干擾性同時對干擾源也有嚴格要求。穩壓電源的濾波組件能夠有效隔離電網對設備的干擾同時也能有效

15、隔離設備對電網的干擾。離電網對設備的干擾同時也能有效隔離設備對電網的干擾。防雷（可選）防雷（可選）應具有的防雷擊能力。應具有的防雷擊能力。第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-179 穩壓電源的種類穩壓電源的種類目前，通信和其他電子設備采用的穩壓電源主要有目前，通信和其他電子設備采用的穩壓電源主要有線性穩壓電源線性穩壓電源 線性穩壓電源中，線性穩壓電源中，調整元件調整元件串聯在串聯在負載回路中負載回路中，其作用就像一只其作用就像一只可變電阻可變電阻，輸入電壓或負載變化時輸入電壓或負載變化時，串聯調整元件的壓降改變，串聯調整元件的壓降改變，從而使輸出電壓穩定不變從而使輸出電壓穩定不變。當

16、輸入電壓過高時，串聯調整管的功。當輸入電壓過高時，串聯調整管的功耗很大，因此效率很低。當輸入電壓波動范圍為耗很大，因此效率很低。當輸入電壓波動范圍為20 %時，時，5 V穩壓器的典型效率只有穩壓器的典型效率只有35%，輸入電壓波動范圍小于，輸入電壓波動范圍小于16%時時， 典型效率也只能達到典型效率也只能達到50%。 線性穩壓器的主要優點是電路比較簡單，穩壓精度較高，輸出紋線性穩壓器的主要優點是電路比較簡單，穩壓精度較高，輸出紋波電壓也較低。近年來，推出的低壓差波電壓也較低。近年來，推出的低壓差(輸入和輸出電壓之差很低輸入和輸出電壓之差很低的的)線性穩壓器，不僅具有線性穩壓器的全部優點，而且效

17、率也有線性穩壓器，不僅具有線性穩壓器的全部優點，而且效率也有明顯提高，目前已廣泛應用于小功率低電壓的電子設備中。明顯提高，目前已廣泛應用于小功率低電壓的電子設備中。第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1710相控型穩壓電源相控型穩壓電源 相控型穩壓電源的基本工作原理是：相控型穩壓電源的基本工作原理是：當輸入電壓或負載變化時，當輸入電壓或負載變化時， 改變晶閘管的導通角改變晶閘管的導通角，可使輸出電壓穩定不變可使輸出電壓穩定不變。與線性穩壓電源。與線性穩壓電源相比，相比，由于調整元件由于調整元件(晶閘管晶閘管)工作于開關狀態，所以工作于開關狀態，所以功耗較小功耗較小， 效率也較高效率也

18、較高，通常可達到，通常可達到70%。要求輸入和輸出隔離時，相控型。要求輸入和輸出隔離時，相控型穩壓電源的輸入端必須加入工頻變壓器。穩壓電源的輸入端必須加入工頻變壓器。由于工作頻率很低由于工作頻率很低(50 Hz)，所以變壓器的體積和重量都很大，所以變壓器的體積和重量都很大，同時輸出端的濾波電感和，同時輸出端的濾波電感和濾波電容的體積和重量也很大。濾波電容的體積和重量也很大。開關型穩壓電路開關型穩壓電路在開關型穩壓電源中，在開關型穩壓電源中，調整管工作于開關狀態調整管工作于開關狀態。輸入輸入電電壓壓或或負載負載變化變化時，時，改變控制信號改變控制信號的的脈沖寬度脈沖寬度，就可改變，就可改變調整管

19、調整管的的導通時間導通時間，從而使輸出電壓穩定不變從而使輸出電壓穩定不變。調整管。調整管導通時，兩端的壓降接近于零，導通功耗很小；調整管導通時，兩端的壓降接近于零，導通功耗很小；調整管關斷時，流過的電流基本上為零，關斷功耗非常小，因關斷時，流過的電流基本上為零，關斷功耗非常小，因此開關型電源的效率很高。此開關型電源的效率很高。目前通信用開關穩壓電源的效率已達到目前通信用開關穩壓電源的效率已達到90%以上。以上。第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1711 整流和濾波電路整流和濾波電路1. 電路組成電路組成單相橋式整流電路如圖單相橋式整流電路如圖3.1（a）所示，圖）所示，圖3.1（b

20、） 是其簡化電路。是其簡化電路。 （a） 電路原理圖電路原理圖 （b）電路簡化圖）電路簡化圖 圖圖3.1 單相橋式整流電路單相橋式整流電路第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1712濾波電路濾波電路濾波電路的主要元件是電容和電感，以電容濾波電路最常用。濾波電路的主要元件是電容和電感，以電容濾波電路最常用。電容濾波的特點電容濾波的特點 (1) 濾波后的輸出電壓濾波后的輸出電壓中直流分量中直流分量提高提高了，交流分量降了，交流分量降低了。低了。 (2) 電容濾波電容濾波適用于負載電流較小適用于負載電流較小的場合。的場合。 (3) 存在存在浪涌電流浪涌電流。可在。可在整流二極管兩端并接一只

21、整流二極管兩端并接一只0.01F的電容器的電容器來防止浪涌電流燒壞整流二極管。來防止浪涌電流燒壞整流二極管。 (4) RL C值的改變可以值的改變可以影響輸出直流電壓影響輸出直流電壓的大小。的大小。第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1713 穩壓電路穩壓電路并聯型穩壓電路并聯型穩壓電路并聯型穩壓電路如圖并聯型穩壓電路如圖3.2所示所示圖圖3.2 并聯型直流穩壓電路并聯型直流穩壓電路l其穩壓過程分述如下：其穩壓過程分述如下：當交流電網波動而當交流電網波動而RL未變動時，若電網電壓未變動時，若電網電壓上升，則：上升，則：UiULIZIURUL當電網未波動而負載當電網未波動而負載RL變動

22、時，若變動時，若RL 減小減小，則，則ILIURULIZIURUL并聯型穩壓電路并聯型穩壓電路結構簡單結構簡單，但，但受穩壓管最大電流限制受穩壓管最大電流限制，又，又不能任意調節不能任意調節輸出電壓輸出電壓，所以，所以只適用于只適用于輸出電壓不需調節，負載電流小，要求不甚高輸出電壓不需調節，負載電流小，要求不甚高的場合。的場合。第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1714T T1 1T T2 2T T3 3串聯型穩壓電路串聯型穩壓電路串聯型穩壓電路如圖串聯型穩壓電路如圖3.3所示。該電路由四部分組成。所示。該電路由四部分組成。圖圖3.3 串聯型穩壓電路串聯型穩壓電路l (1) 采樣單

23、元采樣單元采樣單元有采樣單元有R1、R2、和、和RP組組成，與負載成，與負載RL并聯，通過它可并聯，通過它可以反映輸出電壓以反映輸出電壓Uo的變化。的變化。l (2) 基準單元基準單元基準單元由限流電阻基準單元由限流電阻R3與與穩穩壓管壓管T3組成組成l（3）放大單元）放大單元l 放大單元由放大單元由三極管三極管T2組成。組成。l（4）調整單元）調整單元調整單元由三極管調整單元由三極管T1組成組成，它是，它是串聯型穩壓電路的核心元件。串聯型穩壓電路的核心元件。T1必必須選擇大功率三極管須選擇大功率三極管 。第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-17152. 工作原理工作原理串聯型穩壓電

24、路串聯型穩壓電路的的自動穩壓過程自動穩壓過程按按電網波動電網波動和和負載電阻負載電阻變動變動兩種情況分述如下：兩種情況分述如下：UiUoUfUBE2IB2IC2UCE2 UBE1IB1UCE1UoRLUoUfUBE2IB2IC2UCE2 UBE1IB1UCE1Uo 當當Ui或或RL 時的調整過程與上述相反。時的調整過程與上述相反。由上分析可知，這是一個由上分析可知，這是一個負反饋系統負反饋系統。正。正因為電路內有因為電路內有深度電壓串聯負反饋深度電壓串聯負反饋，所以才能使輸出電壓穩定。，所以才能使輸出電壓穩定。第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1716 三端集成穩壓器三端集成穩壓器

25、 目前，目前，集成穩壓器集成穩壓器已達已達百余種百余種，并且成為，并且成為模擬集成電路模擬集成電路的的一個重要一個重要分支。它具有輸出電流大，輸出電壓高，體積小，安裝調試方便，分支。它具有輸出電流大，輸出電壓高，體積小，安裝調試方便，可靠性高等優點，在電子電路中應用十分廣泛可靠性高等優點，在電子電路中應用十分廣泛集成穩壓器有集成穩壓器有三端三端及及多端多端兩種外部結構形式。兩種外部結構形式。輸出電壓輸出電壓有可有可調調和和固定固定兩種形式兩種形式：固定式輸出電壓為標準值，使用時不能再調節；固定式輸出電壓為標準值，使用時不能再調節；可調式可通過外接元件，在較大范圍內調節輸出電壓。可調式可通過外接

26、元件，在較大范圍內調節輸出電壓。此外，還有輸出正電壓和輸出負電壓的集成穩壓器。此外，還有輸出正電壓和輸出負電壓的集成穩壓器。穩壓電源以小功率三端集成穩壓器應用最為普遍。常用的型穩壓電源以小功率三端集成穩壓器應用最為普遍。常用的型號有號有W78系列系列W79系列系列W317系列系列W337系列。系列。第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1717 高頻開關整流器高頻開關整流器 開關整流器開關整流器是是電源系統電源系統中中最重要的部分最重要的部分，它的，它的技術是否先進技術是否先進，關系著開關，關系著開關電源系統的功能和可靠性。因此，一些自主開發的廠商很注重電源系統的功能和可靠性。因此，一

27、些自主開發的廠商很注重開關整流器開關整流器技術性能技術性能的改進，其目的是使開關整流器的的改進，其目的是使開關整流器的可靠性可靠性和和效率效率得到很大提高，得到很大提高，使其使其成本成本和和高頻電磁干擾高頻電磁干擾降低。降低。 高頻開關整流器的發展高頻開關整流器的發展可靠性的提升可靠性的提升 可靠性是電源系統一個永恒的課題可靠性是電源系統一個永恒的課題，隨著，隨著集成技術的發展成熟集成技術的發展成熟，結構設計，結構設計的趨于合理，的趨于合理，高頻開關電源采用的元器件的數量大大減少高頻開關電源采用的元器件的數量大大減少，電解電容電解電容、光光耦合器耦合器及及風扇風扇等等決定電源壽命的器件決定電源

28、壽命的器件質量也得到提高質量也得到提高，以及增加了各種保，以及增加了各種保護功能，使高頻開關整流器的護功能，使高頻開關整流器的MTBF（平均無故障時間）延長，從而提高（平均無故障時間）延長，從而提高了可靠性。了可靠性。穩定性的提高穩定性的提高 穩定高質量的直流電輸出是衡量整流器的一個重要的指標穩定高質量的直流電輸出是衡量整流器的一個重要的指標。高頻化以及高高頻化以及高性能、高增益控制電路的采用性能、高增益控制電路的采用，使高頻開關整流器的穩壓精度大大提高使高頻開關整流器的穩壓精度大大提高，各種各種濾波電路的應用使得輸出雜音減小濾波電路的應用使得輸出雜音減小，其，其供電質量較供電質量較相控整流器

29、相控整流器有了明有了明顯的提高顯的提高。第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1718小型化小型化小型化是高頻開關整流器相比傳統相控整流器的一大優勢小型化是高頻開關整流器相比傳統相控整流器的一大優勢。由于。由于變壓器變壓器工作頻率的提高工作頻率的提高以及以及集成電路集成電路的大量使用的大量使用，使得高頻開關，使得高頻開關整流器的體積大大縮小。整流器的體積大大縮小。有些高頻開關整流器內部有有些高頻開關整流器內部有CPU，有些，有些沒有。但沒有。但對于整個開關電源系統而言，都設有監控模塊對于整個開關電源系統而言，都設有監控模塊，采用智，采用智能化管理，可與計算機通信，實現集中監控。能化管理

30、，可與計算機通信，實現集中監控。高效率高效率高效率也是高頻開關整流器發展的趨勢高效率也是高頻開關整流器發展的趨勢。功率器件功率器件生產技術的進生產技術的進步，步，其功耗減小其功耗減小；計算機輔助設計使得開關整流器設計拓撲和參；計算機輔助設計使得開關整流器設計拓撲和參數趨于合理，即所謂的數趨于合理，即所謂的最簡結構最簡結構和和最佳工況最佳工況；功率因數校正技術功率因數校正技術的采用，的采用，使得高頻開關整流器的效率大大提高使得高頻開關整流器的效率大大提高。第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1719 高頻開關電源的特點高頻開關電源的特點 重量輕、體積小重量輕、體積小與相控電源相比較，在

31、輸出相同功率的情況下，體積及重量減小很多與相控電源相比較，在輸出相同功率的情況下，體積及重量減小很多 節能高效節能高效一般效率在一般效率在90左右。左右。 功率因數高功率因數高當配有有源功率因數校正電路時，其功率因數近似為當配有有源功率因數校正電路時，其功率因數近似為1，且基本不受，且基本不受負載變化的影響。負載變化的影響。 穩壓精度高、可聞噪音低穩壓精度高、可聞噪音低在常溫滿載情況下，其穩壓精度都在在常溫滿載情況下，其穩壓精度都在5以下。以下。 維護簡單、擴容方便維護簡單、擴容方便模塊化結構。可在運行中更換損壞模塊，不影響通信。增減模塊方便模塊化結構。可在運行中更換損壞模塊，不影響通信。增減

32、模塊方便 智能化程度較高智能化程度較高有有CPU和計算機通信接口，便于集中監控，無人值守。和計算機通信接口，便于集中監控，無人值守。第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1720高頻開關整流器目前需要解決的問題高頻開關整流器目前需要解決的問題 解決高頻化與噪聲的矛盾問題解決高頻化與噪聲的矛盾問題。 提高工作頻率提高工作頻率能使能使動態響應動態響應更快，這對于更快，這對于配合高速微處理器配合高速微處理器工作工作是必須的，也是是必須的，也是減小體積的重要途徑減小體積的重要途徑。損耗增加，同時增加了更。損耗增加，同時增加了更多的高頻噪聲，這些噪聲既對整流器自身工作會帶來影響，也會多的高頻噪聲

33、，這些噪聲既對整流器自身工作會帶來影響，也會使得其他電子設備受到干擾。使得其他電子設備受到干擾。 如何進一步提高效率，提高功率密度如何進一步提高效率，提高功率密度 損耗的增加制約了整機效率的提高；額外的噪聲也必須增加更多損耗的增加制約了整機效率的提高；額外的噪聲也必須增加更多的噪聲抑止電路，也就加大了整流器的復雜性和體積，使得整流的噪聲抑止電路，也就加大了整流器的復雜性和體積，使得整流器的器的可靠性可靠性和和功率密度功率密度下降下降 開發高性能的功率器件、電感、電容和變壓器，提高整機的可靠性開發高性能的功率器件、電感、電容和變壓器，提高整機的可靠性 高性能碳化硅半導體器件高性能碳化硅半導體器件

34、 、高頻磁性元件和大容量高壽命的電容、高頻磁性元件和大容量高壽命的電容器的開發。器的開發。第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1721通信高頻開關整流器的組成通信高頻開關整流器的組成傳統的晶閘管相控整流器傳統的晶閘管相控整流器工作頻率低工作頻率低，要求，要求變壓器變壓器和和濾波元件濾波元件的的體積大體積大，重量大和耗能高，重量大和耗能高，隨著大功率器件和微電子技術的發展，高頻開關整隨著大功率器件和微電子技術的發展，高頻開關整流器已逐漸取代晶閘管相控整流器流器已逐漸取代晶閘管相控整流器。高頻開關整流器組成高頻開關整流器組成高頻開關整流器也稱為無工頻變壓器整流器，主要由高頻開關整流器也稱

35、為無工頻變壓器整流器，主要由主電路主電路、輔助電路輔助電路和和控控制電路制電路三部分三部分組成，如圖組成，如圖3-4所示所示 第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1722 主電路主電路 高頻開關整流器的主電路如圖高頻開關整流器的主電路如圖3-4所示，包括所示，包括交流濾波交流濾波、整流整流、功率功率因數校正因數校正、直流直流-直流（直流（DC-DC）變換）變換、直流濾波直流濾波等。等。 交流濾波：交流濾波：交流濾波處于交流濾波處于整流模塊的輸入端口整流模塊的輸入端口，這一部分包含，這一部分包含低低通濾波通濾波、浪涌抑制浪涌抑制等電路等電路 整流電路一般整流電路一般采用無采用無工頻工頻

36、變壓器變壓器單相或三相橋式硅整流電路，它單相或三相橋式硅整流電路，它把單相或三相交流電變為直流電，并向功率因數校正電路提供穩把單相或三相交流電變為直流電，并向功率因數校正電路提供穩定的直流電源定的直流電源 功率因數校正電路功率因數校正電路：為了：為了消除消除由由整流電路引起整流電路引起的的諧波電流諧波電流污染電污染電網網和和減小無功損耗減小無功損耗，必須用功率因數校正電路提升功率因數。，必須用功率因數校正電路提升功率因數。 直流直流-直流變換電路：直流變換電路：由由逆變逆變和和高頻整流高頻整流兩部分組成，兩部分組成，逆變部分將逆變部分將直流高壓變換為高頻低壓直流高壓變換為高頻低壓。高頻整流部分

37、將高頻電壓變換為電信高頻整流部分將高頻電壓變換為電信設備所需要的直流低壓設備所需要的直流低壓（-48，-24V）。直流）。直流-直流變換電一般采直流變換電一般采用用PWM方式控制。方式控制。 直流濾波直流濾波：濾除高頻開關整流器輸出側的尖峰和雜波等噪聲電壓：濾除高頻開關整流器輸出側的尖峰和雜波等噪聲電壓 第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1723控制電路控制電路除主電路這外的其它電路都可稱之為控制電路，它包括除主電路這外的其它電路都可稱之為控制電路，它包括 檢測放大電路檢測放大電路 U/W（電壓（電壓/脈寬）轉換電路或脈寬）轉換電路或U/f（電壓（電壓/頻率）轉換電路頻率）轉換電路

38、 時鐘振蕩器（或恒頻脈沖發生器）時鐘振蕩器（或恒頻脈沖發生器） 驅動電路及保護電路驅動電路及保護電路控制電路應為功率開關管控制電路應為功率開關管激勵信號激勵信號，應能，應能將主電路輸出電壓的將主電路輸出電壓的微小變化微小變化轉換成轉換成脈寬或頻率變化脈寬或頻率變化，實現自動調整輸出電壓的目，實現自動調整輸出電壓的目的。負載發生短路或過流時的。負載發生短路或過流時應有保護功能應有保護功能，輔助電源輔助電源為為控制電控制電路提供必要的能源路提供必要的能源。輔助電源輔助電源輔助電源提供高頻開關整流器中輔助電源提供高頻開關整流器中控制電路控制電路等部分的等部分的直流電源電直流電源電壓壓，通常采用單端反

39、激變換器。，通常采用單端反激變換器。 第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1724 高頻變換原理高頻變換原理 高頻開關整流器的工作原理是高頻開關整流器的工作原理是市電直接由二極管整流后市電直接由二極管整流后，經，經功率因數校正功率因數校正電路電路，功率變換電路功率變換電路，把，把直流電源直流電源變換成變換成高頻率的交流電流高頻率的交流電流，再，再經高頻整經高頻整流流成成電信設備需要的低電壓直流電源電信設備需要的低電壓直流電源。 采用高頻變換技術減小變壓器體積可以認為是高頻開關整流器的核心技術采用高頻變換技術減小變壓器體積可以認為是高頻開關整流器的核心技術 高頻開關整流器的分類高頻開關

40、整流器的分類 按調制方式分：按調制方式分： 有脈沖寬度調制（有脈沖寬度調制（PWM） 脈沖頻率調制（脈沖頻率調制（PFM） 混合調制混合調制 按采用的開關技術分：按采用的開關技術分： 硬開關硬開關 工作在電流不為零時的強迫關斷，和電壓不為零時的強迫導通工作在電流不為零時的強迫關斷，和電壓不為零時的強迫導通 軟開關軟開關 工作在零電流關斷和零電壓導通狀態工作在零電流關斷和零電壓導通狀態 第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1725按主電路結構分為按主電路結構分為諧振型諧振型 諧振型整流器是諧振型整流器是采用軟開關技術設計采用軟開關技術設計的的 。開關損耗小，工作頻率。開關損耗小，工作頻

41、率高，可達高，可達10MHz以上以上 非諧振型非諧振型 采用采用硬開關技術設計硬開關技術設計 。開關頻率不能太高開關頻率不能太高。但其電路結構比較簡。但其電路結構比較簡單，技術比較成熟單，技術比較成熟 按交流電的輸入類型分為：按交流電的輸入類型分為：單相單相三相三相按變換器的級數（按變換器的級數（Stage）分為：）分為：單級（單級（Single stage）雙級（雙級（Two stage）第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-17263.2 3.2 高頻開關整流器主要技術高頻開關整流器主要技術 3.2.1 高頻開關元件高頻開關元件 在高頻開關整流器中，在高頻開關整流器中，功率轉換電路

42、功率轉換電路是其主要組成部分，是其主要組成部分，高頻開關高頻開關整流器的整流器的工作頻率工作頻率實際上就是實際上就是功率轉換電路的功率轉換電路的工作頻率工作頻率，它，它取決于取決于開關管的工作頻率開關管的工作頻率。所以功率轉換電路中高頻開關管性能的高低（。所以功率轉換電路中高頻開關管性能的高低（比如開關管導通和關斷速度、開關壓降損耗等等）在整流器中起著比如開關管導通和關斷速度、開關壓降損耗等等）在整流器中起著至關重要的作用至關重要的作用 。目前目前高頻開關整流器高頻開關整流器采用的采用的高頻功率開關器件高頻功率開關器件通常有：通常有：功率場控晶體管（功率場控晶體管（MOSFET）絕緣門極晶體管

43、（絕緣門極晶體管（IGBT）兩者混合管兩者混合管功率集成器件等等功率集成器件等等第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1727功率場控晶體管功率場控晶體管（功率（功率MOSFET）功率功率MOSFET是一種是一種單極型電壓控制器件單極型電壓控制器件，其，其優點優點是具有是具有驅動功率小驅動功率小、工作速度高工作速度高、無二次擊穿無二次擊穿和和安全區寬安全區寬等優點。等優點。功率功率MOSFET結構結構采用采用垂直導電溝道垂直導電溝道，并，并將許多小單元功率將許多小單元功率MOSFET管芯并聯管芯并聯集成，故集成，故可增大可增大漏極電流漏極電流和和功率功率。用大規模集成電路工藝用大規模集

44、成電路工藝將管芯并聯構成將管芯并聯構成的可稱為的可稱為VVMOSFET將將VVMOSFET的的V型槽尖頂削去型槽尖頂削去的稱為的稱為VUMOSFET采用雙重擴期工藝制成的具有垂直導電雙擴散采用雙重擴期工藝制成的具有垂直導電雙擴散VDMOSFET 圖圖3-5 VMOS管的結構管的結構 圖圖3-6 MOS管的符號管的符號第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1728功率功率MOSFET的工作原理的工作原理當在當在NMOS管的管的柵極是加正電壓柵極是加正電壓，則，則氧化膜下氧化膜下P型層型層兩邊表面兩邊表面感感應出負電荷應出負電荷，而，而形成形成N型導電溝道型導電溝道，同時在，同時在漏極兩極

45、間加上正電漏極兩極間加上正電壓壓，電子從源極通過兩個溝道，電子從源極通過兩個溝道，N-外延層，外延層，N+基片到達漏極，基片到達漏極，NMOS管電路原理如圖管電路原理如圖3-7所示所示 圖圖3-7 NMOS管原理圖管原理圖第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1729 功率功率MOSFET的特性的特性 功率功率MOSFET管的主要性能指標用電壓、電流和工作頻率來衡量。管的主要性能指標用電壓、電流和工作頻率來衡量。 電流與電壓電流與電壓功率功率MOSFET電流以最大漏電流為指標（電流以最大漏電流為指標（IDMAX）。它表示功）。它表示功率率MOSFET工作在飽和狀態下的漏極電流量，或某工

46、作在飽和狀態下的漏極電流量，或某VGS輸出特性輸出特性曲線平坦區域的電流值，決定曲線平坦區域的電流值，決定IDMAX的主要因素為單位管芯面的主要因素為單位管芯面積的溝道寬度，溝道寬度達則積的溝道寬度，溝道寬度達則IDMAX值大。值大。 工作頻率工作頻率工作頻率通常為工作頻率通常為30kHz100kHz 。 功率功率MOSFET的特點的特點 驅動功率小，驅動電路簡單，功率增益高，是一種驅動功率小，驅動電路簡單，功率增益高，是一種電壓控制器件電壓控制器件。開。開關速度快，不需要加反向偏置。關速度快，不需要加反向偏置。 多個管子可并聯工作多個管子可并聯工作，導通電阻具正溫度系數，具有自動均流能力，導

47、通電阻具正溫度系數，具有自動均流能力 開關速度受溫度影響非常小開關速度受溫度影響非常小，在高溫運行時，不存在溫度失控現象，在高溫運行時，不存在溫度失控現象 功率功率MOSFET無二次擊穿無二次擊穿問題。問題。 第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1730 功率功率MOSFET使用注意事項使用注意事項 柵極電路的阻抗非常高柵極電路的阻抗非常高，易受靜電損壞易受靜電損壞。 不能用常規電流電壓表測試不能用常規電流電壓表測試（包括萬用表）。（包括萬用表）。 在進行引線焊接時，在進行引線焊接時，操作者應用佩帶接地的專用腕帶操作者應用佩帶接地的專用腕帶，且工作臺與焊，且工作臺與焊接工具均應接地，

48、地面也應接地。接工具均應接地，地面也應接地。 導通時電流沖擊大，導通時電流沖擊大，易產生過電流易產生過電流。并聯工作時，。并聯工作時，易產生高頻震蕩易產生高頻震蕩 絕緣門極晶體管絕緣門極晶體管（IGBT） 絕緣門極晶體管絕緣門極晶體管又稱又稱門極絕緣雙極晶體管門極絕緣雙極晶體管，簡稱，簡稱IGBT，人，人們往往們往往習慣性地稱其為絕緣柵雙極晶體管習慣性地稱其為絕緣柵雙極晶體管，或絕緣柵晶體管，或絕緣柵晶體管，它，它是一種是一種VMOSFET和和雙極型晶體管雙極型晶體管的的復合器件復合器件。 增強型溝道增強型溝道IGBT的簡化等效電路如圖的簡化等效電路如圖3-8（a）所示。該）所示。該結構結構相

49、當于一個增強型溝道相當于一個增強型溝道VMOSFET驅動驅動PNP晶體管晶體管，其圖形符號及工作電壓極性和電流方向，如圖其圖形符號及工作電壓極性和電流方向，如圖3-5所示，圖所示，圖（b）為國家標準圖形符號。為門極，習慣上常稱柵極，）為國家標準圖形符號。為門極，習慣上常稱柵極，為集電極，為發射極。為集電極，為發射極。 第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1731 IGBT具有以下特點：具有以下特點： IGBT從輸入端看，類似于從輸入端看，類似于VMOSFET，IGBT的的導通導通和和關斷關斷由由柵極電柵極電壓壓來控制，當柵射電壓來控制，當柵射電壓UGE大于開啟電壓大于開啟電壓VGE時

50、，時，IGBT導通，當導通，當柵射電壓小于開啟電壓時，柵射電壓小于開啟電壓時，IGBT截止。截止。 IGBT從輸出端看從輸出端看，類似于雙極型晶體管類似于雙極型晶體管，導通壓降小，飽和壓降一，導通壓降小，飽和壓降一般在般在24V之間，故導通損耗小。此外，之間，故導通損耗小。此外，IGBT能夠做得比能夠做得比VMOSFET耐壓更高，電流容量更大耐壓更高，電流容量更大。 IGBT的的開關速度開關速度在在VMOSFET與雙極型晶體管之間。與雙極型晶體管之間。 IGBT存在擎住效應。存在擎住效應。 光耦驅動電路光耦驅動電路 常用的光耦合器常用的光耦合器 發光二極管晶體管發光二極管晶體管發光二極管發光二

51、極管晶體管型晶體管型光耦合器光耦合器是由砷化鎵發光二極管和硅光敏晶體管是由砷化鎵發光二極管和硅光敏晶體管組成組成 。 二極管二極管和晶體管放大型二極管二極管和晶體管放大型它用光敏二極管作受光器件，再用晶體管把光電流放大輸出它用光敏二極管作受光器件，再用晶體管把光電流放大輸出 第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1732 常用的光耦合器常用的光耦合器 電路舉例電路舉例（TLP250驅動電路）驅動電路）包括光耦合器、前級放大及比較器、觸發器、功率放大器等部分包括光耦合器、前級放大及比較器、觸發器、功率放大器等部分 功率開關二極管功率開關二極管 由于工作頻率高，它們不能采用普通硅整流二極管

52、，而必須由于工作頻率高，它們不能采用普通硅整流二極管，而必須采用快恢復二極管、超快恢復二極管或肖特基二極管等開關采用快恢復二極管、超快恢復二極管或肖特基二極管等開關速度快的功率開關二極管。速度快的功率開關二極管。 二極管的開關特性二極管的開關特性 二極管反向恢復時間二極管反向恢復時間 二極管正向恢復時間二極管正向恢復時間 幾種快速功率二極管幾種快速功率二極管 快恢復二極管快恢復二極管 超快恢復二極管超快恢復二極管 肖特基二極管肖特基二極管第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1733 具有共模電感的抗干擾濾波器具有共模電感的抗干擾濾波器抗干擾（抗干擾（EMI）濾波器）濾波器由由電感電感

53、、電容電容組成，用于濾除噪聲電壓。組成，用于濾除噪聲電壓。噪聲電壓即干擾電壓，包括尖峰電壓、諧波電壓和雜波電壓，其噪聲電壓即干擾電壓，包括尖峰電壓、諧波電壓和雜波電壓，其頻率較高。頻率較高。抗干擾濾波器在起抗干擾濾波作用的時，必須能夠順利流過主電抗干擾濾波器在起抗干擾濾波作用的時，必須能夠順利流過主電路的工作電流，工作電流在抗干擾濾波器上應不產生壓降。路的工作電流，工作電流在抗干擾濾波器上應不產生壓降。 概念概念 線路上線路上兩線之間的噪聲電壓兩線之間的噪聲電壓稱為稱為差模噪聲電壓差模噪聲電壓，兩線共有的對地噪聲兩線共有的對地噪聲電壓電壓稱為稱為共模噪聲電壓共模噪聲電壓。電路中實際的噪聲電壓常

54、是兩者的合成。電路中實際的噪聲電壓常是兩者的合成 通信用通信用高頻開關整流器高頻開關整流器中，中，常用具有共模電感的抗干擾濾波器來作輸常用具有共模電感的抗干擾濾波器來作輸入濾波器入濾波器以及接在直流變換器后面的輸出濾波器。以及接在直流變換器后面的輸出濾波器。 工作原理工作原理 輸入側向輸出側傳遞的共模噪聲抑制輸入側向輸出側傳遞的共模噪聲抑制 輸出側向輸入側傳遞的反灌共模噪聲抑制輸出側向輸入側傳遞的反灌共模噪聲抑制L1與與C1能抑制能抑制 接機殼電容的電容量限制接機殼電容的電容量限制 對差模噪聲的抑制對差模噪聲的抑制 第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1734共模電感共模電感共模電感

55、共模電感為為對稱的對稱的兩線圈兩線圈電感電感，兩線圈的繞法及對應端如圖，兩線圈的繞法及對應端如圖3-13所示所示通常磁芯采用有較高導磁率的環形鐵氧體，線圈匝數少，兩線通常磁芯采用有較高導磁率的環形鐵氧體，線圈匝數少，兩線圈之間有足夠的絕緣電壓。圈之間有足夠的絕緣電壓。工作回路的電流工作回路的電流iw通過兩線圈產生的兩個磁動勢通過兩線圈產生的兩個磁動勢iwN大小相等大小相等、方向相反，合成磁勢為零，因此不產生沿著磁芯閉合的工作、方向相反，合成磁勢為零，因此不產生沿著磁芯閉合的工作磁通，僅通過周圍空間有少量漏磁通，磁路中可不設氣隙。可磁通，僅通過周圍空間有少量漏磁通，磁路中可不設氣隙。可見對工作電

56、流而言，每個線圈的電感都為零。見對工作電流而言，每個線圈的電感都為零。圖圖3-13共模電感共模噪聲電流共模電感共模噪聲電流i分別通過兩線圈（例如都分別通過兩線圈（例如都從同名端流入）所產生的磁動勢相加，總磁勢為從同名端流入）所產生的磁動勢相加，總磁勢為2Ni，共，共同產生沿磁芯閉合的磁通，在忽略漏感時能產生倍磁通。因同產生沿磁芯閉合的磁通，在忽略漏感時能產生倍磁通。因此對共模噪聲而言，兩線圈的互感與自感使等效電感此對共模噪聲而言，兩線圈的互感與自感使等效電感L1和和L2都都增大為自感的倍。增大為自感的倍。 第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1735 功率因數校正電路功率因數校正電路

57、功率因數的定義功率因數的定義功率因數（功率因數（Power Factor，PF）的定義為有功功率與視在功）的定義為有功功率與視在功率之比。整流器的功率因數為：率之比。整流器的功率因數為： coscos1RLLIUIUSPPFP為輸入有功功率為輸入有功功率；S為輸入視在功率為輸入視在功率；UL為電網電壓有效值為電網電壓有效值；IR為輸入電流有效值為輸入電流有效值；I1為輸入電流中的基波電流有效值為輸入電流中的基波電流有效值；I1/IR為為輸入電流基波因數輸入電流基波因數，COS為位移因數為位移因數，即正弦基波電流與電網電，即正弦基波電流與電網電壓相位差的余弦，又稱相移功率因數。壓相位差的余弦，又

58、稱相移功率因數。由上式可知，由上式可知，整流器的功率因數整流器的功率因數又可定義為又可定義為基波因數基波因數與與位移因數的乘積位移因數的乘積交流供電系統交流供電系統功率功率和和功率因素功率因素的的測量采用的儀器測量采用的儀器通常是通常是電力諧波分電力諧波分析儀析儀，如，如F41B。第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1736目前很多通信設備采用直流供電，需要一個將市電轉換為直流的電源目前很多通信設備采用直流供電，需要一個將市電轉換為直流的電源部分。在這個轉換過程中，會產生大量的諧波電流，使電力系統遭受部分。在這個轉換過程中，會產生大量的諧波電流，使電力系統遭受污染。污染。諧波電流的抑

59、制及功率因數校正是電源設計者的一個重要的課題諧波電流的抑制及功率因數校正是電源設計者的一個重要的課題高次諧波及功率因數校正高次諧波及功率因數校正市電經市電經整流后整流后對對電容充電電容充電，其，其輸入電流波形輸入電流波形為為不連續的脈沖不連續的脈沖，如圖，如圖2所示。這種電流除了基波分量外，還含有大量的諧波，其有效值所示。這種電流除了基波分量外，還含有大量的諧波，其有效值I為為 2222123nIiiii式中：式中：I1，I2，In，分別表示輸入電流的基波分量與各次諧波分量，分別表示輸入電流的基波分量與各次諧波分量 l諧波電流諧波電流使使電力系統的電壓波形電力系統的電壓波形發生發生畸變畸變,我

60、們將各次諧波有效值與基波我們將各次諧波有效值與基波有效值的比稱之為總諧波畸變有效值的比稱之為總諧波畸變(THD) 。THD用來衡量電網的污染程度。用來衡量電網的污染程度。 第第3章章 整流與變換整流與變換2022-3-1737脈沖狀電流使正弦電壓波形發生畸變，它對自身及同一系統脈沖狀電流使正弦電壓波形發生畸變，它對自身及同一系統的其它電子設備產生惡劣的影響，如的其它電子設備產生惡劣的影響，如引起電子設備的誤操作，如空調停止工作等；引起電子設備的誤操作，如空調停止工作等；引起電話網噪音；引起電話網噪音；引起照明設備的障礙，如熒光燈閃滅；引起照明設備的障礙，如熒光燈閃滅；造成變電站的電容，扼流圈的