直流电源基础及运行维护,2008.9,内容简介,1、直流电源发展历史 桥式整流器 相控整流器 线性稳压电源 开关电源 2、开关电源基础 开关电源的分类 开关电源的组成及工作原理 输入电网滤波器 交流整流滤波 直流变换器 高频磁性材料 高频半导体器件 开关电源的并联均流 PWM集成控制器的基本原理,3、直流电源可靠性 可靠性衡量指标 冗余并联系统的可靠性 4、影响直流电源可靠性的因素 环境条件 电网电压 元器件及制造工艺 配置及运行方式 5、直流电源的运行与维护 蓄电池的运行与维护 充电装置的运行与维护 6、直流电源状态评价 蓄电池的状态评价 充电装置状态评价 7、直流电源综合测试装置简介,1、直流电源发展历史,1.1桥式整流器（单相）,利用二极管的单向导电特性，当u2为正半周时，a端电位高于b端电位，二极管VD1、VD3正偏导通；而当u2为负半周时，b端的电位高于a端，二极管VD2、VD4导通，因而在u2的一个周期内，负载电阻RL的电压波形如图b所示。,输出平均电压：,1.1桥式整流器（三相）,1、直流电源发展历史,输出平均电压：,2020/7/10,5,1、直流电源发展历史,对于桥式整流器，当输入交流电压确定时，直流输出电压也确定，如果需要改变直流输出电压，必须改变变压器初级线圈和次级线圈的匝数比。在匝比数确定的情况下，如果输入交流电压发生变化，直流输出电压也发生变化。此外，前述得到的输出电压表达式忽略了整流器的内阻，当负载电流发生变化时，整流器的内阻将使输出电压随之发生变化，即桥式整流器不具备稳压功能。 为使桥式整流器的输出电压能够很方便的调整，并具有稳压功能，可以采用由晶闸管组成的可控整流器。这种靠改变晶闸管导通来控制整流器输出电压的电源称为相位控制型整流器，简称相控整流器或相控电源。 在相控型电源中，采用适当的控制电路使晶闸管的导通相位根据输入电压或负载电流变化自动调整，其输出电压就能稳定不变。,1.2相控整流器,1、直流电源发展历史,1.2相控整流器（单相）,直流输出电压平均值为：,在t=处给VT1、VT4加入触发脉冲，在t=+处给VT2、VT3加入触发脉冲。在u2的正半周内，a端电位高于b端电位，VT1和VT4承受正向电压，但在0-之间，VT1和VT4不导通，负载电压ud与负载电流id均为零。 在-之间，VT1和VT4均处于导通状态，ud等于u2。 在u2的负半周内，a端电位低于b端电位，VT2和VT3承受正向电压，但在-+之间，VT2和VT3不导通，负载电压ud与负载电流id均为零。 在 +-2之间，VT2和VT3均处于导通状态，ud等于u2。,1、直流电源发展历史,1.2相控整流器（三相）,直流输出电压平均值为：,2020/7/10,8,1、直流电源发展历史,指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低；发热量大（尤其是大功率电源）。,1.3线性稳压电源,2020/7/10,9,1、直流电源发展历史,1.3线性稳压电源,Uz是基准电压，Ube2是VT2的基极和射极之间的电压。 在R1、R2、R3的阻值和Uz+Ube2不变时，不论Uin以及RL如何变化，Uo都不变。,1、直流电源发展历史,在线性电源中，功率调整器件串联在负载回路中，而且工作在线性区，因此功率转换效率较低。为提高效率，必须使功率调整器件处于开关工作状态，导通时，压降很小，几乎不消耗能量，关断时漏电流很小，也几乎不消耗能量，因此，功率转换效率较高。 开关电源指电压调整功能的器件以开关方式进行工作的一种直流电源，主要指利用高频开关功率器件并通过交换技术而制成的高频开关直流电源，简称开关电源（Switching Power Supplies，缩写SPS）。 根据电工学原理，在输出功率一定的条件下，变压器铁芯的截面积与频率成反比。当工作频率由50Hz提高到50kHz时，铁芯截面积将大大减小。,1.4开关电源,2020/7/10,11,2、开关电源基础,开关电源的主要组成部分是直流-直流变换器，根据直流-直流变换器的工作原理，开关电源可分为脉宽调制（PWM）、脉频（PFM）调制两种类型。 根据输入电路和输出电路的关系，开关电源可分为不隔离式和隔离式两种类型。 在不隔离式开关电源中，根据输出电压与输入电压的关系，可分为升压型、降压型和反相型三种类型。 在隔离式开关电源中，根据变换器的结构，分为单端反激型、单端正激型、推挽型、半桥和全桥五种类型。,2.1 开关电源的分类,2020/7/10,12,2、开关电源基础,2.2开关电源基本组成及功能,开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、直流变换器、控制电路、保护电路。 输入电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。输入整流滤波器：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。直流变换器：是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电压，通过高频变压器隔离，再将高频变压器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。,2020/7/10,13,2.3 输入电网滤波器 用来减小电网干扰对开关电源的影响，同时抑制电源模块产生的干扰噪声进入电网，影响其他电气设备运行。输入电网滤波器的性能直接关系到开关电源的电磁兼容性能。 对于开关电源主要考虑传导噪声，需要消除差模及共模噪声，因此，通常由差模电容、共模电容（Y电容）、共模及差模电感以及电容的放电电阻组成。,电源输入,负载输出,简单的电网滤波器示意图,2、开关电源基础,2020/7/10,14,2、开关电源基础,2.4 输入整流滤波 开关电源输入一般采用桥式整流和电容滤波的方式，单相或三相电网电压经桥式整流、电容滤波后变为直流。电容的容量越大，电容器两端的交流纹波分量越低，交流电压突变影响越小，越有利于开关电源的稳定。 由于整流-电容滤波电路是一个非线性元件和储能元件的组合，只有交流输入电压高于滤波电容两端电压时，滤波电容才开始充电，因此，虽然输入交流电压是正弦，但输入电流波形是宽度很窄的脉冲，这种脉冲状电流的谐波分量很大，输入总谐波失真可高达100%130%。,为解决这一问题，对于单相交流输入的电源，可以采用有源功率因数校正技术，使开关电源的功率因数提高到0.99以上，总电流谐波失真小于7%；对于三相交流输入的电源，可采用电感、电容组成的无源功率因数校正技术，使开关电源的功率因数提高到0.9以上，最大谐波电流含有率小于30%,2020/7/10,15,直流变换器是开关电源的核心部分，通过功率开关管的开断，将直流电压变为脉冲状的交流电压，通过高频变压器隔离，再经过二极管整流、电感、电容滤波后变为稳定的直流输出电压。,2.5直流变换器,2、开关电源基础,ton是开关管的导通时间，T是PWM脉冲的时间周期，D称为PWM脉冲的占空比。从输出电压的公式可以看出，当Uin发生变化时，通过调整占空比D可以保持输出电压的稳定,Uin,D,n1/n2,Uo,2020/7/10,16,全桥变换器由4只开关管组成。两只对角线的开关管同时导通和关断。当S1和S4导通时，输入电压Ui加到变压器初级，在变压器次级线圈上感应出电压，二极管VD1和VD4导通，电感L中的电流线性增加，能量传递给负载。经过ton后，S1、S4关断，变压器次级绕组电压消失，电感L中的电流开始线性下降，4个二极管同时导通，电感中存储的能量传递给负载。,2.5直流变换器,2、开关电源基础,2020/7/10,17,2.6高频变压器磁性材料,2、开关电源基础,开关电源高频变压器和高频电感主要采用软磁铁氧体材料，包括 MnZn 、 NiZn 、 MgZn 三大类，其中 MnZn 系铁氧体材料有高的磁导率和较高的饱和磁感应强度，在 1MHz 以下有低的磁损耗，所以更适合于大功率使用。开关电源对铁氧体材料主要电磁特性要求可归纳以下三点： 1）饱和磁感应强度 Bs 要尽可能高； 2）磁心功率损耗 Pc 在实际工作频率和工作温度范围（如 60 100 ）要尽可能低； 3）磁导率要适当地高。,在进行变压器设计时，磁心损耗 200mW/cm3 是一个适宜的限制值 。在规定的磁心损耗下，提高工作频率，必须相应降低工作磁通密度值。,2020/7/10,18,2.7高频功率半导体器件,2、开关电源基础,MOSFET 具有快速的开关性能，不存在存储效应，没有存储时间，可在1MHz高频下有效工作。 当栅源电压大于10V时，器件工作在导通电阻区。是典型的电压控制器件，便于简化驱动电路。 MOSFET的安全工作区很宽，由电流额定值、电压和功率负荷能力所决定。 MOSFET的最小导通电压由器件的漏源间导通电阻决定，通常低压器件的导通电阻值较小，高压器件的导通电阻值较大。 导通电阻具有正温度系数，当温度升高时，导通电阻增大，有利于多个器件的并联。 目前商用MOSFET的容量900V36A，低压MOSFET的容量为50V120A。,2020/7/10,19,2.7高频功率半导体器件,2、开关电源基础,MOSFET转移特性及开关特性,2020/7/10,20,2.7高频功率半导体器件,2、开关电源基础,MOSFET驱动特性,2020/7/10,21,2.7高频功率半导体器件,2、开关电源基础,MOSFET温度特性,2020/7/10,22,2.7高频功率半导体器件,2、开关电源基础,IGBT,全称是隔离栅双极晶体管，由MOSFET和双极晶体管组合而成。它在结构上类似于 MOSFET ，其不同点在于 IGBT 是在 N 沟道功率 MOSFET 的 N+ 基板（漏极）上增加了一个 P+ 基板（ IGBT 的集电极），形成 PN 结 j1 ，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与 MOSFET 相似。 与MOSFET相比，IGBT模块的容量可以达到2700V1200A，但由于双极晶体管的存在，在关断过程中存在明显的电流拖尾，因此，开关频率通常限制在20kHz以下，目前很少在开关电源中使用。主要用于UPS、逆变器或大型整流设备中,2020/7/10,23,2.7高频功率半导体器件,2、开关电源基础,快恢复二极管,快恢复二极管FRD（Fast Recovery Diode）具有开关特性好，反向恢复时间短、正向电流大、体积小、安装简便等优点。超快恢复二极管SRD（Superfast Recovery Diode），则是在快恢复二极管基础上发展而成的，其反向恢复时间trr值已接近于肖特基二极管的指标。 快恢复二极管的内部结构与普通二极管不同，它是在P型、N型硅材料中间增加了基区I，构成P-I-N硅片。由于基区很薄，反向恢复电荷很小，不仅大大减小了trr值，还降低了瞬态正向压降，使管子能承受很高的反向工作电压。快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百纳秒，正向压降约为0.6V，正向电流是几安培至几千安培，反向峰值电压可达几百到几千伏。超快恢复二极管的反向恢复电荷进一步减小，使其trr可低至几十纳秒 。,2020/7/10,24,理想的开关元件是导通时开关的电阻或电压为零，关断时开关的电阻为无穷大。但实际的开关元件总是存在一定导通电阻或导通电压，并且在开通和关断时存在一定的延时，因此，开关元件在工作过程中存在损耗。 开关元件的耗散功率由两个部分组成：通态损耗和开关损耗，开关损耗又分为开通损耗和关断损耗。 1）通态损耗：是由于开关元件存在的导通电阻或导通电压引起的，一个开关周期内，通态损耗为： E1=IC2