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1、直流电源知识交流,2007.7,内容简介,直流电源概述基础知识相控稳压电源高频开关电源电力直流系统电力专用逆变电源及UPS,概述,直流稳压电源广泛地应用于通信、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防等领域，作为电子设备的能源供给者，处于非常重要的地位。直流电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程。线性电源和相控电源存在效率低、体积大、1+1冗余投资大等不足之处。远远不能满足目前的电力工程发展需要，而以体积小、重量轻、效率高、输出纹波极低、动态响应快、控制精度高、模块可叠加输出、N+1冗余等为特点的高频开关电源正成为电源的主体，并向着高频小型化、高效率、高可靠性的方向发展。
2、,整流电路一、单相半波整流电路,基础知识,由于整流二极管具有单向导电特性，因此，当u2为正半周时，A端电位高于B端电位，整流二极管VD正偏导通（忽略二极管正向导通压降）；而当u2为负半周时，B端的电位高于A端，整流二极管VD反偏截止，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。由于流过负载的电流和加在负载两端的电压只有半个周期的正弦波，故称半波整流。,输出平均电压：,b波形图,二、单相桥式整流电路,输出平均电压：,三、三相桥式整流电路,u,2,u,d1,u,d2,u,2L,u,d,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,a,u,c,u,
3、b,w,t,1,O,w,t,O,w,t,输出平均电压：,常用元器件主要有电阻、电容、电感、二极管、三极管、MOS管、IGBT、可控硅、高频变压器等。,开关电源主要使用元器件,相控型稳压电源,在由变压器和二极管组成的整流电路中，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，可以采用由晶闸管组成的可控整流电路。这种靠改变晶闸管的导通来控制整流器输出电压的，这种类型的电源称为相位控制型电源，简称相控电源。,相控型稳压电源,单相半波可控整流电路,直流输出电压平均值为：,相控型稳压电源,单相桥式全控控整流电路,直流输出电压平均值为：,相控型稳压电源,三相桥式全控控整流电路,直流输出
4、电压平均值为：,相控型稳压电源,通过反馈控制电路，控制触发角 的大小，可以实现输出电压控制相控电源工作在工频状态，频率低，所以变压器体积大，动态响应慢，电压纹波大，效率低,高频开关稳压电源,相对于线性稳压电源而言，开关稳压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稳压电源。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稳压电源，简称开关电源（Switching Power Supplies，缩写SPS）。因开关电源的功率变换器件工作在高频状态，从而大大减小了变压器的体积，电源具有体积小、重量轻，动态响应快、电压纹波小的优点。已经逐步取代相控电源，成为电源的主选。开关电源按控
5、制方式划分，大致可分为脉宽调制（PWM）开关电源，脉频（PFM）调制开关电源，混合调制（脉宽和脉频同时改变）开关电源等。当开关频率较低时，脉频调制（PFM）方式需要较大的隔离变压器和输入输出滤波器，为此，开关工作频率要足够高。全球范围内，脉宽调制（PWM）方式得到最广泛的应用。,高频开关稳压电源,高频开关电源基本原理,高频开关稳压电源,EMI滤波电路 EMI滤波电路，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。对于电源主要考虑传导噪声，主要采用滤波技术。滤波器有电阻滤波器、电感滤波器、电容滤波器以及放电器等。,电源输入,负载输出,简单滤波器示
6、意图,高频开关稳压电源,全桥整流电路 全桥整流电路将输入交流整流成脉动直流。有源功率因数校正电路 高频开关电源一般采用电容滤波的方式，交流输入电压经整流后直接加在滤波电容两端，以得到较为平直的直流电压。整流器-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%。,有源功率因数校正电路,有源功率因数校正电路,个人电脑PWM电源输入电流THD频谱,有源功率因数校正电路,B.输电系统：谐波电流一方面在输电线路上产生谐波
7、电压降，另一方面，增加了输电线路上的电流有效值从而引起附加输电损耗。在电缆输电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度，这影响了电缆的使用寿命，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均降低约60%。,高次谐波的危害：,A.电容器：电容器的阻抗与频率成反比，高次谐波的容抗比基波电压作用下的容抗小得多，谐波电流畸变比谐波电压畸变大得多，即便谐波电压的幅值不大，也会产生较大的谐波电流。,有源功率因数校正电路,C.变压器：变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应，在绕组中引起附加损耗，同时使铁损相应增加。3的倍数次零序电流会在三角接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使
8、绕组电流超过额定值。,D.继电保护、自动装置：谐波电流能够改变保护继电器的动作特性，这与继电器的特点和原理有关。当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。高次谐波对过电流、欠电压、距离、周波等继电器均会起拒动和误动的影响，使保护装置失灵和动作不稳定。,E.电力测量：测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如果供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差。电度表对设计参数以外的频率的响应不灵敏，频率越高，误差越大，而且为负误差。,有源功率因数校正电路,IEC1000-3-2（1995）对电源装置高次谐波的限制 对于相电流小于16A的电源装置，IEC1000-3-2规定了不同高次谐波
9、的绝对值。,有源功率因数校正电路,有源功率因数校正技术（简称AFPC），在整流桥与滤波电容之间串联一高频变换器，通过控制功率器件的导通与关断时间，强制输入电流与输入交流电压同相，从而达到抑制谐波的目的。功率因数可提高至0.950.99，输入电流THD小于10%，有功功率输出提高30%以上。既治理了电网的谐波“污染”，又提高了电源的整体效率。节约电能30%，成本上升1530%。单相APFC国内外开发较早，技术已相当成熟；三相APFC则拓扑类型较多，还在发展。在10KW以下的功率等级，三相BOOST单开关拓扑比较经济实用，国内已有应用的报道，输入端功率因数可达到0.920.93。,有源功率因数校正
10、电路,BOOST功率因数校正器电路原理图,有源功率因数校正电路,采用APFC后输入电流波形平均值为正弦波，相位与电压波形一致，功率因数提高 一般，APFC的输出为直流380-400V,DC-DC变换器是开关电源的核心部分。它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，此交流电压通过高频变压器隔离并可变换成任意大小的交流电压，再经过二极管进行二次整流与电容平滑后变为直流输出电压。控制电路将输出电压的一部分和基准电压进行比较，来控制开关管的通断时间，从而调整输出直流电压。,DC-DC变换电路,隔离DC-DC变换电路可分为单端电路和双端电路：单端电路：变压器中流过的是直流脉动电流，如正激电
11、路和反激电路。双端电路：变压器中的电流为正负对称的交流电流。如半桥、全桥和推挽电路。,DC-DC变换电路,正激电路,DC-DC变换电路,输出电流连续情况下输出电压：,反激电路,DC-DC变换电路,输出电流连续情况下输出电压：,半桥电路,DC-DC变换电路,输出电流连续情况下输出电压：,半桥电路原理图,半桥电路的理想化波形,全桥电路,DC-DC变换电路,输出电流连续情况下输出电压：,全桥电路原理图,全桥电路的理想化波形,推挽电路,DC-DC变换电路,输出电流连续情况下输出电压：,推挽电路原理图,推挽电路的理想化波形,DC-DC变换电路,各种不同的间接直流变流电路的比较,输出整流滤波电路,全波整流
12、和全桥整流,全波整流电路和全桥整流电路原理图a）全波整流电路 b）全桥整流电路双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路和全桥整流电路。,输出整流滤波电路,全桥电路的特点优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组结构较为简单。缺点：电感L的电流流过两个二极管，回路中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要4个二极管，元件数较多。适用场合：高压输出的情况下。,输出整流滤波电路,全波整流电路的特点优点：电感L的电流只流过一个二极管，回路中只有一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需要2个二极管，元件数较少。缺点：二极管断态时承受的反压是二倍的交流电压幅值，对器件耐压要求较高，
13、而且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。适用场合：输出电压较低的情况下（100V）。,开关电源现阶段的发展方向,更高的功率密度、更高的变换效率及更好的动态特性 为使开关电源轻、小、薄，发展趋势是高频化。高频化是传统的PWM开关损耗加大、效率降低、噪声增加。实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。CAD技术 利用CAD设计开关电源系统，做稳定性分析、电路仿真、印制板设计、热传导分析、EMI分析及可靠性预估等。,开关电源现阶段的发展方向,更好的环保特性及可靠性 相对于线性稳压电源而言，开关电源有较大的电磁干扰及对交流电源的谐波污染。为此，国际上有很多管制条例。例如针
14、对中小功率电器的IEC555-2，针对大功率设备的IEC555-4，最新也是最严格的标准是IEC1000-3-2，谐波电流发射限值（设备每相输入电流16A）。开关电源必须采用更有效的谐波噪声抑制措施。,开关电源方面的技术革新,软开关技术 这是相对于PWM硬开关技术，为适应小体积高效率的要求发展的开关电压和电流波形不交叠的技术，即零电压零电流技术。最典型的应用是90年代中期开始的全桥ZVS-PWM技术。90年代末南航的阮新波提出了滞后臂串加二极管的较实用的全桥移相ZVZCS方案。目前，该技术在各大电源生产厂家得到广泛应用。一般的，530V输入、220V输出的DC/DC满载效率可达96%。,开关电
15、源方面的技术革新,控制技术 由于开关电源是非线性系统，并具有离散结构的特点，负载性质也是多变的，并要求主电路性能满足电网电压大范围变化等特点，是开关电源的控制技术和控制器的设计较为复杂。电流型控制及多环控制（Multi-loop control）以在开关电源中得到广泛应用。电荷控制（Charge control）、本周期控制（One cycle control）、DSP控制等技术的开发和专用控制芯片的研制使开关电源动态性能有很大的提高，电路也大幅简化。,开关电源方面的技术革新,高频磁元件平面磁心及平面变压器技术：磁心、绕组都是平面结构。绕组采用铜箔或印制板，省去了绕组骨架，有利于散热，漏感LL
16、K小，集肤效应损耗小。国内外较大的软磁铁氧体供应商已推出相应的平面磁心，如PHILIP推出的E64/10/50、E64/10/50和PLT64。在3KW的电源应用中，变压器体积是应用双E65磁材的20%，漏感LLK为原来的1/3，铜损降至最小。集成磁元件：将多个磁元件（如变压器和倍流整流的电感）集成在一个磁心上，成为集成TL磁元件，可以减小电源体积，降低损耗。,开关电源与相控电源的比较,工作原理比较 相控电源是指采用晶闸管作为整流器件的电源系统，其原理是交流输入电压经工频变压器降压，然后采用晶闸管进行整流。并通过移相控制以保持输出电压的稳定。高频开关电源先将输入的工频交流电经整流滤波后得到直流
17、电压，再通过功率变换器变换成高频脉冲电压，经高频变压器和整流滤波电路最后转换为稳定的直流输出电压。因其采用脉冲宽度调制（PWM）电路来控制大功率开关器件（功率晶体管、MOS管、IGBT等）的导通和截止时间，故可以得到很高的稳压和稳流精度及很短的动态响应时间。高频开关电源内部还应用了软开关技术和无源功率因数校正（PFC）技术，所以开机浪涌基本消除，功率因数大幅提高，是晶闸管、磁饱和类直流电源系统的更新换代产品。,开关电源与相控电源的比较,技术性能比较,开关电源与相控电源的比较,供电可靠性比较 1）晶闸管相控电源响应速度慢，反应时间为几十ms，输入电压突变时在输出端会产生冲击，容易烧坏二次设备。高
18、频开关电源直流系统采用无级调压方式，响应速度快，输入电压突变时，模块在200s内调整完成，过冲小于5。2）晶闸管相控充电装置发生故障时，必须将整台充电装置退出运行，然后进行维护和检修，降低了系统的可靠性。高频开关电源直流系统由于采用模块化结构和N1备份方式，使系统的可靠性得到大大提高，并为系统扩容提供了极大方便。当运行的电源系统中某一整流模块出现故障时，该模块自动退出，其它模块继续均衡工作，对系统供电不产生影响，且模块可以带电插拔。当用户需要扩展电源系统容量时，只需增加整流模块即可以实现。,开关电源与相控电源的比较,3）高频开关电源直流系统能够满足更多变化的系统运行方式，彻底解决了人们长期以来
19、对直流系统的种种顾虑。4）对蓄电池寿命影响的比较 发电厂和变电站的直流系统目前主要使用的是镍镉蓄电池或免维护铅酸蓄电池，这2种蓄电池对充电设备的要求较高。高频开关电源直流系统对蓄电池寿命的影响比晶闸管直流电源系统要小，这是因为晶闸管直流电源系统输出纹波大，输出电压含有的交流成分较大，影响了蓄电池的使用寿命，而高频开关电源由于输出纹波小、输出稳定，再加智能化管理能延长电池的使用寿命。,高频开关电源模块并联均流技术,高频开关电源一般采用模块化设计，易于实现N+1冗余，提高系统可靠性；易于扩容；散热好；瞬态响应好；可在线更换失效模块。下表是几种常用电源模块均流方式的比较。,高频开关电源模块并联均流技
20、术,最大电流法和平均电流法在国内外的各个电源生产厂家得到广泛应用。,高频开关电源模块的散热方式,开关电源在进行功率变换的过程中，会产生一定的功率损耗，功率损耗通常以热能的形式散发到模块内部，使模块温度上升。过高的温度会引起性能和可靠性降低，使设备不能正常工作或失效。选择适当的散热方式，有效降低温升，是确保开关电源性能和可靠性的关键。目前电力系统中的高频开关电源模块有风冷和自然冷却两种方式。许多用户十分关心风机噪声和风机寿命问题，在此我们对两种散热方式的优缺点进行比较。,高频开关电源模块的散热方式,高频开关电源模块的散热方式,高频开关电源模块的散热方式,电力直流系统,用于变电站和发电厂的直流电源
21、系统，作为断路器合闸电源、继电器保护装置电源和操作电源，要求其可靠性高，性能稳定。随着科学技术的飞速发展，对供电质量的要求越来越高，为保证电网的安全、可靠、经济运行，实现电力系统的自动化，对直流电源系统提出了更高的要求。电力直流系统一般由充电屏、馈电屏、电池屏组成。充电屏一般包括高频开关电源模块和监控单元。通过监控单元可以实现电源的智能化管理，完成对蓄电池的智能化管理，延长电池寿命，并可与远端后台机通信，实现无人职守。另外系统还可根据需要配置接地寻检装置以及蓄电池测试装置，提高系统运行安全性和可靠性。,电力直流系统,电力直流系统基本原理,电力直流系统维护,高频开关电源系统对环境温度要求不高，在
22、540都能正常工作，但要求室内清洁、少尘，否则，灰尘加上潮湿会引起主机工作紊乱。蓄电池则对温度要求较高，标准使用温度为25，建议温度范围1530。若温度太低，会使蓄电池容量下降，温度每下降1，其容量下降1；蓄电池放电容量会随温度升高而增加，但寿命降低，如果在高温下长期使用，温度每增高10，电池寿命约降低一半。高频开关电源系统中设置的参数必须控制在规定指标内，在使用中不能随意改变。,电力直流系统维护,直流电源系统在使用中要避免随意增加大功率的额外设备（负载），也不允许在满负载状态下长期运行。因为，工作性质决定了直流操作电源系统几乎是在不间断状态下运行的，增加大功率负载或在基本满载状态下工作，都会
23、造成整流模块出故障，严重时将损坏变换器。由于蓄电池组输出电流很大，存在电击危险，因此装卸、改接导电连接条（线）、输出线时应特别注意安全，使用的工具应采取绝缘措施，以保证人身和设备安全。,电力直流系统维护,不论是在浮充工作状态还是在放电检修测试状态，都要保证电压、电流符合规定要求。电压或电流过高可能会造成电池的热失控或失水，电压或电流过小会造成电池亏电，这都会影响电池的使用寿命，尤其是前者的影响更大。在任何情况下都应防止电池短路或深度放电，因为电池的循环寿命和放电深度有关。放电深度越深循环寿命越短。在容量试验或放电检修中，通常放电达到容量的3050就可以了。,电力直流系统维护,蓄电池应避免大电流
24、充放电，否则会造成电池极板膨胀变形，使得极板活性物质脱落，电池内阻增大并且温度升高，严重时将造成容量下降，寿命提前终止。阀控式密封蓄电池是贫液式电池，无法进行电解液比重测量，所以如何判定它的好坏，目前最可靠的方法还是放电法，也可以用电导仪测电池的内阻来判定阀控式密封蓄电池的好坏，但准确性较差。,电力直流系统维护,高频开关电源在正常使用情况下，主机的维护工作量很少，主要是防尘和定期除尘。特别是气候干燥的地区，空气中的灰粒较多，灰尘将在机内（主要在整流模块内）沉积，当遇空气潮湿时会引起主机控制紊乱造成主机工作失常，并发生不准确告警，另外大量灰尘也会造成器件散热不好。一般每年应彻底清洁一次，同时在除
25、尘时检查各连接件和插接件有无松动和接触不良的情况。定期核实智能高频开关电源系统的参数有无变化，防止人为或无意中改变所设置的参数。,电力直流系统维护,每半年应对智能高频开关电源系统的运行方式进行实验检查，以防止均充状态与浮充状态不能及时转换而造成对蓄电池的损坏。检查主机设备是否正常，保证直流母线经常保持合格的电压和电池的放电容量；对主机出现击穿、熔断保险或烧毁器件的故障，一定要查明原因并排除故障后才能重新启动，否则会造成更严重的故障。,电力直流系统维护,免维护蓄电池 因整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。蓄电池除有存储直流电能的功能外，其等效电容量的大小与蓄电池容量大小成正
26、比。因此，维护检修蓄电池的工作是非常重要的，虽说蓄电池组目前都采用了免维护电池，但这只是免除了以往的测比重、配制电解液、添加蒸馏水的工作。电源系统维护工作的重点还在蓄电池部分。蓄电池工作在浮充状态，至少每年进行一次放电。放电前应先对电池组进行均衡充电，以达到整组蓄电池性能的均衡。放电过程中如有一只达到放电终止电压时，应停止放电，继续放电须先排除落后电池后再放。核对性放电不是追求放出容量的多少，而是发现和处理落后电池，通过对落后电池的处理再作核对性放电实验，这样可防止事故和出现反极性蓄电池。日常维护中也可在一组电池中选用810只蓄电池作为标示电池，对其进行定期测量并做好记录，作为了解整组蓄电池工
27、作情况的参考依据。,电力专用逆变电源及UPS,概述 电站、发电厂中的重要交流设备，如后台机、RTU变送器、通讯设备、事故照明等，以往一般采用不间断电源（UPS）供电，以备市电不稳和断电；但普通UPS设备存在价格贵、维护量大、故障率高等不足。因此，近年来电力专用UPS和逆变器应运而生，其优势在于：电力专用UPS和逆变器可与变电站、发电厂中的直流操作电源系统配套使用，直接利用直流操作电源系统中的长寿命、大容量蓄电池，比常规UPS供电方案节约投资费用，减少系统维护，降低运行成本。,电力专用逆变电源及UPS,电力UPS原理框图,工作原理是旁路转换电路一直监视交流市电的电压和波形，一旦断电，将迅速切换至
28、逆变器输出，切换时间均在几个毫秒之内。同样，若逆变器、直流屏故障或检修时，也将自动由交流市电供电，也即只要直流屏和交流市电有一路存在，交流输出将得到保证。,电力专用逆变电源及UPS,逆变电路工作原理,电力专用逆变电源及UPS,SPWM调制原理,通过三角波和正弦波比较，调制SPWM波控制功率开关管的通断，将直流输入变换为一系列等幅不等宽的脉冲电压，经低频滤波后输出为工频交流电压。,电力专用逆变电源及UPS,它归属与UPS范畴，因此其工作原理、输出特性与常规UPS完全相同；常规UPS工作所配电池组是单独使用的，考虑与其他电池组的并联使用，所以对于常规UPS而言直流输入端的反灌杂音较大，直接与直流操作电源用时，会在直流母线上产生较大的电池干扰，影响系统的正常运行，而电力用UPS和逆变器的直流一般装有反灌杂音抑制器，对支流母线影响很小电力用UPS和逆变器直流输入端装有直流防反隔离二极管，而常规UPS没有，其内部故障时可能会危及直流系统的可靠运行直流操作电源系统的直流母线对地有绝缘要求，因此要求UPS和逆变器的交直流输入相互隔离，常用UPS的交直流输入是不隔离的，而电力UPS交流输入端装有隔离变压器，满足设计要求。,完2006.3,
