《交流直流轉換器》課件

交流直流轉換器簡介將交流電能轉換為直流電能的電子設備現(xiàn)代電子設備的核心組件課程目標與大綱1掌握基本原理了解整流、濾波、穩(wěn)壓過程2分析典型電路單相、三相整流電路及其特性3了解先進技術PFC、軟開關、諧振轉換等把握應用與發(fā)展交流和直流的基本概念交流電(AC)周期性變化的電流和電壓方向和大小隨時間變化主要用于輸電系統(tǒng)直流電(DC)方向恒定的電流電壓相對穩(wěn)定電子設備內部使用為什么需要交流直流轉換電網(wǎng)輸送交流電遠距離傳輸損耗小電子設備需要直流電芯片、傳感器等需要穩(wěn)定直流不同電壓等級需求不同組件需要不同電壓交流直流轉換器的應用領域消費電子手機、電腦適配器工業(yè)控制自動化設備電源交通系統(tǒng)電動車充電樁醫(yī)療設備精密儀器供電交流直流轉換器的基本工作原理整流將交流轉換為脈動直流濾波減小電壓波動穩(wěn)壓保持輸出電壓恒定整流器的定義和作用單向導通元件利用二極管單向導通特性變換電流方向將交流電變?yōu)閱蜗螂娏餍纬擅}動直流輸出為脈動的直流電單相半波整流電路基本組成一個二極管和負載電阻工作過程僅導通交流電的正半周優(yōu)缺點結構簡單，但利用率低單相半波整流電路的波形分析輸入波形正弦交流電壓導通狀態(tài)正半周導通，負半周截止3輸出波形只有正半周的脈動直流單相全波整流電路中心抽頭變壓器提供兩個反相交流電壓兩個二極管分別導通兩個半周負載電阻消耗轉換后的電能單相全波整流電路的波形分析100%電壓利用率交流電的全周期都被利用2×脈動頻率是電網(wǎng)頻率的兩倍0V最低電壓理想情況下不會出現(xiàn)零電壓橋式整流電路四個二極管形成閉環(huán)電路雙向導通正負半周都有電流通過無需中心抽頭普通變壓器即可使用橋式整流電路的優(yōu)勢三相整流電路簡介工業(yè)應用大功率設備供電輸出平滑脈動小于單相整流2高效率能量轉換效率高復雜性電路結構相對復雜三相半波整流電路三相全波整流電路輸出波形脈動系數(shù)小，平滑度高實物設備工業(yè)級整流裝置熱分布工作時的熱量分布情況整流電路的比較與選擇類型電壓利用率脈動系數(shù)適用場合單相半波低高小功率簡單場合單相全波中中中小功率設備橋式整流高中通用電子設備三相整流高低大功率工業(yè)設備濾波電路的作用平滑電壓減小整流后的電壓脈動儲能釋能在周期間儲存和釋放能量抑制噪聲減小高頻干擾和噪聲電容濾波原理利用電容充放電特性電路并聯(lián)大容量電容效果有效降低電壓紋波電感濾波無濾波電感濾波LC濾波電路組成電感和電容組合形成低通濾波網(wǎng)絡工作原理電感阻礙電流變化電容吸收電壓波動優(yōu)勢濾波效果優(yōu)于單一元件適用于高功率場合濾波電路的設計考慮因素紋波系數(shù)要求負載對電壓平滑度的要求負載電流大小影響元件選擇和參數(shù)計算空間和成本電感體積大，電容相對經(jīng)濟頻率響應不同頻率干擾的處理能力穩(wěn)壓電路的必要性輸入波動電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定負載變化設備工作狀態(tài)改變溫度影響元件參數(shù)隨溫度變化穩(wěn)定輸出電子設備需要精確電壓線性穩(wěn)壓器1串聯(lián)調整管控制通過的電流大小2基準電壓源提供穩(wěn)定參考電壓3誤差放大器比較并調整輸出電壓開關穩(wěn)壓器開關元件高頻開關轉換能量儲能元件電感或變壓器儲存能量反饋控制調整開關占空比線性穩(wěn)壓器與開關穩(wěn)壓器的比較線性穩(wěn)壓器優(yōu)點：噪聲低響應快結構簡單缺點：效率低發(fā)熱大開關穩(wěn)壓器優(yōu)點：效率高體積小發(fā)熱少缺點：電磁干擾大設計復雜功率因數(shù)校正（PFC）的概念功率因數(shù)定義有功功率與視在功率之比非線性負載問題產(chǎn)生諧波電流污染電網(wǎng)校正目的提高電能利用效率無源PFC技術有源PFC技術輸入整流將交流轉為脈動直流開關調制控制電流跟隨電壓波形輸出濾波平滑直流輸出反饋控制實時調整工作狀態(tài)PFC的重要性和效果交流直流轉換器的效率考慮導通損耗電流通過器件產(chǎn)生的熱量開關損耗開關瞬間的能量損失磁芯損耗變壓器和電感中的能量損失寄生損耗器件的等效電阻引起的損耗損耗分析與熱管理熱仿真預測熱點分布散熱設計散熱器與風扇配置導熱材料提高熱傳導效率軟開關技術簡介硬開關問題電壓電流同時存在造成大損耗軟開關概念在零電壓或零電流下切換主要優(yōu)勢降低開關損耗和電磁干擾零電壓開關（ZVS）0V開關電壓在電壓降為零時開啟開關↓80%損耗降低顯著減少開關損耗↑5MHz開關頻率可實現(xiàn)更高開關頻率零電流開關（ZCS）導通過程在電流為零時關斷開關輔助諧振通過諧振使電流降為零關斷損耗幾乎完全消除諧振轉換器基礎1諧振原理利用LC諧振實現(xiàn)軟開關2諧振網(wǎng)絡串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)諧振回路3工作頻率通過調整頻率控制輸出4主要優(yōu)勢高效率、低噪聲、高功率密度LLC諧振轉換器諧振網(wǎng)絡兩個電感和一個電容變壓器漏感作為諧振電感工作特點寬負載范圍內保持高效率自然實現(xiàn)ZVS和ZCS應用場合服務器電源電視電源電動車充電器多電平轉換器概述1高壓應用分擔電壓應力2諧波更少輸出波形接近正弦3更高效率減少開關損耗數(shù)字控制在交流直流轉換中的應用精確控制實現(xiàn)復雜控制算法自適應調節(jié)根據(jù)工作狀態(tài)自動調整參數(shù)通信功能支持遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集軟件升級不改變硬件即可更新功能PWM控制原理PWM信號參考電流模式控制電流檢測監(jiān)測開關電流比較器與參考值比較時鐘觸發(fā)開關周期開始開關動作電流達到閾值時關斷電壓模式控制電壓檢測監(jiān)測輸出電壓誤差放大與參考電壓比較產(chǎn)生誤差信號PWM比較誤差信號與三角波比較驅動信號生成開關控制信號控制環(huán)路設計基礎穩(wěn)定性相位裕度和增益裕度瞬態(tài)響應負載變化時的調整速度穩(wěn)態(tài)精度輸出電壓的精確度抗干擾能力對外部噪聲的抑制電磁干擾（EMI）問題傳導干擾通過導線傳播影響連接設備輻射干擾通過空間傳播影響周圍設備干擾源高頻開關動作電流急劇變化寄生振蕩EMI抑制技術EMI濾波器阻斷高頻噪聲傳播屏蔽技術金屬外殼隔離輻射PCB布局優(yōu)化布線減少環(huán)路面積緩沖電路減緩電壓電流變化率交流直流轉換器的可靠性設計過壓保護設計檢測電路監(jiān)測輸出電壓觸發(fā)閾值超過安全值觸發(fā)保護動作關斷輸出或吸收能量過流保護設計電流檢測采樣電阻測量電流值閾值比較與預設限值對比響應方式限流或關斷輸出溫度保護設計85°C預警溫度降低輸出功率100°C關斷溫度完全停止工作75°C恢復溫度冷卻后自動重啟交流直流轉換器的小型化趨勢體積(cm3)功率密度(W/cm3)寬禁帶半導體器件在轉換器中的應用傳統(tǒng)硅器件禁帶寬度小開關速度慢溫度特性一般寬禁帶器件禁帶寬度大高溫穩(wěn)定性好擊穿電場強度高開關損耗低SiC和GaN器件的特點特性硅(Si)碳化硅(SiC)氮化鎵(GaN)禁帶寬度1.1eV3.2eV3.4eV擊穿場強0.3MV/cm3MV/cm3.3MV/cm熱導率1.5W/cmK4.9W/cmK1.3W/cmK開關特性一般優(yōu)秀極佳高頻轉換技術頻率提升從100kHz到MHz級別體積減小磁性元件尺寸顯著縮小響應更快控制環(huán)路帶寬提高設計挑戰(zhàn)寄生參數(shù)影響更嚴重電力電子集成技術三維封裝多層結構減小體積嵌入式技術將元件嵌入PCB內部系統(tǒng)級封裝多功能集成一體化智能電網(wǎng)中的交流直流轉換電網(wǎng)互聯(lián)實現(xiàn)不同電網(wǎng)間能量傳輸能量存儲連接電池儲能系統(tǒng)電能質量改善電網(wǎng)電能質量可再生能源接入光伏、風能并網(wǎng)轉換新能源發(fā)電系統(tǒng)中的交流直流轉換并網(wǎng)逆變輸出符合電網(wǎng)標準電能最大功率跟蹤優(yōu)化能源獲取效率儲能接口連接電池儲能系統(tǒng)電動汽車充電系統(tǒng)中的交流直流轉換350kW大功率快速充電站輸出功率920V高電壓適應高壓電池系統(tǒng)15分鐘充電時間實現(xiàn)80%電量快充數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)中的交流直流轉換高效率需求降低能源