第10章電力電子技術應用第一頁，共23頁。10.3不間斷電源■不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply—UPS）是當交流輸入電源（習慣稱為市電）發(fā)生異?；驍嚯姇r，還能繼續(xù)向負載供電，并能保證供電質量，使負載供電不受影響的裝置?！鰪V義地說，UPS包括輸出為直流和輸出為交流兩種情況，目前通常是指輸出為交流的情況UPS是恒壓恒頻（CVCF）電源中的主要產品之一，廣泛應用于各種對交流供電可靠性和供電質量要求高的場合。

圖10-15UPS基本結構原理圖■UPS的結構原理

◆圖10-15給出了UPS最基本的結構原理?基本工作原理是，當市電正常時，由市電供電，當市電異常乃至停電時，由蓄電池向逆變器供電，因此從負載側看，供電不受市電停電的影響；在市電正常時，負載也可以由逆變器供電，此時負載得到的交流電壓比市電電壓質量高，即使市電發(fā)生質量問題（如電壓波動、頻率波動、波形畸變和瞬時停電等）時，也能獲得正常的恒壓恒頻的正弦波交流輸出，并且具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的性能，因此也稱為穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。

2第二頁，共23頁。10.3不間斷電源圖10-16具有旁路開關的UPS系統(tǒng)圖10-17用柴油發(fā)電機作為后備電源的UPS◆為保證市電異?；蚰孀兤鞴收蠒r負載供電的切換，實際的UPS產品中多數都設置了旁路開關，如圖10-16所示，市電與逆變器提供的CVCF電源由轉換開關S切換；還需注意的是，在市電旁路電源與CVCF電源之間切換時，必須保證兩個電壓的相位一致，通常采用鎖相同步的方法。◆在市電斷電時由于由蓄電池提供電能，供電時間取決于蓄電池容量的大小，有很大的局限性，為了保證長時間不間斷供電，可采用柴油發(fā)電機（簡稱油機）作為后備電源，如圖10-17所示，蓄電池只需作為市電與油機之間的過渡，容量可以比較小。3第三頁，共23頁。10.3不間斷電源圖10-18小容量UPS主電路圖10-19大功率UPS主電路

■UPS的主電路結構

◆容量較小的UPS主電路

?整流部分使用二極管整流器和直流斬波器（用作PFC），可獲得較高的交流輸入功率因數。?由于逆變器部分使用IGBT并采用PWM控制，可獲得良好的控制性能?！羰褂肎TO的大容量UPS主電路

?逆變器部分采用PWM控制，具有調節(jié)電壓和改善波形的功能。?為減少GTO的開關損耗，采用較低的開關頻率。

?輸出電壓中所含的最低次諧波為11次，從而使交流濾波器小型化。

4第四頁，共23頁。10.4開關電源

10.4.1開關電源的結構

10.4.2開關電源的控制方式

10.4.3開關電源的應用5第五頁，共23頁。10.4開關電源·引言■在各種電子設備中，需要多路不同電壓供電，如數字電路需要5V、3.3V、2.5V等，模擬電路需要±12V、±15V等，這就需要專門設計電源裝置來提供這些電壓，通常要求電源裝置能達到一定的穩(wěn)壓精度，還要能夠提供足夠大的電流。

■線性電源和開關電源

◆圖10-20所示為線性電源，先用工頻變壓器降壓，然后經過整流濾波后，由線性調壓得到穩(wěn)定的輸出電壓?！魣D10-21所示為開關電源，先整流濾波、后經高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波。

◆開關電源在效率、體積和重量等方面都遠遠優(yōu)于線性電源，因此已經基本取代了線型電源，成為電子設備供電的主要電源形式。

圖10-20線性電源的基本電路結構

圖10-21半橋型開關電源電路結構

6第六頁，共23頁。10.4.1開關電源的結構圖10-22開關電源的能量變換過程■交流輸入的開關電源

◆交流輸入、直流輸出的開關電源將交流電轉換為直流電。

◆整流電路普遍采用二極管構成的橋式電路，直流側采用大電容濾波，較為先進的開關電源采用有源的功率因數校正(PowerFactorCorrection-PFC)電路。

◆高頻逆變－變壓器－高頻整流電路是開關電源的核心部分，具體的電路采用的是隔離型直流直流變流電路?！舾咝阅荛_關電源中普遍采用了軟開關技術。

◆可以采用給高頻變壓器設計多個二次側繞組的方法來實現不同電壓的多組輸出，而且這些不同的輸出之間是相互隔離的，但是僅能選擇1路作為輸出電壓反饋，因此也就只有這1路的電壓的穩(wěn)壓精度較高，其它路的穩(wěn)壓精度都較低，而且其中1路的負載變化時，其它路的電壓也會跟著變化。

圖10-23多路輸出的整流電路

7第七頁，共23頁。10.4.1開關電源的結構■直流輸入的開關電源

◆也稱為直流－直流變換器(DC-DCConverter)，分為隔離型和非隔離型，隔離型多采用反激、正激、半橋等隔離型電路，而非隔離型采用Buck、Boost、Buck-Boost等電路?！糌撦d點穩(wěn)壓器(POL-PointOftheLoadregulator)

?僅僅為1個專門的元件（通常是一個大規(guī)模集成電路芯片）供電的直流－直流變換器。?計算機主板上給CPU和存儲器供電的電源都是典型的POL。

◆非隔離的直流－直流變換器、尤其是POL的輸出電壓往往較低，為了提高效率，經常采用同步Buck(SyncBuck)電路，該電路的結構為Buck，但二極管也采用MOSFET，利用其低導通電阻的特點來降低電路中的通態(tài)損耗，其原理類似同步整流電路。圖10-24a)同步降壓電路

圖10-24b)同步升壓電路

8第八頁，共23頁。10.4.1開關電源的結構圖10-25通信電源系統(tǒng)

■分布式電源系統(tǒng)

◆在通信交換機、巨型計算機等復雜的電子裝置中，供電的路數太多，總功率太大，難以用一個開關電源完成，因此出現了分布式的電源系統(tǒng)?！羧鐖D10-25，一次電源完成交流－直流的隔離變換，其輸出連接到直流母線上，直流母線連接到交換機中每塊電路板，電路板上都有自己的DC-DC變換器，將48V轉換為電路所需的各種電壓；大容量的蓄電池組保證停電的時候交換機還能正常工作

?！粢淮坞娫床捎枚鄠€開關電源并聯(lián)的方案，每個開關電源僅僅承擔一部分功率，并聯(lián)運行的每個開關電源有時也被成稱為“模塊”，當其中個別模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運行，這被稱為“冗余”。

9第九頁，共23頁。10.4.2開關電源的控制方式圖10-26開關電源的控制系統(tǒng)

圖10-27電流模式控制系統(tǒng)的結構

■典型的開關電源控制系統(tǒng)如圖10-26所示，采用反饋控制，控制器根據誤差e來調整控制量vc。

■電壓模式控制

◆圖10-26所示即為電壓模式控制，僅有一個輸出電壓反饋控制環(huán)。◆其優(yōu)點是結構簡單，但有一個顯著的缺點是不能有效的控制電路中的電流?！鲭娏髂Ｊ娇刂?/p>

◆在電壓反饋環(huán)內增加了電流反饋控制環(huán)，電壓控制器的輸出信號作為電流環(huán)的參考信號，給這一信號設置限幅，就可以限值電路中的最大電流，達到短路和過載保護的目的，還可以實現恒流控制。

10第十頁，共23頁。10.4.2開關電源的控制方式圖10-28峰值電流模式控制的原理

?峰值電流模式控制

√峰值電流模式控制系統(tǒng)中電流控制環(huán)的結構如圖10-28a所示，主要的波形如圖10-28b所示。

√基本的原理：開關的開通由時鐘CLK信號控制，CLK信號每隔一定的時間就使RS觸發(fā)器置位，使開關開通；開關開通后iL上升，當iL達到電流給定值iR后，比較器輸出信號翻轉，并復位RS觸發(fā)器，使開關關斷。

a)b)11第十一頁，共23頁。10.4.2開關電源的控制方式圖10-29平均電流模式控制的原理

a)b)√峰值電流模式控制的不足：該方法控制電感電流的峰值，而不是電感電流的平均值，且二者之間的差值隨著M1和M2的不同而改變，這對很多需要精確控制電感電流平均值的開關電源來說是不能允許的；峰值電流模式控制電路中將電感電流直接與電流給定信號相比較，但電感電流中通常含有一些開關過程產生的噪聲信號，容易造成比較器的誤動作，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動。?平均電流模式控制√平均電流模式控制采用PI調節(jié)器作為電流調節(jié)器，并將調節(jié)器輸出的控制量uc與鋸齒波信號uS相比較，得到周期固定、占空比變化的PWM信號，用以控制開關的通與斷。

12第十二頁，共23頁。10.4.3開關電源的應用■開關電源廣泛用于各種電子設備、儀器，以及家電等，如臺式計算機和筆記本計算機的電源，電視機、DVD播放機的電源，以及家用空調器、電冰箱的電腦控制電路的電源等，這些電源功率通常僅有幾十W～幾百W；手機等移動電子設備的充電器也是開關電源，但功率僅有幾W；通信交換機、巨型計算機等大型設備的電源也是開關電源，但功率較大，可達數kW～數百kW；工業(yè)上也大量應用開關電源，如數控機床、自動化流水線中，采用各種規(guī)格的開關電源為其控制電路供電。

■開關電源還可以用于蓄電池充電、電火花加工，電鍍、電解等電化學過程等，功率可達幾十～幾百kW；在X光機、微波發(fā)射機、雷達等設備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開關電源。

13第十三頁，共23頁。10.5功率因數校正技術

10.5.1功率因數校正電路的基本原理

10.5.2單級功率因數校正技術14第十四頁，共23頁。10.5功率因數校正技術·引言■以開關電源為代表的各種電力電子裝置帶來一些負面的問題：輸入電流不是正弦波，就涉及到諧波和功率因數的問題?！龉β室驍敌Ｕ齈FC(PowerFactorCorrection)技術即對電流脈沖的幅度進行抑制，使電流波形盡量接近正弦波的技術，分成無源功率因數校正和有源功率因數校正兩種。

◆無源功率因數校正技術通過在二極管整流電路中增加電感、電容等無源元件和二極管元件，對電路中的電流脈沖進行抑制，以降低電流諧波含量，提高功率因數。

◆有源功率因數校正技術采用全控開關器件構成的開關電路對輸入電流的波形進行控制，使之成為與電源電壓同相的正弦波。

15第十五頁，共23頁。10.5.1功率因數校正電路的基本原理圖10-30典型的單相有源PFC電路及主要原理波形

■單相功率因數校正電路的基本原理

◆實際上是二極管整流電路加上升壓型斬波電路構成的。

◆原理

?給定信號和實際的直流電壓ud比較后送入PI調節(jié)器，得到指令信號id，id和整流后正弦電壓相乘得到輸入電流的指令信號i*，該指令信號和實際電感電流信號比較后，通過滯環(huán)對開關器件進行控制，便可使輸入直流電流跟蹤指令值，這樣交流側電流波形將近似成為與交流電壓同相的正弦波，跟蹤誤差在由滯環(huán)環(huán)寬所決定的范圍內。16第十六頁，共23頁。圖10-30典型的單相有源PFC電路及主要原理波形

?在升壓斬波電路中，只要輸入電壓不高于輸出電壓，電感L的電流就完全受開關S的通斷控制；S通時，iL增長，S斷時，iL下降，因此控制S的占空比按正弦絕對值規(guī)律變化，且與輸入電壓同相，就可以控制iL波形為正弦絕對值，從而使輸入電流的波形為正弦波，且與輸入電壓同相，輸入功率因數為1。

17第十七頁，共23頁。圖10-31三相單開關PFC電路圖10-32三相單開關PFC電路的工作波形■三相功率因數校正電路的基本原理

◆電路是工作在電流不連續(xù)模式的升壓斬波電路，LA~LC的電流在每個開關周期內都是不連續(xù)的；電路中的二極管都采用快速恢復二極管，電路的輸出電壓高于輸入線間電壓峰值。◆工作原理

?S開通后，電感電流值均從零開始線性上升（正向或負向），S關斷后，三相電感電流通過D7向負載側流動，并迅速下降到零。

?在每一個開關周期中，電感電流是三角形或接近三角形的電流脈沖，其峰值與輸入電壓成正比；假設S關斷后電流iA下降很快，iA的平均值將主要取決于陰影部分的面積，這樣iA平均值與輸入電壓成正比，因此輸入電流經濾波后將近似為正弦波。

18第十八頁，共23頁。

?在分析中略去了電流波形中非陰影部分，因此實際的電流波形同正弦波相比有些畸變，如果輸出直流電壓很高，則開關S關斷后電流下降就很快，被略去的電流面積就很小，則電流波形同正弦波的近似程度高，其波形畸變小。該電路工作于電流斷續(xù)模式，電路中電流峰值高，開關器件的通態(tài)損耗和開關損耗都很大，因此適用于3~6kW的中小功率電源中。

圖10-31三相單開關PFC電路圖10-32三相單開關PFC電路的工作波形19第十九頁，共23頁。開關電源中采用有源PFC電路帶來以下好處

輸入功率因數提高，輸入諧波電流減小，降低了電源對電網的干擾，滿足了現行諧波限制標準。

在輸入相同有功功率的條件下，輸入電流有效值明顯減小，降低了對線路、開關、連接件等電流容量的要求。

由于有升壓斬波電路，電源允許的輸入電壓范圍擴大，能適應世界各國不同的電網電壓，極大的提高電源裝置的可靠性和靈活性。

由于升壓斬波電路的穩(wěn)壓作用，整流電路輸出電壓波動顯著減小，使后級DC-DC變換電路的工作點保持穩(wěn)定，有利于提高控制精度和效率。單相有源功率因數校正電路較為簡單，僅有1個全控開關器件。該電路容易實現，可靠性也較高，因此應用非常廣泛；三相有源功率因數校正電路結構和控