1、电源技术电源技术主讲人：袁臣虎主讲人：袁臣虎 2013年年7月月26日日 基础题类 通讯类 仪器类 电力电子类 控制类电源类电子设计竞赛题目类型电力电子技术 应用于电气领域的电子技术应用于电气领域的电子技术,使用电力电子使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。器件对电能进行变换和控制的技术。强电（主电路）与弱电强电（主电路）与弱电（控制电路）结合（控制电路）结合1.电力电子基础知识1.电力电子基础知识电力电子器件电力电子器件（1）按可控性分类）按可控性分类 1）不控型器件）不控型器件 大功率二极管 2）半控型器件）半控型器件 SCR 3）全控型器件）全控型器件 GTR、GTO、MOSFET
2、、IGBT（2）按驱动信号类型分类）按驱动信号类型分类 1）电流驱动型）电流驱动型 SCR、GTR 2）电压驱动型）电压驱动型 MOSFET、IGBT1.电力电子基础知识1.电力电子基础知识1.电力电子基础知识SCRGTOGTRMOSFETIGBT1.电力电子基础知识1.电力电子基础知识AC-DC1.电力电子基础知识DC-DC1.电力电子基础知识AC-AC1.电力电子基础知识电力电子技术的应用电力电子技术的应用动车组动车组1.电力电子基础知识直流输电直流输电1.电力电子基础知识柔性交流输电（柔性交流输电（FACTS）1.电力电子基础知识1.电力电子基础知识1.电力电子基础知识1.电力电子基础知
3、识1.电力电子基础知识1.电力电子基础知识计算机电源计算机电源1.电力电子基础知识计算机电源计算机电源1.电力电子基础知识1.电力电子基础知识1.电力电子基础知识1.电力电子基础知识1.电力电子基础知识1.电力电子基础知识1.电力电子基础知识1.电力电子基础知识1.电力电子基础知识相关学科相关学科1.电力电子基础知识 电力电子技术广泛地应用于工业、交通、电力电子技术广泛地应用于工业、交通、IT、通信、国防以及家电等领域，目前全球、通信、国防以及家电等领域，目前全球600亿美元的电力电子产品市场已经形成，支亿美元的电力电子产品市场已经形成，支撑着撑着5700亿美元的电器电子硬件产品。据美亿美元的
4、电器电子硬件产品。据美国国家电力科学研究院分析，国国家电力科学研究院分析，2010年，大约年，大约80的电能将通过电力电子变流器来处理。的电能将通过电力电子变流器来处理。应用前景应用前景1.电力电子基础知识2.电源基础知识电源电源电压源电压源电流源电流源电压源特性电压源特性a.理想电压源特性理想电压源特性输出电压恒定，输出电流由输出电压恒定，输出电流由外电路负载决定，输出功率外电路负载决定，输出功率可以无穷大。可以无穷大。但不允许短路，但不允许短路，违背了基尔霍夫电压定律（违背了基尔霍夫电压定律（KVL)。2.电源基础知识b.实际电压源特性实际电压源特性输出电压在一定输出电流范围内恒定，输出电
5、流由外电路负载输出电压在一定输出电流范围内恒定，输出电流由外电路负载决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。不允许短路，不允许短路，否则会烧坏！但是一般电压源均有限流和短路保护电路。否则会烧坏！但是一般电压源均有限流和短路保护电路。2.电源基础知识2）.电流源电流源a.理想电流源特性理想电流源特性输出电流恒定，输出电压由输出电流恒定，输出电压由外电路负载决定，输出功率外电路负载决定，输出功率可以无穷大。可以无穷大。但不允许开路，但不允许开路，违背了基尔霍夫电流定律（违背了基尔霍夫电流定律（KCL)。2.电源基础知识b.实际电流源特性实际电流源特性
6、输出电流在一定输出电压范围内恒定，输出电压由外电路负载输出电流在一定输出电压范围内恒定，输出电压由外电路负载决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。不允许开路，不允许开路，否则会烧坏！但是一般电流源均有限压和开路保护电路。否则会烧坏！但是一般电流源均有限压和开路保护电路。2.电源基础知识3）.线性电源线性电源优点：无任何优点：无任何EMI辐射，输出电压纹波小，成本低。辐射，输出电压纹波小，成本低。缺点：体积大，重量大，效率低。缺点：体积大，重量大，效率低。.线性电源基本原理线性电源基本原理2.电源基础知识.电源性能指标参数电源性能指标参数a)稳压
7、系数稳压系数/=/LLOOOIrIIOIRRUUUUSUUUU常数常数 定义为负载一定时，稳压电路输出电压相对变化量与其输入定义为负载一定时，稳压电路输出电压相对变化量与其输入电压相对变化量之比电压相对变化量之比 Sr表明电网电压波动的影响，其值愈小，电网电压变化时表明电网电压波动的影响，其值愈小，电网电压变化时输出电压的变化愈小。输出电压的变化愈小。2.电源基础知识c)电流调整率（负载调整率）电流调整率（负载调整率）b)电压调整率电压调整率 在额定负载且输入电压产生最大变化的条件下，输在额定负载且输入电压产生最大变化的条件下，输出电压产生的变化量出电压产生的变化量Uo，称为电压调整率。，称为
8、电压调整率。在输入电压一定且负载电流产生最大变化的条件下，在输入电压一定且负载电流产生最大变化的条件下，输出电压产生的变化量输出电压产生的变化量Uo，称为电流调整率，也称为，称为电流调整率，也称为负载调整率。负载调整率。d)电源效率电源效率=100%OOIIUIUI2.电源基础知识.稳压电路及其工作原理稳压电路及其工作原理T 为调整管为调整管DZ 为稳压管为稳压管A 为线性放大器为线性放大器串联稳压电路串联稳压电路OICEUUU2.电源基础知识ONBCEOUUUUUONBCEOUUUUU2.电源基础知识123min23OZR RRUURR+123max3OZR RRUUR+2.电源基础知识 T
9、 为大功率调整管，工作于线性为大功率调整管，工作于线性放大状态放大状态，输入电，输入电压和输出电压相差越大功耗越大，效率很低。调整管极压和输出电压相差越大功耗越大，效率很低。调整管极限参数的确定必须考虑输入电压由于电网波动而产生的限参数的确定必须考虑输入电压由于电网波动而产生的变化，以及输出电压的调节和负载电流的变化所产生的变化，以及输出电压的调节和负载电流的变化所产生的影响。影响。.线性电压调节器线性电压调节器LM317调压器调压器2211.251+OADJRUIRR（）IADJ很小可以忽略不记。很小可以忽略不记。211.251+ORUR（）2.电源基础知识 线性稳压输出模块线性稳压输出模块
10、(LM78XX)和和负电压负电压输出模块输出模块(LM79XX)。要求输入电压和输出电压之间由电压差，且输出电流需要的要求输入电压和输出电压之间由电压差，且输出电流需要的电压差越大，其典型值为电压差越大，其典型值为1-3V，最大可达，最大可达35V。2.电源基础知识4）.开关电源开关电源优点：效率高、体积小、重量轻优点：效率高、体积小、重量轻缺点：缺点：EMI、成本高、成本高ACDCACDC2.电源基础知识（1）.开关电源电路分析方法开关电源电路分析方法 各功率开关管（三极管或二极管）换流时刻作为各功率开关管（三极管或二极管）换流时刻作为各开关模态的转换时刻。各开关模态的转换时刻。假设条件充分
11、合理。假设条件充分合理。a.开关管均为理想开关，导通压降为零，关断电开关管均为理想开关，导通压降为零，关断电阻为无穷大。阻为无穷大。b.大电容等效为恒压源，大电感等效为恒流源。大电容等效为恒压源，大电感等效为恒流源。2.电源基础知识（2）.开关电源基本电路拓扑开关电源基本电路拓扑a.降压型降压型BUCK变换器变换器Q、D为理想开关管为理想开关管C充分大，输出电压基本不变。充分大，输出电压基本不变。假设条件：假设条件：2.电源基础知识开关模态开关模态1tOLEUiL2.电源基础知识开关模态开关模态2on(t-T)OLUiL根据伏秒积平衡原理，可推得根据伏秒积平衡原理，可推得()OOonononO
12、EUUTTTTUEDELLTD=Ton/T 占空比占空比2.电源基础知识电压控制型电压控制型BUCK变换器变换器电压控制电压控制PWM波形波形2.电源基础知识电流控制型电流控制型BUCK变换器变换器电流控制电流控制PWM波形波形2.电源基础知识b.升压型升压型BOOST变换器变换器Q、D为理想开关管为理想开关管C充分大，输出电压基本不变。充分大，输出电压基本不变。假设条件：假设条件：2.电源基础知识开关模态开关模态1tLEiL开关模态开关模态2on(t-TOLEUiL）根据伏秒积平衡原理，可推得根据伏秒积平衡原理，可推得1()1OononOonEUETTTTUEELLTTD2.电源基础知识c.
13、推挽型推挽型DC/DC变换器变换器推挽型推挽型DC/DC变换器变换器 2.电源基础知识模态模态1 模态模态2 模态模态3 2.电源基础知识驱动脉冲驱动脉冲2.电源基础知识d.半桥型半桥型DC/DC变换器变换器半桥型半桥型DC/DC变换器变换器 2.电源基础知识模态模态1 模态模态2 模态模态3 2.电源基础知识驱动脉冲驱动脉冲2.电源基础知识e.全桥型全桥型DC/DC变换器变换器全桥型全桥型DC/DC变换器变换器 2.电源基础知识模态模态1 模态模态2 模态模态3 2.电源基础知识驱动脉冲驱动脉冲2.电源基础知识e.反激式反激式DC/DC变换器变换器反激式反激式DC/DC变换器变换器 2.电源
14、基础知识模态模态1 模态模态2 驱动脉冲驱动脉冲 2.电源基础知识（3）.开关电源控制芯片开关电源控制芯片 电压控制芯片电压控制芯片SG35252.电源基础知识2.电源基础知识 电流控制芯片电流控制芯片UC3842/32.电源基础知识 设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。其原理示意图如下：1994简易数控直流电源简易数控直流电源一、设计任务一、设计任务 3.历年竞赛题目分析二、设计要求二、设计要求1基本要求（1）输出电压：范围09.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV；（2）输出电流：500mA；（3）输出电压值由数码管显示；（4）由“”、“”两键分别控制输出电压步进增减；（5）为实现
15、上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出15V，5V。2发挥部分（1）输出电压可预置在09.9V之间的任意一个值；（2）用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变）；（3）扩展输出电压种类（比如三角波等）。3.历年竞赛题目分析3.历年竞赛题目分析单片机 AT89C51DAC0832运算放大器3.历年竞赛题目分析1997直流稳定电源直流稳定电源一、任务一、任务设计并制作交流变换为直流的稳定电源。二、要求二、要求1基本要求（1）稳压电源稳压电源 在输入电压220V、50Hz、电压变化范围15%20%条件下：a输出电压可调范围为+9V+12Vb最大输出电流为1.5Ac电压调整率0.2
16、%（输入电压220V变化范围15%20%下，空载到满载）d负载调整率1%（最低输入电压下，满载）e纹波电压（峰-峰值）5mV（最低输入电压下，满载）f效率40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）g具有过流及短路保护功能3.历年竞赛题目分析（2）稳流电源稳流电源 在输入电压固定为12V的条件下：a输出电流：420mA可调b负载调整率1%（输入电压12V、负载电阻由200300变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）（3）DC-DC变换器变换器 在输入电压为+9V+12V条件下：a输出电压为+100V，输出电流为10mAb电压调整率1%（输入电压变化范围+9V+12V）c负载调整率1%（
17、输入电压+12V下，空载到满载）d纹波电压（峰-峰值）100mV（输入电压+9V下，满载）3.历年竞赛题目分析2发挥部分（1）扩充功能a排除短路故障后，自动恢复为正常状态b过热保护c防止开、关机时产生的“过冲”（2）提高稳压电源的技术指标a提高电压调整率和负载调整率b扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值（3）改善DC-DC变换器a提高效率（在100V、100mA下）b提高输出电压（4）用数字显示输出电压和输出电流3.历年竞赛题目分析稳压电源稳压电源 3.历年竞赛题目分析稳流电源稳流电源3.历年竞赛题目分析3.历年竞赛题目分析一、任务 设计并制作数控直流电流源。输入交流200240V，50H
18、z；输出直流电压10V。其原理示意图如下所示。键盘控制器电流源负载显示器电源2005年数控直流电流源年数控直流电流源二、要求1、基本、基本要求要求（1）输出电流范围：200mA2000mA；（2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值给定值的1+10 mA；3.历年竞赛题目分析2、发挥部分、发挥部分（1）输出电流范围为20mA2000mA，步进1mA；（2）设计、制作测量并显示输出电流的装置(可同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值测量值的0.1+3个字；（3）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的0.1+1 mA；
19、（4）纹波电流0.2mA；（5）其他。（3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进10mA；（4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的1+10 mA；（5）纹波电流2mA；（6）自制电源。3.历年竞赛题目分析3.历年竞赛题目分析3.历年竞赛题目分析运放工作于线性放大状态3.历年竞赛题目分析3.历年竞赛题目分析一、任务 设计并制作一个三相正弦波变频电源，输出线电压有效值为36V，最大负载电流有效值为3A，负载为三相对称阻性负载(Y接法)。变频电源框图如下图所示。2005年三相正弦波变频电源整流逆变控制器三相负载220VAC隔离变压器3.历年竞赛题目分析二、
20、要求1、基本要求、基本要求（1）输出频率范围为20Hz100Hz的三相对称交流电，各相电压有效值之差小于0.5V；（2）输出电压波形应尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真；（3）当输入电压为198V242V，负载电流有效值为0.53A时，输出线电压有效值应保持在36V，误差的绝对值小于5%；（4）具有过流保护(输出电流有效值达3.6A时动作)、负载缺相保护及负载不对称保护(三相电流中任意两相电流之差大于0.5A时动作)功能，保护时自动切断输入交流电源2、发挥部分、发挥部分（1）当输入电压为198V242V，负载电流有效值为0.53A时，输出线电压有效值应保持在36V，误差的绝对值小于1%；（
21、2）设计制作具有测量、显示该变频电源输出电压、电流、频率和功率的电路，测量误差的绝对值小于5%；（3）变频电源输出频率在50Hz以上时，输出相电压的失真度小于5%；（4）其他。3.历年竞赛题目分析3.历年竞赛题目分析3.历年竞赛题目分析3.历年竞赛题目分析http:/ 70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；g)具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.50.2A；3.历年竞赛题目分析2发挥部分进一步提高电压调整率，使SU0.2%（IO=2A）；进一步提高负载调整率，使SI0.5%（U2=18V）；进一步提高效率，使 85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；排除过流故障后
22、，电源能自动恢复为正常状态；能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。其他。3.历年竞赛题目分析3.历年竞赛题目分析一、任务设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图1所示。用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池，US=60V，RS=3036；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率fREF为45Hz55Hz；T为工频隔离变压器，变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，将uF作为输出电流的反馈信号；负载电阻RL=3036。2009年光伏并网发电模拟装置3.历年竞赛题目分析3.历年竞赛题目分析3.历年竞赛题目分
23、析3.历年竞赛题目分析http:/ 一、任务 设计并制作一个由两个额定输出功率均为 16W 的 8V DC/DC 模块构成的并联供电系统（见图 1）。3.历年竞赛题目分析二、要求 1.基本要求（1）调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压UO=8.00.4V。（2）额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于 60%。（3）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.00.4V，使两个模块输出电流之和 IO=1.0A 且按I1:I2=1:1模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于 5%。（4）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.00.4V，使两个模块输出电流之和 I
24、O=1.5A 且按I1:I2=1:2模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于 5%。3.历年竞赛题目分析2.发挥部分（1）调整负载电阻，保持输出电压 UO=8.00.4V，使负载电流 IO在 1.53.5A之间变化时，两个模块的输出电流可在（0.52.0）范围内按指定的比例自动分配，每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于 2%。（2）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.00.4V，使两个模块输出电流之和 IO=4.0A 且按I1:I2=1:1 模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差的绝对值不大于 2%。（3）额定输出功率工作状态下，进一步提高供电系统效率。（4）具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为4.5A（调试时允许有0.2A 的偏差）。（5）其他。3.历年竞赛题目分析http:/
