机房UPS检测系列之电源技术功率变换电路

摘要：在变换过程中，除了使功率器件工作在线性状态以外，经常工作在开关状态，按设定的时序，在控制信号作用下实...







摘要：在变换过程中，除了使功率器件工作在线性状态以外，经常工作在开关状态，按设定的时序，在控制信号作用下实现电能的变换。在器件的工作过程中将伴随着各个支路间电流的转移，故有时简称为"换流"。对于由半控型器件组成的电路，由于器件本身无关断能力，常常在换流过程中借助外部条件来关断处于导通状态的器件。换流成功是半控型电路正常工作的必要条件，因而换流过程是这类电路分析的主要内容，换流技术便是这类变换技术的核心。

功率变换电路

从电能变换功能来看，有下列四类:

(1)将交流电变为直流电，即AC/DC变换。实现这一功能的变换电路，一般称为整流电路或整流器。

(2)将直流电变为交流电，即DC/AC变换。实现这一功能的变换电路，一般称为逆变电路或逆变器。

(3)将一种直流电变为另一种直流电，即DC/DC变换。通过这种变换实现直流电压(电流)的幅值或极性的改变，一般称为直流/直流变换电路或DC/DC变换器。

(4)将一种交流电变为另一种交流电，即AC/AC变换。通过这种变换实现交流电压(电流)、频率的变换，前者称为交流调压电路(例如稳压器、稳流器)，后者称为变频电路(或变频器)，有时也需要改变相数(例如单相变三相或三相变单相等)。

上述四种变换电路就其技术而言统称为"变流技术"，其电路可以单一使用，也可以组合使用，例如常用的一种变换形式，将工频市电(单相或三相)直接进行整流变成直流电，通过逆变电路使其变成高频交流电(脉冲宽度可调的正负矩形脉冲或脉冲频率可调的准正弦脉冲)，再通过整流变成直流电供给负载。在高频变换环节，通过脉宽调制实现输出直流电压的稳定。这就是目前常用的高频开关电源的电路模式，采用的是组合变换方式(内有两次整流和一次逆变)。　

在变换过程中，除了使功率器件工作在线性状态以外，经常工作在开关状态，按设定的时序，在控制信号作用下实现电能的变换。在器件的工作过程中将伴随着各个支路间电流的转移，故有时简称为"换流"。对于由半控型器件组成的电路，由于器件本身无关断能力，常常在换流过程中借助外部条件来关断处于导通状态的器件。换流成功是半控型电路正常工作的必要条件，因而换流过程是这类电路分析的主要内容，换流技术便是这类变换技术的核心。

在Ac/OC变换过程中常常引人高频变换环节，达到缩小电源设备体积、减轻重量、提高效率、改善动态特性等目的，转换频率一般为几十千赫至几百千赫。m世纪70年代将由50Hz交流市电供电的直流线性稳压电源发展到开关频率为却证b的直流开关稳压电源，被誉为"却kHz革命"，然而仅仅经过10多年的时间，开关电源的转换频率已经达到划出以上。

对于各种变换电路的控制方式，可以归纳为下列三种:

(1)相(位)控(制)方式:指控制信号幅度的变化转换成变流器件触发脉冲相位的变化，在整流电源或交流稳压电源中常用这种控制方式。

(2)频(率)控(制)方式:指控制信号幅度的变化转换成变流器件触发脉冲频率的变化，在逆变电源中常用这种控制方式。

(3)斩(波)控(制)方式:指控制信号幅度的变化转换成变流器件"导通时间比"的变化，在直流变换电路中常用这种控制方式。

上述三种控制方式也可以组合使用，例如斩波与频率控制同时采用时，构成正弦波脉冲宽度调制方式(Sinewave-PWM简称SPWM)，在交流变换器中常用这种控制方式。一般电源系统的组成情况，由市电(电网)或蓄电池或太阳能或燃油发电机提供能源;整流设备将市电或发电机发出的交流电变换成直流电，或把蓄电池的直流电变换成其他电压的直流电送至直流配电屏;将市电或发电机发出的交流电通过稳压设备送至交流配电屏;为了提高供电的可靠性，在电源系统中设有不间断电源(ups)，在市电中断时，它的能源由蓄电池或燃油发电机供给，其输出送至交流配电屏;为了安全供电，设有雷电防护装置，它对整流设备、交流稳压设备、ups及发电机均起保护作用。图中整流设备、ups及太阳能均能对蓄电池进行充电。

这个系统图较好地说明了各种设备之间的关系。当然，为了进一步提高供电的可靠性，还可以设置备用设备、智能监控、显示报警等环节。

电源技术对科学技术及工农业生产具有明显的促进作用，世界各国都很重视这一技术的发展。我国的电源技术紧跟国际先进水平，近20年来已有长足的进步。总的发展趋势是:

(1)功率半导体器件:重点发展全控型功率器件，目前功率MOSFET和1GBT等器件在迅速发展，因为这种器件具有自关断能力，可以取消原来半控型器件采用的换流电路，从而具有简化电路、提高可靠性、增加效率、降低成本等优点，同时还能提高开关工作频率，取得进一步减小体积重量、改善输出波形、降低噪声等良好效果。

功率半导体器件，继续向提高容量、改善动态性能，向模块式、组合式方向发展。

(2)功率变换电路:目前广泛采用的全控型器件和脉宽调制(PWM)方式，并且采用源侧功率因数校正(PFC)电路，使输入电流正弦化，从而节约电能、减小对电网的干扰，克服了相控方式输入功率因数较低的缺点。

目前推广采用的谐振型软开关等新型电路，使开关电源的工作频率由百千赫级发展到兆赫级，进一步提高效率，使电源设备小型化，显著降低纹波电压，从而提高了电源性能。

从控制手段来看，由原来的分立元件和中小规模集成电路组成的硬件电路发展为由微处理器和单片机组成的软件控制方式，从而达到较高的数字化和智能化程度，并且进一步提高电源设备的可靠性。

由上述可见，电源技术在迅速发展，它将为生产和科学技术进步作出更大的贡献。



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