《通信电源》第5章整流与变换设备[1]课件.ppt

1、本本 章章 内内 容容v 通信整流技术的发展通信整流技术的发展v 通信高频开关整流器的组成通信高频开关整流器的组成v 高频开关整流器主要技术高频开关整流器主要技术v 开关电源系统简述开关电源系统简述v 监控单元日常操作介绍监控单元日常操作介绍v 开关电源系统的故障处理与维护开关电源系统的故障处理与维护本章重点、难点本章重点、难点v 本章重点本章重点 通信高频开关整流器的组成及原理通信高频开关整流器的组成及原理 开关电源系统组成及原理开关电源系统组成及原理 v 本章难点本章难点 功率因数校正电路功率因数校正电路 高频开关整流器滤波电路高频开关整流器滤波电路 电磁兼容性问题电磁兼容性问题 开关电源

2、系统的故障处理与维护开关电源系统的故障处理与维护本章的目的和要求本章的目的和要求v 掌握通信高频开关整流器的组成框图和各部分的作用，理掌握通信高频开关整流器的组成框图和各部分的作用，理解高频开关整流器的优点。解高频开关整流器的优点。v 掌握开关电源系统各模块的组成结构及各模块的作用，理掌握开关电源系统各模块的组成结构及各模块的作用，理解监控单元各功能单元的具体作用。解监控单元各功能单元的具体作用。v 掌握高频开关整流器主要技术在整流器中的作用与地位，掌握高频开关整流器主要技术在整流器中的作用与地位，掌握主要功率开关器件掌握主要功率开关器件MOSFETMOSFET、IGBTIGBT特点，理解功率

3、转换特点，理解功率转换电路原理、电路原理、PFCPFC电路基本思想，理解电磁兼容性概念以及电路基本思想，理解电磁兼容性概念以及高频整流器中滤波电路的主要形式。高频整流器中滤波电路的主要形式。v 理解监控单元日常操作方法，了解开关电源系统的故障处理解监控单元日常操作方法，了解开关电源系统的故障处理与维护的步骤方法。理与维护的步骤方法。v 了解通信用整流器发展历史及趋势。了解通信用整流器发展历史及趋势。通信整流技术的发展概述通信整流技术的发展概述 整流与变换的内容提要整流与变换的内容提要1通信高频开关整流器的组成通信高频开关整流器的组成 2高频开关整流器主要技术高频开关整流器主要技术 3监控单元日

4、常操作监控单元日常操作 5开关电源系统简述开关电源系统简述 4开关电源系统的故障处理与维护开关电源系统的故障处理与维护 6日常检查项目内容、方法及意义日常检查项目内容、方法及意义 75.2.1 5.2.1 通信整流技术的发展概述通信整流技术的发展概述高频开关整流器的特点 1重量轻、体积小。适合于分散供电方式。2节能高效。一般效率在90左右。3功率因数高。4稳压精度高、可闻噪音低。5维护简单、扩容方便。6智能化程度较高。5.2.2 5.2.2 高频开关电源系统的组成高频开关电源系统的组成v 高频开关系统由交流配电单元、整流模块、直流配电单元和监控模块组成开关电源系统。1 1、主电路、主电路v 交

5、流输入滤波：处于整流模块的输入端，包括低通滤波器、浪涌抑制等电路。其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂音反馈到公共电网。v 整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，并向功率因数校正电路提供稳定的直流电源。v 功率因数校正：为了消除由整流电路引起的谐波电流污染电网和减小无功损耗来提升功率因数。v 逆变：将直流电变为高频交流电，这是高频开关的核心部分，在一定范围内，频率越高，体积重量与输出功率之比越小。v 输出整流与滤波：由高频整流滤波及抗电磁干扰等电路组成组成，提供稳定可靠的直流电源。2 2、控制电路、控制电路v 一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆

6、变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。3 3、检测电路、检测电路v 除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据供值班人员观察、记录。4 4、辅助电源、辅助电源v 提供开关整流器本身所有电路工作所需的各种不同要求的电源（交直流各种等级的电压电源）。5.2.2.2 5.2.2.2 高频变换减小变压器体积原理高频变换减小变压器体积原理 U=4BSfN （51）式中：U是变压器电压，单位为V B是磁通，单位为Gs S是变压器铁芯截面积，单位为2 F是变压器工作频率，单位为Hz N是变压器绕组匝数从

7、公式51可以看出，在变压器电压和磁通（与电流有关）一定的情况下，即变压器功率一定的情况下，工作频率越高，变压器的铁芯截面积可以做得越小，绕组匝数也可以越少。5.2.2.3 5.2.2.3 高频开关整流器分类高频开关整流器分类v DCAC逆变电路是高频开关整流器的主要组成部分。根据其工作原理的不同，高频开关整流器可分为PWM型和谐振型两类。v PWM型高频开关整流器具有控制简单，稳态直流增益与负载无关等优点，整流器中的功率开关器件工作在强迫关断和强迫导通方式下，在开关截止和导通期间有一定的开关损耗，而且开关损耗随开关频率的提高而增加，故限制了整流器开关工作频率进一步提高。v 谐振型高频开关整流器

8、则可以使其工作在更高的频率下工作而开关损耗很小，其又可分为串联谐振型、并联谐振型和准谐振型几种，目前应用较为普通的是准谐振型高频开关整流器。5.2.3 5.2.3 高频开关整流器主要技术高频开关整流器主要技术5.3.1功率转换电路5.3.2高频开关元器件5.3.3功率因数校正电路5.2.3.1 5.2.3.1 功率转换电路功率转换电路v 根据DCAC逆变电路工作原理的不同，高频开关整流器可分为PWM型和谐振型谐振型两类。v 功率转换电路：高压直流高压高频交流高频降压变压器低压高频交流低压直流 1.PWM1.PWM型功率转换电路型功率转换电路v PWM型功率转换电路控制简单，有推挽、全桥、半桥以

9、及单端反激，单端正激等形式。v 开关管在导通和关断时的损耗大。主要是由于开关管的通断都是强制的（有时称为硬开关）。在开关过程中，开关管的电压、电流波形存在交叠的现象，从而产生了开关损耗（p=u*i）。推挽式功率转换电路推挽式功率转换电路及波形及波形工作原理工作原理v 当BG1导通时，变压器初级电流途径为：E（）N1BG1E（），变压器次级导电回路为：N2（5）D2RLN2（3）。v 当BG2导通时，变压器初级导电回路为：E（）N1BG2E（），变压器次级导电回路为：N2（4）D1RLN2（3）。强制通断时电压和电流的交叠强制通断时电压和电流的交叠2 2谐振型功率转换电路谐振型功率转换电路v 利

10、用谐振现象，通过适当地改变开关管的电压、电流波形关系来达到减小开关损耗的目的。v 谐振型功率转换电路有串联、并联和准谐振几种。v 准谐振功率转换电路又分为两种，一种是零电流谐振开关式，一种是零电压谐振开关式。3 3时间比例控制稳压原理时间比例控制稳压原理v 改变开关接通时间ton和工作周期T的比例，亦即改变脉冲的占空比，来调整输出电压的方法，称为“时间比例控制”,缩写为TRC v TRC有三种实现方式，即脉冲宽度调制方式（PWM），脉冲频率调制方（PFM）和混合调制方式。开关型稳压电源示意图开关型稳压电源示意图工作原理工作原理v 开关以一定的时间间隔重复地接通和断开，输入电流断续地向负载端提供

11、能量。经过储能元件（电感L和电容C2）的平滑作用，使负载得到连续而稳定的能量。TRCTRC控制方式控制方式 v TRC有三种实现方式，即脉冲宽度调制方式，脉冲频率调制方式和混合调制方式。（1）脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，缩写PWM），PWM方式指开关工作周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。（2）脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，缩写PFM），PFM是指导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率（即工作周期）来改变占空比的方式。（3）混合调制，是指导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合

12、。5.2.3.2 5.2.3.2 高频开关元器件高频开关元器件v 高频功率开关器件通常有功率MOSFET、IGBT管、以及两者混合管、功率集成器件等等。1 1功率场控晶体管（功率功率场控晶体管（功率MOSFETMOSFET）v 依据导电沟道可分PMOS管和NMOS管。v 以NMOS管为例，当在NMOS管栅极施加正压，则氧化膜下P型层两边表面感应出负电荷，而形成N型导电沟道，同时在漏源两极间加上正电压，电子从源极通过两个沟道，N外延层，N基片到达漏极。（1 1）功率）功率MOSFETMOSFET结构结构 功率功率MOSFETMOSFET的特性的特性v 主要性能指标用电压、电流、工作频率来衡量。v

13、 电压以漏极击穿电压（BVDS）为指标。v 电流以最大漏极电流（IDmax）为指标。v 由于功率MOSFET为少子导电器件，开关时间很短。工作频率通常为30KHz100KHz。特点特点v 一种电压控制器件，不需要加反向偏置。v 多个管子可并联工作，导通电阻具正温度系数，具有自动均流能力。v 在高温运行时，不存在温度失控现象。v 无二次击穿问题。v 大电流工作过程，因温度升高而使导通电阻增大许多倍，故导通功耗大。2 2绝缘门极晶体管（绝缘门极晶体管（IGBTIGBT）v 是一种混合器件，集MOSFET与GTR于一身。v 当栅极的正向电压驱动时，MOSFET内形成沟道，且为PNP晶体管提供基极电流

14、，使IGBT导通。结构结构特点特点v 为混合器件，驱动功率容量小，也是一种电压型器件v 导通过程压降小，元件电流密度大。v 关断时会出现电流拖尾现象，所以关断时间长，使工作频率受到限制。3.MOSFET3.MOSFET与与IGBTIGBT的混合管的混合管v 目的是结合了MOSFET工作频率快（无拖尾）和IGBT导通压降小的优点。MOSFETMOSFET与与IGBTIGBT结合实例结合实例5.2.3.3 5.2.3.3 功率因数校正电路功率因数校正电路v 功率因数PF（Power Factor）是指交流输入有功功率P与视在功率S的比值。基波因数，即基波电流有效值I1与电网电流有效值IR之比。IR

15、：电网电流有效值 I1：基波电流有效值 UL：电网电压有效值 cos：基波电流与基波电压的位移因数提高提高功率因数的方法功率因数的方法v 当线性电路且为纯电阻性负载时，PF=1v 在感性线性负载电路，无谐波电流，采用移相电容器来补偿无功功率，便可提高cos,PFcosv 在非线性电路中(如开关型整流器),通过功率因数校正电路将畸变电流波形校正为正弦波，同时迫使它跟踪输入正弦电压相位的变化。无功功率因数校正的开关电源存在的问题无功功率因数校正的开关电源存在的问题（1）谐波严重污染公共电网，干扰其他用电设备。（2）在输出功率一定的条件下，输入电流有效值较大，增大了传输线衰耗。（3）增加了前级设备的

16、功率容量，如UPS，发电机组、电源线、路断器规格等，增加了基建投资。（4）当采用三相四线制供电时，三及三的倍数的谐波在中线中同相位，合成后中线电流大，有可能超过中线配制的线径，会造成中线严重过载，而且按安全规定，中线无保护装置，这将造成中线过热，引起火灾。3 3、功率因数校正工作原理、功率因数校正工作原理v 基本方法有两种：无源功率因数校正和有源功率因数校正。（1）无源功率因数校正法：在开关整流器的输入端加入电感量很大的低频电感（2）有源功率因数校正法：减小输入电流谐波，而且使输入电流与输入电网电压几乎同相为正弦波，从而大大提高功率因数PF。目前大功率场合应用较广泛的PFC电路有：恒频峰值电流

17、控制技术和平均电流控制技术等。平均电流控制技术方式平均电流控制技术方式 PFC PFC 工作原理工作原理v 在Boost PFC电路中，Q管导通，L贮能，通过电感的电流IL增加，而Q管截止时，二极管D导通，电容C充电，流过电感电流IL减小。这样使电感电路中电流IL可跟踪基准信号波形。即IL的平均值I与整流后的电压波形接近同相。5.2.3.45.2.3.4 滤波电路和电磁兼容性滤波电路和电磁兼容性 v 所谓电磁兼容是指各种设备在共同的电磁环境中能正常工作的共存状态。其英文缩写为EMC，简单的分为骚扰（disturbance）和抗扰（immunity）。v 为了抑制噪声影响自身和外界，高频开关整流

18、器内部电路一般采用滤波、屏蔽、接地、合理布局、选择电磁兼容性能更好的元件和电路并，在安装开关电源时，注意输入线路和输出线路的隔离、输出线绞合或平行配线、机架地线合信号地线分开、配置必要的输入浪涌抑制等等。1高频开关整流器滤波电路v 高频开关整流器中主要的滤波电路分为输入滤波、工频滤波和输出滤波。v 输入滤波是接在交流电网和开关整流器输入之间的滤波装置，其作用是抑制交流电网中的高频干扰串入整流器，同时也抑制整流器对交流电网的反干扰。v 共模扼流线圈原理图：在电网输入端和开关整流器中会产生两输入端大小相等、方向相同的共模干扰信号，电感线圈L1L2电感量相等，所以产生的磁通相互叠加呈高阻抗，扼制共模

19、干扰进入整流器；当差模信号，在扼流线圈两输入端一进一出，电感线圈L1L2产生的磁通相互抵消，相当于没接电感（对高频的差模干扰如前所述有高频旁路电容和常态电感消除）。5.2.3.45.2.3.4 滤波电路和电磁兼容性滤波电路和电磁兼容性 v 所谓电磁兼容是指各种设备在共同的电磁环境中能正常工作的共存状态。其英文缩写为EMC，简单的分为骚扰（disturbance）和抗扰（immunity）。v 为了抑制噪声影响自身和外界，高频开关整流器内部电路一般采用滤波、屏蔽、接地、合理布局、选择电磁兼容性能更好的元件和电路并，在安装开关电源时，注意输入线路和输出线路的隔离、输出线绞合或平行配线、机架地线合信

20、号地线分开、配置必要的输入浪涌抑制等等。2.2.电磁兼容性电磁兼容性 5.2.4 5.2.4 开关电源系统简述开关电源系统简述 v 高频开关系统由交流配电单元、整流模块、直流配电单元和监控模块组成开关电源系统；v 交流配电单元负责将输入三相交流电分配给多个整流模块；v 整流模块完成将交流转换成符合通信要求的直流电；v 直流配电单元负责将蓄电池组接入系统与整流模块输出并联，再将一路不间断的直流电分成多路分配给各种容量的直流通信负载；v 监控单元是整个开关电源系统的“总指挥”，起着监控各个模块的工作情况，协调各模块正常工作的作用。开关电源系统示意图开关电源系统示意图1 1、交流配电单元、交流配电单

21、元 v 负责将输入三相交流电分配给多个整流模块（一般用单相交流电居多）。v 交流输入采用三相五线制，即A、B、C三根相线和一根零线N、一根地线E。首先接有MOA避雷器，保护后面的电器遭受高电压的冲击，再接有三个空气开关控制三相交流电的输入与否。2 2、整流模块、整流模块 v 完成将交流转换成符合通信要求的直流电。v 通信要求：输出的直流电压要稳定、输出的直流电压所含交流杂音小、输出电压应在一定范围内可以调节，以满足其后并接的蓄电池充电电压的要求。v 均流功能：多个整流模块并联工作，需合理分配负载电流。v 选择性过电压停机功能：其中某个整流模块出现输出高压时，该模块能正常退出而不影响其它模块的工

22、作3 3、直流配电单元、直流配电单元 v 负责将蓄电池组接入系统与整流模块输出并联，再将一路不间断的直流电分成多路分配给各种容量的直流通信负载。配有一组或两组蓄电池，在相应线路中接有熔丝保护和测量线路电流的分流器。v 蓄电池组的低压脱离LVD装置。作用：当系统输出电压在正常范围内时，该常开触点是动作闭合的，蓄电池组并入开关电源系统参与工作的；当整流模块停机，蓄电池组单独对外界负载放电时，当电池电压达到一个事先设定的保护电压值时，为了保护电池组不至于过放电而损坏，常开触点释放打开，从而断开了电池组与系统的连线，4 4、监控单元、监控单元 v 监控各个模块的工作情况，协调各模块正常工作的作用。v

23、监控模块分为交流配电单元监控单元、整流模块监控单元、蓄电池组监控单元、直流配电单元监控单元、自诊断单元和通信单元六个功能单元。5.2.5 5.2.5 监控单元日常操监控单元日常操作作 v 监控单元首页：系统输出电压、系统输出电流、交流输入电压、环境温度、系统状态等常规内容。v 参数子菜单的设定。告警参数的设定告警参数的设定v 直流高压告警电压设定v 直流过压停机电压设定 v 直流低压告警电压设定v 交流高压告警电压设定v 交流低压告警电压设定 v 蓄电池组温度过高告警设定 整流模块功能的设定整流模块功能的设定v 均充功能设定v 限流模式设定v 市电中断均充参数设定v 设定充电状态v 浮充、均充

24、电压设定 电池功能的设定电池功能的设定v 电池容量设定v 温度补偿功能设定v 电池测试功能设定v 低压脱离参数设定当设备发生故障后，需进行维修。系统检查维修的基本步骤为：1、首先查看系统有无声光告警指示。2、再看具体故障现象或告警信息提示。3、根据故障现象或告警信息，对本开关电源作出正确的分析及形成处理故障的检修方法，即可完成故障检修。5.2.6 5.2.6 故障处理与维护故障处理与维护 故障处理及报告故障处理及报告1、应建立请示汇报制度，遇有下列情况，应及时向主管部门请示汇报：（1）发生重大故障。（2）危及设备和人身安全的问题。（3）超出本职范围而又需要解决的问题。2、请示汇报的内容要准确、

25、清楚，并提出处理意见和解决办法。交流输入异常告警交流输入异常告警1、交流停电告警排除交流停电告警排除(1)整流模块全部停机,监控模块由电池供电,注意蓄电池放 电电流,并启动备用发电机。(2)停机后复电,注意电池充电电流,必要时降低电流抑制以 限制充电电流在安全范围内。2 2、交流高压交流高压/低压故障排除低压故障排除(1)检视交流配电屏电压指针表头,是否超过设定值。如指针表头电压指示正常(在规格订定的范围内),则令系统继续运转,并通知维修人员处理。(2)若电压确实超过设定值,则关掉交流电源,待电网恢复正常再行开机。输出电压告警输出电压告警1、输出低电压告警发生时,应注意蓄电池的放电情形以免蓄电

26、池因过度放电而损毁。2、通知维修人员处理。熔丝熔断告警熔丝熔断告警注意注意:v 熔断器熔断后应查明原因,不可盲目的更换新熔断器。v 所更换的熔断器应与原来熔断器的规格相同。熔丝熔断故障排除熔丝熔断故障排除1、检查该分路负载是否过大或短路,并设法降低至该容量范围内。2、首先将该路负载的开关切断,再更换相同规格的熔丝。3、依序接通该路负载开关,如再次熔断则通知维修人员处理。注意注意:更换熔丝前,须将该分路负载切离,待熔丝更换后再行接上负载,否则熔丝接点容易损坏。温度异常告警温度异常告警1、蓄电池过温故障排除、蓄电池过温故障排除（1）确认是否环境温度太高。（2）检视充电电流,若充电电流太大,则由均充

27、改为浮充,并 监看充电电流是否变小。（3）充电电流仍过大,则调整电流抑制使充电电流减少。（4）通知维修人员处理。2、环境温度过高故障排除、环境温度过高故障排除（1）检视是否环境温度太高,若是请改善环境空调,关掉AC 输入电源,待环境温度回至规格范围内再行开机。（2）若有任何异常状况或告警,立即通知维修人员处理。5.2.7 日常检查项目内容、方法及意义日常检查项目内容、方法及意义v 用灰刷、干抹布和吸尘器清洁设备内部积灰；1次/月。v 检查设备的系统告警功能：采用模拟交流停电、直流熔断等故障，系统应准确告警；1次/月。v 检查设备的系统显示功能：监控和整流模块的电压、电流显示误差应分别小于0.2

28、V和0.5A；1次/月。v 检查系统内部通信功能：各模块间通信正常，同一模块无多次通信中断告警；1次/月。v 检查系统参数设置：系统所有参数设置正常，无漂移现象；1次/月。v 检查系统接地保护：直流工作接地、保护接地连接无松动；1次/月。v用红外测温仪测量直流熔丝和熔丝接点温升，要求温升50；1次/月。v检查继电器、断路器动作是否可靠、稳定，其接触点要求温升55；1次/月。v检查散热风扇运转是否正常、无卡滞，滤网无积灰；1次/月。v检查系统内部插件和电缆连接、固定是否良好，要求无挤压变形、发热和老化；1次/月。v检查系统防雷保护，避雷器工作是否正常、接线连接紧固；1次/月。v检查开关电源系统的

29、均流性能：观察并记录开关电源各模块输出电流，计算系统均流特性，要求优于5；1次/季。v 检查接线端子的接触是否良好、连接无松动；1次/季。v 用红外测温仪和或4位半万用表检查空气开关、接触器件，分析判断接触是否良好，1次/季。v 试验系统软启动性能：关闭开关电源模块5分钟再开机（输出电流不进入限流），观察系统直流输出电压是否缓慢上升；1次/季。v 开关电源系统的输入谐波对比测试：使用电力谐波分析仪表检测开关电源交流输入电压、电流谐波，关闭所有开关电源交流输入，重复测试，前后所测数据之差为测试结果，要求小于5；1次/季。讨论题（讨论题（1 1）1、高频开关整流器的特点有哪些？2、高频开关整流器的

30、各种技术也在不断改进和完善之中，你所了解的目前国内外在这个领域的研究动态是怎样的？3、请画出高频开关整流器方框图，并说明主电路各部分的作用？4、什么是软开关技术？采用软开关技术的目的是什么？5、时间比例控制的含义是什么？具体方式有哪几种？6、比较功率MOSFET和IGBT管各自优缺点？讨论题（讨论题（2 2）7、写出全功率因数PF应定义公式，说明高频开关整流器采用功率因素校准电路的原因和功率因素校准电路的基本思想。8、什么是电磁兼容性？开关整流器的电磁兼容性内容主要可归纳为哪些？9、开关电源系统由那几种模块单元组成？10、监控单元操作菜单中告警参数的设定常见的内容有哪些？11、描述市电中断之后开关电源系统对蓄电池均充的策略。12、蓄电池低压脱离功能有什么作用？浙江省邮电职业技术学院浙江省邮电职业技术学院 求是求是 立德立德 尚学尚学 精业精业