开关电源为什么叫开关电源呢

变频器是一种静止的频率变换器，可将电网电源的50Hz频率交流电变成频率可调的交流电，作为电动机的电源装置，目前在国内外使用广泛。使用变频器可以节能、提高产品质量和劳动生产率等。

1、变频器组成原理

1.1变频器的基本结构

调速用变频器构成：主电路、控制电路、保护电路

变频器主电路工作原理

变压变频装置结构框图

按照不同的控制方式，交-直-交变频器可分成以下三种方式：

采用可控整流器调压、逆变器调频的控制方式，其结构框图。

可控整流器调压、逆变器调频的控制方式的特点：

在这种装置中，调压和调频在两个环节上分别进行，在控制电路上协调配合，结构简单，控制方便。但是，由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网端功率因数较低。而输出环节多用由晶闸管组成多拍逆变器，每周换相六次，输出的谐波较大，因此这类控制方式现在用的较少。

采用不控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的控制方式，其结构框图。

不控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的控制方式的特点：

整流环节采用二极管不控整流器，只整流不调压，再单独设置斩波器，用脉宽调压，这种方法克服功率因数较低的缺点;但输出逆变环节未变，仍有谐波较大的缺点;

采用不控制整流器整流、脉宽调制(PWM)逆变器同时调压调频的控制方式，其结构框图。

不控制整流器整流、脉宽调制(PWM)逆变器同时调压调频的控制方式的特点：

在这类装置中，用不控整流，则输入功率因数不变;用(PWM)逆变，则输出谐波可以减小。PWM逆变器需要全控型电力半导体器件，其输出谐波减少的程度取决于PWM的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。采用绝缘双极型晶体管IGBT时，开关频率可达10kHz以上，输出波形已经非常逼近正弦波，因而又称为SPWM逆变器，成为当前最有发展前途的一种装置形式。

电压型变频器结构框图：

电压型变频器：

在交-直-交变频器中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频器叫做电压型变频器

电流型变频器结构框图：

电流型变频器：

当交-直-交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频器叫做电流型变频器。

2、几种典型的交-直-交变频器的主电路

①交-直-交电压型变频电路

常用的交—直—交电压型PWM变频电路。

交—直—交电压型PWM变频电路采用二极管构成整流器，完成交流到直流的变换，其输出直流电压Ud是不可控的;中间直流环节用大电容C滤波;电力晶体管V1～V6构成PWM逆变器，完成直流到交流的变换，并能实现输出频率和电压的同时调节，VD1～VD6是电压型逆变器所需的反馈二极管。

②交-直-交电流型变频电路

常用的交-直-交电流型变频电路。

交-直-交电流型变频电路：整流器采用晶闸管构成的可控整流电路，完成交流到直流的变换，输出可控的直流电压U，实现调压功能;中间直流环节用大电感L滤波;逆变器采用晶闸管构成的串联二极管式电流型逆变电路，完成直流到交流的变换，并实现输出频率的调节。

③交-直-交电压型变频器与电流型变频器的性能比较

3、绝缘门极晶体管(IGBT)

一.IGBT的结构和基本工作原理

绝缘门极晶体管IGBT也称绝缘栅极双极型晶体管，是一种新发展起来的复合型电力电子器件。

由于它结合了MOSFET和GTR的特点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有输入通态电压低，耐压高和承受电流大的优点，这些都使IGBT比GTR有更大的吸引力。

在变频器驱动电机，中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域，IGBT有着主导地位。

1. IGBT的基本结构与工作原理

1)基本结构

IGBT也是三端器件，三个极为漏极(D)、栅极(G)和源极(S)。

(a) 内部结构 (b)简化等效电路(c)电气图形符号

2)工作原理

IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种压控型器件。

开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的，当UGE为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。

当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时，MOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT关断。

2.IGBT的基本特性与主要参数

IGBT的转移特性和输出特性

(a) 转移特性 (b) 输出特性

1)IGBT的基本特性

① 静态特性

IGBT的转移特性，它描述的是集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系，与功率MOSFET的转移特性相似。

开启电压UGE(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。

UGE(th)随温度升高而略有下降，温度升高1ºC，其值下降5mV左右。在+25ºC时，UGE(th)的值一般为2~6V。

IGBT的输出特性，也称伏安特性，它描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。稳压环路原理：

1、反馈电路原理图：

2、工作原理：

当输出U0升高，经取样电阻R7、R8、R10、VR1分压后，U1③脚电压升高，当其超过U1②脚基准电压后U1①脚输出高电平，使Q1导通，光耦OT1发光二极管发光，光电三极管导通，UC3842①脚电位相应变低，从而改变U1⑥脚输出占空比减小，U0降低。

当输出U0降低时，U1③脚电压降低，当其低过U1②脚基准电压后U1①脚输出低电平，Q1不导通，光耦OT1发光二极管不发光，光电三极管不导通，UC3842①脚电位升高，从而改变U1⑥脚输出占空比增大，U0降低。周而复始，从而使输出电压保持稳定。调节VR1可改变输出电压值。

反馈环路是影响开关电源稳定性的重要电路。如反馈电阻电容错、漏、虚焊等，会产生自激振荡，故障现象为：波形异常，空、满载振荡，输出电压不稳定等。

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六、短路保护电路： 1、在输出端短路的情况下，PWM控制电路能够把输出电流限制在一个**范围内，它可以用多种方法来实现限流电路，当功率限流在短路时不起作用时，只有另增设一部分电路。 2、短路保护电路通常有两种，下图是小功率短路保护电路，其原理简述如下：

当输出电路短路，输出电压消失，光耦OT1不导通，UC3842①脚电压上升至5V左右，R1与R2的分压超过TL431基准，使之导通，UC3842⑦脚VCC电位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后①脚电位消失，TL431不导通UC3842⑦脚电位上升，UC3842重新启动，周而复始。当短路现象消失后，电路可以自动恢复成正常工作状态。 3、下图是**率短路保护电路，其原理简述如下：

当输出短路，UC3842①脚电压上升,U1 ③脚电位高于②脚时，比较器翻转①脚输出高电位，给 C1充电，当C1两端电压超过⑤脚基准电压时 U1⑦脚输出低电位，UC3842①脚低于1V，UCC3842 停止工作，输出电压为0V，周而复始，当短路消失后电路正常工作。R2、C1是充放电时间常数，阻值不对时短路保护不起作用。 4、 下图是常见的限流、短路保护电路。其工作原理简述如下：

当输出电路短路或过流，变压器原边电流增大，R3 两端电压降增大，③脚电压升高，UC3842⑥脚输出占空比逐渐增大，③脚电压超过1V时，UC3842关闭无输出。 5、下图是用电流互感器取样电流的保护电路，

有着功耗小，但成本高和电路较为复杂，其工作原理简述如下：输出电路短路或电流过大，TR1次级线圈感应的电压就越高，当UC3842③脚超过1伏，UC3842 停止工作，周而复始，当短路或过载消失，电路自行恢复。 七、【b】输出端限流保护【/b】：】：

上图是常见的输出端限流保护电路，其工作原理简述如上图：当输出电流过大时，RS(锰铜丝)两端电压上升，U1③脚电压高于②脚基准电压，U1①脚输出高电压，Q1导通，光耦发生光电效应，UC3842①脚电压降低，输出电压降低，从而达到输出过载限流的目的。

八、输出过压保护电路的原理：

输出过压保护电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在一**值的范围内。当开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。应用*为普遍的过压保护电路有如下几种：

1、可控硅触发保护电路：

如上图，当Uo1输出升高，稳压管(Z3)击穿导通，可控硅(SCR1)的控制端得到触发电压，因此可控硅导通。Uo2电压对地短路，过流保护电路或短路保护电路就会工作，停止整个电源电路的工作。当输出过压现象排除，可控硅的控制端触发电压通过R对地泄放，可控硅恢复断开状态。

2、光电耦合保护电路：

如上图，当Uo有过压现象时，稳压管击穿导通，经光耦(OT2)R6到地产生电流流过，光电耦合器的发光二极管发光，从而使光电耦合器的光敏三极管导通。Q1基极得电导通， 3842的③脚电降低，使IC关闭，停止整个电源的工作，Uo为零，周而复始，。

3、输出限压保护电路：

输出限压保护电路如下图，当输出电压升高，稳压管导通光耦导通，Q1基极有驱动电压而道通，UC3842③电压升高，输出降低，稳压管不导通，UC3842③电压降低，输出电压升高。周而复始，输出电压将稳定在一范围内(取决于稳压管的稳压值)。

4、输出过压锁死电路：

图A的工作原理是，当输出电压Uo升高，稳压管导通，光耦导通，Q2基极得电导通，由于Q2的导通Q1基极电压降低也导通，Vcc电压经R1、Q1、R2使Q2始终导通，UC3842③脚始终是高电平而停止工作。在图B中，UO升高U1③脚电压升高，①脚输出高电平，由于D1、R1的存在，U1①脚始终输出高电平Q1始终导通，UC3842①脚始终是低电平而停止工作。

九、功率因数校正电路(PFC)：

1、原理示意图：

2、工作原理： 输入电压经L1、L2、L3等组成的EMI滤波器，BRG1整流一路送PFC电感，另一路经R1、R2分压后送入PFC控制器作为输入电压的取样，用以调整控制信号的占空比，即改变Q1的导通和关断时间，稳定PFC输出电压。L4是PFC电感，它在Q1导通时储存能量，在Q1关断时施放能量。D1是启动二极管。D2是PFC整流二极管，C6、C7滤波。PFC电压一路送后级电路，另一路经R3、R4分压后送入PFC控制器作为PFC输出电压的取样，用以调整控制信号的占空比，稳定PFC输出电压。