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开关电大发体育源的设计与工作原理

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  这里主要介绍的只是直流开关电源,其功能是将电能质量较差的原生态电源(粗电),如市电电源或蓄电池电源,转换成满足设备要求的质量较高的直流电压(精电)。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说,直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的,DC/DC转换器的分类基本上就是直 流开关电源的分类。

  非隔离式DC/DC转换器,按有源功率器件的个数,可以分为单管、双管和四管三类。

  隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时,通常采用变压器来实现,由于变压器具有变压的功能,所以有利于扩大转换器的输出应用 范围,也便于实现不同电压的多路输出,或相同电压的多种输出。

  在功率开关管的电压和电流定额相同时,转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多,DC/DC转换器的输出功率越大,四管式比两管式输出功率大一倍,单管式输出功率只有四管式的1/4。非隔离式转换器与隔离式转换器的组合,可以得到单个转换器所不具备的一些特性。

  按能量的传输来分,DC/DC转换器有单向传输和双向传输两种。具有双向传输功能的DC/DC转换器,既可以从电源侧向负载侧传输功率,也可 以从负载侧向电源侧传输功率。

  DC/DC转换器也可以分为自激式和他控式。借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器,叫做自激式转换器,如洛耶尔 (Royer)转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。他控式DC/DC转换器中的开关器件控制信号,是由外部专门的控制电路产生的。

  按照开关管的开关条件,DC/DC转换器又可以分为硬开关(Hard Switching)

  开关电源和软开关(Soft Switching)两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件 是在承受电压或流过电流的情况下,开通或关断电路的,因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗,即所谓的开关损耗(Switching loss)。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的,而且开关频率越高,大发体育开关损耗越大,同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生 电容的振荡,带来附加损耗,因此,硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DC/DC转换器的开关管,在开通或关断过程中,或是加于 其上的电压为零,即零电压开关(Zero-Voltage-Switching,ZVS),或是通过开关管的电流为零,即零电流开关(Zero-Current·Switching,ZCS)。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗,大发体育以及开关过程中激起的振荡,使开关频率可以大幅度提高,为转换器的小型化和模块化创造 了条件。功率场效应管(MOSFET)是应用较多的开关器件,它有较高的开关速度,但同时也有较大的寄生电容。它关断时,在外电压的作用下, 其寄生电容充满电,如果在其开通前不将这一部分电荷放掉,则将消耗于器件内部,这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗,功率场 效应管宜采用零电压开通方式(ZVS)。绝缘栅双极性晶体管(Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor,IGBT)是一种复合开关器件,关断时的电流拖 尾会导致较大的关断损耗,如果在关断前使流过它的电流降到零,则可以显着地降低开关损耗,因此IGBT宜采用零电流(ZCS)关断方式。IGBT在 零电压条件下关断,同样也能减小关断损耗,但是MOSFET在零电流条件下开通时,并不能减小容性开通损耗。谐振转换器(ResonantConverter ,RC)、准谐振转换器(Qunsi-Tesonant Converter,QRC)、多谐振转换器(Mu1ti-ResonantConverter,MRC)、零电压开关PWM转换器(ZVS PWM Converter)、零电流开关PWM转换器(ZCS PWM Converter)、零电压转换(Zero-Vo1tage-Transition,ZVT)PWM转换器和零电流转换(Zero- Vo1tage-Transition,ZVT)PWM转换器等,均属于软开关直流转换器。电力电子开关器件和零开关转换器技术的发展,促使了高频开关电源的发展。

  开关电源的工作过程相当容易理解,在线性电源中,让功率晶体管工作在线性模式,与线性电源不同的是,PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态,在这两种状态中,加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的(在导通时,电压低,电流大;关断时,电压高,电流小)/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比,PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”,即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

  脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波,其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

  控制器的主要目的是保持输出电压稳定,其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器,可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于,误差放大器的输出(误差电压)在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。

  开关电源有两种主要的工作方式:正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小,但是工作过程相差很大,在特定的应用场合下各有优点。

  1、输入滤波器: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波反馈到公共电网。

  2、整流与滤波:将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电,以供下一级变换。

  3、逆变:将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分,频率越高,体积、重量与输出功率之比越小。

  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资料,经保护电路鉴别,提供控制电路对整机进行各种保护措施。

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