開關(guān)電源如何分類? 開關(guān)電源有哪些基本類型
開關(guān)電源如何分類?
串聯(lián)型、并聯(lián)型和變壓器耦合(并聯(lián))型開關(guān)電源
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/365302.htm按開關(guān)管與負載的連接方式分類,開關(guān)電源可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和變壓器耦合(并聯(lián))型3種類型。
串聯(lián)型。圖1所示的開關(guān)電源基本形式即是串聯(lián)型開關(guān)電源,其特點是開關(guān)調(diào)整管VT與負載R1串聯(lián)。因 此,開關(guān)管和續(xù)流二極管的耐壓要求較低。且濾波電容在開關(guān)管導通和截止時均有電流,故濾波性能好, 輸出電壓嘰的紋波系數(shù)??;要求儲能電感鐵心截面積也較小。其缺點為:輸出直流電壓與電網(wǎng)電壓之間沒 有隔離變壓器,即所謂“熱底盤”,不夠安全;若開關(guān)管內(nèi)部短路,則全部輸入電壓直接加到負載上,會 引起負載過壓或過流,損壞元件。因此輸出端一般需加穩(wěn)壓管加以保護。
圖1 開關(guān)電源基本電路及工作波形
并聯(lián)型。并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源基本電路如圖2所示,其工作波形與串聯(lián)電路基本相同,因開關(guān)管VT與 負載RL并聯(lián)而稱為并聯(lián)型。此外,二極管YD通常稱為脈沖整流管,C為濾波電容。
當開關(guān)管基極輸人開關(guān)控制脈沖時,開關(guān)管周期性地導通與截止。當開關(guān)管飽和導通時,輸入電壓Ui加 在儲能電感L兩端。此時電感中的電流線性上升,二極管VD反偏而截止,電感L儲存能量,此時負載RL所需 的電流由前一段時間電容上所充的電壓供給。當開關(guān)管截止時,VD導通,通過電感上的電流線性下降,感 應(yīng)電壓為左負右正,輸入電壓Ui和電感L上的感應(yīng)電壓同極性串聯(lián),電源輸人Ui和電感L所釋放的能量同時 給負載RL提供電流,并向電容C充電。同樣,達到動態(tài)平衡時,電感L在開關(guān)管飽和時增加的電流量(能量 )與開關(guān)管截止時減小的電流量(能量)相等,即電感上能量保持一個恒量,故
圖2 并聯(lián)型開關(guān)電源基本電路
可見,并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源同樣可通過控制δ來穩(wěn)定或調(diào)整輸出電壓,同時還可以看出,由于δ<1,這 種并聯(lián)型開關(guān)電源屬于升壓型電源,開關(guān)管所承受的最大反向電壓Uce max=Uo(>Ui)。而圖1所示的串 聯(lián)型開關(guān)電源屬降壓型電源,開關(guān)管所承受的最大反向電壓Uce max=Ui。
脈沖變壓器耦合(并聯(lián))型。變壓器耦合(并聯(lián))型開關(guān)電源(自激式)基本電路如圖3所示。開關(guān)器 件可以是雙極型晶體管,也可以是場效應(yīng)管,T為開關(guān)(脈沖)變壓器,VD為脈沖整流二極管,C為濾波電 容,RL為負載。這里脈沖變壓器的初級繞組起儲能電感作用,脈沖變壓器通過電感耦合傳輸能量,可使輸 入端與穩(wěn)壓輸出端之間互相隔離,實現(xiàn)機殼(底板)不帶電,同時還可便利地得到多種直流電壓,給制作 和維修帶來方便,因此,大多數(shù)彩電都采用變壓器耦合型開關(guān)電源。
如果將脈沖變壓器視為初、次級匝數(shù)比為n:1的理想變壓器,把次級參數(shù)等效至初級,可畫成圖2所示并聯(lián)型的電路形式,只是用nUo代替圖2中的Uo。對圖3電路,可得
圖3 變壓器耦合型開關(guān)電源基本電路
由于n>1,變壓器型開關(guān)電源一般均為降壓輸出。開關(guān)電源中開關(guān)管所承受的最大脈沖電壓為Uce max=Ui+nUo。
開關(guān)電源一般有三種工作模式:頻率、脈沖寬度固定模式,頻率固定、脈沖寬度可變模式,頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源,或DC/DC電壓變換;后兩種工作模式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。另外,開關(guān)電源輸出電壓也有三種工作方式:直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣,前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源,或DC/DC電壓變換;后兩種工作方式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。
開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類,DC/DC變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化,且設(shè)計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標準化;AC/DC的模塊化,因其自身的特性使得在模塊化的進程中,遇到較為復雜的技術(shù)和工藝制造問題。
?。?)DC/DC變換
DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓,也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種,一是脈寬調(diào)制方式Ts不變,改變ton(通用),二是頻率調(diào)制方式,ton不變,改變Ts(易產(chǎn)生干擾)。其具體的電路由以下幾類:
A、Buck電路——降壓斬波器,其輸出平均電壓U0小于輸入電壓Ui,極性相同。
B、Boost電路——升壓斬波器,其輸出平均電壓U0大于輸入電壓Ui,極性相同。
C、Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器,其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,電感傳輸。
D、Cuk電路——降壓或升壓斬波器,其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,電容傳輸。
當今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍,美國VICOR公司設(shè)計制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器,其最大輸出功率有300W、600W、800W等,相應(yīng)的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3,效率為(80~90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列,其開關(guān)頻率為(200~300)kHz,功率密度已達到27W/cm3,采用同步整流器(MOS?FET代替肖特基二極管),使整個電路效率提高到90%。
?。?)AC/DC變換
AC/DC變換是將交流變換為直流,其功率流向可以是雙向的,功率流由電源流向負載的稱為“整流”,功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電,因必須經(jīng)整流、濾波,因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的,同時因遇到安全標準(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、、FCC、CSA),交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件,這樣就限制AC/DC電源體積的小型化,另外,由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動作,使得解決EMC電磁兼容問題難度加大,也就對內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計提出了很高的要求,由于同樣的原因,高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作損耗增大,限制了AC/DC變換器模塊化的進程,因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。
AC/DC變換按電路的接線方式可分為,半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為,單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。
變壓器耦合(并聯(lián))型開關(guān)電源的優(yōu)點是:①通過附加一個次級繞組間接取樣的辦法或采用光耦合器實 現(xiàn)電源隔離,使主電源電路與交流電網(wǎng)隔離,即所謂“冷底盤”電路;②若開關(guān)管內(nèi)部短路,不會引起負 載的過壓或過流;③容許輔助電源負載與主電源負載無關(guān)。即不接主電源負載,輔助電源仍可從主電源中 得到。其缺點是:①對開關(guān)管和續(xù)流二極管的耐壓要求高;②輸出電壓紋波系數(shù)較高;③要求儲能電感量 較大。
自激式和他激式開關(guān)電源
按開關(guān)器件的激勵方式,可分為自激式和他激式開關(guān)電源。自激式開關(guān)電源不需專設(shè)振蕩電路,用開關(guān) 調(diào)整管兼做振蕩管,只需設(shè)置正反饋電路使電路起振工作,因而電路比較簡單。
他激式開關(guān)電源需專設(shè)振蕩器和啟動電路,電路結(jié)構(gòu)比較復雜。
脈沖寬度調(diào)制式和脈沖頻率調(diào)制式開關(guān)穩(wěn)壓電源
開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出與開關(guān)管的導通時間有關(guān),即決定于開關(guān)脈沖的占空比δ,穩(wěn)壓控制也就是通過調(diào) 制開關(guān)脈沖的占空比來實現(xiàn)的,控制方式有脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖頻率調(diào)制(PFM)兩種。脈沖寬度 控制(調(diào)寬)式開關(guān)電源穩(wěn)壓電路在通過改變開關(guān)脈沖寬度(控制開關(guān)管導通時間)來穩(wěn)定輸出電壓的過 程中,開關(guān)管的工作頻率不改變。脈沖頻率控制(調(diào)頻)式開關(guān)電源在穩(wěn)壓控制過程中,改變開關(guān)脈沖的 占空比的同時,開關(guān)管的工作頻率也隨著發(fā)生變化,故稱之為調(diào)頻-調(diào)寬式穩(wěn)壓電源。
PWM方式和PFM方式的調(diào)制波形分別如圖4(a)、(b)所示,tp表示脈沖寬度(即功率開關(guān)管的導通時間 tON),T代表周期,從中很容易看出二者的區(qū)別。但它們也有共同之處:①均采用時間比率控制(TRC)的 穩(wěn)壓原理,無論改變tp還是T,最終調(diào)節(jié)的都是脈沖占空比。盡管采用的方式不同,但控制目標一致,可 謂殊途同歸。②當負載由輕變重,或者輸入電壓從高變低時,分別通過增加脈寬、升高頻率的方法,使輸 出電壓保持穩(wěn)定。
圖4 兩種控制方式的調(diào)制波形
混合調(diào)制方式
混合調(diào)制方式是指脈沖寬度與開關(guān)頻率均不固定,彼此都能改變的方式,它屬于PWM和PFM的混合方式。由于莎p和r均可單獨調(diào)節(jié),因此占空比調(diào)節(jié)范圍最寬,適合制作供實驗室使用并可寬范圍調(diào)節(jié)的開關(guān)電源。
開關(guān)管的典型工作方式
按開關(guān)管的連接和工作方式分類,開關(guān)穩(wěn)壓電源可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式4種。單端式僅用一個開關(guān)晶體管,推挽式或半橋式采用兩個開關(guān)晶體管,全橋式則采用4個開關(guān)晶體管。目前彩色電視機、顯示器、打印機、傳真機等開關(guān)穩(wěn)壓電源常采用單端式,而微機開關(guān)電源均采用半橋式。
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