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開關(guān)電源基本工作原理(一)
開關(guān)電源基本工作原理
開關(guān)K 以一定的頻率重復(fù)的接通或斷開。在開關(guān)K 接通時(shí)，輸入電源通過開關(guān)K 和濾波電路向負(fù)載提供能量；當(dāng)開關(guān)K斷開時(shí)，輸入電源便中斷了能量的供給。開關(guān)電源的示意圖如圖2-1所示。
為了使負(fù)載能夠得到連續(xù)的能量，開關(guān)電源就必須有一套儲(chǔ)能裝置，以便在開關(guān)K 接通時(shí)將一部分能量儲(chǔ)存起來，當(dāng)開關(guān)K 斷開后再將儲(chǔ)存的能量提供給負(fù)載。圖2-1中的電感L、電容C和二級(jí)管D 組成的電路就具有這樣的功能。當(dāng)開關(guān)K 接通時(shí)，電感L 用以儲(chǔ)存能量，開關(guān)K 斷開時(shí)，儲(chǔ)存在電感L中的能量通過二級(jí)管D 釋放給負(fù)載，從而使負(fù)載得到連續(xù)而又穩(wěn)定的能量。
當(dāng)電子開關(guān)K按一定的頻率開關(guān)時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間越長，輸出電壓越高；導(dǎo)通時(shí)間越短，輸出電壓越低。通常，開關(guān)電源就是這樣在開關(guān)頻率一定的情況下，通過調(diào)整開關(guān)時(shí)間的長短。控制輸出電壓的高低。目前，也有的開關(guān)電源采用開關(guān)時(shí)間長短恒定，通過改變開關(guān)頻率來改變輸出電壓的高低。
圖2-1 開關(guān)電源示意圖
開關(guān)電源的形式有很多種，其中尤其以脈沖寬度調(diào)制型（PWM）最為盛行，現(xiàn)在就以此種形式的開關(guān)電源介紹以下開關(guān)電源的工作原理。
采用PWM技術(shù)的開關(guān)電源原理機(jī)構(gòu)如圖2-2所示，從電網(wǎng)將能量傳遞給負(fù)載的回路稱為主回路，其余稱為控制回路。
工頻電網(wǎng)交流電壓經(jīng)過輸入整流濾波電路，得到高波紋未調(diào)直流電壓，在經(jīng)功率轉(zhuǎn)換電路，變換成符合要求的矩形波脈動(dòng)電壓，最后經(jīng)過整流濾波電路將其平滑成連續(xù)的低波紋直流電壓。
圖2-2 PWM方式開關(guān)電源框圖
控制回路在提供高壓開關(guān)T管基極驅(qū)動(dòng)脈沖的同時(shí)，需要完成輸出電壓穩(wěn)壓的控制，而且還必須能對(duì)電源或負(fù)載提供保護(hù)。它通常由檢測(cè)比較放大電路、電壓-脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路（V/W電路）、時(shí)鐘震蕩電路，以及自用電壓源等基本電路構(gòu)成。
對(duì)于PWM方式而言，將頻率固定的震蕩源稱為時(shí)鐘震蕩器，這種電源利用檢測(cè)電路反映輸出電壓值，通過和給定參考電壓比較并產(chǎn)生誤差信號(hào)，在經(jīng)過V/W電路調(diào)制脈沖寬度——調(diào)節(jié)輸出電壓。例如，由于某種原因（負(fù)載電流減小或電網(wǎng)電壓上升）使高頻變壓器副邊輸出電壓的平均值增大，電源輸出電壓也將隨之提高，反饋檢測(cè)電路將提高了輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并產(chǎn)生負(fù)積極性的誤差電壓，V/W電路根據(jù)該誤差電壓及時(shí)減小輸出脈寬，這樣使輸出電壓平均值減小，接近原來的數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的作用。
開關(guān)電源的分類
在電子技術(shù)和應(yīng)用飛速發(fā)展的今天, 對(duì)電子儀器和設(shè)備的要求是, 在性能上更加安全可靠, 在功能上不斷增加, 在使用上自動(dòng)化程度要越來越高, 在體積上日趨小型化。這使采用具有眾多優(yōu)點(diǎn)的開關(guān)電源就顯得更加重要。所以, 開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩電等方面都得到了越來越廣泛的應(yīng)用, 發(fā)揮了巨大的作用, 這大大促進(jìn)了開關(guān)電源的發(fā)展, 從事這方面研究和生產(chǎn)的人員也在不斷地增加, 開關(guān)電源的品種和類型也越來越多。常見的開關(guān)電源的分類方法有下列幾種:
1.按激勵(lì)方式劃分 分為他激式和自激式。他激式開關(guān)電源電路中專設(shè)激勵(lì)信號(hào)振蕩器；自激式開關(guān)功率管兼作振蕩管。該形式的開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)簡單, 元器件少, 可以做成低成本的開關(guān)電源。
2.按調(diào)制方式劃分 分為脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)整型和混合調(diào)整型。脈寬調(diào)制型保持振蕩頻率保持不變, 通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來改變輸出電壓的大�。活l率調(diào)整型保持占空比保持不變(脈沖寬度保持不變) , 通過改變振蕩頻率來改變輸出電壓大�。换旌险{(diào)整型是脈沖寬度和振蕩頻率均可進(jìn)行調(diào)節(jié)的開關(guān)電源。
3．按開關(guān)管電流的工作方式劃分 分開關(guān)型和諧振型。開關(guān)型用開關(guān)晶體管把直流變成高頻標(biāo)準(zhǔn)方波, 其電路形式類似于他激式；諧振型用開關(guān)晶體管與LC諧振回路將直流變成標(biāo)準(zhǔn)正弦波, 其電路形式類似于自激式開關(guān)電源。
4．按開關(guān)晶體管的類型劃分 分為晶體管型和可控硅型。晶體管型采用晶體管(包括場(chǎng)效應(yīng)管)作為開關(guān)功率管；可控硅型采用可控硅作為開關(guān)功率管。這種電路的特點(diǎn)是直接輸入交流電壓, 不需要一次整流部分。
5．按儲(chǔ)能電感與負(fù)載的連接方式劃分 分串聯(lián)型和并聯(lián)型。串聯(lián)型儲(chǔ)能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間；并聯(lián)型儲(chǔ)能電感并聯(lián)在輸入與輸出電壓之間。
6．按晶體管的連接方法劃分 分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式。單端式僅使用一個(gè)晶體管作為電路中的開關(guān)管。這種電路的特點(diǎn)是價(jià)格低、電路結(jié)構(gòu)簡單, 但輸出功率不能提高；推挽式使用兩個(gè)功率開關(guān)管, 將其連接成推挽功率放大器的形式。這種電路的特點(diǎn)是可以工作在電源電壓較低的場(chǎng)合, 一般逆變器多采用這種形式的電路, 但它的缺點(diǎn)是開關(guān)變壓器的初級(jí)必須具有中心抽頭；半橋式使用兩個(gè)功率開關(guān)管, 將其連接成半橋形式。它的特點(diǎn)是適應(yīng)于輸入電壓較高的場(chǎng)合；全橋式使用四個(gè)功率開關(guān)管,將其連接成全橋的形式。它的特點(diǎn)是輸出功率較大。
7．按電路結(jié)構(gòu)劃分 分為散件式和集成電路式。散件式整個(gè)開關(guān)電源電路都是采用分立式元器件組成的。這種電路的缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；集成電路式整個(gè)開關(guān)電源電路或電路的一部分是由集成電路組成的。這種集成電路通常被稱為厚膜電路,有的厚膜集成電路中包括功率開關(guān)管, 有的則不包括。這種形式的電源的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、可靠性高。這種電路被廣泛地應(yīng)用于彩色電視中。
以上五花八門的開關(guān)電源品種都是站在不同的角度, 以開關(guān)電源不同的特點(diǎn)命名和劃分的。不論是激勵(lì)方法、輸出直流電壓的調(diào)節(jié)手段、儲(chǔ)能電感的連接方法、功率開關(guān)管的器件種類以及串并聯(lián)結(jié)構(gòu), 還是其他的電路形式,它們最后總可以歸結(jié)為串聯(lián)型和并聯(lián)型開關(guān)電源這兩大類[4]。
開關(guān)電源優(yōu)缺點(diǎn)
開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)
1．功耗小、效率高 開關(guān)電源結(jié)構(gòu)原理方框圖中的晶體管在激勵(lì)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下,其工作狀態(tài)處于導(dǎo)通—截止和截止—導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài),轉(zhuǎn)換速度很快, 頻率一般為50kHz左右。在一些技術(shù)先進(jìn)的國家, 可以做到幾百或者上千kHz。晶體管V飽和導(dǎo)通時(shí),雖然電流較大,但管壓降很小;截止斷開時(shí), 雖然管壓降很大,但通過的電流幾乎為零。這就使得開關(guān)晶體管V 在其整個(gè)工作過程中的功耗很小,電源的效率可以大幅度地提高。
2．體積小、重量輕 沒有了笨重的工頻降壓變壓器。由于調(diào)整管上的耗散功率大幅度地降低, 因而省去了體積和重量都較大的散熱片。由于這兩方面的原因, 故開關(guān)電源的體積小、重量輕。
3．穩(wěn)壓范圍寬 開關(guān)電源的輸出電壓是通過激勵(lì)信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)的, 輸入電壓的波動(dòng)變化, 可以通過改變占空比的方式來進(jìn)行補(bǔ)償, 這樣在輸入電壓變化或波動(dòng)較大時(shí), 它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以, 開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬, 穩(wěn)壓效果較好。此外,改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)制型和混合調(diào)制型三種。這樣開關(guān)電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn), 而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多較靈活,設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要和要求, 靈活選用各種形式的穩(wěn)壓方法。
4．濾波效率高,不需要較大容量的濾波電容 開關(guān)電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz 左右, 是線性電源的1000倍, 這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加電容濾波, 效率也提高了500倍。在相同波紋輸出電壓的要求下,采用開關(guān)電源時(shí), 濾波電容的容量只是線性電源中濾波電容容量的1/500～1/1000。濾波電容容量
減小以后, 整個(gè)電源的體積和重量也相應(yīng)地有所減小。
5．電路形式靈活多樣 例如：有自激式和他激式；有調(diào)寬型和調(diào)頻型; 有單端式和雙端式; 有開關(guān)元件為晶體管式和開關(guān)元件為可控硅式等等。設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類型電路的特長, 設(shè)計(jì)出能滿足各種不同應(yīng)用場(chǎng)合的開關(guān)電源。
開關(guān)電源的缺點(diǎn)
開關(guān)電源最為突出的缺點(diǎn)就是開關(guān)干擾較為嚴(yán)重。開關(guān)電源中的開關(guān)功率管是工作在開關(guān)狀態(tài)下, 它產(chǎn)生的交流電壓和電流會(huì)通過電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾, 這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制、消除、屏蔽和隔離,就會(huì)嚴(yán)重地影響整機(jī)的正常工作。此外, 由于開關(guān)電源中沒有了工頻降壓變壓器的隔離, 振蕩器所產(chǎn)生的高頻干擾如果不加以消除, 就會(huì)串入工頻電網(wǎng), 使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)重的干擾。
目前,由于國內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與
一些技術(shù)先進(jìn)的國家還有一定的差距, 因此開關(guān)電源的造價(jià)不能進(jìn)一步降低, 也影響到可靠性的進(jìn)一步提高。所以, 在我國的電子儀器以及機(jī)電一體化儀器中, 開關(guān)電源還不能得到普及使用。特別是無工頻變壓器開關(guān)電源中的高壓電容、高反壓大功率開關(guān)管、開關(guān)變壓器的磁性材料等元件,我國還處于研究和開發(fā)階段。一些先進(jìn)的國家,雖然有了一定的發(fā)展,但是在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題, 不能令人十分滿意。這就暴露出了開關(guān)電源的又一個(gè)缺點(diǎn), 那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、維修麻煩、成本高。對(duì)此, 如果設(shè)計(jì)者和制造者不予以充分重視,則會(huì)直接影響開關(guān)穩(wěn)壓電源的推廣應(yīng)用。
軟開關(guān)技術(shù)簡介
硬開關(guān)與軟開關(guān)
現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、輕量化，同時(shí)對(duì)裝置的效率和電磁兼容性也提出了更高的要求。通常，濾波電感、電容和變壓器在裝置的體積和重量中占很大比例。因此必須設(shè)法降低他們的體積和重量，才能達(dá)到裝置的小型化、輕量化。從“電路”的有關(guān)知識(shí)中可以知道，提高工作頻率可以減少變壓器各繞組間的匝數(shù)，并減小鐵心的體積，從而使變壓器小型化。因此裝置小型化、輕量化的直接途徑就是電路的高頻化。但在提高開關(guān)頻率的同時(shí)，開關(guān)損耗也會(huì)隨之增加，電路效率嚴(yán)重下降，電磁干擾也增大了，所以簡單的提高開關(guān)頻率是不行的。
（a）硬開關(guān)的開通過程（b）硬開關(guān)的關(guān)斷過程
圖 2-3 硬開關(guān)的開關(guān)過程
針對(duì)這些問題出現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)，他利用以諧振為住的輔助換流手段，解決了電路中的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲問題，使開關(guān)頻率可以大幅度提高。
在很多電路中，開關(guān)元件在電壓很高或電流很大的條件下，在門極的控制下開通或關(guān)斷，起典型的開關(guān)過程如圖2-3所示。開關(guān)過程中電壓、
電流均不為零，出現(xiàn)了重疊，因此導(dǎo)致了開關(guān)損耗。而且電壓和電流的變化很快，波形出現(xiàn)了明顯的過沖，這導(dǎo)致了開關(guān)噪聲的產(chǎn)生。具有這樣的開關(guān)過程的開關(guān)稱為硬開關(guān)。
在硬開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。開關(guān)損耗隨著頻率的增加，使電路效率下降，阻礙了開關(guān)頻率的提高；開關(guān)噪聲給電路帶來嚴(yán)重的電磁干擾問題，影響周邊電子設(shè)備的工作。
通過在原來的開關(guān)電路中增加很小的電感，電容等諧振元件，構(gòu)成輔助換流網(wǎng)絡(luò)，在開關(guān)過程中引入諧振過程，開關(guān)開通前電壓降為零，或關(guān)斷前電流降為零，就可以消除開關(guān)過程中電壓、電流的重疊，降低他們的變化率，從而大大減小甚至消除損耗和開關(guān)噪聲，這樣的電路稱為軟開關(guān)電路。軟開關(guān)電路中典型的開關(guān)過程如圖2-4所示。具有這樣開關(guān)過程的開關(guān)稱為軟開關(guān)。開關(guān)損耗理論上為零[5]。
（a）軟開關(guān)的開通過程 （b）軟開關(guān)的關(guān)斷過程
圖2-4軟開關(guān)的開關(guān)過程
軟開關(guān)的分類
根據(jù)電路中主要開關(guān)元件是零電壓開通還是零電流關(guān)斷，可以將軟開關(guān)電路零電壓電路和零電流電路兩大類。通常，一種開關(guān)電路要么屬于零電壓電路，要么屬于零電流電路。但在有些情況下，電路中有多個(gè)開關(guān)，有些開關(guān)工作在零電壓的條件下，而另一些開關(guān)工作在零電流的條件下。
根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程可以將軟開關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。下面分別介紹上述三類軟開關(guān)電路。
1.準(zhǔn)諧振電路
這是最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路，其中有些現(xiàn)在還在大量使用。準(zhǔn)諧振電路可分為
(1)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路；
(2)零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路；
(3)零電壓開關(guān)多諧振電路；
(4)用于逆變器的諧振直流環(huán)電路。
2.零開關(guān)PWM電路
這類電路中引入了輔助開關(guān)來控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生與開關(guān)過程前后。零開關(guān)PWM電路可以分為
1）零電壓開關(guān)PWM電路；
2) 零電流開關(guān)PWM電路和準(zhǔn)諧振電路相比，這類電路有很多明顯的優(yōu)勢(shì)：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關(guān)承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關(guān)頻率固定的PWM控制方式。[5]這兩種電路的基本開關(guān)單元如圖2-5。
(a) 零電壓開關(guān)PWM基本開關(guān)單元 (b) 零電流開關(guān)PWM基本單元
圖2-5 零開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元
3.零轉(zhuǎn)換PWM電路
這類軟開關(guān)電路還是采用輔助開關(guān)控制諧振時(shí)刻的開始時(shí)刻，所不同的是，諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的，因此輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路諧振過程的影響很小，電路在很寬的輸入電壓輸入范圍內(nèi)并從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài)。而且電路中無功功率的交換被削減到最小，使這種電路的效率進(jìn)一步提高。
零轉(zhuǎn)換電路可分為：
(1)零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路；
(2)零電流轉(zhuǎn)換PWM電路。
基本開關(guān)單元如圖2-6。
(a) ZVT PWM開關(guān)單元 (b)ZCT PWM 開關(guān)單元
圖2-6 零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元
本章小結(jié)
本章簡要介紹了開關(guān)電源的工作原理，并從多方面闡述了開關(guān)電源的詳細(xì)分類。討論了開關(guān)電源在應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)和不足。本章還簡要介紹了軟開關(guān)技術(shù)以及軟開關(guān)和傳統(tǒng)的硬開關(guān)之間的不同，指出軟開關(guān)是實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源高頻化、小型化和輕量化的理想途徑。
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