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開關電源信息匯集
  發布時間:2015-1-6 15:56:30  作者:樂清明緯電氣科技有限公司 (人氣: 次)
開關電源是利用現代電力電子技術,控制開關管開通和關斷的時間比率,維持穩定輸出電壓的一種電源...

1 引言

開關電源是利用現代電力電子技術,控制開關管開通和關斷的時間比率,維持穩定輸出電壓的一種電源,開關電源一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。隨著電力電子技術的發展和創新,使得開關電源技術也在不斷地創新。目前,開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備,是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式。 


2 開關電源前景
隨著電力電子技術的高速發展,電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切,而電子設備都離不開可靠的電源,進入80年代計算機電源全面實現了開關電源化,率先完成計算機的電源換代,進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域,程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源,更促進了開關電源技術的迅速發展。   開關電源和線性電源相比,二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長,但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上,反而高于開關電源。隨著電力電子技術的發展和創新,使得開關電源技術在不斷地創新,這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動,這為開關電源提供了廣泛的發展空間。   開關電源高頻化是其發展的方向,高頻化使開關電源小型化,并使開關電源進入更廣泛的應用領域,特別是在高新技術領域的應用,推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發展與應用在安防監控,節約能源、節約資源及保護環境方面都具有重要的意義。

3 開關電源主要類型
現代開關電源有兩種:一種是直流開關電源;另一種是交流開關電源。  開關電源內部結構
這里主要介紹的只是直流開關電源,其功能是將電能質量較差的原生態電源(粗電),如市電電源或蓄電池電源,轉換成滿足設備要求的質量較高的直流電壓(精電)。直流開關電源的核心是DC/DC轉換器。因此直流開關電源的分類是依賴DC/DC轉換器分類的。也就是說,直流開關電源的分類與DC/DC轉換器的分類是基本相同的,DC/DC轉換器的分類基本上就是直 流開關電源的分類。   直流DC/DC轉換器按輸入與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類:一類是有隔離的稱為隔離式DC/DC轉換器;另一類是沒有隔離的稱為非隔離 式DC/DC轉換器。   隔離式DC/DC轉換器也可以按有源功率器件的個數來分類。單管的DC/DC轉換器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)兩種。雙管DC/DC轉換器 有雙管正激式(DoubleTransistor Forward Converter),雙管反激式(Double Transistr Flyback Converter)、推挽式(Push-Pull Converter) 和半橋式(Half-Bridge Converter)四種。四管DC/DC轉換器就是全橋DC/DC轉換器(Full-Bridge Converter)。   非隔離式DC/DC轉換器,按有源功率器件的個數,可以分為單管、雙管和四管三類。  開關電源內部結構圖
單管DC/DC轉換器共有六種,即降壓式(Buck)DC/DC轉換器 ,升壓式(Boost)DC/DC轉換器、升壓降壓式(Buck Boost)DC/DC轉換器、Cuk DC/DC轉換器、Zeta DC/DC轉換器和SEPIC DC/DC轉換器。在這六種 單管DC/DC轉換器中,Buck和Boost式DC/DC轉換器是基本的,Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC轉換器是從中派生出來的。雙管DC/DC轉換 器有雙管串接的升壓式(Buck-Boost)DC/DC轉換器。四管DC/DC轉換器常用的是全橋DC/DC轉換器(Full-Bridge Converter)。   隔離式DC/DC轉換器在實現輸出與輸入電氣隔離時,通常采用變壓器來實現,由于變壓器具有變壓的功能,所以有利于擴大轉換器的輸出應用 范圍,也便于實現不同電壓的多路輸出,或相同電壓的多種輸出。   在功率開關管的電壓和電流定額相同時,轉換器的輸出功率通常與所用開關管的數量成正比。所以開關管數越多,DC/DC轉換器的輸出功率越大,四管式比兩管式輸出功率大一倍,單管式輸出功率只有四管式的1/4。   非隔離式轉換器與隔離式轉換器的組合,可以得到單個轉換器所不具備的一些特性。   按能量的傳輸來分,DC/DC轉換器有單向傳輸和雙向傳輸兩種。具有雙向傳輸功能的DC/DC轉換器,既可以從電源側向負載側傳輸功率,也可 以從負載側向電源側傳輸功率。   DC/DC轉換器也可以分為自激式和他控式。借助轉換器本身的正反饋信號實現開關管自持周期性開關的轉換器,叫做自激式轉換器,如洛耶爾 (Royer)轉換器就是一種典型的推挽自激式轉換器。他控式DC/DC轉換器中的開關器件控制信號,是由外部專門的控制電路產生的。   按照開關管的開關條件,DC/DC轉換器又可以分為硬開關(Hard Switching)  開關電源
和軟開關(Soft Switching)兩種。硬開關DC/DC轉換器的開關器件 是在承受電壓或流過電流的情況下,開通或關斷電路的,因此在開通或關斷過程中將會產生較大的交疊損耗,即所謂的開關損耗(Switching loss)。當轉換器的工作狀態一定時開關損耗也是一定的,而且開關頻率越高,開關損耗越大,同時在開關過程中還會激起電路分布電感和寄生 電容的振蕩,帶來附加損耗,因此,硬開關DC/DC轉換器的開關頻率不能太高。軟開關DC/DC轉換器的開關管,在開通或關斷過程中,或是加于 其上的電壓為零,即零電壓開關(Zero-Voltage-Switching,ZVS),或是通過開關管的電流為零,即零電流開關(Zero-Current·Switching,ZCS)。這種軟開關方式可以顯著地減小開關損耗,以及開關過程中激起的振蕩,使開關頻率可以大幅度提高,為轉換器的小型化和模塊化創造 了條件。功率場效應管(MOSFET)是應用較多的開關器件,它有較高的開關速度,但同時也有較大的寄生電容。它關斷時,在外電壓的作用下, 其寄生電容充滿電,如果在其開通前不將這一部分電荷放掉,則將消耗于器件內部,這就是容性開通損耗。為了減小或消除這種損耗,功率場 效應管宜采用零電壓開通方式(ZVS)。絕緣柵雙極性晶體管(Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor,IGBT)是一種復合開關器件,關斷時的電流拖 尾會導致較大的關斷損耗,如果在關斷前使流過它的電流降到零,則可以顯著地降低開關損耗,因此IGBT宜采用零電流(ZCS)關斷方式。IGBT在 零電壓條件下關斷,同樣也能減小關斷損耗,但是MOSFET在零電流條件下開通時,并不能減小容性開通損耗。諧振轉換器(ResonantConverter ,RC)、準諧振轉換器(Qunsi-Tesonant Converter,QRC)、多諧振轉換器(Mu1ti-ResonantConverter,MRC)、零電壓開關PWM轉換器(ZVS PWM Converter)、零電流開關PWM轉換器(ZCS PWM Converter)、零電壓轉換(Zero-Vo1tage-Transition,ZVT)PWM轉換器和零電流轉換(Zero- Vo1tage-Transition,ZVT)PWM轉換器等,均屬于軟開關直流轉換器。電力電子開關器件和零開關轉換器技術的發展,促使了高頻開關電源的發展。

參考文獻

[1] 沙斐,機電一體化系統的電磁兼容技術,中國電力出版社,1999。

[2] 楊繼深,實踐電磁兼容技術,1999。

[3] 李培等,28V/300A開關穩壓電源電磁兼容性測試報告,航空航天部615所,2000。

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