開(kāi)關(guān)電源(3)變換器

1、開(kāi)關(guān)電源的元件構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源的元件構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源的基本元件：開(kāi)關(guān)電源的基本元件：有源開(kāi)關(guān)有源開(kāi)關(guān)(Switch)二極管二極管(Diode)電感電感(Inductor)電容器電容器(Capacitor)變壓器變壓器(Transformer)三種基本的非隔離開(kāi)關(guān)電源三種基本的非隔離開(kāi)關(guān)電源VinVoLIoSDVinVoDLIoS1DS2VinVoDLIoSVo=Vin *D/(1-D)Vo=Vin *DVo=Vin /(1-D)VoVin, 升壓型電路VoVin, 當(dāng)DVin 當(dāng)D0.5 升降壓型電路三種基本的隔離開(kāi)關(guān)電源三種基本的隔離開(kāi)關(guān)電源VinVoSLmDVinVoLSD1D2VinVoLS1D

2、1D2S2正激型變換器反激型變換器橋式變換器DC/DC變換器的基本原理 DC/DC變換器是一種控制開(kāi)關(guān)S通/斷時(shí)間的比例，用電抗器與電容器蓄積能量的元件。是開(kāi)關(guān)電源的核心部分 。 平滑電路VIN V0 S非隔離型變換器的基本電路與特征 1) 降壓型變換器（Buck） 2) 升壓型變換器（Boost） 3) 極性反轉(zhuǎn)型變換器 隔離型變換器的結(jié)構(gòu)形式（1）反激式變換器所謂反激式是指變壓器的初級(jí)極性與次級(jí)極性相反。反激式變換器有兩種工作模式：一種是完全能量轉(zhuǎn)換，即變壓器在儲(chǔ)能周期（ton）中儲(chǔ)存的所有能量在反激周期（toff）傳遞輸出出去；另一種是不完全轉(zhuǎn)換，即變壓器在儲(chǔ)能周期（ton）中儲(chǔ)存的部分

3、能量在反激周期（toff）一直保存著，直至等到下一個(gè)儲(chǔ)能周期（ton）。在脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器中應(yīng)用完全能量轉(zhuǎn)換模式，可以減小控制電路觸發(fā)脈沖的寬度，但也會(huì)出現(xiàn)波形失真和調(diào)制困難等一些問(wèn)題。(2). 反激式雙晶體管變換器開(kāi)關(guān)電源的功率在200W以上時(shí)，不宜采用單管反激式電路，這時(shí)可以采用反激式雙晶體管結(jié)構(gòu)，兩管可用雙極型晶體管或功率場(chǎng)效應(yīng)管。(3). 正激式變換器正激式變換器的變壓器純粹是個(gè)隔離元件。正激式變換器是利用電感L儲(chǔ)能及傳送能量的。正激式變換器的工作原理：開(kāi)關(guān)三極管VT截止時(shí)，在電感的反激作用下，VD2正向?qū)?，?dǎo)通后的電路通過(guò)電感L和負(fù)載RL構(gòu)成回路，這時(shí)電感上的電壓等于輸出電壓V0

4、。電感L中儲(chǔ)存的能量大小將影響輸出電壓的峰值。正激式變換器的優(yōu)點(diǎn)是：銅耗低。因?yàn)槭褂玫氖菬o(wú)氣隙磁芯，電感量高，變壓器的峰值電流比較小，輸出電壓紋波低。缺點(diǎn)是電路較為復(fù)雜，所用元器件多，如果有假負(fù)載的存在，效率將降低。適用于低電壓，大電流的開(kāi)關(guān)電源，多用于150W以下的小功率場(chǎng)合。特點(diǎn)：可以多臺(tái)電源并聯(lián)使用而互不受影響，而且可以自動(dòng)均衡。而反激式卻不能做到這點(diǎn)。(4). 正激式雙晶體管變換器正激式雙晶體管變換器（又稱雙管正激式變換器）是在單管正激式的電路上再串聯(lián)一只三極管而成的，這對(duì)于高壓大功率的開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)更加安全可靠。雙管正激式變換器得到了廣泛的應(yīng)用。(5). 半橋式變換器為了減小開(kāi)關(guān)三極管

5、的電壓應(yīng)力，可以采用半橋式變換器，它是離線式開(kāi)關(guān)電源較好的拓樸結(jié)構(gòu)。半橋式變換器要求VT1、VT2具有相同的開(kāi)關(guān)特性，但是，即使是在相同的基極脈沖寬度的作用下，也很難保證兩只三極管導(dǎo)通和截止的時(shí)間相同。如果用這種不平衡的波形驅(qū)動(dòng)變壓器，將會(huì)產(chǎn)生偏磁現(xiàn)象，其結(jié)果將致使磁芯產(chǎn)生飽和，從而降低了效率，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致晶體管燒毀。解決的辦法是在變壓器的初級(jí)加一只電容C4。半橋型變換器特性：半橋型變換器特性：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1 1）高頻利用率高，原邊繞組在正負(fù)半周均工作。）高頻利用率高，原邊繞組在正負(fù)半周均工作。 2 2）截止開(kāi)關(guān)管極間承受的電壓低，等于）截止開(kāi)關(guān)管極間承受的電壓低，等于UiUi。 3 3）抗不

6、平衡能力強(qiáng)。）抗不平衡能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1 1）輸出功率小，與輸出電流）輸出功率小，與輸出電流I0I0相同的推挽式電路相比相同的推挽式電路相比，輸出功率小一半。，輸出功率小一半。 2 2）原邊繞組上的電壓是電容）原邊繞組上的電壓是電容C1C1和和C2C2的端電壓，放電過(guò)的端電壓，放電過(guò)程中電壓逐漸減小，因此輸出脈沖電壓的頂部呈傾斜狀態(tài)。程中電壓逐漸減小，因此輸出脈沖電壓的頂部呈傾斜狀態(tài)。(6). 橋式變換器全橋型變換器特性：全橋型變換器特性：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1 1）保持有半橋變換器中開(kāi)關(guān)管截止時(shí)承受電壓低的特點(diǎn)。）保持有半橋變換器中開(kāi)關(guān)管截止時(shí)承受電壓低的特點(diǎn)。 2 2）具有推挽型電路輸出電壓高

7、、輸出功率大的優(yōu)點(diǎn)。）具有推挽型電路輸出電壓高、輸出功率大的優(yōu)點(diǎn)。 因此全橋電路在因此全橋電路在DC/DCDC/DC變換器中應(yīng)用較多。變換器中應(yīng)用較多。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：所用功率開(kāi)關(guān)管較多，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。所用功率開(kāi)關(guān)管較多，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。(7). 推挽式變換器在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，VT1、VT2交替導(dǎo)通截止。推挽式隔離變換器與其他形式的變換器基本相同，但與正激式變換器不同的是它用兩只管子進(jìn)行推挽，變壓器采用中心抽頭連接，次級(jí)也是兩相半波整流。因此，它相當(dāng)于兩個(gè)正激變換器工作的形式。這類變換器的電路比較復(fù)雜，尤其是變壓器的初級(jí)和次級(jí)都需要兩個(gè)繞組，但是它的利用率較高，效率高，輸出紋波電壓小，適合用于百瓦

8、級(jí)至千瓦級(jí)的開(kāi)關(guān)電源中。推挽式變換器由于使用兩只晶體管，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)偏磁現(xiàn)象，出現(xiàn)這一現(xiàn)象是由兩只開(kāi)關(guān)晶體管的儲(chǔ)存時(shí)間和開(kāi)關(guān)時(shí)間的差異所致。加在變壓器上的正、負(fù)電壓持續(xù)的時(shí)間不同，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期的積累，就會(huì)出現(xiàn)單繞組勵(lì)磁飽和現(xiàn)象和所謂的偏磁現(xiàn)象。在選用晶體管時(shí)，盡量使兩只管子的技術(shù)參數(shù)保持一致。其次，在設(shè)計(jì)時(shí)它的工作頻率應(yīng)小于100kHz。推挽式變換器特性：推挽式變換器特性：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1 1）輸出功率較大，導(dǎo)通期間高頻變壓器原邊兩繞組）輸出功率較大，導(dǎo)通期間高頻變壓器原邊兩繞組的總電壓是兩倍輸入電源電壓的總電壓是兩倍輸入電源電壓2Ui2Ui，整流電壓幅值為，整流電壓幅值為Ui/nUi/n。 2

9、 2）驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極相連，驅(qū)動(dòng)）驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極相連，驅(qū)動(dòng)電路無(wú)需隔離絕緣，從而簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路。電路無(wú)需隔離絕緣，從而簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1 1）會(huì)因磁心飽和出現(xiàn)集電極電流尖峰而導(dǎo)致晶體管）會(huì)因磁心飽和出現(xiàn)集電極電流尖峰而導(dǎo)致晶體管損壞。這主要由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)管特性不一致，單向偏磁。損壞。這主要由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)管特性不一致，單向偏磁。 2 2）高頻變壓器利用率差，原邊每個(gè)繞組只工作一半）高頻變壓器利用率差，原邊每個(gè)繞組只工作一半時(shí)間。時(shí)間。 3 3）對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的耐壓要求高。）對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的耐壓要求高。(8). RCC變換器RCC變換器是節(jié)流式阻尼變換器，是一

10、種自激式振蕩電路，它的工作頻率隨著輸入電壓的高低和輸出電流的大小而變化，因此，在高功率，大電流場(chǎng)合，它的工作不很穩(wěn)定，只適用于50W以下的小功率場(chǎng)合。但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、調(diào)試容易，因此，有一定的應(yīng)用價(jià)值。RCC變換器基本電路及工作波形：功率因數(shù)為1的高頻整流器1 1）基本概念）基本概念有功功率：有功功率：電能用于做功被消耗，它們轉(zhuǎn)化為熱能、光能、機(jī)電能用于做功被消耗，它們轉(zhuǎn)化為熱能、光能、機(jī)械能或化學(xué)能等，稱為有功功率；又叫平均功率。交流電的瞬械能或化學(xué)能等，稱為有功功率；又叫平均功率。交流電的瞬時(shí)功率不是一個(gè)恒定值，功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值叫做有功時(shí)功率不是一個(gè)恒定值，功率在一個(gè)周期內(nèi)的平

11、均值叫做有功功率，它是指在電路中電阻部分所消耗的功率，以字母功率，它是指在電路中電阻部分所消耗的功率，以字母P P表示，表示，單位瓦特。單位瓦特。 無(wú)功功率：無(wú)功功率：具有電感和電容的交流電路中，電感的磁場(chǎng)或電容具有電感和電容的交流電路中，電感的磁場(chǎng)或電容的電場(chǎng)在一個(gè)周期內(nèi)的一部分時(shí)間內(nèi)從電源吸收能量，另一部的電場(chǎng)在一個(gè)周期內(nèi)的一部分時(shí)間內(nèi)從電源吸收能量，另一部分時(shí)間內(nèi)將能量返回電源。在整個(gè)周期內(nèi)平均功率為零，沒(méi)有分時(shí)間內(nèi)將能量返回電源。在整個(gè)周期內(nèi)平均功率為零，沒(méi)有能量消耗。但能量是在電源和電感或電容之間來(lái)回交換的。能能量消耗。但能量是在電源和電感或電容之間來(lái)回交換的。能量交換率的最大值叫做

12、無(wú)功功率。由于它不對(duì)外做功，才被稱量交換率的最大值叫做無(wú)功功率。由于它不對(duì)外做功，才被稱之為之為“無(wú)功無(wú)功”。無(wú)功功率的符號(hào)用。無(wú)功功率的符號(hào)用Q Q表示，單位為乏表示，單位為乏(Var)(Var)或千或千乏乏(kVar)(kVar)。功率因數(shù)為1的高頻整流器1 1）基本概念（續(xù)）基本概念（續(xù)）視在功率視在功率等于網(wǎng)絡(luò)端鈕處電流、電壓有效值的乘積，而有效值等于網(wǎng)絡(luò)端鈕處電流、電壓有效值的乘積，而有效值能客觀地反映正弦量的大小和他的做功能力，因此這兩個(gè)量的能客觀地反映正弦量的大小和他的做功能力，因此這兩個(gè)量的乘積反映了為確保網(wǎng)絡(luò)能正常工作，外電路需傳給網(wǎng)絡(luò)的能量乘積反映了為確保網(wǎng)絡(luò)能正常工作，外

13、電路需傳給網(wǎng)絡(luò)的能量或該網(wǎng)絡(luò)的容量?；蛟摼W(wǎng)絡(luò)的容量。功率因數(shù)功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值。功率因數(shù)的大小與電是有功功率和視在功率的比值。功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)，路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為數(shù)為1 1，一般具有電感或電容性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于，一般具有電感或電容性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1 1。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。功率因數(shù)低，功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。功率因數(shù)低，說(shuō)明電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的無(wú)功功率大，說(shuō)明電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的無(wú)功功率大， 從而降低了設(shè)備的從而降低了設(shè)備

14、的利用率，增加了線路供電損失。利用率，增加了線路供電損失。功率因數(shù)為1的高頻整流器2 2）無(wú)源功率因數(shù)校正）無(wú)源功率因數(shù)校正在電源輸入端加入電感量很大的低頻電感，以便減小濾波電容充在電源輸入端加入電感量很大的低頻電感，以便減小濾波電容充電電流的尖峰。此方法比較簡(jiǎn)單，但是校正效果不理想，功率因電電流的尖峰。此方法比較簡(jiǎn)單，但是校正效果不理想，功率因數(shù)一般只能達(dá)到數(shù)一般只能達(dá)到0.850.85左右。另外，大電感的體積很大，增加了設(shè)左右。另外，大電感的體積很大，增加了設(shè)備的體積和重量，系統(tǒng)成本提高，目前這種方法很少采用。備的體積和重量，系統(tǒng)成本提高，目前這種方法很少采用。3 3）有源功率因數(shù)校正（）有源功率因數(shù)校正（PFCPFC）有源功率因數(shù)校正能使電源的輸入功率提高到接近有源功率因數(shù)校正能使電源的輸入功率提高到接近1 1。兩種方