【正文】 發(fā)電設備直流 輸電系統(tǒng)動態(tài)無功補償機車牽引交直流電機傳動不停電電源汽車電子化開關電源中高頻感應加熱設備以及電視通訊辦公自動化設備等 14 開關電源當前存在的問題 當我們對該技術進行深入研究后卻發(fā)現(xiàn)它仍然存在著一些問題需要解決而且有的問題還帶有全局性采用定頻調(diào)寬的控制方式來設計電源都以輸出功率最大時所需的續(xù)流時間為依據(jù)來預留開關截止時間的則負載所需的功率小于電源的最大輸出功率時就必然造成了工作電流的不連續(xù)反峰電壓是開關導通期間存入高頻變壓器的勵磁能量在開關關斷時的一種表現(xiàn)而勵磁能量只能在也必須在開關關斷后的截止期間處理掉既 能高效處理勵磁能量又能有效限制反峰電壓的辦法是存在的那就是要及時地為勵磁能量提供一個低阻抗通道并且為勵磁能量的通過提供一段時間但 單調(diào)控制方法不具備這一條件高頻變壓器的磁通復位問題這個問題向來是電源技術尤其是以小體積高功率密度見長的開關電源技術發(fā)展的瓶頸高頻開關電源的并聯(lián)同步輸出問題問題也許還是一條艱難而漫長的路 2 整流電路的設計 整流是將交流電變成脈動直流電的過程電源變壓器輸出的交流電經(jīng)整流電路得到一個大小變化但方向不變的脈動直流電整流電路是由具有單向?qū)щ娦缘脑缍O管晶間管等整流元件組成的 21 整流電路的選擇 單相整流電路有兩種電容輸入型電路和扼流圈輸入型電路 電容輸入型的基本電路如圖 21a 為半波整流電路 b 為中間抽頭的全波整流電路 c 橋式整流電路 d 倍壓整流電路 圖 21 電容輸入型的基本電路 圖 22 為扼流圈輸入型基本電路用于負載電流 I0 較大的電路扼流圈 L 的作用是抑制尖峰電流 兩種基本電路的比較如下 1 開關電源多采用脈寬調(diào)制方式空載時開關晶體管的導通時間非常短其導通時間隨開關電源的設計方法不同而異也有采用控制開關晶體管電路的延時進行的間歇開關工作這時若采用扼流圈輸入型整流電路接近空載時扼流固變 為臨界值逆流電路由扼梳閡輸入型變?yōu)闃I(yè)為電容輸入型為此從滿載到空載變動時整流輸出電壓變動較大空載時有可能進入間歇開關領域 2 開關電源的特點是效率高而體積小若使用扼流圈時為提高負載調(diào)整率需要接入扼流圈以及阻尼電阻 3 扼流圈可能與次級側(cè)濾波回路產(chǎn)生諧振 因此開關電源的輸入整流電路采用電容輸入型 圖 22 扼流圈輸入型基本電路 波整流電路 單相半波整流電路是最簡單的整流電路如圖 23 僅利用一個二極管來實現(xiàn)整流功能 單相半波整流電路的輸出電壓平均值為為變壓器副邊輸出電壓的有效值 圖 23 單相半波整流電路 式整流電路 單相半波整流電路的缺點是只利用了電源的半個周期輸出電流較小同時整流電壓的脈動較大全波整流電路可以克服這些缺點其中最常用的是單相橋式整流電路它是由四個二極管接成電橋的形式構(gòu)成的可以看到四個二極管分為兩組正負半周輪流導通但負載上電流方向不變此即為全波整流 圖 24 單相橋式整流電路 單相橋式整流電壓的平均值為為變壓器副邊輸出電壓的有效值比半波整流輸出電壓高因此整流電路選用單相橋式整流電路 22 防止電流沖擊的設計 開關電源輸入大多為電容輸入型當電源剛接通時就會有非常大的對電容充電的沖擊電流 例如線路阻抗若為 05輸入交流 100V電壓若在其峰值時開關接通則沖擊電流就達 282A 如此大的沖擊電流可能會損壞輸入保險絲整流二極管和電容等防止沖擊電流的最簡單方法是在線路個接入一只電阻如圖 25 a 所示但平常電阻有損耗這種方法適用小功率開關電源 圖 25 b 和 c 也是采用電阻但與電阻并聯(lián)一只開關 繼電器觸點和晶閘管 電源接通時開關斷開電阻防止沖擊電流正常工作時與電阻并聯(lián)的開關接通把電阻短路減小了電阻損耗這種方法適用于中等容量的開關電源圖 25 d 是采用熱敏電阻的方法熱敏電阻 RH 的阻值隨溫度增加而減 小防止了沖擊電流平時損耗又小本設計欲采用串熱敏電阻的方法 圖 25 防止電流沖擊的方法 本設計的整流電路如圖 26 圖 26 整流電路圖 23 參數(shù)計算以及元器件的選型 由于開關電源系統(tǒng)三路輸出分別為 15V4A12V3A5V2A 則輸出功率 如果考慮變壓器的效率 80 則整流電路的輸出功率應為 則可以設定整流電路輸入電壓輸出電壓 100V 電流 15A 參數(shù)計算 整流輸出電壓為 Vs 100V 則變壓器次級電壓 考慮到變壓器二次側(cè)及管子的壓降變壓器二次側(cè)電壓大約需要提高 10 則 二極管的最大反向電壓 二極管平均電 流 可選用 1N4003AZCI11B 整流二極管最高反向工作電壓為 200V 額定工作電流為 1A 變壓器參數(shù) 則變壓器變比為 變壓器二次側(cè)電流有效值 變壓器的容量為 如果考慮變壓器的效率η 80 則 電容參數(shù)計算 整流電路負載 RL U0I0 100V15A 667 在工程中一般取 由于 則 選用耐壓為 150V 的極性電解電容 3 DCDC 變換器的設計 DCDC 變換器進行功率變換是采用功率半導體器件作為開關元件通過周期性通斷開關控制開關元件的占空比來調(diào)整輸出電壓將固 定的直流電壓變換成可變的直流電壓也稱為直流斬波它是開關電源的核心部分開關電源 DCDC 變換器有多種電路方式常有的有工作波形為方波的脈寬調(diào)制 PWM 變換器以及工作波形為正弦波的諧振變換器基本工作原理如圖 31 所示 圖 31 DCDC 變換器的基本原理圖 它是一種控制開關 S 通斷時間的比例用電抗器與電容器蓄積能量的元件對續(xù)流的波形進行平滑處理從而更有效地調(diào)整功率流的電路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 DCDC 變換器按輸入輸出的隔離方式分有隔離方式與 非隔離方式按開關的控制方式分有自勵式和它勵式以及脈寬調(diào)制脈頻調(diào)制與幅度調(diào)制等多種方式 31 控制方式的選擇 對于 TRC 變換器有兩種工作方式一種是保持開關工作周期Ｔ不變控制開關導通時間 Ton 沖寬度調(diào)制 PWM 方式二是保持導通時間 Ton 改變開關工作周期 T的脈沖頻率調(diào)制方式 PFM 脈沖寬度調(diào)制 PWM 變換器就是通過重復通斷開關方式把一種直流電壓電流變換為高頻方波電壓電流再經(jīng)過整流平滑后變?yōu)榱硪环N直流電壓輸出 PWM 變換器由功率開關管整流二極管及濾波電路等元件組成 對 PWM變換器加在開關管 S兩端的電壓 us通過 S的電流 is近似為方波如圖33 所示 圖 32 PWM 變換器的工作波形 占空比 D 定義為 3－ 1 32 功率轉(zhuǎn)換電路的選擇 PWM 型穩(wěn)壓電源功率轉(zhuǎn)換電路有挽推全橋半橋以及單端反激單端正激等 推挽式功率轉(zhuǎn)換電路 控制開關晶體管 VT1 和 VT2 的基極 VT1VT2 以 PWM 方式激勵而交替通晰將輸入直流電壓變換成高頻方波交流電壓當 VT1 導通時輸入電源電壓 VI 通過 VT1 加到高頻變壓器 T1 的初級繞組 Nl 由于 T1 具有兩個匝數(shù)相等主繞組 N1 故在 VT1導通時在截止晶體管 VT2上將加有兩倍的電源電壓 2VI當基極激勵信號消失時一對開關晶體管均截止其集電極施加電壓均均為 2VI 當下半個周期 VT2 激勵導通VT1 截止基極激勵信號消失一對開關晶體管又都均截止 VCE1 和 VCE2 均為 VI 下一個周期五復上述過程在品體管導通過程中集電極電流除負載電流成分外還包含有輸出電容器的充電電流和高頻變壓器的勵磁電流它們均隨導通脈沖寬度的增加而線性上升在開關的暫態(tài)過程中由于高頻變壓器次級側(cè)開關整流二極管反向恢復時間內(nèi)所造成的短路以及為了抑制集電極電壓尖峰而設置的 RC 吸收網(wǎng)絡的作用當開關管導通時將會有尖峰沖擊電流在關斷瞬間由于高頻變壓 器漏感的作用在集電極會產(chǎn)生電壓尖峰 推挽式轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓 V0＝ 2NDVIN 為變壓器的匝比 D 為晶體管的占空比其優(yōu)點是轉(zhuǎn)換效率高經(jīng)濟實用變壓器的利用率高輸入輸出間隔離晶體管加相同電壓控制電路直接對其激勵不需要驅(qū)動變壓器不足之處是需要一對開關晶體管晶體管的耐壓需要是輸入電壓的 2 倍直流分量加到變壓器上使其磁心易飽和 全橋式功率轉(zhuǎn)換電路 工作原理是當一組開關晶體管例如 VT1VT4 尋通時截止晶體管 VT2VT3 上加的電壓即為輸入電壓 VI 當所有的晶體管截止時同臂上的兩只開關晶體管共同承受輸入電壓即 VI2 由 高頻變壓器漏感引起的電壓尖峰當其超過輸入電壓時反向并接在開關晶體管的集射之間的告訴續(xù)流二極管便導通集電極電壓被鉗位在輸入電壓上 由此可見全橋式電路開關晶體管