【正文】 發(fā)電設(shè)備直流 輸電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償機(jī)車牽引交直流電機(jī)傳動(dòng)不停電電源汽車電子化開關(guān)電源中高頻感應(yīng)加熱設(shè)備以及電視通訊辦公自動(dòng)化設(shè)備等 14 開關(guān)電源當(dāng)前存在的問題 當(dāng)我們對(duì)該技術(shù)進(jìn)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(shè)計(jì)電源都以輸出功率最大時(shí)所需的續(xù)流時(shí)間為依據(jù)來預(yù)留開關(guān)截止時(shí)間的則負(fù)載所需的功率小于電源的最大輸出功率時(shí)就必然造成了工作電流的不連續(xù)反峰電壓是開關(guān)導(dǎo)通期間存入高頻變壓器的勵(lì)磁能量在開關(guān)關(guān)斷時(shí)的一種表現(xiàn)而勵(lì)磁能量只能在也必須在開關(guān)關(guān)斷后的截止期間處理掉既 能高效處理勵(lì)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(shí)地為勵(lì)磁能量提供一個(gè)低阻抗通道并且為勵(lì)磁能量的通過提供一段時(shí)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(fù)位問題這個(gè)問題向來是電源技術(shù)尤其是以小體積高功率密度見長的開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的瓶頸高頻開關(guān)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(shè)計(jì) 整流是將交流電變成脈動(dòng)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(gè)大小變化但方向不變的脈動(dòng)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(fù)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(guān)電源多采用脈寬調(diào)制方式空載時(shí)開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間非常短其導(dǎo)通時(shí)間隨開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法不同而異也有采用控制開關(guān)晶體管電路的延時(shí)進(jìn)行的間歇開關(guān)工作這時(shí)若采用扼流圈輸入型整流電路接近空載時(shí)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(dòng)時(shí)整流輸出電壓變動(dòng)較大空載時(shí)有可能進(jìn)入間歇開關(guān)領(lǐng)域 2 開關(guān)電源的特點(diǎn)是效率高而體積小若使用扼流圈時(shí)為提高負(fù)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(jí)側(cè)濾波回路產(chǎn)生諧振 因此開關(guān)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(jiǎn)單的整流電路如圖 23 僅利用一個(gè)二極管來實(shí)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(diǎn)是只利用了電源的半個(gè)周期輸出電流較小同時(shí)整流電壓的脈動(dòng)較大全波整流電路可以克服這些缺點(diǎn)其中最常用的是單相橋式整流電路它是由四個(gè)二極管接成電橋的形式構(gòu)成的可以看到四個(gè)二極管分為兩組正負(fù)半周輪流導(dǎo)通但負(fù)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(shè)計(jì) 開關(guān)電源輸入大多為電容輸入型當(dāng)電源剛接通時(shí)就會(huì)有非常大的對(duì)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(shí)開關(guān)接通則沖擊電流就達(dá) 282A 如此大的沖擊電流可能會(huì)損壞輸入保險(xiǎn)絲整流二極管和電容等防止沖擊電流的最簡(jiǎn)單方法是在線路個(gè)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(guān)電源 圖 25 b 和 c 也是采用電阻但與電阻并聯(lián)一只開關(guān) 繼電器觸點(diǎn)和晶閘管 電源接通時(shí)開關(guān)斷開電阻防止沖擊電流正常工作時(shí)與電阻并聯(lián)的開關(guān)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(guān)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(shí)損耗又小本設(shè)計(jì)欲采用串熱敏電阻的方法 圖 25 防止電流沖擊的方法 本設(shè)計(jì)的整流電路如圖 26 圖 26 整流電路圖 23 參數(shù)計(jì)算以及元器件的選型 由于開關(guān)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(yīng)為 則可以設(shè)定整流電路輸入電壓輸出電壓 100V 電流 15A 參數(shù)計(jì)算 整流輸出電壓為 Vs 100V 則變壓器次級(jí)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(jì)算 整流電路負(fù)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(shè)計(jì) DCDC 變換器進(jìn)行功率變換是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件通過周期性通斷開關(guān)控制開關(guān)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(guān)電源的核心部分開關(guān)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(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對(duì)續(xù)流的波形進(jìn)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(guān)的控制方式分有自勵(lì)式和它勵(lì)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(duì)于 TRC 變換器有兩種工作方式一種是保持開關(guān)工作周期Ｔ不變控制開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 Ton 沖寬度調(diào)制 PWM 方式二是保持導(dǎo)通時(shí)間 Ton 改變開關(guān)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(fù)通斷開關(guān)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(guān)管整流二極管及濾波電路等元件組成 對(duì) PWM變換器加在開關(guān)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(guān)晶體管 VT1 和 VT2 的基極 VT1VT2 以 PWM 方式激勵(lì)而交替通晰將輸入直流電壓變換成高頻方波交流電壓當(dāng) VT1 導(dǎo)通時(shí)輸入電源電壓 VI 通過 VT1 加到高頻變壓器 T1 的初級(jí)繞組 Nl 由于 T1 具有兩個(gè)匝數(shù)相等主繞組 N1 故在 VT1導(dǎo)通時(shí)在截止晶體管 VT2上將加有兩倍的電源電壓 2VI當(dāng)基極激勵(lì)信號(hào)消失時(shí)一對(duì)開關(guān)晶體管均截止其集電極施加電壓均均為 2VI 當(dāng)下半個(gè)周期 VT2 激勵(lì)導(dǎo)通VT1 截止基極激勵(lì)信號(hào)消失一對(duì)開關(guān)晶體管又都均截止 VCE1 和 VCE2 均為 VI 下一個(gè)周期五復(fù)上述過程在品體管導(dǎo)通過程中集電極電流除負(fù)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(lì)磁電流它們均隨導(dǎo)通脈沖寬度的增加而線性上升在開關(guān)的暫態(tài)過程中由于高頻變壓器次級(jí)側(cè)開關(guān)整流二極管反向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)所造成的短路以及為了抑制集電極電壓尖峰而設(shè)置的 RC 吸收網(wǎng)絡(luò)的作用當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)將會(huì)有尖峰沖擊電流在關(guān)斷瞬間由于高頻變壓 器漏感的作用在集電極會(huì)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(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率高經(jīng)濟(jì)實(shí)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(duì)其激勵(lì)不需要驅(qū)動(dòng)變壓器不足之處是需要一對(duì)開關(guān)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(dāng)一組開關(guān)晶體管例如 VT1VT4 尋通時(shí)截止晶體管 VT2VT3 上加的電壓即為輸入電壓 VI 當(dāng)所有的晶體管截止時(shí)同臂上的兩只開關(guān)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(dāng)其超過輸入電壓時(shí)反向并接在開關(guān)晶體管的集射之間的告訴續(xù)流二極管便導(dǎo)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(guān)晶體管