【正文】 1 所示 V1 V0 圖 11 開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖 12 開關(guān)電源與線性電源的比較 線性電源的原理圖如圖 12 所示是先將交流電經(jīng)過變壓器變壓再經(jīng)過整流電路整流濾波得到未穩(wěn)定的直流電壓要達到高精度的直流電壓必須經(jīng)過電壓反饋調(diào)整輸出電壓它的缺點是需要龐大而笨重的變壓器所需的濾波電容的體積和重量也相當(dāng)大而且電壓反饋電路是工作在線性狀態(tài)調(diào)整管上有一定的電壓降在輸出較大工作電流時致使調(diào)整管的功耗太大轉(zhuǎn)換效率低還要安裝很大的散熱片這種電源不適合計算機等設(shè)備的需要將逐步被開關(guān)電源所取代 圖 12 線性電源的原理圖 開關(guān)電源的原理圖 如圖 13 所示是將交流電先整流成直流電在將直流逆變成交流電在整流輸出成所需要的直流電壓 圖 13 開關(guān)電源的原理圖 開關(guān)電源和線性電源相比具有以下優(yōu)點體積小重量輕體積和重量只有線性電源的 30 效率高一般為 70 而線性電源只有 40 自身抗干擾性強輸出電壓范圍寬模塊化等優(yōu)點但也存在一些缺點由于逆變電路中會產(chǎn)生高頻電壓對周圍設(shè)備有一定的干擾需要良好的屏蔽及接地 13 開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用 當(dāng)前開關(guān)電源新技術(shù)產(chǎn)品正在向以下四化的方向發(fā)展應(yīng)用技術(shù)的高頻化硬件結(jié)構(gòu)的模塊化軟件控制的數(shù)字化產(chǎn)品性能的綠色化由此新一代開關(guān)電源產(chǎn)品的 技術(shù)含量大大提高使之更加可靠成熟經(jīng)濟實用 開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向高頻化使開關(guān)電源小型化并使開關(guān)電源進入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化輕便化 近年有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去構(gòu)成了智能化功率模塊 IPM 這樣縮小了整機的體積方便了整機設(shè)計和制造為了提高系統(tǒng)的可靠性有些制造商開發(fā)了用戶專用功率模塊 ASPM 它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中使元器件間不再有傳統(tǒng)的引線相連這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格合理的熱電機械方面的設(shè)計達到優(yōu)化完善 的境地 開關(guān)電源是一種采用開關(guān)方式控制的直流穩(wěn)定電源它以小型輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用于以電子計算機為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式而當(dāng)我們把開關(guān)電源的研究擴大到可調(diào)高電壓大電流時以及將研究新技術(shù)應(yīng)用于 DCAC 變換器即開拓了大功率應(yīng)用領(lǐng)域又使開關(guān)電源的應(yīng)用范圍擴大到了從發(fā)電廠設(shè)備至家用電器的所有應(yīng)用電力電子技術(shù)的電氣工程領(lǐng)域作為節(jié)能節(jié)材自動化智能化機電一體化的基礎(chǔ)的開關(guān)電源它的產(chǎn)品展現(xiàn)了廣闊的市場前景例如發(fā)電廠的貯能發(fā)電設(shè)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(guān)電源中高頻感應(yīng)加熱設(shè)備以及電視通訊辦公自動化設(shè)備等 14 開關(guān)電源當(dāng)前存在的問題 當(dāng)我們對該技術(shù)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(shè)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(yù)留開關(guān)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(guān)導(dǎo)通期間存入高頻變壓器的勵磁能量在開關(guān)關(guān)斷時的一種表現(xiàn)而勵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(fù)位問題這個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 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(guān)電源多采用脈寬調(diào)制方式空載時開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時間非常短其導(dǎo)通時間隨開關(guān)電源的設(shè)計方法不同而異也有采用控制開關(guān)晶體管電路的延時進行的間歇開關(guān)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(guān)領(lǐng)域 2 開關(guān)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(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(dǎo)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(shè)計 開關(guān)電源輸入大多為電容輸入型當(dāng)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(guān)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(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) 繼電器觸點和晶閘管 電源接通時開關(guān)斷開電阻防止沖擊電流正常工作時與電阻并聯(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損耗又小本設(shè)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(shè)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(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(shè)計 DCDC 變換器進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(guān)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