一文学会开关电源的设计

出处:互联网 发布于:2020-10-16 14:48:15

  对于开关电源的工作过程相当容易理解,在线性电源中,让功率晶体管工作在线性模式,与线性电源不同的是,PWM 开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态,在这两种状态中,加在功率晶体管上的伏 - 安乘积是很小的(在导通时,电压低,电流大;关断时,电压高,电流小)/ 功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。

  开关模式电源(Switch Mode Power Supply,简称 SMPS),又称交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置,是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源,而输出多半是需要直流电源的设备,例如个人电脑,而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。

  开关电源不同于线性电源,开关电源利用的切换晶体管多半是在全开模式(饱和区)及全闭模式(截止区)之间切换,这两个模式都有低耗散的特点,切换之间的转换会有较高的耗散,但时间很短,因此比较节省能源,产生废热较少。理想上,开关电源本身是不会消耗电能的。电压稳压是透过调整晶体管导通及断路的时间来达到。相反的,线性电源在产生输出电压的过程中,晶体管工作在放大区,本身也会消耗电能。开关电源的高转换效率是其一大优点,而且因为开关电源工作频率高,可以使用小尺寸、轻重量的变压器,因此开关电源也会比线性电源的尺寸要小,重量也会比较轻。

  若电源的高效率、体积及重量是考虑重点时,开关电源比线性电源要好。不过开关电源比较复杂,内部晶体管会频繁切换,若切换电流尚加以处理,可能会产生噪声及电磁干扰影响其他设备,而且若开关电源没有特别设计,其电源功率因数可能不高。

  主要类型

  现代开关电源有两种:一种是直流开关电源;另一种是交流开关电源。

  开关电源内部结构

  这里主要介绍的只是直流开关电源,其功能是将电能质量较差的原生态电源(粗电),如市电电源或蓄电池电源,转换成满足设备要求的质量较高的直流电压(精电)。直流开关电源的   是 DC/DC 转换器。因此直流开关电源的分类是依赖 DC/DC 转换器分类的。也就是说,直流开关电源的分类与 DC/DC 转换器的分类是基本相同的,DC/DC 转换器的分类基本上就是直 流开关电源的分类。

  直流 DC/DC 转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类:一类是有隔离的称为隔离式 DC/DC 转换器;另一类是没有隔离的称为非隔离 式 DC/DC 转换器。

  隔离式 DC/DC 转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的 DC/DC 转换器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)两种。双管 DC/DC 转换器 有双管正激式(DoubleTransistor Forward Converter),双管反激式(Double Transistor Flyback Converter)、推挽式(Push-Pull Converter) 和半桥式(Half-Bridge Converter)四种。四管 DC/DC 转换器就是全桥 DC/DC 转换器(Full-Bridge Converter)。

  非隔离式 DC/DC 转换器,按有源功率器件的个数,可以分为单管、双管和四管三类。

  单管 DC/DC 转换器共有六种,即降压式(Buck)DC/DC 转换器 ,升压式(Boost)DC/DC 转换器、升压降压式(Buck Boost)DC/DC 转换器、Cuk DC/DC 转换器、Zeta DC/DC 转换器和 SEPIC DC/DC 转换器。在这六种 单管 DC/DC 转换器中,Buck 和 Boost 式 DC/DC 转换器是基本的,Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC 式 DC/DC 转换器是从中派生出来的。双管 DC/DC 转换 器有双管串接的升压式(Buck-Boost)DC/DC 转换器。四管 DC/DC 转换器常用的是全桥 DC/DC 转换器(Full-Bridge Converter)。

  隔离式 DC/DC 转换器在实现输出与输入电气隔离时,通常采用变压器来实现,由于变压器具有变压的功能,所以有利于扩大转换器的输出应用 范围,也便于实现不同电压的多路输出,或相同电压的多种输出。

  在功率开关管的电压和电流定额相同时,转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多,DC/DC 转换器的输出功率越大,四管式比两管式输出功率大一倍,单管式输出功率只有四管式的 1/4。

  非隔离式转换器与隔离式转换器的组合,可以得到单个转换器所不具备的一些特性。

  按能量的传输来分,DC/DC 转换器有单向传输和双向传输两种。具有双向传输功能的 DC/DC 转换器,既可以从电源侧向负载侧传输功率,也可 以从负载侧向电源侧传输功率。

  DC/DC 转换器也可以分为自激式和他控式。借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器,叫做自激式转换器,如洛耶尔 (Royer)转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。他控式 DC/DC 转换器中的开关器件控制信号,是由外部专门的控制电路产生的。

  按照开关管的开关条件,DC/DC 转换器又可以分为硬开关(Hard Switching)

  开关电源

  开关电源

  和软开关(Soft Switching)两种。硬开关 DC/DC 转换器的开关器件 是在承受电压或流过电流的情况下,开通或关断电路的,因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗,即所谓的开关损耗(Switching loss)。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的,而且开关频率越高,开关损耗越大,同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生 电容的振荡,带来附加损耗,因此,硬开关 DC/DC 转换器的开关频率不能太高。软开关 DC/DC 转换器的开关管,在开通或关断过程中,或是加于 其上的电压为零,即零电压开关(Zero-Voltage-Switching,ZVS),或是通过开关管的电流为零,即零电流开关(Zero-Current·Switching,ZCS)。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗,以及开关过程中激起的振荡,使开关频率可以大幅度提高,为转换器的小型化和模块化创造 了条件。功率场效应管(MOSFET)是应用较多的开关器件,它有较高的开关速度,但同时也有较大的寄生电容。它关断时,在外电压的作用下, 其寄生电容充满电,如果在其开通前不将这一部分电荷放掉,则将消耗于器件内部,这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗,功率场 效应管宜采用零电压开通方式(ZVS)。绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar tansistor,IGBT)是一种复合开关器件,关断时的电流拖 尾会导致较大的关断损耗,如果在关断前使流过它的电流降到零,则可以显着地降低开关损耗,因此 IGBT 宜采用零电流(ZCS)关断方式。IGBT 在 零电压条件下关断,同样也能减小关断损耗,但是 MOSFET 在零电流条件下开通时,并不能减小容性开通损耗。谐振转换器(ResonantConverter ,RC)、准谐振转换器(Qunsi-Tesonant Converter,QRC)、多谐振转换器(Multi-ResonantConverter,MRC)、零电压开关 PWM 转换器(ZVS PWM Converter)、零电流开关 PWM 转换器(ZCS PWM Converter)、零电压转换(Zero-Voltage-Transition,ZVT)PWM 转换器和零电流转换(Zero- Voltage-Transition,ZVT)PWM 转换器等,均属于软开关直流转换器。电力电子开关器件和零开关转换器技术的发展,促使了高频开关电源的发展。

  工作原理

  与线性电源相比,PWM 开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”,即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

  开关电源伯特图

  脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波,其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。   这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

  控制器的主要目的是保持输出电压稳定,其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器,可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于,误差放大器的输出(误差电压)在驱动功率管之前要经过一个电压 / 脉冲宽度转换单元。

  开关电源有两种主要的工作方式:正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小,但是工作过程相差很大,在特定的应用场合下各有优点。

  1、开关:电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态

  2、高频:电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频

  3、直流:开关电源输出的是直流而不是交流


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