开关电源:优化电子产品中的能源使用

出处:网络整理 发布于:2024-07-05 16:53:25

  电压转换器是许多技术系统的支柱。根据应用的不同,所需的电源单元由变压器、整流器 AC/DC 转换器实现。当高性能开关电源尚未上市时,几乎只使用 50 Hz 变压器解决方案。
  电源注意事项
  电能几乎完全以三相电流的形式提供,系统电压为 10 ...30 kV~在供电设备中,在38 kV~的电压下长距离传输。5 V、12 V、24 V等电子直流电压通过变压器从高传输电压通过变压器转换为220 V~/230 V~电压,经过整流、平滑和稳定。选择电源的特点是价格、可靠性、可用性、使用标准组件还是特殊解决方案、所需功率、无需宽范围输入是/否 110 V~ ...230 V~ 带/不带功率因数、工作温度、EMC、效率、MTBF、尺寸、重量、插头和安装类型等外形尺寸。
  在 1970 年代,解决方案通常由 50 Hz 变压器、桥式整流器和平滑组件组成,可能还具有下游 U 稳定。问题是,购置成本在多大程度上应该成为购买决策的决定因素?运营、维护和更换成本可能是一个不容忽视的因素。在运行仅 24 - 36 个月后,使用更节能的解决方案是值得的。对于工业品,通常采用十年的折旧期。然而,这些机器的运行时间通常是原来的两倍。现在有必要考虑使用节能解决方案是否以及在多大程度上可以降低能源供应公司的操作系统成本。

  许多电子设备需要稳定的直流电压。能量通过交流电压电厂的电源和网络传输。这意味着必须首先在使用点从交流电压产生直流电压。电压产生方法既影响运行安全,又影响运行成本。

  在引入高频电源解决方案之前,随着快速开关、低阻抗半导体的出现,高频电源解决方案现已占据主导地位,50 Hz 变压器、桥式整流器和平滑电容器的解决方案主要用于将 220 V~/230 V~ 市电电压转换为 24 V 和其他经常需要的直流电压。变压器解决方案可在初级电路 (230 V~) 和次级电路(例如 12 V、24 V)之间实现电流隔离。

  图 1.经典的 50 Hz 变压器 – 整流器解决方案,导致高能源成本。图片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
  由于用桥式整流器和平滑电解电容器加载变压器的特殊方式,脉冲电流产生230V~初级电路。
  电表以有效值进行校准。脉冲电流会导致电流产生不同的 RMS 值,尽管电荷载流子流量相同,但仍会计算该值。
  i = C * dU / dt (1)
  i = dq / dt (2)
  由等式(1)进行转换:
  i * dt = C * dU (1a)
  在直流侧,需要一定的功率或能量来执行工作。
  dW = u * i * dt (3)
  将公式(1a)中的表达式代入公式(3)可得到
  dW = u * C * dU (3a)
  如果两边都一体化,结果是
  W(工作、劳动力、能源)= ∫dw = C * ∫U*dU = 1/2 * C*U? W = 1/2 * C*U? (4)
  从公式中电压的平方,您可以直接看到能量或功不随电压线性变化。波峰因数 ξr = ? / Ieff 越高,电费越高。
  精力充沛,工作
  W = P * t (5)
  电容器、蓄电池现在可以通过各种方式填充,即用电荷载流子 (q) “填充”。在这种情况下,特别令人感兴趣的是交流侧所需的能量。
  示例:在直流侧,需要 P = 50W 的电功率和电压 U = 24V。存储单元(电池)中的能量应足以满足 t = 24h 的运行时间。
  E = 50W * 24h = 1'200Wh (6)
  电流 I 的计算公式如下:
  I = P/U = 50VA / 24V = 2.08A (7)
  电池的存储容量为 C = 2.1A * 24h / 24V (8)
  电池电量:Q = I * t = 2.08A * 24h = 50 Ah (9)

  该电荷必须由交流电压源提供。此外,交流电压源必须提供所涉及的电路元件的损耗。为清楚起见,这些损失将被省略。

  图2.红线表示整流器输入电压,绿线表示高谐波和功率因数差的脉冲电流。图片由 Bodo's Power Systems 提供
  使用直流或交流正弦电流(整流值)和脉冲电流(红色)充电时,提供的电量必须相同,否则电池、蓄电池和电容器将以不同的速率充电。电荷的表面积必须相同。
  Q = I * t 直流电
  Q = 2 * ? / π 桥后整流器正弦
  Q = iRE * tp tp = T/12 具有典型值。电流流角 Φ = 30°,适用于带平滑电解电容器的桥式整流器。
  P 负载50 Hz 变压器 + 光滑帽。每年的费用PFC解决方案每年的差异
  千瓦时€千瓦时€
  25 瓦55.55W * 365 *24h = 486.697,3228W*365*24=245.449.08
  50 瓦111.1W * 365 *24h = 973.2194,6756W*365*24h=490.898.16
  100 瓦222.2W * 365 *24h = 1'946.6389,33112W*365*24h=981.6196.42
  但是,要将相同数量的电荷传输到直流电压侧 24 V,必须向交流电压侧施加不同量的功(能量)。
  为了仅比较波形的影响,必须将充电时间(t)设置为相同的值。
  1 次完全充电的能量
  a) 直流电 E = 24 V * 2.08 A * 24 h = 1,200 Wh
  b) 交流正弦波形
  P = U埃夫*我埃夫= 50 W(变压器、整流器无损耗)
  以下内容适用于辅助侧:
  Q = 50 Wh  = 50 Ah/24h = 2.083 A * π / 2 = 3.25 A
  这导致 I艾夫=  / √2 = 2.31 安培
  UE,eff= 230 V~ 埃夫= 50 伏/230 伏伊芙= 0.217 安培
  c) 如果能量以脉冲形式传输到次级直流电压侧,则会产生以下比率:
  所需电荷 Q = 50 Ah
  我RE,puls =I = 1/T ∫ iRE,普尔斯* DT
  我RE,普尔斯= 6 * I,因为电荷载流子传输发生在 T/12 中每个正弦半波,即每个完整的正弦输入振荡 2 倍。因此,电流必须大 6 倍,以便将相同数量的电荷传递到周期持续时间为 T 的 T/6 中的次级侧。
  输入电流的有效值(也计费)计算如下:
  T埃夫= 1/吨 ∫(6*I)dt = 1/吨 * 36 * 吨/6
  这导致 I得夫,普尔世= √6 = 2.45 倍。
  因此,波峰因子为:ξr= / 我伊芙= 6 * I / √& * I = √6 = 2.45
  在 10 W 至 75 W 功率范围内的许多电源应用中,当在输入中使用非线性元件的消费类设备(例如桥式整流器电路)连接到 230 V~ 电源时,通常会不被注意地出现高能耗。此类电器的所谓功率因数 λ 通常仅在 0.3 到 0.6 之间。由于能源供应公司的电能表是以有效值校准的,因此确保消费电器的高效能源消耗非常重要。否则,它将很昂贵。只要电能成本为5-6美分,这种考虑就没有发挥如此重要的作用。但是,以今天20美分/千瓦时的成本,这是浪费钱。
  由于积分发生在底部和顶部边界内(示例中的电流发生在 60° 和 90° 之间,对应于 T/12 相对于 2 个正弦半波),这意味着在一个完整周期 T 内发生两次。
  因此,我RE,普尔斯将比 I 高 6 倍,用于向次级路径转移的 eual 电荷。
  假设能源成本:20美分/千瓦时
  根据以下假设计算:
  ξr = 2,22 o. 功率因数 PF = 0.45 和 365 * 24h 工作时间
  η = 0.92
  ξr o. PF = 功率因数;λ = 有功功率/视在功率
  η = 效率
  开关电源的差异
  具有正弦电流消耗的开关模式电源可以在这方面提供帮助。但是,它们的工作方式存在差异。经典解决方案是升压转换器,由存储扼流圈、MOSFET trs组成。整流二极管、平滑电容器和带有各种附加组件的 IC 电路,初产生约 380 V 的中间电路电压......400 V DC 来自整流电源电压。下游DC/DC转换器,同样在50 kHz≥的高频工作频率下,产生所需的5 V、12 V 24 V的次级电压,与电源侧电气隔离,短路和开路保护。
  然而,Grau Elektronik 电源装置使用 PFC 变压器解决方案,该解决方案遵循正弦输入电流曲线,因此具有低波峰因数和高功率因数 λ,并限度地减少了电路元件。通过使用瞬态抗元件,电源瞬态为 1.6 ...2.3 * UE,nenn对于 T <= 0.1 毫秒,也可以处理。
关键词:开关电源

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