AC-DC 轉(zhuǎn)換器原理和設(shè)計(jì)介紹

AC-DC 轉(zhuǎn)換器是將交流電 (AC) 轉(zhuǎn)換為直流電 (DC) 的電子設(shè)備。其用途廣泛，包括需要直流電才能運(yùn)行的電子設(shè)備、家用電器、照明系統(tǒng)和電動(dòng)汽車。

介紹

AC-DC 轉(zhuǎn)換器使用各種電子元件，包括二極管和電容器。它們基于整流器的運(yùn)行，整流器允許從具有零平均值的波形開始獲得具有非零平均值的波形。大多數(shù)電源應(yīng)用都使用直流電壓，因此必須將正弦交流電壓(50 或 60 Hz)轉(zhuǎn)換為直流電壓。通常，使用變壓器和二極管整流器將輸入交流電轉(zhuǎn)換為直流電就足夠了，但如果所涉及的功率明顯較高，則元件的尺寸可能會(huì)更大。這些電路的主要元件是二極管，這是一種非線性元件，其輸出端的信號(hào)并不總是遵循其輸入端信號(hào)的趨勢(shì)，它用于使電流只沿一個(gè)方向流動(dòng)。在許多應(yīng)用中，它必須提供大量能量，因此有相當(dāng)堅(jiān)固和強(qiáng)大的功率模型可供選擇。在功率和高頻應(yīng)用中，一個(gè)非常重要的參數(shù)是恢復(fù)時(shí)間，即電流通過零點(diǎn)的瞬間和反向電流降至其最大峰值的 25% 的瞬間之間的時(shí)間。

整流器拓?fù)?

最重要的整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是半波、格雷茨橋和中心抽頭變壓器。半波整流器最簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)二極管和負(fù)載。圖 1 說明了該電路，包含以下元件：

· 50 Hz 正弦波發(fā)生器和 230 VAC (RMS) 輸出電壓

· 230 VAC(RMS)至 195 VAC(RMS)的電壓變壓器

· 整流二極管，本例中為 SiC 肖特基型號(hào)，功率為 650 V、4 A、9 W，最壞情況下

· 50 歐姆的電阻負(fù)載。

上面的第一個(gè)波形圖顯示流過負(fù)載的電流，該電流與流過二極管的電流相同。第二個(gè)波形圖分別顯示輸入電壓 (Vin)、二極管之前的正弦輸出電壓 (Vout1) 和齊納二極管之后的整流電壓 (Vout2) 的軌跡。因此，電路提供的輸出電壓的平均值不為零。這種電路的問題是效率低，并且即使在次級(jí)中電流的平均值也常常不為零。如下面的波形圖所示，二極管之前的電壓和二極管之后的電壓之間存在微小的電位差。這是由于“正向電壓”參數(shù)造成的，對(duì)于所使用的二極管，根據(jù)工作條件，該參數(shù)可以在 1.5 V 到 2.25 V 之間。由于二極管不是理想元件，因此它們的電位差會(huì)阻止達(dá)到最大峰值。在這種配置中，負(fù)載在半個(gè)信號(hào)周期內(nèi)沒有供電，因此會(huì)損失一半寶貴的正弦波。在這種類型的電路中，二極管的運(yùn)行非常關(guān)鍵，因?yàn)樗诿總€(gè)信號(hào)周期都會(huì)受到高電流峰值的壓力。為了降低紋波系數(shù)，可以使用 LC 濾波器。

圖 1：半波整流器

另一種整流器解決方案是 Graetz 電橋，如圖 2 所示，并附有其基本波形圖，即輸入軌跡 (Vin) 和輸出軌跡 (Vout)。要了解電橋的工作原理，必須檢查正弦輸入信號(hào)的交流電壓并觀察其代數(shù)符號(hào)。如果電壓為正，則二極管 D1 和 D4 導(dǎo)通，而 D2 和 D3 截止。另一方面，如果電壓為負(fù)，則二極管 D2 和 D3 導(dǎo)通，而 D1 和 D4 截止。在任何情況下，流過負(fù)載的電流始終指向同一方向。此配置也可用于連續(xù)電源。無論輸入電流的方向和方向如何，輸出電壓始終具有相同的方向，因此其使用可與初步極性保護(hù)電路進(jìn)行比較。圖示顯示了電橋的兩個(gè)等效電氣圖。在電力應(yīng)用中，串聯(lián)兩個(gè)電流傳導(dǎo)二極管可能會(huì)耗散相當(dāng)大的功率，因?yàn)槎O管兩端的壓降會(huì)相當(dāng)高。在這種配置中，輸出信號(hào)的頻率是輸入信號(hào)的兩倍。

圖 2：Graetz 橋式整流器

通過使用圖 3 所示的帶中心抽頭變壓器的整流器，可以獲得與 Graetz 電橋相同的效果，并降低可能的高耗散。此外，在這種情況下，其操作是雙重的，取決于輸入信號(hào)是正半波還是負(fù)半波。如果感應(yīng)電壓為正，則二極管 D1 導(dǎo)通，而 D2 截止。但是，如果感應(yīng)電壓為負(fù)，則二極管 D1 截止，而 D2 導(dǎo)通。該電路與在輸入信號(hào)的兩個(gè)相反相位上工作的半波整流器完全等效。由于一次只有一個(gè)二極管工作，因此不存在特殊的耗散問題，并且該解決方案可用于高功率應(yīng)用。

圖 3：帶有中心抽頭變壓器的整流器

從脈動(dòng)電壓到直流電壓

輸出電壓必須完全穩(wěn)定，沒有波紋和諧波，也不能有脈動(dòng)，如前面的電氣圖所示。這個(gè)目標(biāo)是通過使用具有濾波功能的大容量電容器來實(shí)現(xiàn)的。前面看到的整流器使我們能夠從零平均值電壓開始生成非零平均值波形。對(duì)于大多數(shù)設(shè)備，系統(tǒng)以參考地的直流正電壓工作，因此有必要從整流信號(hào)中提取直流分量。因此，有必要在整流器輸出端使用濾波電路，其任務(wù)是使負(fù)載上的電壓盡可能穩(wěn)定和較高。最重要的解決方案之一是 RC 濾波器。當(dāng)負(fù)載具有低阻抗特性時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)新的復(fù)雜情況，因?yàn)楹笳邥?huì)吸收大部分電流。因此，由于信號(hào)的正弦形狀，平滑電容器的任務(wù)是在斷電期間保持負(fù)載電壓穩(wěn)定。當(dāng)時(shí)間常數(shù) t = RC 與信號(hào)紋波的特征時(shí)間相比非常大時(shí)，該方案的性能會(huì)非常出色。電容器上的電壓增加到最大電壓，當(dāng)二極管進(jìn)入阻斷狀態(tài)時(shí)，電容器逐漸向負(fù)載放電，呈指數(shù)趨勢(shì)。該循環(huán)不斷重復(fù)。類似的 RC 濾波器由與負(fù)載并聯(lián)的大容量電解電容器組成。除了使電壓連續(xù)且為正之外，設(shè)計(jì)人員還必須盡可能減少甚至消除紋波信號(hào)，其程度取決于信號(hào)的頻率、濾波電容器的值，以及負(fù)載的電壓。通常，負(fù)載上的電壓包含一些交流電源電壓的痕跡，疊加在直流電壓上。這些紋波具有鋸齒形狀，頻率是輸入頻率的兩倍，是由負(fù)載吸收的電流引起的。電容器的值取決于設(shè)計(jì)人員可以接受的最大紋波百分比。低紋波率或無紋波率是高質(zhì)量電源的特征。圖 4 顯示了受紋波百分比影響的負(fù)載上的各種信號(hào)，具體取決于電解電容器的容量，如下所示：這些紋波具有鋸齒形狀，頻率是輸入頻率的兩倍，是由負(fù)載吸收的電流引起的。電容器的值取決于設(shè)計(jì)人員可以接受的最大紋波百分比。低紋波率或無紋波率是高質(zhì)量電源的特征。圖 4 顯示了受紋波百分比影響的負(fù)載上的各種信號(hào)，具體取決于電解電容器的容量，如下所示：這些紋波具有鋸齒形狀，頻率是輸入頻率的兩倍，是由負(fù)載吸收的電流引起的。電容器的值取決于設(shè)計(jì)人員可以接受的最大紋波百分比。低紋波率或無紋波率是高質(zhì)量電源的特征。圖 4 顯示了受紋波百分比影響的負(fù)載上的各種信號(hào)，具體取決于電解電容器的容量，如下所示：

· v(out1)：是不使用任何濾波電容的負(fù)載上的信號(hào)

· v(out2)：是帶有 100 uF 濾波電容的負(fù)載上的信號(hào)

· v(out3)：是帶有1000 uF濾波電容的負(fù)載上的信號(hào)

· v(out4)：是帶有10000 uF濾波電容的負(fù)載上的信號(hào)。

可以看出，電容越大，瞬態(tài)平衡所需的時(shí)間越長(zhǎng)。要獲得相當(dāng)可接受的信號(hào)，在本電路中，必須使用容量至少為 100,000 uF 的電解電容。對(duì)于濾波電容的大小，許多方程式可幫助設(shè)計(jì)人員獲得最佳效果。理想的濾波器是僅返回連續(xù)信號(hào)的濾波器，其紋波系數(shù)等于零，因此沒有任何交流分量。從理論上講，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該需要一個(gè)非常高值的電解電容，因?yàn)樗梢源_保緩慢放電和時(shí)不變的輸出電壓，并且紋波很小。然而在實(shí)踐中，濾波器容量的大幅增加并沒有帶來任何特殊的好處，反而增加了燃油系統(tǒng)的整體尺寸和成本。此外，增加電容器的電容量也會(huì)增加電流的峰值，可能損壞元件的電介質(zhì)，對(duì)二極管造成很大的壓力，并導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)過熱。

圖4：輸出電解電容的電容值決定了紋波的百分比

結(jié)論

交流-直流轉(zhuǎn)換的整流器應(yīng)用廣泛，為了獲得出色的效率，必須使用質(zhì)量?jī)?yōu)異的元件。對(duì)于大功率，必須采用極其高效的解決方案，因?yàn)橹恍韬苌俚脑湍塬@得性能不佳的系統(tǒng)。