主回路-開關(guān)電源的分析

隨著各種技術(shù)的發(fā)展，主回路-開關(guān)電源在各個(gè)產(chǎn)品中應(yīng)用。主回路-開關(guān)電源中，功率電流流經(jīng)的通路。主回路一般包含了開關(guān)電源中的開關(guān)器件、儲(chǔ)能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器、等所有功率器件，以及供電輸入端和負(fù)載端。開關(guān)電源1是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間

開關(guān)電源主回路可以分為隔離式與非隔離式兩大類型。

1. 非隔離式電路的類型：

非隔離--輸入端與輸出端電氣相通，沒有隔離。

1.1. 串聯(lián)式結(jié)構(gòu)

串聯(lián)--在主回路中開關(guān)器件(下圖中所示的開關(guān)三極管T)與輸入端、輸出端、電感器L、負(fù)載RL四者成串聯(lián)連接的關(guān)系。

開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，輸入端電源通過(guò)開關(guān)管T及電感器L對(duì)負(fù)載供電，并同時(shí)對(duì)電感器L充電，對(duì)負(fù)載R繼續(xù)供電，從而保證了負(fù)載端獲得連續(xù)的電流。

上圖是在圖1-1-a電路的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)整流二極管和一個(gè)LC濾波電路。其中L是儲(chǔ)能濾波電感，它的作用是在控制開關(guān)K接通期間Ton限制大電流通過(guò)，C是儲(chǔ)能濾波電容，它的作用是在控制開關(guān)K接通期間Ton把流過(guò)儲(chǔ)能電感L的部分電流轉(zhuǎn)化成電荷進(jìn)行存儲(chǔ)，然后在控制開關(guān)K關(guān)斷期間Toff把電荷轉(zhuǎn)化成電流繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出;D是整流二極管，主要功能是續(xù)流作用，故稱它為續(xù)流二極管，其作用是在控制開關(guān)關(guān)斷期間Toff,給儲(chǔ)能濾波電感L釋放能量提供電流通路。

在控制開關(guān)關(guān)斷期間Toff,儲(chǔ)能電感L將產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，流過(guò)儲(chǔ)能電感L的電流iL由反電動(dòng)勢(shì)eL的正極流出，通過(guò)負(fù)載R,再經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管D的正極，然后從續(xù)流二極管D的負(fù)極流出，最后回到反電動(dòng)勢(shì)eL的負(fù)極。

對(duì)于圖1-2,如果不看控制開關(guān)T和輸入電壓Ui,它是一個(gè)典型的反г 型濾波電路，它的作用是把脈動(dòng)直流電壓通過(guò)平滑濾波輸出其平均值。

串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓uo的平均值Ua為：

1.2. 并聯(lián)式結(jié)構(gòu)

并聯(lián)--在主回路中，相對(duì)于輸入端而言，開關(guān)器件與輸出端負(fù)載成并聯(lián)連接的關(guān)系。

開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，輸入端電源通過(guò)開關(guān)管T對(duì)電感器L充電，同時(shí)續(xù)流二極管D關(guān)斷，負(fù)載R靠電容器存儲(chǔ)的電能供電;當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，輸入端電源電壓與電感器L中的自感電動(dòng)勢(shì)正向疊加后，通過(guò)續(xù)流二極管D對(duì)負(fù)載R供電，并同時(shí)對(duì)電容器C充電。

由此可見，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)中，可以獲得高于輸入電壓的輸出電壓，因此為升壓式變換。并且為了獲得連續(xù)的負(fù)載電流，并聯(lián)結(jié)構(gòu)比串聯(lián)結(jié)果對(duì)輸出濾波電容C的容量有更高的要求。例如boots拓?fù)湫偷拈_關(guān)電源就是屬于并聯(lián)型式的開關(guān)電源。

并聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓Uo為：

boots拓?fù)漭敵鲭妷篣o:Uo=Ui(1+D/1-D)=Ui(1/1-D)(D 為占空比)

1.3.極性反轉(zhuǎn)型變換器結(jié)構(gòu)(inverting)

極性反轉(zhuǎn)--輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結(jié)構(gòu)特征是：在主回路中，相對(duì)于輸入端而言，電感器L與負(fù)載成并聯(lián)。(也是串聯(lián)式開關(guān)電源的一種，一般又稱為反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源)

這種反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源與一般串聯(lián)式開關(guān)電源的區(qū)別是，這種反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出的電壓是負(fù)電壓，正好與一般串聯(lián)式開關(guān)電源輸出的正電壓極性相反;并且由于儲(chǔ)能電感能產(chǎn)生電感作用的元件統(tǒng)稱為電感原件，常常直接簡(jiǎn)稱為電感。電感器在電子制作中雖然使用得不是很多，但它們?cè)陔娐分型瑯又匾?。我們認(rèn)為電感器和電容器一樣，也是一種儲(chǔ)能元件，它能把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌?chǎng)能，并在磁場(chǎng)中儲(chǔ)存能量。

L只在開關(guān)K關(guān)斷時(shí)才向負(fù)載輸出電流，因此，在相同條件下，反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出的電流比串聯(lián)式開關(guān)電源輸出的電流小一倍。

開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，工作過(guò)程與并聯(lián)式結(jié)構(gòu)相似，當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，輸入端電源通過(guò)開關(guān)管T對(duì)電感器L充電，同時(shí)續(xù)流二極管D關(guān)斷，并同時(shí)對(duì)電容器C充電;由于續(xù)流二極管D的反向極性，使輸出端獲得相反極性的電壓輸出。

反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓Uo為：

由(1-27)式可以看出，反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓與輸入電壓與開關(guān)接通的時(shí)間成正比，與開關(guān)關(guān)斷的時(shí)間成反比。

2. 隔離式電路的類型：

隔離--輸入端與輸出端電氣不相通，通過(guò)脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量，輸入輸出完全電氣隔離。

2.1. 單端正激式 single Forward Converte

r(又叫單端正激式變壓器開關(guān)電源 )

單端--通過(guò)一只開關(guān)器件單向驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器;[!--empirenews.page--]

正激式：就是只有在開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候，能量才通過(guò)變壓器或電感向負(fù)載釋放，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉的時(shí)候，就停止向負(fù)載釋放能量。目前屬于這種模式的開關(guān)電源有：串聯(lián)式開關(guān)電源，buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)電源，激式變壓器開關(guān)電源、推免式、半橋式、全橋式都屬于正激式模式。

反激式：就是在開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候存儲(chǔ)能量，只有在開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候釋放才向負(fù)載釋放能量。屬于這種模式的開關(guān)電源有：并聯(lián)式開關(guān)電源、boots、極性反轉(zhuǎn)型變換器、反激式變壓器開關(guān)電源。

正激變壓器--脈沖變壓器的原/付邊相位關(guān)系，確保在開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊時(shí)，變壓器付邊同時(shí)對(duì)負(fù)載供電。

所謂正激式變壓器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正在被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈正好有功率輸出。

U1是開關(guān)電源的輸入電壓，N是開關(guān)變壓器，T是控制開關(guān)，L是儲(chǔ)能濾波電感，C是儲(chǔ)能濾波電容，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰二極管，RL是負(fù)載電阻。

在上圖中，需要特別注意的是開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈的同名端。如果把開關(guān)變壓器初線圈或次級(jí)線圈的同名端弄反，上圖就不再是正激式變壓器開關(guān)電源了

該電路的最大問(wèn)題是：開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，脈沖變壓器處于"空載"狀態(tài)，其中儲(chǔ)存的磁能將被積累到下一個(gè)周期，直至電感器飽和，使開關(guān)器件燒毀。圖中的D3與N3構(gòu)成的磁通復(fù)位電路，提供了泄放多余磁能的渠道。

2.2. 單端反激式 Single F1yback Converter(單端反激式變壓器開關(guān)電源)

所謂反激式變壓器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。

反激式電路與正激式電路相反，脈沖變壓器的原/付邊相位關(guān)系，確保當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊時(shí)，變壓器付邊不對(duì)負(fù)載供電，即原/付邊交錯(cuò)通斷。從電路原理圖上看，反激式與正激式很相象，表面上只是變壓器同名端的區(qū)別，但電路的工作方式不同，D3、N3的作用也不同。

反激式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓為：

(1-110)式中，Uo為反激式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓，Ui變壓器初級(jí)線圈輸入電壓，D為控制開關(guān)的占空比，n為變壓器次級(jí)線圈與初級(jí)線圈的匝數(shù)比。

2.3. 推挽 Push pull (變壓器中心抽頭)式

這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，脈沖變壓器原邊是兩個(gè)對(duì)稱線圈，兩只開關(guān)管接成對(duì)稱關(guān)系，輪流通斷，工作過(guò)程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。

主要優(yōu)點(diǎn)：高頻變壓器磁芯利用率高(與單端電路相比)、電源電壓利用率高(與后面要敘述的半橋電路相比)、輸出功率大、兩管基極均為低電平，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。

主要缺點(diǎn)：變壓器繞組利用率低、對(duì)開關(guān)管的耐壓要求比較高(至少是電源電壓的兩倍)。

2.4. 全橋式 Full Bridge Converter

這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：由四只相同的開關(guān)管接成電橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊。

圖中T1、T4為一對(duì)，由同一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)通/關(guān)端;T2、T3為另一對(duì)，由另一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)通/關(guān)端。兩對(duì)開關(guān)管輪流通/斷，在變壓器原邊線圈中形成正/負(fù)交變的脈沖電流。

主要優(yōu)點(diǎn)：與推挽結(jié)構(gòu)相比，原邊繞組減少了一半，開關(guān)管耐壓降低一半。

主要缺點(diǎn)：使用的開關(guān)管數(shù)量多，且要求參數(shù)一致性好，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)同步比較困難。這種電路結(jié)構(gòu)通常使用在1KW以上超大功率開關(guān)電源電路中。

2.5. 半橋式 Half Bridge Converter

電路的結(jié)構(gòu)類似于全橋式，只是把其中的兩只開關(guān)管(T3、T4)換成了兩只等值大電容C1、C2.

主要優(yōu)點(diǎn)：具有一定的抗不平衡能力，對(duì)電路對(duì)稱性要求不很嚴(yán)格;適應(yīng)的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以;開關(guān)管耐壓要求較低。這種電路常常被用于各種非穩(wěn)壓輸出的DC變換器，如電子熒光燈驅(qū)動(dòng)電路中。