隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展,電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切,而電子設(shè)備都離不開可靠的電源,進(jìn)入80年代計算機(jī)電源全面實現(xiàn)了開關(guān)電源化,完成計算機(jī)的電源換代,進(jìn)入90年代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域,程控交換機(jī)、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源,更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。
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,但二者增長速率各異。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。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)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,這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。
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(jìn)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。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在安防監(jiān)控,節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。
主要用途開關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱、空氣凈化器,電子冰箱,液晶顯示器,LED燈具,通訊設(shè)備,視聽產(chǎn)品,安防監(jiān)控,LED燈袋,電腦機(jī)箱,數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領(lǐng)域。
編輯本段主要類型現(xiàn)代開關(guān)電源有兩種:一種是直流開關(guān)電源;另一種是交流開關(guān)電源。 開關(guān)電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)
這里主要介紹的只是直流開關(guān)電源,其功能是將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電源(粗電),如市電電源或蓄電池電源,轉(zhuǎn)換成滿足設(shè)備要求的質(zhì)量較高的直流電壓(精電)。直流開關(guān)電源的核心是DC/DC轉(zhuǎn)換器。因此直流開關(guān)電源的分類是依賴DC/DC轉(zhuǎn)換器分類的。也就是說,直流開關(guān)電源的分類與DC/DC轉(zhuǎn)換器的分類是基本相同的,DC/DC轉(zhuǎn)換器的分類基本上就是直 流開關(guān)電源的分類。
直流DC/DC轉(zhuǎn)換器按輸入與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類:一類是有隔離的稱為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器;另一類是沒有隔離的稱為非隔離 式DC/DC轉(zhuǎn)換器。
隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的個數(shù)來分類。單管的DC/DC轉(zhuǎn)換器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)兩種。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器 有雙管正激式(DoubleTransistor Forward Converter),雙管反激式(Double Transistr Flyback Converter)、推挽式(Push-Pull Converter) 和半橋式(Half-Bridge Converter)四種。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器就是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器(Full-Bridge Converter)。
非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器,按有源功率器件的個數(shù),可以分為單管、雙管和四管三類。 開關(guān)電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
單管DC/DC轉(zhuǎn)換器共有六種,即降壓式(Buck)DC/DC轉(zhuǎn)換器 ,升壓式(Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器、升壓降壓式(Buck Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器、Cuk DC/DC轉(zhuǎn)換器、Zeta DC/DC轉(zhuǎn)換器和SEPIC DC/DC轉(zhuǎn)換器。在這六種 單管DC/DC轉(zhuǎn)換器中,Buck和Boost式DC/DC轉(zhuǎn)換器是基本的,Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC轉(zhuǎn)換器是從中派生出來的。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換 器有雙管串接的升壓式(Buck-Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器常用的是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器(Full-Bridge Converter)。
隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器在實現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離時,通常采用變壓器來實現(xiàn),由于變壓器具有變壓的功能,所以有利于擴(kuò)大轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)用 范圍,也便于實現(xiàn)不同電壓的多路輸出,或相同電壓的多種輸出。
在功率開關(guān)管的電壓和電流定額相同時,轉(zhuǎn)換器的輸出功率通常與所用開關(guān)管的數(shù)量成正比。所以開關(guān)管數(shù)越多,DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出功率越大,四管式比兩管式輸出功率大一倍,單管式輸出功率只有四管式的1/4。
非隔離式轉(zhuǎn)換器與隔離式轉(zhuǎn)換器的組合,可以得到單個轉(zhuǎn)換器所不具備的一些特性。
按能量的傳輸來分,DC/DC轉(zhuǎn)換器有單向傳輸和雙向傳輸兩種。具有雙向傳輸功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器,既可以從電源側(cè)向負(fù)載側(cè)傳輸功率,也可 以從負(fù)載側(cè)向電源側(cè)傳輸功率。
DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以分為自激式和他控式。借助轉(zhuǎn)換器本身的正反饋信號實現(xiàn)開關(guān)管自持周期性開關(guān)的轉(zhuǎn)換器,叫做自激式轉(zhuǎn)換器,如洛耶爾 (Royer)轉(zhuǎn)換器就是一種典型的推挽自激式轉(zhuǎn)換器。他控式DC/DC轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)器件控制信號,是由外部專門的控制電路產(chǎn)生的。
按照開關(guān)管的開關(guān)條件,DC/DC轉(zhuǎn)換器又可以分為硬開關(guān)(Hard Switching) 開關(guān)電源
和軟開關(guān)(Soft Switching)兩種。硬開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)器件 是在承受電壓或流過電流的情況下,開通或關(guān)斷電路的,因此在開通或關(guān)斷過程中將會產(chǎn)生較大的交疊損耗,即所謂的開關(guān)損耗(Switching loss)。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)一定時開關(guān)損耗也是一定的,而且開關(guān)頻率越高,開關(guān)損耗越大,同時在開關(guān)過程中還會激起電路分布電感和寄生 電容的振蕩,帶來附加損耗,因此,硬開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率不能太高。軟開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)管,在開通或關(guān)斷過程中,或是加于 其上的電壓為零,即零電壓開關(guān)(Zero-Voltage-Switching,ZVS),或是通過開關(guān)管的電流為零,即零電流開關(guān)(Zero-Current·Switching,ZCS)。這種軟開關(guān)方式可以顯著地減小開關(guān)損耗,以及開關(guān)過程中激起的振蕩,使開關(guān)頻率可以大幅度提高,為轉(zhuǎn)換器的小型化和模塊化創(chuàng)造 了條件。功率場效應(yīng)管(MOSFET)是應(yīng)用較多的開關(guān)器件,它有較高的開關(guān)速度,但同時也有較大的寄生電容。它關(guān)斷時,在外電壓的作用下, 其寄生電容充滿電,如果在其開通前不將這一部分電荷放掉,則將消耗于器件內(nèi)部,這就是容性開通損耗。為了減小或消除這種損耗,功率場 效應(yīng)管宜采用零電壓開通方式(ZVS)。絕緣柵雙極性晶體管(Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor,IGBT)是一種復(fù)合開關(guān)器件,關(guān)斷時的電流拖 尾會導(dǎo)致較大的關(guān)斷損耗,如果在關(guān)斷前使流過它的電流降到零,則可以顯著地降低開關(guān)損耗,因此IGBT宜采用零電流(ZCS)關(guān)斷方式。IGBT在 零電壓條件下關(guān)斷,同樣也能減小關(guān)斷損耗,但是MOSFET在零電流條件下開通時,并不能減小容性開通損耗。諧振轉(zhuǎn)換器(ResonantConverter ,RC)、準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器(Qunsi-Tesonant Converter,QRC)、多諧振轉(zhuǎn)換器(Mu1ti-ResonantConverter,MRC)、零電壓開關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器(ZVS PWM Converter)、零電流開關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器(ZCS PWM Converter)、零電壓轉(zhuǎn)換(Zero-Vo1tage-Transition,ZVT)PWM轉(zhuǎn)換器和零電流轉(zhuǎn)換(Zero- Vo1tage-Transition,ZVT)PWM轉(zhuǎn)換器等,均屬于軟開關(guān)直流轉(zhuǎn)換器。電力電子開關(guān)器件和零開關(guān)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的發(fā)展,促使了高頻開關(guān)電源的發(fā)展。
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