开关电源基本知识

2019-06-14 21:08字体:
  

体积小,重量轻,输入电压范围大,效率高是其主要特点。

但是由于调整管处于线性放大区域,管子两端的压降不能过小,否则电源波动会超出稳压能力。管子耗散的功率=管压降*管子电流(通常比输出电流略大一点点)是很可观的能量损失。并且产生了热需要很大的散热器。有些场合,需要高效率,有些场合需要高稳定性,有些场合又有体积要求(散热器受限制)或是密封等等。

到今天,电已经深入生产生活的各个角落。可以说,电是人类利用最广泛的二次能源。

这个要从电源的发展说起了。

由于功率半导体只工作在开通(过饱和)和关断两种状态,故此称为开关电源,国内早期译做斩波电源。

由此而开启关于开关电源的研究与生产序幕。

随着半导体业的发展,对电源的要求也越来越高。电压朝着低的方向发展,而体积重量要求也月来越苛刻。

我们通常所接触的、所用的电源中,许多都是开关电源。那么开关电源到底是什么呢?

于此,提出了开关电源电路。当时,开关电源电路或多或少的受到一些数字电路的启发。

PFM模式应用的比较早,主要特点是工作频率比较高,所以功率密度大,开关工作于“软开关”状态。所谓软开关是指在半导体开关器件开通或关断前开关器件两端电压或电流处于0状态,此时关,则由于只有电压或电流,故其乘积--开关损耗为零,实际是一个很小值。所以器件工作时,并无多少热量产生,器件寿命得以延长。但是因为开关频率随负载变动,且范围比较大,故后级滤波器比较难设计,部分抵消了他的优势。并且器件的应力也比较大。

在最初电子管时代,就有一些利用气体击穿效应制造的稳压管。属于现代稳压电源的鼻祖。然后也产生了利用电子三极管稳压的一些稳压装置。当时主要是给一些要求严格的电子管电路供电,如飞机的航电系统、雷达系统等等。

之后,随着电磁转换的深入研究,实现了电-热、电-光、电-动等各种电到其他能量间的转换手段和理论逐步完善,化学电源已经无法满足应用了。于是基于发电机的动-电转换电源开始走上舞台。同我们今天普遍使用的交流电不同的是,起初人们是用直流发电机做电源的。爱迪生和他的同伙们成立了一个电力公司,就是架设的直流输电系统。但是,因为直流电不能方便的转换成各种电压,所以,输电线的电压等级不能过高,导致线路压降过大。当时最远输电不过几英里范围。由此,人们根据变压器原理提出交流输电系统,并迅速推广。有趣的是,当时爱迪生异常顽固的反对交流输电系统,甚至用高压交流电电死一条狗--以此来说明交流输电系统的不安全性。

因为在传统的电源里,体积重量最大的往往是变压器,而减小变压器的直接有效的手段就是提高电源频率。于是各种拓扑结构纷纷被提出。许多电路在今天依然在大量应用。

一、开关电源的工作原理

最开始的时候,人们利用的是化学电源,主要是各种原电池。当然,哪个时候电力系统远没有现在这么发达重要。电源主要是供一些物理学家研究电现象使用。

由于技术原因,电网的频率通常是50/60HZ。飞机上是400HZ,普遍比较低。主要是因为当时的变压器主要利用铁心制造。而当时的冶金技术还不能制造出在高频下损耗低的材料。

当半导体器件工作在开通和关断状态时,其两端的UI乘积远远小于通常线性状态,所以损失的功率非常小。并且变压器的体积重量也很小,所用材料成本也小很多。

随着晶体管时代的到来,电子管电路走向没落。齐纳击穿二极管代替了电子稳压管,晶体三极管代替了电子管。大量线性稳压电路涌现出来,有简单的齐纳二极管稳压电路、射极跟随器、带负反馈调整的稳压电路等等。

最早采用开关电源的,应该是美国的阿波罗登月计划了。

通过改变直流脉冲的频率、相位、宽度,出现了三种工作模式PFM( Pulse Frequency Munition)、PPM(Pulse Phase Modulation)、PWM(Pulse-Width Modulation )。

开关电源是利用半导体器件将直流电源调制成可以通过变压器传递的各种脉冲波形,并且频率远远高于电网频率,发这种高频电流通过体积重量都小很多的高频变压器传递,然后在重新整流滤波作为输出。

PPM模式是通过改变脉冲的相位来工作的。典型电路是各种移相全桥软开关电路。其特点是拓扑结构适合大功率变换,并且容易实现软开关特性。频率固定,控制相对容易。主要应用于各种高功率变换场合从几百到几十千瓦。

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