開關(guān)電源結(jié)構(gòu)和基本原理-上課課件_第1頁(yè)
開關(guān)電源結(jié)構(gòu)和基本原理-上課課件_第2頁(yè)
開關(guān)電源結(jié)構(gòu)和基本原理-上課課件_第3頁(yè)
開關(guān)電源結(jié)構(gòu)和基本原理-上課課件_第4頁(yè)
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高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)1高頻開關(guān)電源

的結(jié)構(gòu)和基本原理高頻開關(guān)電源

的結(jié)構(gòu)和基本原理2一、

概述將電網(wǎng)或電池的一次電能,轉(zhuǎn)換為符合電子設(shè)備要求的二次電能,這樣的變換設(shè)備便是電源。電源是一切電子設(shè)備的心臟,沒(méi)有電源,電子設(shè)備就不可能工作。1.1.1電源是什么?1.1電源及開關(guān)電源電源常用的連接方式串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源高頻開關(guān)電源3一、概述將電網(wǎng)或電池的一次電能,轉(zhuǎn)換為符合電子設(shè)備要求的二1.1.2串聯(lián)穩(wěn)壓電源與開關(guān)電源的區(qū)分串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源:電源調(diào)整管工作在放大狀態(tài)。開關(guān)電源:電源調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)的電源。是具有高功率密度的電源。輸入電源調(diào)整管負(fù)載RL串聯(lián)穩(wěn)壓電源輸入開關(guān)管K負(fù)載RL儲(chǔ)能元件開關(guān)電源1.1.2串聯(lián)穩(wěn)壓電源與開關(guān)電源的區(qū)分串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源:電41.1.3開關(guān)電源的分類:按變換方式可分為下列四大類:(1):第一大類:AC/DC開關(guān)電源;(2):第二大類:DC/DC開關(guān)電源;(3):第三大類:DC/AC開關(guān)電源;(4):第四大類:AC/AC開關(guān)電源。但目前只將前兩類稱為開關(guān)電源,而將后兩類分別稱為逆變器和變頻器。開關(guān)電源逆變器變頻器51.1.3開關(guān)電源的分類:按變換方式可分為下列四大類:開A:一次電源產(chǎn)品的圖片(AC/DC)常見(jiàn)開關(guān)電源圖片6A:一次電源產(chǎn)品的圖片(AC/DC)常見(jiàn)開關(guān)電源圖片6B:工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片—標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(AC/DC)CPCISeriesofLambda

7B:工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片—標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(AC/DC)CPCISeC:工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片(AC/DC)HWSSeries

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8C:工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片(AC/DC)HWSSeriesoE:工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片(AC/DC)9E:工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片(AC/DC)9F:二次電源產(chǎn)品的圖片(DC/DC)--標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)類FullBrickHalfBrickHalfBrick1/4Brick1/8Brick10F:二次電源產(chǎn)品的圖片(DC/DC)--標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)類FullBG:二次電源產(chǎn)品的圖片(DC/DC)11G:二次電源產(chǎn)品的圖片(DC/DC)11彩電開關(guān)穩(wěn)壓電源彩電開關(guān)穩(wěn)壓電源121.2直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展

直流穩(wěn)壓電源是電子、電器、自動(dòng)化設(shè)備中最基本的部分。傳統(tǒng)的串聯(lián)式線性轉(zhuǎn)換方法設(shè)計(jì)制作的電源,其效率低,損耗大,溫升高。圖1-1晶體管串聯(lián)式線性穩(wěn)壓電源

1.2直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展直流穩(wěn)壓電源是電子、電13隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,大功率開關(guān)晶體管、快恢復(fù)二極管及其它元器件的電壓得到很大的提高,這為取消穩(wěn)壓電源中的工頻變壓器,發(fā)展高頻開關(guān)電源創(chuàng)造了條件。它使電源在小型化、輕量化、高效率等方面又邁進(jìn)了一步。圖1-3

無(wú)工頻變壓器的開關(guān)電源原理框圖

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,大功率開關(guān)晶體管、快恢復(fù)二極管及其它141.3無(wú)工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn):1.效率高。一般在70~80%以上。2.體積小、重量輕,隨著頻率的提高,收效更顯著。3.穩(wěn)壓范圍廣,一般交流輸入80~265V,負(fù)載作大幅度變化時(shí),性能很好。4.噪聲低,聲頻在20kHz以上時(shí),已是人耳聽不到的超聲波,而開關(guān)電源的工作頻率一般都大于此頻率;5.性能靈活,通過(guò)輸出隔離變壓器,可得到低壓大電流、高壓小電流;一個(gè)開關(guān)控制的一路輸入可得到多路輸出以及同號(hào)、反號(hào)等輸出;6.電壓維持時(shí)間長(zhǎng),為了適應(yīng)交流停電時(shí),計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代自動(dòng)化控制設(shè)備電源轉(zhuǎn)換的需要,開關(guān)電源可在幾十毫秒內(nèi)保證仍有電壓輸出。7.可靠性大,當(dāng)開關(guān)損壞時(shí),也不會(huì)有危及負(fù)載的高電壓出現(xiàn)。

1.3無(wú)工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn):15無(wú)工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源的不足之處:1.輸出紋波較大,約有10~100mV的峰峰值;2.脈沖寬度調(diào)制式的電路中,電壓、電流變化率大;3.控制電路比較復(fù)雜,對(duì)元器件要求高;4.動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間至少要大于一個(gè)開關(guān)周期,不如串聯(lián)式晶體管線性穩(wěn)壓電源。

無(wú)工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源的不足之處:16二、

開關(guān)電源工作原理

通過(guò)高頻開關(guān)技術(shù)將輸入的較高的交流電壓(AC)轉(zhuǎn)換為PC電腦工作所需要的較低的直流電壓(DC)

開關(guān)電源的中心思想:用提高工作頻率等手段來(lái)提高電源的功率密度,進(jìn)而達(dá)到減少變壓器的體積和重量的目的。采用開關(guān)變換的顯著優(yōu)點(diǎn)是大大提高了電能的轉(zhuǎn)換效率,典型的PC電源效率為70%-75%,而相應(yīng)的線性穩(wěn)壓電源的效率僅有50%左右。

輸出電壓的穩(wěn)定則:依賴對(duì)脈沖寬度的改變來(lái)實(shí)現(xiàn),這就叫做脈寬調(diào)制PWM。二、開關(guān)電源工作原理通過(guò)高頻開關(guān)技術(shù)將輸入17共軛濾波器整流濾波開關(guān)調(diào)整管儲(chǔ)能元件脈沖整流濾波取樣電路比較放大基準(zhǔn)220V交流電壓輸入功能:將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為電路所需要的各種穩(wěn)定的直流電壓2.1

高頻變壓器開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)

圖2-1高頻變壓器開關(guān)電源基本功能框圖直流電壓輸出共軛濾波器整流濾波開關(guān)調(diào)整管儲(chǔ)能元件脈沖整流濾波取樣電路比較18A.電路組成:B.作用:雙向?yàn)V波(一方面避免電網(wǎng)供電線引入高頻脈沖影響電子電路,另一方面,防止開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)造成污染。)S501C5010.1uL502220V市電

至整流濾波電路F501T2.5AC5020.1u2.2.1、進(jìn)線抗電磁干擾電路EMI2.2輸入共軛濾波及整流A.電路組成:S501C5010.1uL502220V市19C.工作原理:

對(duì)高頻干擾信號(hào)而言,電容呈短路,而電

感則呈開路。高頻干擾被電容短路。

對(duì)50Hz低頻而言,電容呈開路,而電感則呈短路。因此,50Hz市電可以順利通過(guò)。S501C5010.1uL502220V市電

至整流濾波電路F501T2.5AC5020.1uF501T2.5AS501C5010.1uL502220V市電

至整流濾波電路C5020.1uC.工作原理:

對(duì)高頻干擾信號(hào)而言,電容呈短路,而20輸入220V交流電壓的檢測(cè)220V交流輸入交流電壓500V檔正常值:220V±15%(187V~253V)共軛濾波器輸入220V交流電壓的檢測(cè)220V交流輸入交流電壓5021220V交流電壓整流濾波后直流電壓的檢測(cè)直流電壓500V檔來(lái)自共軛濾波器的220V交流電壓正常值為300V左右220V交流電壓整流濾波后直流電壓的檢測(cè)直流電壓500V檔來(lái)22電路中Q為開關(guān)管,工作于開關(guān)狀態(tài)(Q飽和導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于一只接通的開關(guān),Q截止時(shí)相當(dāng)于一只斷開的開關(guān))。電感L和電容C為儲(chǔ)能元件。RL為電源的負(fù)載。D為續(xù)流二極管,它在開關(guān)管截止時(shí)導(dǎo)通,保證電感L中的電流不中斷。2.3串聯(lián)型開關(guān)電源工作過(guò)程(降壓式BUCK)LQDCRL(a)串聯(lián)型開關(guān)電源基本電路+300V電路中Q為開關(guān)管,工作于開關(guān)狀態(tài)(Q飽和導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于一只接通23開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí),300V電源通過(guò)開關(guān)管Q,電感L和負(fù)載RL形成電流回路,同時(shí)向電容器C充電,在電感L和電容C中同時(shí)儲(chǔ)能。二極管D處于反向截止?fàn)顟B(tài)。由于電感L中突然出現(xiàn)電流,將在L兩端產(chǎn)生左正右負(fù)的自感電動(dòng)勢(shì),負(fù)載兩端電壓等于300V電源電壓與L兩端自感電動(dòng)勢(shì)之差。IQILICIRQ(b)開關(guān)管飽和時(shí)的等效電路D+300VRLLC+-開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí),300V電源通過(guò)開關(guān)管Q,電感L和負(fù)載RL24開關(guān)管截止時(shí),由于電感線圈中電流的突然中斷,將在電感L兩端產(chǎn)生左負(fù)右正的自感電動(dòng)勢(shì),該自感電動(dòng)勢(shì)使續(xù)流二極管D導(dǎo)通,形成電流回路。同時(shí),電容C也通過(guò)RL放電。可見(jiàn)負(fù)載電流由電感電流與電容放電電流兩路同時(shí)提供。雖然開關(guān)管截止了,但是負(fù)載電流并沒(méi)有中斷。ICILIDD(c)開關(guān)管截止時(shí)的等效電路Q+300VRLCL+-開關(guān)管截止時(shí),由于電感線圈中電流的突然中斷,將在電感L兩端產(chǎn)25圖2-1高頻變壓器開關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)框圖這類電源的共同特點(diǎn)是具有高頻變壓器、直流穩(wěn)壓是從變壓器次級(jí)繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來(lái)。變壓器原副邊是隔離的,輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。

2.4變壓器型開關(guān)電源工作過(guò)程圖2-1高頻變壓器開關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)框圖這類電源的共同特點(diǎn)262.4.1高頻變壓器變換電路工作方式分類按其工作方式可分為五類,每類傳輸?shù)墓β室膊幌嗤?,?yīng)用環(huán)境也稍有不同,如下所示:電路類型傳輸功率應(yīng)用環(huán)境單端反激式變換器20~100W小型儀器、儀表,家用電器等電源,自動(dòng)化設(shè)備中的控制電源單端正激式變換器50~200W小型儀器、儀表,家用電器等電源,自動(dòng)化設(shè)備中的控制電源推換式變換器100~500W控制設(shè)備,計(jì)算機(jī)等電源半橋式變換器100~5000W焊機(jī),超聲電源,計(jì)算機(jī)電源等全橋式變換器500W~30kW焊機(jī)、高頻感應(yīng)加熱,交換機(jī)等2.4.1高頻變壓器變換電路工作方式分類電路類型傳輸功率應(yīng)27開關(guān)管飽和導(dǎo)通,開關(guān)管電流在開關(guān)變壓器初級(jí)產(chǎn)生上正下負(fù)的自感電動(dòng)勢(shì),次級(jí)產(chǎn)生上負(fù)下正的互感電動(dòng)勢(shì)。整流二極管D截止,由電容器C放電形成負(fù)載電流。+300VVTDRL(a)基本電路C+300V

e1++e2VT+_RL(b)開關(guān)管飽和導(dǎo)通DCT2.4.2單端反激式變壓器型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作過(guò)程開關(guān)管飽和導(dǎo)通,開關(guān)管電流在開關(guān)變壓器初級(jí)產(chǎn)生上正下負(fù)的自感28開關(guān)管截止,變壓器初級(jí)電流中斷,于是在初級(jí)繞組產(chǎn)生反方向的自感電動(dòng)勢(shì)(上負(fù)下正),次級(jí)互感電動(dòng)勢(shì)也反一個(gè)方向。次級(jí)互感電動(dòng)勢(shì)使整流二極管D導(dǎo)通,開關(guān)變壓器次級(jí)電流一方面流入負(fù)載,另一方面向電容器C充電儲(chǔ)能,以便開關(guān)管再次導(dǎo)通時(shí)向負(fù)載釋放能量。e1′_+IRL+300VCVTD(c)開關(guān)管截止T_+e2'開關(guān)管截止,變壓器初級(jí)電流中斷,于是在初級(jí)繞組產(chǎn)生反方向的自29A.能量轉(zhuǎn)換過(guò)程VT導(dǎo)通,D截止,T吸收能量;VT截止,D導(dǎo)通,T釋放能量。傳遞的能量越多,負(fù)載兩端形成的電壓就越高。**VTTD2.4.2單端反激式變壓器型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作過(guò)程A.能量轉(zhuǎn)換過(guò)程VT導(dǎo)通,D截止,T吸收能量;VT截止,D導(dǎo)30B.穩(wěn)壓過(guò)程取樣電路比較放大基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生與脈寬控制VTTD2.4.2單端反激式變壓器型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作過(guò)程**B.穩(wěn)壓過(guò)程取樣電路比較放大基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生與脈寬控制VTTD2312.4.3調(diào)整輸出電壓的方法tVitVktVoViTONTVoVkKRL電壓變換器VO=·Vi=D·ViT0NT占空比2.4.3調(diào)整輸出電壓的方法tVitVktVoViTONT32只要改變開關(guān)脈沖的“占空比”,就可以改變輸出電壓的高低。在具體電路中,可以使開關(guān)脈沖頻率固定,改變開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間而改變輸出電壓高低。這種電源稱為“調(diào)寬式”開關(guān)電源。PWM也可以使開關(guān)管截止時(shí)間不變,只改變開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短而改變輸出電壓高低。這種電源稱為“調(diào)頻調(diào)寬”式開關(guān)電源。PFM只要改變開關(guān)脈沖的“占空比”,就可以改變輸出電壓的高低。33三、單端反激式開關(guān)電源理論計(jì)算

3.1工作原理分析1、在開關(guān)VT導(dǎo)通期間:

2、在開關(guān)VT截止期間

圖2-2單端反激式變換器三、單端反激式開關(guān)電源理論計(jì)算3.1工作原理分析1、343.2單端反激式變換器也有三種工作狀態(tài)1、磁通臨界連續(xù)的工作情況:

圖8-16臨界連續(xù)狀態(tài)時(shí)的電壓電流波形3.2單端反激式變換器也有三種工作狀態(tài)1、磁通臨界連續(xù)的工352、磁通不連續(xù)的工作狀態(tài)

圖8-17磁通不連續(xù)時(shí)的工作波形2、磁通不連續(xù)的工作狀態(tài)圖8-17磁通不連續(xù)時(shí)的工作363、磁通連續(xù)的工作狀況圖8-18磁通連續(xù)時(shí)的工作波形

3、磁通連續(xù)的工作狀況圖8-18磁通連續(xù)時(shí)的工作波形373.3、輸入電壓Uin與導(dǎo)通比αt的對(duì)應(yīng)關(guān)系

即:輸入電壓最高時(shí),相應(yīng)的導(dǎo)通比是最小,輸入電壓最低時(shí),相應(yīng)的導(dǎo)通比是最大。因此,輸入電壓與導(dǎo)通比是一一對(duì)應(yīng),相互制約的。運(yùn)行中由于閉環(huán)調(diào)節(jié),這種相互適應(yīng)是自動(dòng)的。但必須指出的是,由控制電路振蕩器和PWM門閂電路本身固有的最大最小導(dǎo)通比,一定要與運(yùn)行條件所需的最大最小導(dǎo)通比不矛盾,否則就會(huì)失調(diào)。3.4磁通復(fù)位問(wèn)題

為了不致于出現(xiàn)磁路飽和每個(gè)開關(guān)周期工作磁通都能復(fù)位,因此:1.單端反激式變換器開關(guān)變壓器的鐵芯都帶有氣隙。2.初級(jí)繞組電流實(shí)現(xiàn)脈沖限流控制。3.3、輸入電壓Uin與導(dǎo)通比αt的對(duì)應(yīng)關(guān)系即:輸入電壓最383.5間歇振蕩問(wèn)題當(dāng)電網(wǎng)電壓升到一定值而又很大的情況下,欲維持輸出電壓恒定,則脈寬調(diào)制器會(huì)使脈寬減少到某一極限值時(shí),不能再減小了,只能以最小導(dǎo)通比運(yùn)行,但由于導(dǎo)通時(shí)所儲(chǔ)存的能量沒(méi)有釋放回路,就有可能出現(xiàn):有的振蕩周期沒(méi)有PWM脈沖輸出,開關(guān)管不導(dǎo)通,有的振蕩周期就很寬,變成了作周期性或非周期性的間歇振蕩器,這時(shí)輸出電壓不穩(wěn),紋波大,變壓器發(fā)出刺耳的哨叫聲??朔@一問(wèn)題的辦法之一,也是最安全和可靠的辦法是在付繞組中加一固定負(fù)載電阻(假負(fù)載),以防負(fù)載開路,這樣電網(wǎng)電壓最高,負(fù)載開路了,由于有固定的假負(fù)載,脈寬保證有一最小的寬度而不致于出現(xiàn)間歇振蕩現(xiàn)象。最小的脈寬是由控制電路振蕩器的最小導(dǎo)通比決定的。3.5間歇振蕩問(wèn)題當(dāng)電網(wǎng)電壓升到一定值而又很大的情393.2尖峰脈沖防護(hù)電路接在開關(guān)變壓器初級(jí)的R、C、D組成尖峰脈沖防護(hù)電路。在開關(guān)管截止瞬間,開關(guān)變壓器初級(jí)電感與分布電容之間形成諧振,產(chǎn)生很高的尖峰脈沖,該尖峰脈沖有可能擊穿開關(guān)管。接入R、C、D以后,使這種諧振被“阻尼”,避免了過(guò)高尖峰脈沖的出現(xiàn),保護(hù)了開關(guān)管。③⑦開關(guān)管VTR68ΩC680P/2KV開關(guān)變壓器T+300VD3.2尖峰脈沖防護(hù)電路接在開關(guān)變壓器初級(jí)的R、C、D組成尖峰40開關(guān)電源結(jié)構(gòu)和基本原理-上課課件41開關(guān)電源結(jié)構(gòu)和基本原理-上課課件42高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)43高頻開關(guān)電源

的結(jié)構(gòu)和基本原理高頻開關(guān)電源

的結(jié)構(gòu)和基本原理44一、

概述將電網(wǎng)或電池的一次電能,轉(zhuǎn)換為符合電子設(shè)備要求的二次電能,這樣的變換設(shè)備便是電源。電源是一切電子設(shè)備的心臟,沒(méi)有電源,電子設(shè)備就不可能工作。1.1.1電源是什么?1.1電源及開關(guān)電源電源常用的連接方式串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源高頻開關(guān)電源45一、概述將電網(wǎng)或電池的一次電能,轉(zhuǎn)換為符合電子設(shè)備要求的二1.1.2串聯(lián)穩(wěn)壓電源與開關(guān)電源的區(qū)分串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源:電源調(diào)整管工作在放大狀態(tài)。開關(guān)電源:電源調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)的電源。是具有高功率密度的電源。輸入電源調(diào)整管負(fù)載RL串聯(lián)穩(wěn)壓電源輸入開關(guān)管K負(fù)載RL儲(chǔ)能元件開關(guān)電源1.1.2串聯(lián)穩(wěn)壓電源與開關(guān)電源的區(qū)分串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源:電461.1.3開關(guān)電源的分類:按變換方式可分為下列四大類:(1):第一大類:AC/DC開關(guān)電源;(2):第二大類:DC/DC開關(guān)電源;(3):第三大類:DC/AC開關(guān)電源;(4):第四大類:AC/AC開關(guān)電源。但目前只將前兩類稱為開關(guān)電源,而將后兩類分別稱為逆變器和變頻器。開關(guān)電源逆變器變頻器471.1.3開關(guān)電源的分類:按變換方式可分為下列四大類:開A:一次電源產(chǎn)品的圖片(AC/DC)常見(jiàn)開關(guān)電源圖片48A:一次電源產(chǎn)品的圖片(AC/DC)常見(jiàn)開關(guān)電源圖片6B:工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片—標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(AC/DC)CPCISeriesofLambda

49B:工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片—標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(AC/DC)CPCISeC:工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片(AC/DC)HWSSeries

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50C:工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片(AC/DC)HWSSeriesoE:工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片(AC/DC)51E:工業(yè)電源產(chǎn)品的圖片(AC/DC)9F:二次電源產(chǎn)品的圖片(DC/DC)--標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)類FullBrickHalfBrickHalfBrick1/4Brick1/8Brick52F:二次電源產(chǎn)品的圖片(DC/DC)--標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)類FullBG:二次電源產(chǎn)品的圖片(DC/DC)53G:二次電源產(chǎn)品的圖片(DC/DC)11彩電開關(guān)穩(wěn)壓電源彩電開關(guān)穩(wěn)壓電源541.2直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展

直流穩(wěn)壓電源是電子、電器、自動(dòng)化設(shè)備中最基本的部分。傳統(tǒng)的串聯(lián)式線性轉(zhuǎn)換方法設(shè)計(jì)制作的電源,其效率低,損耗大,溫升高。圖1-1晶體管串聯(lián)式線性穩(wěn)壓電源

1.2直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展直流穩(wěn)壓電源是電子、電55隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,大功率開關(guān)晶體管、快恢復(fù)二極管及其它元器件的電壓得到很大的提高,這為取消穩(wěn)壓電源中的工頻變壓器,發(fā)展高頻開關(guān)電源創(chuàng)造了條件。它使電源在小型化、輕量化、高效率等方面又邁進(jìn)了一步。圖1-3

無(wú)工頻變壓器的開關(guān)電源原理框圖

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,大功率開關(guān)晶體管、快恢復(fù)二極管及其它561.3無(wú)工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn):1.效率高。一般在70~80%以上。2.體積小、重量輕,隨著頻率的提高,收效更顯著。3.穩(wěn)壓范圍廣,一般交流輸入80~265V,負(fù)載作大幅度變化時(shí),性能很好。4.噪聲低,聲頻在20kHz以上時(shí),已是人耳聽不到的超聲波,而開關(guān)電源的工作頻率一般都大于此頻率;5.性能靈活,通過(guò)輸出隔離變壓器,可得到低壓大電流、高壓小電流;一個(gè)開關(guān)控制的一路輸入可得到多路輸出以及同號(hào)、反號(hào)等輸出;6.電壓維持時(shí)間長(zhǎng),為了適應(yīng)交流停電時(shí),計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代自動(dòng)化控制設(shè)備電源轉(zhuǎn)換的需要,開關(guān)電源可在幾十毫秒內(nèi)保證仍有電壓輸出。7.可靠性大,當(dāng)開關(guān)損壞時(shí),也不會(huì)有危及負(fù)載的高電壓出現(xiàn)。

1.3無(wú)工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn):57無(wú)工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源的不足之處:1.輸出紋波較大,約有10~100mV的峰峰值;2.脈沖寬度調(diào)制式的電路中,電壓、電流變化率大;3.控制電路比較復(fù)雜,對(duì)元器件要求高;4.動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間至少要大于一個(gè)開關(guān)周期,不如串聯(lián)式晶體管線性穩(wěn)壓電源。

無(wú)工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源的不足之處:58二、

開關(guān)電源工作原理

通過(guò)高頻開關(guān)技術(shù)將輸入的較高的交流電壓(AC)轉(zhuǎn)換為PC電腦工作所需要的較低的直流電壓(DC)

開關(guān)電源的中心思想:用提高工作頻率等手段來(lái)提高電源的功率密度,進(jìn)而達(dá)到減少變壓器的體積和重量的目的。采用開關(guān)變換的顯著優(yōu)點(diǎn)是大大提高了電能的轉(zhuǎn)換效率,典型的PC電源效率為70%-75%,而相應(yīng)的線性穩(wěn)壓電源的效率僅有50%左右。

輸出電壓的穩(wěn)定則:依賴對(duì)脈沖寬度的改變來(lái)實(shí)現(xiàn),這就叫做脈寬調(diào)制PWM。二、開關(guān)電源工作原理通過(guò)高頻開關(guān)技術(shù)將輸入59共軛濾波器整流濾波開關(guān)調(diào)整管儲(chǔ)能元件脈沖整流濾波取樣電路比較放大基準(zhǔn)220V交流電壓輸入功能:將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為電路所需要的各種穩(wěn)定的直流電壓2.1

高頻變壓器開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)

圖2-1高頻變壓器開關(guān)電源基本功能框圖直流電壓輸出共軛濾波器整流濾波開關(guān)調(diào)整管儲(chǔ)能元件脈沖整流濾波取樣電路比較60A.電路組成:B.作用:雙向?yàn)V波(一方面避免電網(wǎng)供電線引入高頻脈沖影響電子電路,另一方面,防止開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)造成污染。)S501C5010.1uL502220V市電

至整流濾波電路F501T2.5AC5020.1u2.2.1、進(jìn)線抗電磁干擾電路EMI2.2輸入共軛濾波及整流A.電路組成:S501C5010.1uL502220V市61C.工作原理:

對(duì)高頻干擾信號(hào)而言,電容呈短路,而電

感則呈開路。高頻干擾被電容短路。

對(duì)50Hz低頻而言,電容呈開路,而電感則呈短路。因此,50Hz市電可以順利通過(guò)。S501C5010.1uL502220V市電

至整流濾波電路F501T2.5AC5020.1uF501T2.5AS501C5010.1uL502220V市電

至整流濾波電路C5020.1uC.工作原理:

對(duì)高頻干擾信號(hào)而言,電容呈短路,而62輸入220V交流電壓的檢測(cè)220V交流輸入交流電壓500V檔正常值:220V±15%(187V~253V)共軛濾波器輸入220V交流電壓的檢測(cè)220V交流輸入交流電壓5063220V交流電壓整流濾波后直流電壓的檢測(cè)直流電壓500V檔來(lái)自共軛濾波器的220V交流電壓正常值為300V左右220V交流電壓整流濾波后直流電壓的檢測(cè)直流電壓500V檔來(lái)64電路中Q為開關(guān)管,工作于開關(guān)狀態(tài)(Q飽和導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于一只接通的開關(guān),Q截止時(shí)相當(dāng)于一只斷開的開關(guān))。電感L和電容C為儲(chǔ)能元件。RL為電源的負(fù)載。D為續(xù)流二極管,它在開關(guān)管截止時(shí)導(dǎo)通,保證電感L中的電流不中斷。2.3串聯(lián)型開關(guān)電源工作過(guò)程(降壓式BUCK)LQDCRL(a)串聯(lián)型開關(guān)電源基本電路+300V電路中Q為開關(guān)管,工作于開關(guān)狀態(tài)(Q飽和導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于一只接通65開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí),300V電源通過(guò)開關(guān)管Q,電感L和負(fù)載RL形成電流回路,同時(shí)向電容器C充電,在電感L和電容C中同時(shí)儲(chǔ)能。二極管D處于反向截止?fàn)顟B(tài)。由于電感L中突然出現(xiàn)電流,將在L兩端產(chǎn)生左正右負(fù)的自感電動(dòng)勢(shì),負(fù)載兩端電壓等于300V電源電壓與L兩端自感電動(dòng)勢(shì)之差。IQILICIRQ(b)開關(guān)管飽和時(shí)的等效電路D+300VRLLC+-開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí),300V電源通過(guò)開關(guān)管Q,電感L和負(fù)載RL66開關(guān)管截止時(shí),由于電感線圈中電流的突然中斷,將在電感L兩端產(chǎn)生左負(fù)右正的自感電動(dòng)勢(shì),該自感電動(dòng)勢(shì)使續(xù)流二極管D導(dǎo)通,形成電流回路。同時(shí),電容C也通過(guò)RL放電??梢?jiàn)負(fù)載電流由電感電流與電容放電電流兩路同時(shí)提供。雖然開關(guān)管截止了,但是負(fù)載電流并沒(méi)有中斷。ICILIDD(c)開關(guān)管截止時(shí)的等效電路Q+300VRLCL+-開關(guān)管截止時(shí),由于電感線圈中電流的突然中斷,將在電感L兩端產(chǎn)67圖2-1高頻變壓器開關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)框圖這類電源的共同特點(diǎn)是具有高頻變壓器、直流穩(wěn)壓是從變壓器次級(jí)繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來(lái)。變壓器原副邊是隔離的,輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。

2.4變壓器型開關(guān)電源工作過(guò)程圖2-1高頻變壓器開關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)框圖這類電源的共同特點(diǎn)682.4.1高頻變壓器變換電路工作方式分類按其工作方式可分為五類,每類傳輸?shù)墓β室膊幌嗤?,?yīng)用環(huán)境也稍有不同,如下所示:電路類型傳輸功率應(yīng)用環(huán)境單端反激式變換器20~100W小型儀器、儀表,家用電器等電源,自動(dòng)化設(shè)備中的控制電源單端正激式變換器50~200W小型儀器、儀表,家用電器等電源,自動(dòng)化設(shè)備中的控制電源推換式變換器100~500W控制設(shè)備,計(jì)算機(jī)等電源半橋式變換器100~5000W焊機(jī),超聲電源,計(jì)算機(jī)電源等全橋式變換器500W~30kW焊機(jī)、高頻感應(yīng)加熱,交換機(jī)等2.4.1高頻變壓器變換電路工作方式分類電路類型傳輸功率應(yīng)69開關(guān)管飽和導(dǎo)通,開關(guān)管電流在開關(guān)變壓器初級(jí)產(chǎn)生上正下負(fù)的自感電動(dòng)勢(shì),次級(jí)產(chǎn)生上負(fù)下正的互感電動(dòng)勢(shì)。整流二極管D截止,由電容器C放電形成負(fù)載電流。+300VVTDRL(a)基本電路C+300V

e1++e2VT+_RL(b)開關(guān)管飽和導(dǎo)通DCT2.4.2單端反激式變壓器型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作過(guò)程開關(guān)管飽和導(dǎo)通,開關(guān)管電流在開關(guān)變壓器初級(jí)產(chǎn)生上正下負(fù)的自感70開關(guān)管截止,變壓器初級(jí)電流中斷,于是在初級(jí)繞組產(chǎn)生反方向的自感電動(dòng)勢(shì)(上負(fù)下正),次級(jí)互感電動(dòng)勢(shì)也反一個(gè)方向。次級(jí)互感電動(dòng)勢(shì)使整流二極管D導(dǎo)通,開關(guān)變壓器次級(jí)電流一方面流入負(fù)載,另一方面向電容器C充電儲(chǔ)能,以便開關(guān)管再次導(dǎo)通時(shí)向負(fù)載釋放能量。e1′_+IRL+300VCVTD(c)開關(guān)管截止T_+e2'開關(guān)管截止,變壓器初級(jí)電流中斷,于是在初級(jí)繞組產(chǎn)生反方向的自71A.能量轉(zhuǎn)換過(guò)程VT導(dǎo)通,D截止,T吸收能量;VT截止,D導(dǎo)通,T釋放能量。傳遞的能量越多,負(fù)載兩端形成的電壓就越高。**VTTD2.4.2單端反激式變壓器型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作過(guò)程A.能量轉(zhuǎn)換過(guò)程VT導(dǎo)通,D截止,T吸收能量;VT截止,D導(dǎo)72B.穩(wěn)壓過(guò)程取樣電路比較放大基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生與脈寬控制VTTD2.4.2單端反激式變壓器型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作過(guò)程**B.穩(wěn)壓過(guò)程取樣電路比較放大基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生與脈寬控制VTTD2732.4.3調(diào)整輸出電壓的方法tVitVktVoViTONTVoVkKRL電壓變換器VO=·Vi=D·ViT0NT占空比2.4.3調(diào)整輸出電壓的方法tVitVktVoViTONT74只要改變開關(guān)脈沖的“占空比”,就可以改變輸出電壓的高低。在具體電路中,可以使開關(guān)脈沖頻率固定,改變開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間而改變輸出電壓高低。這種電源稱為“調(diào)寬式”開關(guān)電源。PWM也可以使開關(guān)管截止時(shí)間不變,只改變開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短而改變輸出電壓高低。這種電源稱為“調(diào)頻調(diào)寬”式開關(guān)電源。PFM只要改變開關(guān)脈沖的“占空

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