开关电源基本工作原理(一)-自动化毕业论文(2)
2013-06-21 01:18
导读：用半波整流后加电容滤波, 效率也提高了500倍。在相同波纹输出电压的要求下,采用开关电源时, 滤波电容的容量只是线性电源中滤波电容容量的1/500～1/10
用半波整流后加电容滤波, 效率也提高了500倍。在相同波纹输出电压的要求下,采用开关电源时, 滤波电容的容量只是线性电源中滤波电容容量的1/500～1/1000。滤波电容容量
减小以后, 整个电源的体积和重量也相应地有所减小。
5．电路形式灵活多样 例如：有自激式和他激式；有调宽型和调频型; 有单端式和双端式; 有开关元件为晶体管式和开关元件为可控硅式等等。设计者可以发挥各种类型电路的特长, 设计出能满足各种不同应用场合的开关电源。
开关电源的缺点
开关电源最为突出的缺点就是开关干扰较为严重。开关电源中的开关功率管是工作在开关状态下, 它产生的交流电压和电流会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰, 这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除、屏蔽和隔离,就会严重地影响整机的正常工作。此外, 由于开关电源中没有了工频降压变压器的隔离, 振荡器所产生的高频干扰如果不加以消除, 就会串入工频电网, 使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。
目前,由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与
一些技术先进的国家还有一定的差距, 因此开关电源的造价不能进一步降低, 也影响到可靠性的进一步提高。所以, 在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中, 开关电源还不能得到普及使用。特别是无工频变压器开关电源中的高压电容、高反压大功率开关管、开关变压器的磁性材料等元件,我国还处于研究和开发阶段。一些先进的国家,虽然有了一定的发展,但是在实际应用中还存在一些问题, 不能令人十分满意。这就暴露出了开关电源的又一个缺点, 那就是电路结构复杂、故障率高、维修麻烦、成本高。对此, 如果设计者和制造者不予以充分重视,则会直接影响开关稳压电源的推广应用。
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软开关技术简介
硬开关与软开关
现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。通常，滤波电感、电容和变压器在装置的体积和重量中占很大比例。因此必须设法降低他们的体积和重量，才能达到装置的小型化、轻量化。从“电路”的有关知识中可以知道，提高工作频率可以减少变压器各绕组间的匝数，并减小铁心的体积，从而使变压器小型化。因此装置小型化、轻量化的直接途径就是电路的高频化。但在提高开关频率的同时，开关损耗也会随之增加，电路效率严重下降，电磁干扰也增大了，所以简单的提高开关频率是不行的。
（a）硬开关的开通过程（b）硬开关的关断过程
图 2-3 硬开关的开关过程
针对这些问题出现了软开关技术，他利用以谐振为住的辅助换流手段，解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高。
在很多电路中，开关元件在电压很高或电流很大的条件下，在门极的控制下开通或关断，起典型的开关过程如图2-3所示。开关过程中电压、
电流均不为零，出现了重叠，因此导致了开关损耗。而且电压和电流的变化很快，波形出现了明显的过冲，这导致了开关噪声的产生。具有这样的开关过程的开关称为硬开关。
在硬开关过程中会产生较大的开关损耗和开关噪声。开关损耗随着频率的增加，使电路效率下降，阻碍了开关频率的提高；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题，影响周边电子设备的工作。
通过在原来的开关电路中增加很小的电感，电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程中引入谐振过程，开关开通前电压降为零，或关断前电流降为零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低他们的变化率，从而大大减小甚至消除损耗和开关噪声，这样的电路称为软开关电路。软开关电路中典型的开关过程如图2-4所示。具有这样开关过程的开关称为软开关。开关损耗理论上为零[5]。
（a）软开关的开通过程 （b）软开关的关断过程
图2-4软开关的开关过程
软开关的分类
根据电路中主要开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路零电压电路和零电流电路两大类。通常，一种开关电路要么属于零电压电路，要么属于零电流电路。但在有些情况下，电路中有多个开关，有些开关工作在零电压的条件下，而另一些开关工作在零电流的条件下。
根据软开关技术的发展历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。下面分别介绍上述三类软开关电路。
1.准谐振电路
这是最早出现的软开关电路，其中有些现在还在大量使用。准谐振电路可分为
(1)零电压开关准谐振电路；
(2)零电流开关准谐振电路；
(3)零电压开关多谐振电路；
(4)用于逆变器的谐振直流环电路。
2.零开关PWM电路
这类电路中引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生与开关过程前后。零开关PWM电路可以分为
1）零电压开关PWM电路；
2) 零电流开关PWM电路和准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。[5]这两种电路的基本开关单元如图2-5。
(a) 零电压开关PWM基本开关单元 (b) 零电流开关PWM基本单元
图2-5 零开关PWM电路的基本开关单元
3.零转换PWM电路
这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振时刻的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路谐振过程的影响很小，电路在很宽的输入电压输入范围内并从零负载到满载都能工作在软开关状态。而且电路中无功功率的交换被削减到最小，使这种电路的效率进一步提高。 （转载自http://zw.NSEAC.com科教作文网）
零转换电路可分为：
(1)零电压转换PWM电路；
(2)零电流转换PWM电路。
基本开关单元如图2-6。
(a) ZVT PWM开关单元 (b)ZCT PWM 开关单元
图2-6 零转换PWM电路的基本开关单元
本章小结
本章简要介绍了开关电源的工作原理，并从多方面阐述了开关电源的详细分类。讨论了开关电源在应用中的优点和不足。本章还简要介绍了软开关技术以及软开关和传统的硬开关之间的不同，指出软开关是实现开关电源高频化、小型化和轻量化的理想途径。
