圖1:隔離開(kāi)關(guān)式AC/DC電源
AC/DC電源三步:整流,PFC及隔離
發(fā)布時(shí)間:2021-04-06 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】什么是電源?電源是將來(lái)自電源的能量轉(zhuǎn)換成為負(fù)載供電所需的電壓值,比如電機(jī)或電子設(shè)備。電源主要有兩種設(shè)計(jì):線性電源和開(kāi)關(guān)電源。
什么是電源?電源是將來(lái)自電源的能量轉(zhuǎn)換成為負(fù)載供電所需的電壓值,比如電機(jī)或電子設(shè)備。電源主要有兩種設(shè)計(jì):線性電源和開(kāi)關(guān)電源。
線性電源:線性電源設(shè)計(jì)使用變壓器降低電壓。然后將電壓整流并轉(zhuǎn)換為直流電壓,然后對(duì)其進(jìn)行濾波以提高波形質(zhì)量。線性電源使用線性調(diào)節(jié)器在輸出端保持恒定的電壓。這些線性調(diào)節(jié)器以熱量的形式消散額外的能量。
開(kāi)關(guān)電源:開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)是一種較新的方法,旨在解決線性電源的諸多問(wèn)題,包括變壓器尺寸和電壓調(diào)節(jié)。在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中,輸入電壓不再降低,而是在輸入端進(jìn)行整流和濾波。然后電壓通過(guò)斬波器,再將其轉(zhuǎn)換成高頻脈沖串。在電壓達(dá)到輸出之前,它會(huì)被再次過(guò)濾和整流。
開(kāi)關(guān)電源是如何工作的?多年來(lái),線性AC/DC電源已經(jīng)成為主流,將電網(wǎng)中的交流電源轉(zhuǎn)換為運(yùn)行家用電器或照明設(shè)備的直流電壓。大功率應(yīng)用對(duì)小型電源的需求,意味著線性電源已主要用于特定的工業(yè)和醫(yī)療用途,在這些領(lǐng)域由于其低噪聲而仍然需要它們。但由于開(kāi)關(guān)電源體積更小,效率更高,而且能夠處理高功率,所以已經(jīng)取代了開(kāi)關(guān)電源。圖1介紹了開(kāi)關(guān)電源中從交流(AC)到直流(DC)的一般過(guò)程。
圖1:隔離開(kāi)關(guān)式AC/DC電源
輸入整流是將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓的第一步。人們普遍認(rèn)為直流電壓是一條筆直的、不動(dòng)搖的恒壓線,就像從電池里出來(lái)的那種。然而,定義直流電的是電荷的單向流動(dòng)。這意味著電壓流向相同,但不一定是恒定的。正弦波是交流電(AC)最典型的波形,前半個(gè)周期為正,其余周期為負(fù)。如果反向或消除負(fù)半周期,則電流停止交替,變成直流電。這可以通過(guò)一個(gè)叫做矯正的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。整流可以通過(guò)使用無(wú)源半橋整流器來(lái)實(shí)現(xiàn),用二極管消除正弦波的負(fù)半部分(見(jiàn)圖2)。二極管允許電流在正半波期間流過(guò),但當(dāng)電流反向流動(dòng)時(shí),二極管會(huì)阻斷電流方向。
圖2:半橋整流器
整流后,產(chǎn)生的正弦波平均功率較低,不能有效地為設(shè)備供電。一個(gè)更有效的方法是改變負(fù)半波的極性并使其變成正電壓。這種方法被稱為全波整流,它需要四個(gè)二極管配置成一個(gè)電橋(見(jiàn)圖3)。無(wú)論輸入電壓如何,這種配置都能保持穩(wěn)定的電流流向極性。
圖3:全橋整流器
全整流波的平均輸出電壓比半橋整流器的高,但離為電子設(shè)備供電所需的恒定直流波形仍有很大差距。雖然這是一個(gè)直流波,但由于電壓波形,供電是低效的,因?yàn)殡妷翰ǖ闹底兓浅?旌皖l繁。這種周期性的直流電壓變化被稱為紋波。減少或消除紋波是一個(gè)有效的電源供應(yīng)的關(guān)鍵。減少紋波最簡(jiǎn)單和最常用的方法是在整流器輸出端使用一個(gè)大電容器,稱為儲(chǔ)能電容器或平滑濾波器(見(jiàn)圖4)。電容器在電壓峰值時(shí)存儲(chǔ)電壓,然后向負(fù)載提供電流,直到其電壓小于現(xiàn)在上升的整流電壓波。得到的波形更接近所需的形狀,可以認(rèn)為是沒(méi)有交流分量的直流電壓。這個(gè)最終的電壓波形現(xiàn)在可以用來(lái)給直流電供電設(shè)備。
圖4:帶平滑濾波器的全橋整流器
無(wú)源整流使用半導(dǎo)體二極管作為不受控制的開(kāi)關(guān),是整流交流波最簡(jiǎn)單的方法,但不是最有效的方法。二極管是相對(duì)有效的開(kāi)關(guān);它們可以以最小的功率損耗快速打開(kāi)和關(guān)閉。半導(dǎo)體二極管的唯一問(wèn)題是它們的正向偏置電壓降為0.5V到1V,這會(huì)降低效率。有源整流用可控開(kāi)關(guān)代替二極管,如MOSFET或BJT晶體管(見(jiàn)圖5)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè):首先,基于晶體管的整流器消除了與半導(dǎo)體二極管相關(guān)的0.5V到1V的固定電壓降,因?yàn)樗鼈兊碾娮杩梢院苄?,因此電壓降也很小。第二,晶體管是可控開(kāi)關(guān),這意味著開(kāi)關(guān)頻率可以控制,從而得到優(yōu)化。缺點(diǎn)是,有源整流器需要更復(fù)雜的控制電路來(lái)達(dá)到其目的,這就需要額外的元件,從而使它們變得更貴。
圖5:全橋有源整流器
功率因數(shù)校正(PFC)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中的第二個(gè)階段是功率因數(shù)校正(PFC)。功率因數(shù)校正電路與交流電源到直流電源的實(shí)際轉(zhuǎn)換關(guān)系不大,但卻是大多數(shù)商用電源的關(guān)鍵部件。
圖6:整流器輸出的電壓和電流波形
如果你觀察整流器電容器的電流波形(見(jiàn)圖6),你會(huì)看到充電電流在很短的時(shí)間內(nèi)流過(guò)電容器,特別是電容器輸入電壓大于電容器電荷到整流信號(hào)的峰值。這會(huì)在電容器中產(chǎn)生一系列短電流尖峰,因此不僅對(duì)電源造成嚴(yán)重問(wèn)題,而且由于這些電流尖峰注入電網(wǎng)的諧波量很大,對(duì)整個(gè)電網(wǎng)都是一個(gè)重大問(wèn)題。諧波會(huì)產(chǎn)生失真,可能會(huì)影響連接到電網(wǎng)的其他電源和設(shè)備。在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中,功率因數(shù)校正電路的目標(biāo)是通過(guò)濾除這些諧波來(lái)最小化影響。為此,有兩種選擇:有源和無(wú)源功率因數(shù)校正。
無(wú)源PFC電路是由無(wú)源低通濾波器組成的,它試圖消除高次諧波。然而,電源,特別是在大功率應(yīng)用中,僅僅使用無(wú)源PFC無(wú)法滿足諧波噪聲的國(guó)際規(guī)定,必須采用有源功率校正。
有源PFC改變電流波形,使之跟隨電壓變化。諧波被移到更高的頻率,使其更容易濾除。在這種情況下,最廣泛使用的電路是升壓變換器,也稱為升壓變換器。
隔離:隔離開(kāi)關(guān)電源與非隔離開(kāi)關(guān)電源。無(wú)論功率因數(shù)校正電路是否存在,功率轉(zhuǎn)換的最后一步是將整流后的直流電壓逐步降低到適合預(yù)期應(yīng)用的幅度。因?yàn)檩斎氲慕涣鞑ㄐ我呀?jīng)在輸入端整流,所以直流電壓輸出將會(huì)很高:如果沒(méi)有功率因數(shù)校正,整流器的輸出直流電壓將為320V左右。如果有有源功率因數(shù)校正電路,升壓變換器的輸出將是穩(wěn)定的400V或更高。這兩種情況都是極其危險(xiǎn)的,對(duì)于通常需要顯著降低電壓的大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)毫無(wú)用處。表1顯示了在選擇正確的隔離拓?fù)鋾r(shí)應(yīng)該考慮的幾個(gè)轉(zhuǎn)換器和應(yīng)用方面。
在選擇使用哪種降壓方法時(shí),主要考慮的是安全性。電源在輸入端與交流電源相連,這意味著,如果輸出端有電流泄漏,可能會(huì)嚴(yán)重傷害,并損壞任何負(fù)載設(shè)備。安全隔離可以通過(guò)磁隔離輸入和輸出電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。隔離AC/DC電源中使用最廣泛的電路是反激變換器和諧振LLC變換器,因?yàn)樗鼈儼娏鞲綦x或磁隔離(見(jiàn)圖7)。
圖7:反激變換器(左)和LLC諧振變換器(右)
使用變壓器意味著信號(hào)不能是平坦的直流電壓。相反,為了通過(guò)感應(yīng)耦合將能量從變壓器的一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè),必須存在電壓變化,從而改變電流。因此,反激式和LLC變換器都將輸入直流電壓“斬波”成方波,方波可以通過(guò)變壓器降壓。然后輸出波形必須在輸出前再次校正。
反激變換器主要用于低功耗應(yīng)用。反激變換器是一種隔離的buck-boost變換器,這意味著輸出電壓可以高于輸入電壓,也可以低于輸入電壓,這取決于變壓器在一次繞組和二次繞組之間的匝數(shù)比。反激變換器的工作原理與升壓變換器非常相似。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí),初級(jí)線圈由輸入端充電,產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí),初級(jí)電感器中的電荷轉(zhuǎn)移到次級(jí)繞組,次級(jí)繞組向電路注入電流,為負(fù)載供電。反激式變換器相對(duì)容易設(shè)計(jì),并且比其他變換器需要更少的元件,但是效率不高,因?yàn)閺?qiáng)制晶體管任意打開(kāi)和關(guān)閉的硬開(kāi)關(guān)會(huì)造成很大的損耗(見(jiàn)圖8)。特別是在大功率應(yīng)用中,這對(duì)晶體管的生命周期非常不利,并產(chǎn)生顯著的功率損耗,這就是為什么反激變換器更適合低功率應(yīng)用,通常高達(dá)100W。
諧振LLC轉(zhuǎn)換器在大功率應(yīng)用中更為常用。這些電路也通過(guò)變壓器進(jìn)行磁隔離。LLC變換器是基于諧振原理,即當(dāng)它與濾波器的固有頻率相匹配時(shí),對(duì)某一頻率的放大。在這種情況下,LLC轉(zhuǎn)換器的諧振頻率由串聯(lián)的電感器和電容器(LC濾波器)和變壓器初級(jí)電感器(L)的附加效應(yīng)而定,因此命名LLC轉(zhuǎn)換器。LLC諧振變換器是大功率應(yīng)用的首選,因?yàn)樗鼈兛梢援a(chǎn)生零電流開(kāi)關(guān),也稱為軟開(kāi)關(guān)(見(jiàn)圖8)。這種開(kāi)關(guān)方法在電路中的電流接近零時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān),最大限度地減少晶體管的開(kāi)關(guān)損耗,從而減少電磁干擾,提高效率。不幸的是,這種性能的提高是有代價(jià)的:很難設(shè)計(jì)一個(gè)LLC諧振變換器,它可以實(shí)現(xiàn)大范圍負(fù)載的軟開(kāi)關(guān)。為此,MPS開(kāi)發(fā)了一種特殊的LLC設(shè)計(jì)工具,以確保轉(zhuǎn)換器在正確的諧振狀態(tài)下工作,以實(shí)現(xiàn)最佳開(kāi)關(guān)效率。
圖8:硬開(kāi)關(guān)(左)與軟開(kāi)關(guān)(右)損耗
在本文的前面,我們討論了為什么AC/DC電源的限制之一是輸入變壓器的尺寸和重量,由于工作頻率較低(50Hz),為了避免飽和,需要使用大電感器和磁芯。在開(kāi)關(guān)電源中,電壓的振蕩頻率要大得多(至少在20kHz以上)。這意味著降壓變壓器可以更小,因?yàn)楦哳l信號(hào)在線性變壓器中產(chǎn)生較少的磁損耗。輸入變壓器的尺寸減小使得系統(tǒng)小型化。有些直流設(shè)備不需要變壓器提供的隔離。
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