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什么是开关电源?

开关电源Switch Power Supply,简称SPS),又称交换式电源开关变换器,是一种高频化电能转换装置,是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源,而输出多半是需要直流电源的设备,例如个人电脑,而开关电源就进行两者之间电压电流的转换。

开关电源不同于线性电源,开关电源利用的切换晶体管多半是在全开模式(饱和区)及全闭模式(截止区)之间切换,这两个模式都有低耗散的特点,切换之间的转换会有较高的耗散,但时间很短,因此比较节省能源,产生废热较少。理想上,开关电源本身是不会消耗电能的。电压稳压是透过调整晶体管导通及断路的时间来达到。相反的,线性电源在产生输出电压的过程中,晶体管工作在放大区,本身也会消耗电能。开关电源的高转换效率是其一大优点,而且因为开关电源工作频率高,可以使用小尺寸、轻重量的变压器,因此开关电源也会比线性电源的尺寸要小,重量也会比较轻。

若电源的高效率、体积及重量是考虑重点时,开关电源比线性电源要好。不过开关电源比较复杂,内部晶体管会频繁切换,若切换电流尚未加以处理,可能会产生噪声电磁干扰影响其他设备,而且若开关电源没有特别设计,其电源功率因数可能不高。

主要用途

开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器,电子冰箱,液晶显示器,LED灯具,通讯设备,视听产品,安防监控LED灯带,电脑机箱,数码产品和仪器类等领域。

主要类型

现代开关电源有两种:一种是直流开关电源;另一种是交流开关电源。这里主要介绍的只是直流开关电源,其功能是将电能质量较差的原生态电源(粗电),如市电电源或蓄电池电源,转换成满足设备要求的质量较高的直流电压(精电)。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说,直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的,DC/DC转换器的分类基本上就是直 流开关电源的分类。

直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类:一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器;另一类是没有隔离的称为非隔离 式DC/DC转换器。

隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)两种。双管DC/DC转换器 有双管正激式(DoubleTransistor ForwardConverter),双管反激式(Double Transistor Flyback Converter)、推挽式(Push-Pull Converter) 和半桥式(Half-BridgeConverter)四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器(Full-Bridge Converter)。

非隔离式DC/DC转换器,按有源功率器件的个数,可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种,即降压式(BuckDC/DC转换器 ,升压式(BoostDC/DC转换器、升压降压式(Buck BoostDC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中,BuckBoostDC/DC转换器是基本的,Buck-BoostCukZetaSEPICDC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式(Buck-BoostDC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器(Full-Bridge Converter)。

隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时,通常采用变压器来实现,由于变压器具有变压的功能,所以有利于扩大转换器的输出应用范围,也便于实现不同电压的多路输出,或相同电压的多种输出。

功率开关管的电压和电流定额相同时,转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多,DC/DC转换器的输出功率越大,四管式比两管式输出功率大一倍,单管式输出功率只有四管式的1/4

非隔离式转换器与隔离式转换器的组合,可以得到单个转换器所不具备的一些特性。

按能量的传输来分,DC/DC转换器有单向传输和双向传输两种。具有双向传输功能的DC/DC转换器,既可以从电源侧向负载侧传输功率,也可以从负载侧向电源侧传输功率。

DC/DC转换器也可以分为自激式和他控式。借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器,叫做自激式转换器,如洛耶尔(Royer)转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。他控式DC/DC转换器中的开关器件控制信号,是由外部专门的控制电路产生的。

按照开关管的开关条件,DC/DC转换器又可以分为硬开关(Hard Switching)和软开关(Soft Switching)两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件 是在承受电压或流过电流的情况下,开通或关断电路的,因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗,即所谓的开关损耗(Switching loss)。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的,而且开关频率越高,开关损耗越大,同时在开关过程中还会激起电路分布电感寄生 电容的振荡,带来附加损耗,因此,硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DC/DC转换器的开关管,在开通或关断过程中,或是加于 其上的电压为零,即零电压开关(Zero-Voltage-SwitchingZVS),或是通过开关管的电流为零,即零电流开关(Zero-Current·SwitchingZCS)。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗,以及开关过程中激起的振荡,使开关频率可以大幅度提高,为转换器的小型化和模块化创造了条件。功率场效应管MOSFET)是应用较多的开关器件,它有较高的开关速度,但同时也有较大的寄生电容。它关断时,在外电压的作用下,其寄生电容充满电,如果在其开通前不将这一部分电荷放掉,则将消耗于器件内部,这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗,功率场 效应管宜采用零电压开通方式(ZVS)。绝缘栅双极性晶体管Insulated Gate Bipolar tansistorIGBT)是一种复合开关器件,关断时的电流拖尾会导致较大的关断损耗,如果在关断前使流过它的电流降到零,则可以显着地降低开关损耗,因此IGBT宜采用零电流(ZCS)关断方式。IGBT在 零电压条件下关断,同样也能减小关断损耗,但是MOSFET在零电流条件下开通时,并不能减小容性开通损耗。谐振转换器(Resonant Converter RC)、准谐振转换器(Quasi-Resonant ConverterQRC)、多谐振转换器(Multi-Resonant ConverterMRC)、零电压开关PWM转换器(ZVS PWM Converter)、零电流开关PWM转换器(ZCS PWM Converter)、零电压转换(Zero-Voltage-TransitionZVTPWM转换器和零电流转换(Zero- Voltage-TransitionZVTPWM转换器等,均属于软开关直流转换器。电力电子开关器件和零开关转换器技术的发展,促使了高频开关电源的发展。


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