一、 开关电源常用的拓朴结构(常用的有5 种)：
一、 开关电源常用的拓朴结构(常用的有5 种)：
1、 正激电路(常用于低压大电流，功率100 至500W 线路)
电路的工作过程：
当开关S 开通后，变压器绕组N1 两端的电压为上正下负，与其耦合的N2 绕组两端的电压也是上正下负。因此VD1 处于通态，VD2 为断态，电感L 的电流逐渐增长;当开关S 关断后，电感L 通过VD2 续流，VD1 关断。S 关断后变压器的激磁电流经N3 绕组和VD3 流回电源。
变压器的磁心复位：
开关S 开通后，变压器的激磁电流由零开始，随着时间的增加而线性的增长，直到S 关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在S 关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。
正激的理想波形为：
变压器的磁心复位时间为：
Tist=N3*Ton/N1
输出电压：输出滤波电感电流连续的情况下：
Uo/Ui=N2*Ton/N1*T
磁心复位过程:
2、 反激电路(常用于100W 以下)
反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。
电路的工作过程：
当开关S 开通后，N1 电压上正下负，N2 电压下正上负，所以VD 处于断态，N1 绕组的电流线性增长，
电感储能增加;
当开关S 关断后，N1 绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过N2 绕组和VD 向输出端释放。S关断后的电压为：us=Ui+N1*Uo/N2
反激电路的工作模式：
电流连续模式：当S 开通时，N2 绕组中的电流尚未下降到零，输出电压关系：Uo/Ui=N2*ton/N1*toff
电流断续模式：S 开通前，N2 绕组中的电流已经下降到零，输出电压高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，因此反激电路不应工作于负载开路状态。
反激电路的理想化波形：
3、 半桥电路
电路工作过程：
S1 与S2 交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2 的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud 的平均值，也就改变了输出电压Uo。当 S1 导通时，二极管VD1 处于通态;S2 导通时，二极管VD2 处于通态; 当两个开关都关断时，变压器绕组N1 中的电流为零，VD1 和VD2 都处于通态，各分担一半的电流。S1 或S2 导通时电感L 的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L 的电流逐渐下降。S1 和S2 断态时承受的峰值电压均为Ui。由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。
半桥电路的理想化波形:
4、 全桥电路
电路工作过程：
全桥逆变电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui 的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。
全桥电路的理想化波形：
5、 推挽电路：
电路工作过程：
推挽电路中两个开关S1 和S2 交替导通，在绕组N1 和N’1 两端分别形成相位相反的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。S1 导通时，二极管VD1 处于通态，电感L 的电流逐渐上升;S2 导通时，二极管VD2 处于通态，电感L 的电流也逐渐上升; 当两个开关都关断时，VD1 和VD2 都处于通态，各分担一半的电流。S1 和S2 断态时承受的峰值电压均为2 倍Ui; S1 和S2 同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通。
二、保险丝的选择：
1、计算开关电源的最大输入电流Imax=Po/(Vin(min)* η*PF),经验上通常取Imax 的1.5 至3 倍。
2、选择保险丝的工作电压:(一般标准电压额定值系列为32V、125V、250V、600V。).如果电源输入电压为115VAC,那么FUAE 的工作额定电压为125VAC;如果电源输入电压为115VAC/230VAC,那么FUSE 的工作额定电压为250VAC.
3、选择FUSE 的类型:1.慢熔,2.普通,3.快熔。
4、FUSE 的安装方式两种:1.PIG-TAIL，2.CLIP。
三、突波吸收器的选择：
突波吸收器的保护原理：
突波吸收器在预备状态时，相对于受保护的电子元件而言，具有很高的阻抗(数兆欧姆) 而且不会影响原设计电路的特性。但当瞬间突波电压出现(超过突波吸收器的崩溃电压时)，该突波吸收器的阻抗会变低(仅有几个欧姆) 并造成线路短路，也因此电子产品或较昂贵的元件受到保护。一般常用07D471K(最大允许输入电压AC300V，DC385V;钳位电压775V，钳位电流10A;额定功耗0.25W)，通常取输入电压的1.4 倍即可。
四、 热敏电阻的选择：
电源启动的瞬间，由于输入端的滤波电容(即一次侧滤波电容)短路，导致输入电流很大，虽然时间很短暂，但也可能对电源产生伤害，所以必须在输入端滤波电容之前加装一个热敏电阻，以限制开机瞬间输入电流在规格之内(115V/30A，230V/60A)，但因热敏电阻也会消耗功率，所以不可放太大的阻值(否则会影响效率)热敏电阻包括正温度系数PTC 和负温度系数NTC，以及临界温度热敏电阻CTR 三种。PTC：阻值随温度的升高而增加;NTC：阻值随温度的升高而减少。一般使用SCK053(3A/5Ω)，若输入端滤波电容使用较大的值，则必须考虑将热敏电阻的阻值变大(一般使用在大瓦数的电源上)
五、 整流二极管的选择：
初级整流管的选择：
最大输入电流确定最大输出整流电流Io(通常取最大输入电流的2 倍以上);确定反向峰值电压Vrrm(一般取最大输入电压的3 倍左右)。通常选用一般类型的整流二极管就可以了(输入在1A 以下的通常选用1N4007)。
次级整流管的选择：
对于次级输出整流部分，一般要选用快恢复、超快恢复以及肖特基等反向恢复时间较短的类型二极管。最大输出电流必须大于客户所提供的输出电流;Vrrm=Vo*Np/Ns。作为高频AC-DC 或DC-DC 开关变换器输出整流用的功率二极管，应当具有正向压降小、反向漏电流小、反向恢复时间短等特点。
六、 开关管的选择
a) 确定Vdss(一般取整流后最高输入电压的2 倍以上);
b) 确定Id(一般取最大输入电流的2 倍以上);
c) Rdon 越小，耗散功率越小;
d) Vgs(开启电压，15V 为最佳)。
e) Qg 值反映了MOS 驱动的电流需求。Qg 值越大，则就要求较大电流的芯片驱动它。因MOS 是电压驱动器件，驱动电流几乎可以忽略，最好是越小越好。
七、 高频变压器的设计方法
面积乘积(AP)法：先求出磁芯窗口面积Aw 与磁芯有效面积截Ae 的乘积AP(AP=Aw X Ae,称磁芯面积乘积)。反激变压器需要要加气隙。
a) 变压器的视在功率Pt 计算：(随线路结构不同而选用不同的计算公式)
Pt=UoIo(1+1/η)---------------------------普通线路结构
Pt=UoIo(1.414+1/η)-------------------单端正激线路结构
Pt=UoIo[(1+1/η)x1.414]---------------推挽线路结构
(效率由自己定，一般开关电源的效率在70%-90%之间，功率小的效率定小一些，而功率大的则可以定大一些)
b) 计算AP 值：
Ap=[Pt*104/(K0KfBwFsKj)]1/(1+x)
式中：
K0---------------------------窗口使用系数(K0<1)K0 主要与线径、绕组数有关，一般典型值取0.4。
Kf------------------波形系数，有效值与平均值之比，正弦波时为4.44，方波时为4。
Bw-----------------工作磁通密度(T)，镍锌铁氧体材质铁芯的工作磁通密度一般取0.26 至0.3T。通常设计的铁氧体变压器一般功率不大时，大约为0.20--0.25T。功率比较大时，要取小一点，0.15--0.20 左右
Fs------------------开关工作频率(HZ)，一般取75KHZ 以下，开关频率可依据控制IC 的Rt 和Ct 值确定，通常为Fs=K/Rt*Ct(K 为一常数，不同的控制IC，K 取值不同。)
Kj------------------电流密度比例系数
各种磁芯结构常数表
铁芯种类 Kj(允许温升
25。C)
Kj( 允许温升
50。C)
X
一般罐型磁芯 433 632 -0.17
铁粉磁芯 403 590 -0.12
金属叠片铁芯 366 534 -0.12
C 型铁芯 323 468 -0.14
单线圈 395 569 -0.14
带绕铁芯 250 365 -0.13
c) 根据AP 值，选择相近型号磁芯：(通常AP 值加10%裕度选用)
d) 计算原边绕组匝数Np：
Np=Vp * 104/(KfFsBwAe) 或 NP=Vp*Ton/(Ae*Bw)
式中：
Vp--------------------变压器原边最小输入电压。
Ae--------------------根据所选型号磁芯，查其数据手册得知。
D---------------------占空比，最大以典型值0.5 为参考，而实际中常取0.35，正激的电源，占空比0.35-0.4
比较合适。
e) 计算原边绕组电流Ip：
Ip=P0/(η*Vp)
Ipeak=Ip/[(1-0.5*Krp)*D] (Krp 一般取0.5 或0.6)
f) 计算电流密度J(A/CM2)：
J=KjAPx (电流密度J 一般取4~10A/mm2)
g) 计算原边绕组裸线面积Axp(CM2)：
Axp=Ip/J
根据此值查询AWG 导线规格表，可得知原边绕组线径。
AWG 导线规格表：
AWG 线大小 Axp CM2 10-3 直径 CM AWG 线大小Axp CM2 10-3 直径 CM
10 52.61 0.267 28 0.8046 0.0366
11 41.68 0.238 29 0.647 0.033
12 33.08 0.213 30 0.5067 0.0294
13 26.26 0.19 31 0.4013 0.0267
14 20.82 0.171 32 0.3242 0.0241
15 16.51 0.153 33 0.2554 0.0216
16 13.07 0.137 34 0.2011 0.0191
17 10.39 0.122 35 0.1589 0.017
18 8.228 0.109 36 0.1266 0.0152
19 6.531 0.098 37 0.1026 0.014
20 5.188 0.0879 38 0.08107 0.0124
21 4.116 0.0785 39 0.06207 0.0109
22 3.243 0.0701 40 0.04869 0.0096
23 2.588 0.0632 41 0.03972 0.00863
24 2.047 0.0566 42 0.03166 0.00762
25 1.623 0.0505 43 0.02452 0.00685
26 1.28 0.0452 44 0.0202 0.00635
27 1.021 0.0409
g) 算副边绕组匝数Ns：
Ns=Np*Vs/Vp (VS 为副边输出电压，等于Uo 加上输出整流二极管的压降)
或Ns=(Vs+Vd)*(1-D)*Np/(Vp*D)
i) 计算副边绕组裸线面积Axs(CM2)：
Axs=Io/J
根据此值查询AWG 导线规格表，可得知副边绕组线径。
j) 计算次级副绕级匝数Ns1：
Ns/Ns1=Vs/Vs1
k) 计算初级感量：
Lp=η*(Vp*D)2/(2*Po*F) (理论上初级电感是越大越好)
或Lp=Ui*AE*Np2/La (Ui=2500+/-25%(初始磁导率)，La 为平均磁路长度)
或Lp=AL*Np2
八、 级输出LC 滤波器的设计：
1.根据电感的能量储存和释放公式：
WL=(1/2)*L*I2=P0*Ton;
C=Po*Ton/2*(Vmax-Vmin);
高频开关电源的组成与分类
开关电源具有体积小、效率高等一系列优点，在各类电子产品中得到广泛的应用。但由于开关电源的控制电路比较复杂、输出纹波电压较高，所以开关电源的应用也受到一定的限制。
电子装置小型轻量化的关键是供电电源的小型化，因此需要尽可能地降低电源电路中的损耗。开关电源中的调整管工作于开关状态，必然存在开关损耗，而且损耗的大小随开关频率的提高而增加。另一方面，开关电源中的变压器、电抗器等磁性元件及电容元件的损耗，也随频率的提高而增加。
目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十kHz;采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百kHz。为提高开关频率必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，原理上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。
开关电源的集成化与小型化已成为现实。然而，把功率开关管与控制电路都集成在同一芯片上，必须解决电隔离和热绝缘的问题。
1开关电源的基本构成
开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图1所示，其中DC/DC变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路(R1、R2)检测输出电压变化，与基准电压Ur比较，误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。图2是一种电路实现形式。
DC/DC变换器有多种电路形式，常用的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器。
对于串联线性稳压电源，输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定。但对于开关型稳压电源，输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应问题也能得到改善。负载变化瞬态响应主要由输出端LC滤波器特性决定，所以可以利用提高开关频率、降低输出滤波器LC乘积的方法来改善瞬态响应特性。
2开关型稳压电源的分类
开关型稳压电源的电路结构有多种：
(1)按驱动方式分，有自励式和他励式。
(2)按DC/DC变换器的工作方式分：①单端正励式和反励式、推挽式、半桥式、全桥式等;②降压型、升压型和升降压型等。
(3)按电路组成分，有谐振型和非谐振型。
(4)按控制方式分：①脉冲宽度调制(PWM)式;②脉冲频率调制(PFM)式;③PWM与PFM混合式。
(5)按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光电耦合式等。
以上这些方式的组合可构成多种方式的开关型稳压电源。因此设计者需根据各种方式的特征进行有效地组合，制作出满足需要的高质量开关型稳压电源。
1. 电力电子技术的发展
现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
1.1 整流器时代
大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
1.2 逆变器时代
七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。
1.3 变频器时代
进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
2. 现代电力电子的应用领域
2.1 计算机高效率绿色电源
高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。
计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。
2.2 通信用高频开关电源
通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的 开关电源 及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。
因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。
2.3 直流-直流(DC/DC)变换器
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。
2.4 不间断电源(UPS)
不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。
现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。
目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。
2.5 变频器电源
变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。
2.6 高频逆变式整流焊机电源
高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。
逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合, 整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。
由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。
国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。
2.7 大功率开关型高压直流电源
大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。
自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。
国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。
2.8 电力有源滤波器
传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。
电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;
(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。
2.9 分布式开关电源供电系统
分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。
八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。
分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。
3. 高频开关电源的发展趋势
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。
3.1 高频化
理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造, 成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。
3.2 模块化
模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量, 在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求, 而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。
3.3 数字化
在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。
3.4 绿色化
电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电, 这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。
现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。
总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。
主要负责识别CPU供电幅值，产生相应的短矩波，推动后级电路进行功率输出。常用电源管理芯片的瑾有HIP6301、IS6537、RT9237、ADP3168、KA7500、TL494等。
电源管理芯片类型
主要电源管理芯片有的是双列直插芯片，而有的是表面贴装式封装，其中HIP630x系列芯片是比较经典的电源管理芯片，由著名芯片设计公司Intersil设计。它支持两/三/四相供电，支持VRM9.0规范，电压输出范围是1.1V-1.85V，能为0.025V的间隔调整输出，开关频率高达80KHz，具有电源大、纹波小、内阻小等特点，能精密调整CPU供电电压。下面以HIP6301为例，讲解电源管理芯片各个引脚的功能。
电源管理芯片应用范围
电源管理芯片的应用范围十分广泛，发展电源管理芯片对于提高整机性能具有重要意义，对电源管理芯片的选择与系统的需求直接相关，而数字电源管理芯片的发展还需跨越成本难关。
当今世界，人们的生活已是片刻也离不开电子设备。电源管理芯片在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责。电源管理芯片对电子系统而言是不可或缺的，其性能的优劣对整机的性能有着直接的影响。
电源管理提高整机性能
所有电子设备都有电源，但是不同的系统对电源的要求不同。为了发挥电子系统的最佳性能，需要选择最适合的电源管理方式。
首先，电子设备的核心是半导体芯片。而为了提高电路的密度，芯片的特征尺寸始终朝着减小的趋势发展，从最初的几十微米发展到目前的0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米乃至90纳米。由于在相同的电压下，电场强度随距离的减小而线性增加，如果电源电压还是原来的5V，产生的电场强度足以把芯片击穿。所以，目前的芯片工作电压已经从以前的5V降低到3.3V、2.5V、1.8V，甚至更低。这样，电子系统对电源电压的要求就发生了变化，也就是需要不同的降压型电源。为了在降压的同时保持高效率，一般会采用降压型开关电源。
同时，许多电子系统还需要高于供电电压的电源，比如在电池供电设备中，驱动液晶显示的背光电源，普通的白光LED驱动等，都需要对系统电源进行升压，这就需要用到升压型开关电源。
此外，现代电子系统正在向高速、高增益、高可靠性方向发展，电源上的微小干扰都对电子设备的性能有影响，这就需要在噪声、纹波等方面有优势的电源，需要对系统电源进行稳压、滤波等处理，这就需要用到线性电源。
上述不同的电源管理方式，可以通过相应的电源芯片，结合极少的外围元件，就能够实现。可见，发展电源管理芯片是提高整机性能的必不可少的手段。
芯片选择因事而异
电源管理的范畴比较广，既包括单独的电能变换(主要是直流到直流，即DC/DC)，单独的电能分配和检测，也包括电能变换和电能管理相结合的系统。相应的，电源管理芯片的分类也包括这些方面，比如线性电源芯片、电压基准芯片、开关电源芯片、LCD驱动芯片、LED驱动芯片、电压检测芯片、电池充电管理芯片等。下面简要介绍一下电源管理芯片的主要类型和应用情况。
如果所设计的电路要求电源有高的噪音和纹波抑制，要求占用PCB板面积小(如手机等手持电子产品)，电路电源不允许使用电感器(如手机)，电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能，要求稳压器压降及自身功耗低,线路成本低且方案简单，那么线性电源是最恰当的选择。这种电源包括如下的技术：精密的电压基准，高性能、低噪音的运放，低压降调整管，低静态电流。
在小功率供电、运放负电源、LCD/LED驱动等场合，常应用基于电容的开关电源芯片，也就是通常所说的电荷泵(Charge Pump)。基于电荷泵工作原理的芯片产品很多，比如AAT3113。这是一种由低噪声、恒定频率的电荷泵DC/DC转换器构成的白光LED驱动芯片。AAT3113采用分数倍(1.5×)转换以提高效率。该器件采用并联方式驱动4路LED。输入电压范围为2.7V～5.5V，可为每路输出提供约20mA的电流。该器件还具备热管理系统特性，以保护任何输出引脚所出现的短路。其嵌入的软启动电路可防止启动时的电流过冲。AAT3113利用简单串行控制接口对芯片进行使能、关断和32级对数刻度亮度控制。
而基于电感的DC/DC芯片的应用范围最广泛，应用包括掌上电脑、相机、备用电池、便携式仪器、微型电话、电动机速度控制、显示偏置和颜色调整器等。主要的技术包括：BOOST结构电流模式环路稳定性分析，BUCK结构电压模式环路稳定性分析，BUCK结构电流模式环路稳定性分析，过流、过温、过压和软启动保护功能，同步整流技术分析，基准电压技术分析。
除了基本的电源变换芯片，电源管理芯片还包括以合理利用电源为目的的电源控制类芯片。如NiH电池智能快速充电芯片，锂离子电池充电、放电管理芯片，锂离子电池过压、过流、过温、短路保护芯片;在线路供电和备用电池之间进行切换管理的芯片，USB电源管理芯片;电荷泵，多路LDO供电，加电时序控制，多种保护，电池充放电管理的复杂电源芯片等。
目前的很多产品都在朝这个方向发展，因为这类产品的应用更加广泛，特别是在消费类电子方面。比如便携式DVD、手机、数码相机等，几乎用1块-2块电源管理芯片就能够提供复杂的多路电源，使系统的性能发挥到最佳。
受到外界干扰
逆变器可能会因使用场合中的一些强电磁波的干扰，如附近的马达、功率变频器、强磁场等。
尽量远离类似上面的设备。
逆变器没有反应
1. 电池和逆变器没有接好，重新接好。
2. 电池的极接反了，保险丝熔断。更换保险丝。
输出电压低
1. 过载，负载电流超过标称电流，关掉部分负载重新启动。
2. 输入电压太低。确保输入电压在标称电压范围之内。
低电压报警
1. 电池没电了需要充电。
2. 电池电压太低或者接触不良，再充电，检查电池端子或者用干布清理端子。
逆变器无输出
1. 电池电压太低，重新充电或者更换电池。
2. 负载电流太高，关闭部分负载重新启动逆变器。
3. 逆变器过温保护。让逆变器降温一段时间，并放在通风的地方。
4. 逆变器启动失败，重新启动。
5. 端子接反，保险丝熔断，更换保险丝。
逆变器不工作
检查电源开关，保险丝和电池连接线或者电烟器。
逆变器无直流输入
此类故障经常发生的原因是蓄电池未正确连接，逆变器的正负极必须与蓄电池正负极连接正确，正极接正极，负极接负极，正确连接后开关合上，基本就可以解决此类故障。
逆变器输入输出保险丝熔断
此类故障一般明显可以看到，只要更换保险丝即可。
蓄电池电压高于额定直流输入电压20%
逆变器有一个工作电压范围，一般为额定直流电压+-10%之间，如若高于此电压，需要更换蓄电池组或者更换逆变器，以防止对机器造成损坏。
蓄电池电压低于额定直流输入电压15%
此类问题主要是由于蓄电池电量不足，只需要给蓄电池组充电即可。
负载功率过大
这类问题主要是前期对负载功率计算不足造成，需要增大逆变器的功率或者减小负载功率即可。
逆变电源的原理
利用晶闸管电路把直流电转变成交流电,这种对应于整流的逆向过程,定义为逆变。例如：应用晶闸管的电力机车，当下坡时使直流电动机作为发电机制动运行，机车的位能转变成电能，反送到交流电网中去。又如运转着的直流电动机，要使它迅速制动，也可让电动机作发电机运行，把电动机的动能转变为电能，反送到电网中去。
把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。在特定场合下，同一套晶闸管变流电路既可作整流，又能作逆变。
变流器工作在逆变状态时，如果把变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网去，叫有源逆变。如果变流器的交流侧不与电网联接，而直接接到负载,即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，则叫无源逆变。交流变频调速就是利用这一原理工作的。有源逆变除用于直流可逆调速系统外，还用于交流饶线转子异步电动机的串级调速和高压直流输电等方面。
逆变电源的相对概念
交流电转换为直流电的方法就是整流;而直流电转换为交流电的方法是逆变。
整流，全波整流电路就是利用二极管单向导通的特性，用4个二极管连成一个桥式整流电路(见下图)，使输入端是交流电流，其波形是正弦波，电流方向是交变的，而输出端波形电流变为同一方向，再经过滤波电路将波形滤掉之后可得到直流电。
桥式整流电路
逆变电源中的脉宽调制技术应用
基本型方波逆变电源电路简单，但输出电压波形的谐波含量过大，亦既THD(电流谐波畸变率)过大;移相多重叠加逆变电源输出电压波形的谐波含量小，亦即THD小，但电路较复杂。而PWM脉宽调制式逆变电源，既有电脑的电路，又可使输出电压波形，因而得到了广泛的应用。
所谓PWM脉宽调制技术(Pulse Width Modulation,PWM),是用一种参考波(通常是正弦波，有时也采用梯形波或注入零序谐波的正弦波或方波等)为调制波(Modulating Wave),而以N倍于调制波频率的三角波(有时也用锯齿波)为载波(Carrier Wave)进行波形比较，在调制波大于载波的部分产生一组幅值相等，而宽度正比于调制波的矩形脉冲序列用来等效调制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变电源开关管的通/断控制，把直流电变成交流电，这种技术就叫做脉宽控制逆变技术。由于载波三角波(或锯齿波)的上下款度是线性变化的，故这种技术就叫做脉宽控制逆变技术。由于载波三角波(或锯齿波)的上下宽度是线性变化的，故这种调制方式也是线性的，当调制波为正弦波时，输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化，这种调制技术通常又称为正弦脉宽调制(Sinusoida PWM)技术。
运放如上图有两个输入端a,b和一个输出端o.也称为倒向输入端(反相输入端),非倒向输入端(同相输入端)和输出端.当电压加U-加在a端和公共端(公共端是电压的零位,它相当于电路中的参考结点.)之间,且其实际方向从a 端指向公共端时,输出电压U实际方向则自公共端指向o端,即两者的方向正好相反.当输入电压U+加在b端和公共端之间,U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同.为了区别起见,a端和b 端分别用"-"和"+"号标出,但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性.电压的正负极性应另外标出或用箭头表示.反转放大器和非反转放大器如下图：
一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口(Out)和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。
运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。
运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨(rail-to-rail)输入运算放大器。
运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0(E1-E2)，其中，A0 是运放的低频开环增益(如 100dB，即 倍)，E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。
到此这篇反激电路公式（反激电路的工作过程）的文章就介绍到这了,更多相关内容请继续浏览下面的相关推荐文章，希望大家都能在编程的领域有一番成就！版权声明：
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