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開關電源基本工作原理(一)
開關電源基本工作原理
開關K 以一定的頻率重復的接通或斷開。在開關K 接通時，輸入電源通過開關K 和濾波電路向負載提供能量；當開關K斷開時，輸入電源便中斷了能量的供給。開關電源的示意圖如圖2-1所示。
為了使負載能夠得到連續的能量，開關電源就必須有一套儲能裝置，以便在開關K 接通時將一部分能量儲存起來，當開關K 斷開后再將儲存的能量提供給負載。圖2-1中的電感L、電容C和二級管D 組成的電路就具有這樣的功能。當開關K 接通時，電感L 用以儲存能量，開關K 斷開時，儲存在電感L中的能量通過二級管D 釋放給負載，從而使負載得到連續而又穩定的能量。
當電子開關K按一定的頻率開關時，導通時間越長，輸出電壓越高；導通時間越短，輸出電壓越低。通常，開關電源就是這樣在開關頻率一定的情況下，通過調整開關時間的長短�？刂戚敵鲭妷旱母叩�。目前，也有的開關電源采用開關時間長短恒定，通過改變開關頻率來改變輸出電壓的高低。
圖2-1 開關電源示意圖
開關電源的形式有很多種，其中尤其以脈沖寬度調制型（PWM）最為盛行，現在就以此種形式的開關電源介紹以下開關電源的工作原理。
采用PWM技術的開關電源原理機構如圖2-2所示，從電網將能量傳遞給負載的回路稱為主回路，其余稱為控制回路。
工頻電網交流電壓經過輸入整流濾波電路，得到高波紋未調直流電壓，在經功率轉換電路，變換成符合要求的矩形波脈動電壓，最后經過整流濾波電路將其平滑成連續的低波紋直流電壓。
圖2-2 PWM方式開關電源框圖
控制回路在提供高壓開關T管基極驅動脈沖的同時，需要完成輸出電壓穩壓的控制，而且還必須能對電源或負載提供保護。它通常由檢測比較放大電路、電壓-脈沖寬度轉換電路（V/W電路）、時鐘震蕩電路，以及自用電壓源等基本電路構成。
對于PWM方式而言，將頻率固定的震蕩源稱為時鐘震蕩器，這種電源利用檢測電路反映輸出電壓值，通過和給定參考電壓比較并產生誤差信號，在經過V/W電路調制脈沖寬度——調節輸出電壓。例如，由于某種原因（負載電流減小或電網電壓上升）使高頻變壓器副邊輸出電壓的平均值增大，電源輸出電壓也將隨之提高，反饋檢測電路將提高了輸出電壓和基準電壓進行比較，并產生負積極性的誤差電壓，V/W電路根據該誤差電壓及時減小輸出脈寬，這樣使輸出電壓平均值減小，接近原來的數值，從而實現穩壓的作用。
開關電源的分類
在電子技術和應用飛速發展的今天, 對電子儀器和設備的要求是, 在性能上更加安全可靠, 在功能上不斷增加, 在使用上自動化程度要越來越高, 在體積上日趨小型化。這使采用具有眾多優點的開關電源就顯得更加重要。所以, 開關電源在計算機、通信、航天、彩電等方面都得到了越來越廣泛的應用, 發揮了巨大的作用, 這大大促進了開關電源的發展, 從事這方面研究和生產的人員也在不斷地增加, 開關電源的品種和類型也越來越多。常見的開關電源的分類方法有下列幾種:
1.按激勵方式劃分 分為他激式和自激式。他激式開關電源電路中專設激勵信號振蕩器；自激式開關功率管兼作振蕩管。該形式的開關電源電路結構簡單, 元器件少, 可以做成低成本的開關電源。
2.按調制方式劃分 分為脈寬調制型、頻率調整型和混合調整型。脈寬調制型保持振蕩頻率保持不變, 通過調節脈沖寬度來改變輸出電壓的大�。活l率調整型保持占空比保持不變(脈沖寬度保持不變) , 通過改變振蕩頻率來改變輸出電壓大��；混合調整型是脈沖寬度和振蕩頻率均可進行調節的開關電源。
3．按開關管電流的工作方式劃分 分開關型和諧振型。開關型用開關晶體管把直流變成高頻標準方波, 其電路形式類似于他激式；諧振型用開關晶體管與LC諧振回路將直流變成標準正弦波, 其電路形式類似于自激式開關電源。
4．按開關晶體管的類型劃分 分為晶體管型和可控硅型。晶體管型采用晶體管(包括場效應管)作為開關功率管；可控硅型采用可控硅作為開關功率管。這種電路的特點是直接輸入交流電壓, 不需要一次整流部分。
5．按儲能電感與負載的連接方式劃分 分串聯型和并聯型。串聯型儲能電感串聯在輸入與輸出電壓之間；并聯型儲能電感并聯在輸入與輸出電壓之間。
6．按晶體管的連接方法劃分 分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式。單端式僅使用一個晶體管作為電路中的開關管。這種電路的特點是價格低、電路結構簡單, 但輸出功率不能提高；推挽式使用兩個功率開關管, 將其連接成推挽功率放大器的形式。這種電路的特點是可以工作在電源電壓較低的場合, 一般逆變器多采用這種形式的電路, 但它的缺點是開關變壓器的初級必須具有中心抽頭；半橋式使用兩個功率開關管, 將其連接成半橋形式。它的特點是適應于輸入電壓較高的場合；全橋式使用四個功率開關管,將其連接成全橋的形式。它的特點是輸出功率較大。
7．按電路結構劃分 分為散件式和集成電路式。散件式整個開關電源電路都是采用分立式元器件組成的。這種電路的缺點是電路結構較為復雜；集成電路式整個開關電源電路或電路的一部分是由集成電路組成的。這種集成電路通常被稱為厚膜電路,有的厚膜集成電路中包括功率開關管, 有的則不包括。這種形式的電源的特點是電路結構簡單、調試方便、可靠性高。這種電路被廣泛地應用于彩色電視中。
以上五花八門的開關電源品種都是站在不同的角度, 以開關電源不同的特點命名和劃分的。不論是激勵方法、輸出直流電壓的調節手段、儲能電感的連接方法、功率開關管的器件種類以及串并聯結構, 還是其他的電路形式,它們最后總可以歸結為串聯型和并聯型開關電源這兩大類[4]。
開關電源優缺點
開關電源的優點
1．功耗小、效率高 開關電源結構原理方框圖中的晶體管在激勵信號的驅動下,其工作狀態處于導通—截止和截止—導通的開關狀態,轉換速度很快, 頻率一般為50kHz左右。在一些技術先進的國家, 可以做到幾百或者上千kHz。晶體管V飽和導通時,雖然電流較大,但管壓降很小;截止斷開時, 雖然管壓降很大,但通過的電流幾乎為零。這就使得開關晶體管V 在其整個工作過程中的功耗很小,電源的效率可以大幅度地提高。
2．體積小、重量輕 沒有了笨重的工頻降壓變壓器。由于調整管上的耗散功率大幅度地降低, 因而省去了體積和重量都較大的散熱片。由于這兩方面的原因, 故開關電源的體積小、重量輕。
3．穩壓范圍寬 開關電源的輸出電壓是通過激勵信號的占空比來調節的, 輸入電壓的波動變化, 可以通過改變占空比的方式來進行補償, 這樣在輸入電壓變化或波動較大時, 它仍能保證有較穩定的輸出電壓。所以, 開關電源的穩壓范圍很寬, 穩壓效果較好。此外,改變占空比的方法有脈寬調制型、頻率調制型和混合調制型三種。這樣開關電源不僅具有穩壓范圍寬的優點, 而且實現穩壓的方法也較多較靈活,設計人員可以根據實際應用的需要和要求, 靈活選用各種形式的穩壓方法。
4．濾波效率高,不需要較大容量的濾波電容 開關電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz 左右, 是線性電源的1000倍, 這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加電容濾波, 效率也提高了500倍。在相同波紋輸出電壓的要求下,采用開關電源時, 濾波電容的容量只是線性電源中濾波電容容量的1/500～1/1000。濾波電容容量
減小以后, 整個電源的體積和重量也相應地有所減小。
5．電路形式靈活多樣 例如：有自激式和他激式；有調寬型和調頻型; 有單端式和雙端式; 有開關元件為晶體管式和開關元件為可控硅式等等。設計者可以發揮各種類型電路的特長, 設計出能滿足各種不同應用場合的開關電源。
開關電源的缺點
開關電源最為突出的缺點就是開關干擾較為嚴重。開關電源中的開關功率管是工作在開關狀態下, 它產生的交流電壓和電流會通過電路中的其他元器件產生尖峰干擾和諧振干擾, 這些干擾如果不采取一定的措施進行抑制、消除、屏蔽和隔離,就會嚴重地影響整機的正常工作。此外, 由于開關電源中沒有了工頻降壓變壓器的隔離, 振蕩器所產生的高頻干擾如果不加以消除, 就會串入工頻電網, 使附近的其他電子儀器、設備和家用電器受到嚴重的干擾。
目前,由于國內微電子技術、阻容器件生產技術以及磁性材料技術與
一些技術先進的國家還有一定的差距, 因此開關電源的造價不能進一步降低, 也影響到可靠性的進一步提高。所以, 在我國的電子儀器以及機電一體化儀器中, 開關電源還不能得到普及使用。特別是無工頻變壓器開關電源中的高壓電容、高反壓大功率開關管、開關變壓器的磁性材料等元件,我國還處于研究和開發階段。一些先進的國家,雖然有了一定的發展,但是在實際應用中還存在一些問題, 不能令人十分滿意。這就暴露出了開關電源的又一個缺點, 那就是電路結構復雜、故障率高、維修麻煩、成本高。對此, 如果設計者和制造者不予以充分重視,則會直接影響開關穩壓電源的推廣應用。
軟開關技術簡介
硬開關與軟開關
現代電力電子裝置的發展趨勢是小型化、輕量化，同時對裝置的效率和電磁兼容性也提出了更高的要求。通常，濾波電感、電容和變壓器在裝置的體積和重量中占很大比例。因此必須設法降低他們的體積和重量，才能達到裝置的小型化、輕量化。從“電路”的有關知識中可以知道，提高工作頻率可以減少變壓器各繞組間的匝數，并減小鐵心的體積，從而使變壓器小型化。因此裝置小型化、輕量化的直接途徑就是電路的高頻化。但在提高開關頻率的同時，開關損耗也會隨之增加，電路效率嚴重下降，電磁干擾也增大了，所以簡單的提高開關頻率是不行的。
（a）硬開關的開通過程（b）硬開關的關斷過程
圖 2-3 硬開關的開關過程
針對這些問題出現了軟開關技術，他利用以諧振為住的輔助換流手段，解決了電路中的開關損耗和開關噪聲問題，使開關頻率可以大幅度提高。
在很多電路中，開關元件在電壓很高或電流很大的條件下，在門極的控制下開通或關斷，起典型的開關過程如圖2-3所示。開關過程中電壓、
電流均不為零，出現了重疊，因此導致了開關損耗。而且電壓和電流的變化很快，波形出現了明顯的過沖，這導致了開關噪聲的產生。具有這樣的開關過程的開關稱為硬開關。
在硬開關過程中會產生較大的開關損耗和開關噪聲。開關損耗隨著頻率的增加，使電路效率下降，阻礙了開關頻率的提高；開關噪聲給電路帶來嚴重的電磁干擾問題，影響周邊電子設備的工作。
通過在原來的開關電路中增加很小的電感，電容等諧振元件，構成輔助換流網絡，在開關過程中引入諧振過程，開關開通前電壓降為零，或關斷前電流降為零，就可以消除開關過程中電壓、電流的重疊，降低他們的變化率，從而大大減小甚至消除損耗和開關噪聲，這樣的電路稱為軟開關電路。軟開關電路中典型的開關過程如圖2-4所示。具有這樣開關過程的開關稱為軟開關。開關損耗理論上為零[5]。
（a）軟開關的開通過程 （b）軟開關的關斷過程
圖2-4軟開關的開關過程
軟開關的分類
根據電路中主要開關元件是零電壓開通還是零電流關斷，可以將軟開關電路零電壓電路和零電流電路兩大類。通常，一種開關電路要么屬于零電壓電路，要么屬于零電流電路。但在有些情況下，電路中有多個開關，有些開關工作在零電壓的條件下，而另一些開關工作在零電流的條件下。
根據軟開關技術的發展歷程可以將軟開關電路分成準諧振電路、零開關PWM電路和零轉換PWM電路。下面分別介紹上述三類軟開關電路。
1.準諧振電路
這是最早出現的軟開關電路，其中有些現在還在大量使用。準諧振電路可分為
(1)零電壓開關準諧振電路；
(2)零電流開關準諧振電路；
(3)零電壓開關多諧振電路；
(4)用于逆變器的諧振直流環電路。
2.零開關PWM電路
這類電路中引入了輔助開關來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發生與開關過程前后。零開關PWM電路可以分為
1）零電壓開關PWM電路；
2) 零電流開關PWM電路和準諧振電路相比，這類電路有很多明顯的優勢：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關頻率固定的PWM控制方式。[5]這兩種電路的基本開關單元如圖2-5。
(a) 零電壓開關PWM基本開關單元 (b) 零電流開關PWM基本單元
圖2-5 零開關PWM電路的基本開關單元
3.零轉換PWM電路
這類軟開關電路還是采用輔助開關控制諧振時刻的開始時刻，所不同的是，諧振電路是與主開關并聯的，因此輸入電壓和負載電流對電路諧振過程的影響很小，電路在很寬的輸入電壓輸入范圍內并從零負載到滿載都能工作在軟開關狀態。而且電路中無功功率的交換被削減到最小，使這種電路的效率進一步提高。
零轉換電路可分為：
(1)零電壓轉換PWM電路；
(2)零電流轉換PWM電路。
基本開關單元如圖2-6。
(a) ZVT PWM開關單元 (b)ZCT PWM 開關單元
圖2-6 零轉換PWM電路的基本開關單元
本章小結
本章簡要介紹了開關電源的工作原理，并從多方面闡述了開關電源的詳細分類。討論了開關電源在應用中的優點和不足。本章還簡要介紹了軟開關技術以及軟開關和傳統的硬開關之間的不同，指出軟開關是實現開關電源高頻化、小型化和輕量化的理想途徑。
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