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1、57第二章开关电源的基本原理第二章开关电源的基本原理2.1开关整流器的分类与构成2.1.1开关整流器的发展过程开关整流器的出现是市场经济的产物。一方面石油危机发生,节能浪潮涌来,因此电源的高效率被提出来;另一方面功率器件和IC芯片的开发成功必须寻找市场,从而导致开关电源发展猛进,迅速取代相控、串联式及其它耗能型的电源。可以预见小型化、高频化带来高效率型的开关电源将会不断发展,利用表面贴装技术的电源产品也会得到发展,同时,利用自然资源的电源设备也将取得进一步的发展。在开关电源的整个发展过程中,大致有下面一些问题:
2、·小型化的障碍是“噪声”,新的小型化使技术人员的目光集中到对噪声的挑战中来,这样一来输入整流滤波部分约占整个面积的1/3,非常难处理。·高频化与小型化在一定范围内是相应的关系,但是过高的频率带来的额外的“噪声”处理措施,反而会使设计更复杂,器件更多,而体积却不一定更小。·主器件的选择原则:功率开关器件:开关管主要采用MOSFET,其优点是少数载流子导电,开关速度快,几百KHz均可应用;输入阻抗高,驱动功率小;漏─源间的通态电阻为正温度系数,可直接多管并联,无需加均流措施。缺点是饱和压降较高。现在已采用一种新型的
3、开关组合方式─MOSFET和IGBT并联,可解决饱和压降较高的问题,同时满足容量大,损耗小的要求。高频变压器:磁芯采用铁氧体或非晶态材料。整流二极管:采用快恢复软特性二极管,如IR、APT、philips等公司的产品。高频电容:要求等效串联电阻小,峰值电流要适当大,发热少,温升低,便于多个并联。对于电容器来讲,使用频率越高,表现的容量越小,电容器两端的直流电压与交流峰值电压之和需小于浪涌电压额定值。一般来讲应具有:57第二章开关电源的基本原理耐高的纹波电压、耐高温、耐高的峰值电流、小型化、高频化。选择合适的高频
4、电容器就能保证整流器的长工作寿命。2.1.2开关整流器基本构成原理及特点(1)开关电源基本电路框图基本框图如图2.1所示:图2.1开关电源基本构成框图输入回路的作用是将交流输入电压整流滤波变为较平滑的高压直流电压；功率变换器的作用是将高压直流电压转换为频率大于20KHz的高频脉冲电压；整流滤波电路的作用是将高频的脉冲电压转换为稳定的直流输出电压;开关电源控制器的作用是将输出直流电压取样,来控制功率开关器件的驱动脉冲的宽度,从而调整开通时间以使输出电压可调且稳定。从框图中可见,由于高频变压器取代了笨重的工频(50
5、Hz)变压器,从而使稳压电源的体积和重量大大减小。(2)开关电源特点·重量轻,体积小采用高频技术，去掉了工频变压器,与相控整流器相比较,在输出同等功率的情况下,开关整流器的体积只是相控整流器的1/10,重量也接近1/10。·功率因数高相控整流器的功率因数随可控硅导通角的变化而变化，一般在全导通时,可接近0.7以上,而小负载时,仅为0.3左右。经过校正的开关电源功率因数一般在0.93以上,并且基本不受负载变化的影响(对20%以上负载)。·噪音低在相控整流设备中,工频变压器及滤波电感工作时产生的噪声较大,一般大于6
6、0dB。而开关电源在无风扇的情况下噪声低于50dB。·效率高开关电源采用的功率器件一般功耗较小,57第二章开关电源的基本原理带功率因数补偿的开关电源其整机效率可达88%以上,较好的可做到91%左右。·冲击电流小开机冲击电流可限制在额定输入电流的水平。·模块式结构由于体积小,重量轻,可设计为模块式结构,目前的水平是一个2米高的19"机架容量可达48V/1000A以上,输出功率约为60KW。2.1.3基本分类目前开关整流器的分类主要有两类:一类是采用硬开关技术设计的整流器,一般称之为SMR(Switchingmod
7、eRecitifier);二是采用软开关技术设计的整流器,主要指谐振型开关整流器。下面简要介绍这两类开关技术。硬开关技术,通常所指的开关整流器SMR,就是采用硬开关技术设计的。其主要特点是:开关整流器中的功率开关器件工作在强迫关断(即电流不为零)和强迫导通(即电压不为零)方式。显然,采用硬开关技术设计的开关整流器,在开关器件的导通和截止期间存在一定的功率损耗。另外,其开关频率的提高也受到限制,一般控制在300KHz以下。目前,硬开关技术已完全成熟,如何减少开关器件的损耗,从而提高整机的效率的许多有效的措施,包括
8、很多专利技术,都证明是行之有效的。比较好的水平是整机效率达可到91%以上。由于硬开关技术具备技术成熟,对高频信号干扰的处理方式完善,尤其是主回路可靠,制造成本易于控制等优点,因此在今天的已经广泛应用于市场的通信用开关整流器中,硬开关技术仍然是主流。软开关技术,即通常所指的谐振型整流器,就是采用软开关技术设计的。谐振型技术主要是利用PWM移相原理,使各开关器件实现零电压或零电流导通或截止
