電源系統(tǒng)中的單元電路_電源技術(shù)概要㈡

　　在《電源技術(shù)概要㈠》中，我們介紹了電器系統(tǒng)中使用的各式各樣的電源。使我們感到要深入研究，或者全面掌握電源技術(shù)似乎比較困難。其實(shí)我們可以換一個(gè)思路，盡管電源的類別很多，但是各數(shù)類型的電源，都可以看成是由一些功能模塊（或者稱為單元電路，下同）組合而成，而這些組成電源的功能模塊其實(shí)數(shù)量并不多，只要清楚了這些單元電路的工作原理和結(jié)構(gòu)特征，就很容易全面掌握電源技術(shù)要領(lǐng)。本節(jié)將首先簡要說明這些單元電路的基本作用、基本原理。更詳細(xì)的細(xì)節(jié)知識(shí)，設(shè)計(jì)要求，以及如何通過這些單元電路組成我們需要的電源系統(tǒng)，等等問題將在后面的文章中專門探討。

二、電源系統(tǒng)基本單元電路介紹

1、 整流與濾波電路（AC/DC）

　　整流電路的作用就是將極性雙向變化的交流電或者雙向脈沖電，轉(zhuǎn)變成為單向脈沖電，單向脈沖電再經(jīng)過濾波電路的積分作用就成為直流電。因此整流和濾波電路的共同作用，才能完成了交流電到直流電的轉(zhuǎn)化。

　　普通二極管的單向?qū)щ娦?，是?gòu)成基本整流電路的基礎(chǔ)。以下是三種二極管整流電路原理圖，它們分別是：半波整流、全波整流、橋式整流。


　　二極管的參數(shù)（型號）依工作電壓和最大輸出功率確定，如果所整流的對象是非50HZ交流電或者是非正弦波脈沖，還需要考慮二極管的頻率特性（開關(guān)特性）。

　　下圖是一種可以同時(shí)輸出兩種電壓的特殊整流電路，此電路常常使用在需要適應(yīng)兩種不同標(biāo)準(zhǔn)（美國標(biāo)準(zhǔn)110V，中國標(biāo)準(zhǔn)220V）工頻電壓的電器中。



　　還可以通過多級倍壓的方法獲得更高的整流輸出直流電壓，如下圖所示：


　　此外，也可以使用可控硅器件，構(gòu)成輸出電壓連續(xù)可調(diào)的整流電路。

　　圖中，通過改變每一個(gè)正弦周期中可控硅的觸發(fā)時(shí)間，控制導(dǎo)通角，達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的。

　　還可以使用工作于開關(guān)狀態(tài)的功率場效應(yīng)管構(gòu)成開關(guān)同步整流電路。由于在大電流工作狀態(tài)下，場效應(yīng)比二極管的導(dǎo)通電壓更低，開關(guān)特性更好，因此同步整流電路比較適合用在大電流低電壓的高頻脈沖整流中。下圖是使用了兩只場效應(yīng)管（SR1、SR2）構(gòu)成的自驅(qū)動(dòng)同步整流電路。



　　下圖是由MAX1638構(gòu)成的直流變換器電路，其中輸出端采用了同步整流為外驅(qū)動(dòng)方式。



2、 線性穩(wěn)壓電路

　　下圖是最基本的串聯(lián)型反饋式線性穩(wěn)壓電路的原理圖。其中，VZ是是普通的穩(wěn)壓二極管，用來產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，T1是調(diào)整管，R1、R2構(gòu)成對輸出電壓的取樣電路。


　　
　　串聯(lián)型反饋式線性穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過程是：輸出電壓取樣，與基準(zhǔn)電壓比較，獲得輸出電壓的誤差量，對調(diào)整器件實(shí)施反饋控制，改變其電流導(dǎo)通量，達(dá)到修正輸出電壓的目的，屬于電壓型負(fù)反饋類型。

3、 開關(guān)穩(wěn)壓電路

　　開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制方式，也是采用了與線性穩(wěn)壓電源相同的電壓型負(fù)反饋類型，也分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種類型。最大的區(qū)別是：調(diào)整器件工作于高頻率的通斷狀態(tài)，通過改變通斷的時(shí)間比例（脈沖占空比），來改變平均電流值，達(dá)到修正輸出電壓的目的。基本原理參見以下方框圖。



4、 恒流輸出的方法及電路

　　所謂恒流輸出是指，當(dāng)輸入電壓或者負(fù)載阻抗在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，電源能夠保持對負(fù)載的輸出電流恒定不變。實(shí)現(xiàn)恒流輸出的基本方法是采取電流反饋。下圖所示是線性恒流電源的組成方框圖，同樣可以采用與開關(guān)穩(wěn)壓電源類似的調(diào)整方式，實(shí)現(xiàn)電源恒流輸出。



5、 直流電壓變換（DC/DC）方法

　　電壓變換是指電壓高低的變換，即升壓或者降壓。交流電壓的升降變換，一般通過普通的變壓器就可以完成。而直流電壓不能夠簡單地直接變換，需要通過功率脈沖振蕩器，先將直流電轉(zhuǎn)變成為脈沖交流電，再通過脈沖變壓器升壓或者降壓，最后經(jīng)過整流濾波電路還原成為直流電，它實(shí)際上屬于開關(guān)電源的一種類型。
在高壓大功率應(yīng)用場合。為了減小高壓大功率變換器開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，提出了三電平直流變換器的方案，該方法可使開關(guān)管的電壓應(yīng)力是輸入直流電壓的一半。其變換過程如下圖所示：



　　選用高的振蕩頻率，有助于大幅度減少脈沖變壓器的體積，但卻帶來了對功率開關(guān)調(diào)整器件頻率特性的更高要求，也加大了EMC設(shè)計(jì)的難度。所以一般選擇幾十千赫茲到兆赫茲范圍的振蕩頻率。

6、 逆變（DC/AC）方法

　　逆變就是把直流電轉(zhuǎn)變成為工頻交流電。最簡單直接的逆變方法，就是使用工頻正弦波信號去驅(qū)動(dòng)低頻功率放大器，從放大器輸出端獲得工頻交流電，再經(jīng)過普通鐵磁變壓器獲得所需要的電壓值。這種方法的主要缺點(diǎn)是，成本高、轉(zhuǎn)化效率低、輸出功率有限。

　　現(xiàn)代逆變器多數(shù)采用了PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)，獲得大功率、高效率的交流逆變輸出，基本工作原理如下圖左所示，下圖右是脈沖變壓器付邊的電流、電壓波形。



7、變壓器及電源隔離技術(shù)

　　變壓器是電源系統(tǒng)中不可缺少的主要部件，鐵磁變壓器笨重，用于變換工頻交流電的電壓；鐵氧體材料的脈沖變壓器輕巧、低成本，適合用來變換高頻率的脈沖電壓。變壓器原邊與付邊之間是通過磁場傳遞能量，原邊與付邊之間沒有電接觸，因此在電源系統(tǒng)中，變壓器還有一個(gè)重要的作用，就是實(shí)現(xiàn)原邊與付邊的電隔離。下圖是使用TOP202Y構(gòu)成的小功率低輸出電壓開關(guān)電源原理圖，其中通過脈沖變壓器以及光電偶合器，實(shí)現(xiàn)了輸入輸出的完全隔離。

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