硬開關的優(yōu)缺點以及全諧振式電源適配器 | ||||
在20世紀60年代和70年代,當高效率和高可靠性的半導體以令人能夠接受的價格出現(xiàn)后,現(xiàn)代電源適配器成為一種當然之選的技術,在這之前,電源適配器技術僅用于大功率和高頻場合,且采用各種磁性元件,如磁放大器和磁通門器件。 令我記憶猶新的是,20世紀60年代初,電子學正面臨著一場重要的革命,當時Tobey和 Dinsdale發(fā)明了一種基于儲半導體的脈沖寬度調制寬帶音頻放大器,雖然這是一種音頻放大器,但卻包含了現(xiàn)代電源適配器的基本技術。盡管相關文獻直到20世紀80年代才大量出現(xiàn),但毫無疑問,當時從事電源研究的人數(shù)眾多。 英規(guī)電源適配器設計領域的先驅們(如 Abraham1。 Pressman,1915-2001)在設計線性調節(jié)器、電源適配器和諧振式電源時都一樣自如,早年,諧振式功率系統(tǒng)通常采用低頻開關器件,如晶閘管,頻率限制在幾千赫茲范圍內。 然而近年來,高效的高頻器件將工作頻率提高至幾兆赫茲,高頻諧振和準諧振變換器的設計越來越專業(yè)化。這就要求設計人員只能專攻硬開關方法(矩形波)或者諧振式方法(正弦或準正弦波)。毫無疑問,這種專業(yè)化的原因在于兩種方法涉及的知識面均非常廣,人們很難在兩方面都站在技術的前沿。 最近,第三種方法出現(xiàn)了,即“準諧振式電源適配器”。這種方法試圖將硬開關和諧振式系統(tǒng)的主要優(yōu)點結合起來,在補充內容的第3章給出的就是一個很好的例子:三相交流輸入的10kW電源采用準諧振方法,并且證明整機效率接近97%。 在這種情況下,對各種系統(tǒng)的主要優(yōu)點和缺點進行總結有助于設計者在特定應用中選擇最佳方法。迄今沒有一種技術能夠堪稱理想(否則大家就都來用了),在參數(shù)設計上總是需要折衷,工程師必須考慮到許多要求和參數(shù)然后才能確定最佳方法。 硬開關方法的優(yōu)缺點 在硬開關方法中,功率器件完全導通一段時間,隨后完全關斷一段時間,導通和關斷時間之比決定著輸出電壓或電流的平均值。 可以采用多種調制方法,包括定頻(導通和關斷時間都變化)、變頻(導通時間固定而關斷時間變化)、變頻(關斷時間固定而導通時間變化)、變頻(導通和關斷時間都變化,但紋波電流峰一峰值不變,例如滯環(huán)控制)等。 上述方法有一個共同之處,即都在應力很高的情況下開通或關斷功率器件,在此期間,功率器件兩端的電壓和通過器件的電流都很大,造成非常大的開關損耗。盡管可用各種緩沖(負載線整形)方法減小損耗,但并不能從根本上解決問題。下面將利用未采用負載線整形的簡單升壓變換器對此做出解釋。 圖所示的是一個基本的升壓開關調節(jié)器,圖42。1b給出了開通過程中電壓和電流的波形,圖所示的為未采用負載線整形時開關器件的損耗應力。空氣凈化器電源適配器 電源適配器由100V輸入產(chǎn)生200V輸出的升壓變換器概圖。導通期間電壓和電流波形如圖(b)所示注意Q1兩端的電壓在Q1電流超過輸出電流之前不會降低,電感L1在開關過程中迫使電流流動,造成Q1在開通和關斷過程中產(chǎn)生很大的尖峰開關損耗。(本例中峰值為2000V。)這在開關過程中發(fā)生,與器件的開關速度無關,并且證明這種固有的功率損耗與此類調節(jié)器的硬開關過程有關 硬開通開關損耗 初始條件:該例中,假設器件是理想的(無損耗)且電路已經(jīng)進入穩(wěn)態(tài),輸入電壓為100V、電流為10A(1kW),輸出電壓為200V,輸出電流平均值約為5A(kW)。電感L很大,因此為了簡單起見,本例中可認為輸入電流在一個周期中保持不變。 注意到Q1開通之前,流過L1的10A電流經(jīng)D1和負載流入大電容C2,且輸出側B點的電壓為200V,輸出電流平均值約為5A,所以C:被5A電流充電。還是為了簡單起見假設C2很大,所以紋波電壓很小,可以忽略。 由圖的左側部分可見,在開通時刻T1之前,Q的漏極電流(ID)接近于0而B點的電壓(Vo)被柑位在200V,這是因為D是導通的,而C點的輸出電壓為200V。 開通過程 T1時刻Q1在柵極信號的作用下開始導通,Q1的電流開始增加至10A,T1至T2期間,電流增加的速率由Q1的開通特性(以及Q1和C1回路的電感)決定,例如這段時間為1us。注意在這一階段,Q1兩端的電壓維持在200V,原因是L的電流為恒定的10AD1仍然導通,D的電流為10A與Q1電流之差。所以,D1仍然將B點的電壓位于由C保持的約200V。在這段開通初始階段內,Q1的損耗非常大,損耗的曲線為圖(c)中位于T和T2之間的部分。T2時刻Q1的電流達到10A,D的電流下降至0,D2反向偏置。B點的電壓(Q1的漏源電壓)從200V開始下降,在T時刻電壓降至0之前,Q1仍然是導通的。在這一階段,Q1的等效電阻開始減小,直至達到R=。但是,Q1中同時存在電壓和電流。從而產(chǎn)生損耗,損耗曲線為圖(c)中位于T2和T3之間的部分。 圖表明在開通過程中Q1的損耗峰值為2000W,需要注意的是,增加開關速度(采用更快的器件)不會改變損耗峰值。使用快速器件可以降低平均功耗,因為功率曲線圍成的面積將減小,但功耗峰值維持不變。 重點在于,Q1的峰值損耗為2kW且增加Q1的開關速度峰值損耗保持不變,因為這是硬開關過程的固有特性。實際應用中,可采用緩沖電路(負載線整形)降低Q1的峰值應力,但一般而言這樣做只會使損耗轉移到其他元件中。類似的過程出現(xiàn)在關斷Q時。 這就是硬開關最主要的缺點。其他硬開關拓撲也存在著不同的損耗問題,盡管有許多方法可以降低這類損耗,但并未從根本上解決問題,而且還將工作頻率限制在200kHz以下。 空氣凈化器電源適配器硬開關的主要特性總結如下。 缺點 (1)固有的高開關損耗; (2)工作頻率的范圍受限(歸因于高開關損耗); (3)開關邊沿過快遣成寬頻譜范圍的EMI噪聲 (4)需要采用負載線整形技術; (5)開關器件的應力高; (6)功率二極管中反向恢復電流很大。 優(yōu)點 (1)非常成熟的技術和許多行之有效的拓撲。相關的圖書和應用注釋豐富,有種類齊全的控制IC可供選用; (2)能適應輸入和負載的大范圍變化; (3)非諧振式電路,因此繞線式元件及開關器件中的電流更小,IR損耗也小 (4)易于理解和設計; (5)布局和繞線式元件的設計不是特別關鍵。 下面要分析的是全諧振式電源適配器的工作過程。 插墻式電源適配器全諧振式開關系統(tǒng) 諧振式開關系統(tǒng)的種類繁多,且有成為專業(yè)領域的趨向,電源適配器廠家(玖琪實業(yè))也無法面面俱到地涵蓋全部有關內容。如果電源適配器工程師希望對此有全面而透徹的理解,建議查找本網(wǎng)站:m.viagratodaybest.com中列出的專業(yè)知識。 電源適配器廠家(玖琪實業(yè))將研究為熒光燈供電的全諧振式系統(tǒng)(工業(yè)中通常稱為鎮(zhèn)流器),從中我們將了解到全諧振系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點
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| 發(fā)布時間:2018.12.17 來源:電源適配器廠家 |
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