硬開關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)以及全諧振式電源適配器 | ||||
在20世紀(jì)60年代和70年代,當(dāng)高效率和高可靠性的半導(dǎo)體以令人能夠接受的價(jià)格出現(xiàn)后,現(xiàn)代電源適配器成為一種當(dāng)然之選的技術(shù),在這之前,電源適配器技術(shù)僅用于大功率和高頻場(chǎng)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(jì)60年代初,電子學(xué)正面臨著一場(chǎng)重要的革命,當(dāng)時(shí)Tobey和 Dinsdale發(fā)明了一種基于儲(chǔ)半導(dǎo)體的脈沖寬度調(diào)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(shù)。盡管相關(guān)文獻(xiàn)直到20世紀(jì)80年代才大量出現(xiàn),但毫無(wú)疑問(wèn),當(dāng)時(shí)從事電源研究的人數(shù)眾多。 英規(guī)電源適配器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的先驅(qū)們(如 Abraham1。 Pressman,1915-2001)在設(shè)計(jì)線性調(diào)節(jié)器、電源適配器和諧振式電源時(shí)都一樣自如,早年,諧振式功率系統(tǒng)通常采用低頻開關(guān)器件,如晶閘管,頻率限制在幾千赫茲范圍內(nèi)。 然而近年來(lái),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(zhǔn)諧振變換器的設(shè)計(jì)越來(lái)越專業(yè)化。這就要求設(shè)計(jì)人員只能專攻硬開關(guān)方法(矩形波)或者諧振式方法(正弦或準(zhǔn)正弦波)。毫無(wú)疑問(wèn),這種專業(yè)化的原因在于兩種方法涉及的知識(shí)面均非常廣,人們很難在兩方面都站在技術(shù)的前沿。 最近,第三種方法出現(xiàn)了,即“準(zhǔn)諧振式電源適配器”。這種方法試圖將硬開關(guān)和諧振式系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái),在補(bǔ)充內(nèi)容的第3章給出的就是一個(gè)很好的例子:三相交流輸入的10kW電源采用準(zhǔn)諧振方法,并且證明整機(jī)效率接近97%。 在這種情況下,對(duì)各種系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)有助于設(shè)計(jì)者在特定應(yīng)用中選擇最佳方法。迄今沒有一種技術(shù)能夠堪稱理想(否則大家就都來(lái)用了),在參數(shù)設(shè)計(jì)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(guān)方法的優(yōu)缺點(diǎn) 在硬開關(guān)方法中,功率器件完全導(dǎo)通一段時(shí)間,隨后完全關(guān)斷一段時(shí)間,導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間之比決定著輸出電壓或電流的平均值。 可以采用多種調(diào)制方法,包括定頻(導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間都變化)、變頻(導(dǎo)通時(shí)間固定而關(guān)斷時(shí)間變化)、變頻(關(guān)斷時(shí)間固定而導(dǎo)通時(shí)間變化)、變頻(導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)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(gè)共同之處,即都在應(yīng)力很高的情況下開通或關(guān)斷功率器件,在此期間,功率器件兩端的電壓和通過(guò)器件的電流都很大,造成非常大的開關(guān)損耗。盡管可用各種緩沖(負(fù)載線整形)方法減小損耗,但并不能從根本上解決問(wèn)題。下面將利用未采用負(fù)載線整形的簡(jiǎn)單升壓變換器對(duì)此做出解釋。 圖所示的是一個(gè)基本的升壓開關(guān)調(diào)節(jié)器,圖42。1b給出了開通過(guò)程中電壓和電流的波形,圖所示的為未采用負(fù)載線整形時(shí)開關(guān)器件的損耗應(yīng)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(dǎo)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(guò)輸出電流之前不會(huì)降低,電感L1在開關(guān)過(guò)程中迫使電流流動(dòng),造成Q1在開通和關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生很大的尖峰開關(guān)損耗。(本例中峰值為2000V。)這在開關(guān)過(guò)程中發(fā)生,與器件的開關(guān)速度無(wú)關(guān),并且證明這種固有的功率損耗與此類調(diào)節(jié)器的硬開關(guān)過(guò)程有關(guān) 硬開通開關(guān)損耗 初始條件:該例中,假設(shè)器件是理想的(無(wú)損耗)且電路已經(jīng)進(jìn)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(jiǎn)單起見,本例中可認(rèn)為輸入電流在一個(gè)周期中保持不變。 注意到Q1開通之前,流過(guò)L1的10A電流經(jīng)D1和負(fù)載流入大電容C2,且輸出側(cè)B點(diǎn)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(jiǎn)單起見假設(shè)C2很大,所以紋波電壓很小,可以忽略。 由圖的左側(cè)部分可見,在開通時(shí)刻T1之前,Q的漏極電流(ID)接近于0而B點(diǎn)的電壓(Vo)被柑位在200V,這是因?yàn)镈是導(dǎo)通的,而C點(diǎn)的輸出電壓為200V。 開通過(guò)程 T1時(shí)刻Q1在柵極信號(hào)的作用下開始導(dǎo)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(shí)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(dǎo)通,D的電流為10A與Q1電流之差。所以,D1仍然將B點(diǎn)的電壓位于由C保持的約200V。在這段開通初始階段內(nèi),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(shí)刻Q1的電流達(dá)到10A,D的電流下降至0,D2反向偏置。B點(diǎn)的電壓(Q1的漏源電壓)從200V開始下降,在T時(shí)刻電壓降至0之前,Q1仍然是導(dǎo)通的。在這一階段,Q1的等效電阻開始減小,直至達(dá)到R=。但是,Q1中同時(shí)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(guò)程中Q1的損耗峰值為2000W,需要注意的是,增加開關(guān)速度(采用更快的器件)不會(huì)改變損耗峰值。使用快速器件可以降低平均功耗,因?yàn)楣β是€圍成的面積將減小,但功耗峰值維持不變。 重點(diǎn)在于,Q1的峰值損耗為2kW且增加Q1的開關(guān)速度峰值損耗保持不變,因?yàn)檫@是硬開關(guān)過(guò)程的固有特性。實(shí)際應(yīng)用中,可采用緩沖電路(負(fù)載線整形)降低Q1的峰值應(yīng)力,但一般而言這樣做只會(huì)使損耗轉(zhuǎn)移到其他元件中。類似的過(guò)程出現(xiàn)在關(guān)斷Q時(shí)。 這就是硬開關(guān)最主要的缺點(diǎn)。其他硬開關(guān)拓?fù)湟泊嬖谥煌膿p耗問(wèn)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(wèn)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(guān)的主要特性總結(jié)如下。 缺點(diǎn) (1)固有的高開關(guān)損耗; (2)工作頻率的范圍受限(歸因于高開關(guān)損耗); (3)開關(guān)邊沿過(guò)快遣成寬頻譜范圍的EMI噪聲 (4)需要采用負(fù)載線整形技術(shù); (5)開關(guān)器件的應(yīng)力高; (6)功率二極管中反向恢復(fù)電流很大。 優(yōu)點(diǎn) (1)非常成熟的技術(shù)和許多行之有效的拓?fù)?。相關(guān)的圖書和應(yīng)用注釋豐富,有種類齊全的控制IC可供選用; (2)能適應(yīng)輸入和負(fù)載的大范圍變化; (3)非諧振式電路,因此繞線式元件及開關(guān)器件中的電流更小,IR損耗也小 (4)易于理解和設(shè)計(jì); (5)布局和繞線式元件的設(shè)計(jì)不是特別關(guān)鍵。 下面要分析的是全諧振式電源適配器的工作過(guò)程。 插墻式電源適配器全諧振式開關(guān)系統(tǒng) 諧振式開關(guān)系統(tǒng)的種類繁多,且有成為專業(yè)領(lǐng)域的趨向,電源適配器廠家(玖琪實(shí)業(yè))也無(wú)法面面俱到地涵蓋全部有關(guān)內(nèi)容。如果電源適配器工程師希望對(duì)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(shí)。 電源適配器廠家(玖琪實(shí)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(diǎn)和缺點(diǎn)
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| 發(fā)布時(shí)間:2018.12.17 來(lái)源:電源適配器廠家 |
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