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AC/DC電源設計三步走:整流,PFC及隔離

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Technology

AC/DC電源設計三步走:整流,PFC及隔離

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2021/04/30
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       什么是電源?電源是將來自電源的能量轉換成為負載供電所需的電壓值,比如電機或電子設備。電源主要有兩種設計:線性電源和開關電源。

       線性電源:線性電源設計使用變壓器降低電壓。然后將電壓整流并轉換為直流電壓,然后對其進行濾波以提高波形質量。線性電源使用線性調節器在輸出端保持恒定的電壓。這些線性調節器以熱量的形式消散額外的能量。

       開關電源:開關電源設計是一種較新的方法,旨在解決線性電源的諸多問題,包括變壓器尺寸和電壓調節。在開關電源設計中,輸入電壓不再降低,而是在輸入端進行整流和濾波。然后電壓通過斬波器,再將其轉換成高頻脈沖串。在電壓達到輸出之前,它會被再次過濾和整流。

       開關電源是如何工作的?多年來,線性AC/DC電源已經成為主流,將電網中的交流電源轉換為運行家用電器或照明設備的直流電壓。大功率應用對小型電源的需求,意味著線性電源已主要用于特定的工業和醫療用途,在這些領域由于其低噪聲而仍然需要它們。但由于開關電源體積更小,效率更高,而且能夠處理高功率,所以已經取代了開關電源。圖1介紹了開關電源中從交流(AC)到直流(DC)的一般過程。

 
圖1:隔離開關式AC/DC電源

       輸入整流是將交流電壓轉換為直流電壓的第一步。人們普遍認為直流電壓是一條筆直的、不動搖的恒壓線,就像從電池里出來的那種。然而,定義直流電的是電荷的單向流動。這意味著電壓流向相同,但不一定是恒定的。正弦波是交流電(AC)最典型的波形,前半個周期為正,其余周期為負。如果反向或消除負半周期,則電流停止交替,變成直流電。這可以通過一個叫做矯正的過程來實現。整流可以通過使用無源半橋整流器來實現,用二極管消除正弦波的負半部分(見圖2)。二極管允許電流在正半波期間流過,但當電流反向流動時,二極管會阻斷電流方向。

 
圖2:半橋整流器

       整流后,產生的正弦波平均功率較低,不能有效地為設備供電。一個更有效的方法是改變負半波的極性并使其變成正電壓。這種方法被稱為全波整流,它需要四個二極管配置成一個電橋(見圖3)。無論輸入電壓如何,這種配置都能保持穩定的電流流向極性。

 
圖3:全橋整流器

       全整流波的平均輸出電壓比半橋整流器的高,但離為電子設備供電所需的恒定直流波形仍有很大差距。雖然這是一個直流波,但由于電壓波形,供電是低效的,因為電壓波的值變化非常快和頻繁。這種周期性的直流電壓變化被稱為紋波。減少或消除紋波是一個有效的電源供應的關鍵。減少紋波最簡單和最常用的方法是在整流器輸出端使用一個大電容器,稱為儲能電容器或平滑濾波器(見圖4)。電容器在電壓峰值時存儲電壓,然后向負載提供電流,直到其電壓小于現在上升的整流電壓波。得到的波形更接近所需的形狀,可以認為是沒有交流分量的直流電壓。這個最終的電壓波形現在可以用來給直流電供電設備。

 
圖4:帶平滑濾波器的全橋整流器

       無源整流使用半導體二極管作為不受控制的開關,是整流交流波最簡單的方法,但不是最有效的方法。二極管是相對有效的開關;它們可以以最小的功率損耗快速打開和關閉。半導體二極管的唯一問題是它們的正向偏置電壓降為0.5V到1V,這會降低效率。有源整流用可控開關代替二極管,如MOSFET或BJT晶體管(見圖5)。這種方法的優點有兩個:首先,基于晶體管的整流器消除了與半導體二極管相關的0.5V到1V的固定電壓降,因為它們的電阻可以很小,因此電壓降也很小。第二,晶體管是可控開關,這意味著開關頻率可以控制,從而得到優化。缺點是,有源整流器需要更復雜的控制電路來達到其目的,這就需要額外的元件,從而使它們變得更貴。

 
圖5:全橋有源整流器

       功率因數校正(PFC)開關電源設計中的第二個階段是功率因數校正(PFC)。功率因數校正電路與交流電源到直流電源的實際轉換關系不大,但卻是大多數商用電源的關鍵部件。

 
圖6:整流器輸出的電壓和電流波形

       如果你觀察整流器電容器的電流波形(見圖6),你會看到充電電流在很短的時間內流過電容器,特別是電容器輸入電壓大于電容器電荷到整流信號的峰值。這會在電容器中產生一系列短電流尖峰,因此不僅對電源造成嚴重問題,而且由于這些電流尖峰注入電網的諧波量很大,對整個電網都是一個重大問題。諧波會產生失真,可能會影響連接到電網的其他電源和設備。在開關電源設計中,功率因數校正電路的目標是通過濾除這些諧波來最小化影響。為此,有兩種選擇:有源和無源功率因數校正。

       無源PFC電路是由無源低通濾波器組成的,它試圖消除高次諧波。然而,電源,特別是在大功率應用中,僅僅使用無源PFC無法滿足諧波噪聲的國際規定,必須采用有源功率校正。

       有源PFC改變電流波形,使之跟隨電壓變化。諧波被移到更高的頻率,使其更容易濾除。在這種情況下,最廣泛使用的電路是升壓變換器,也稱為升壓變換器。

       隔離:隔離開關電源與非隔離開關電源。無論功率因數校正電路是否存在,功率轉換的最后一步是將整流后的直流電壓逐步降低到適合預期應用的幅度。因為輸入的交流波形已經在輸入端整流,所以直流電壓輸出將會很高:如果沒有功率因數校正,整流器的輸出直流電壓將為320V左右。如果有有源功率因數校正電路,升壓變換器的輸出將是穩定的400V或更高。這兩種情況都是極其危險的,對于通常需要顯著降低電壓的大多數應用來說毫無用處。表1顯示了在選擇正確的隔離拓撲時應該考慮的幾個轉換器和應用方面。

       在選擇使用哪種降壓方法時,主要考慮的是安全性。電源在輸入端與交流電源相連,這意味著,如果輸出端有電流泄漏,可能會嚴重傷害,并損壞任何負載設備。安全隔離可以通過磁隔離輸入和輸出電路來實現。隔離AC/DC電源中使用最廣泛的電路是反激變換器和諧振LLC變換器,因為它們包括電流隔離或磁隔離(見圖7)。

 


 圖7:反激變換器(左)和LLC諧振變換器(右)

       使用變壓器意味著信號不能是平坦的直流電壓。相反,為了通過感應耦合將能量從變壓器的一側傳輸到另一側,必須存在電壓變化,從而改變電流。因此,反激式和LLC變換器都將輸入直流電壓“斬波”成方波,方波可以通過變壓器降壓。然后輸出波形必須在輸出前再次校正。

       反激變換器主要用于低功耗應用。反激變換器是一種隔離的buck-boost變換器,這意味著輸出電壓可以高于輸入電壓,也可以低于輸入電壓,這取決于變壓器在一次繞組和二次繞組之間的匝數比。反激變換器的工作原理與升壓變換器非常相似。當開關閉合時,初級線圈由輸入端充電,產生磁場。當開關斷開時,初級電感器中的電荷轉移到次級繞組,次級繞組向電路注入電流,為負載供電。反激式變換器相對容易設計,并且比其他變換器需要更少的元件,但是效率不高,因為強制晶體管任意打開和關閉的硬開關會造成很大的損耗(見圖8)。特別是在大功率應用中,這對晶體管的生命周期非常不利,并產生顯著的功率損耗,這就是為什么反激變換器更適合低功率應用,通常高達100W。

       諧振LLC轉換器在大功率應用中更為常用。這些電路也通過變壓器進行磁隔離。LLC變換器是基于諧振原理,即當它與濾波器的固有頻率相匹配時,對某一頻率的放大。在這種情況下,LLC轉換器的諧振頻率由串聯的電感器和電容器(LC濾波器)和變壓器初級電感器(L)的附加效應而定,因此命名LLC轉換器。LLC諧振變換器是大功率應用的首選,因為它們可以產生零電流開關,也稱為軟開關(見圖8)。這種開關方法在電路中的電流接近零時打開和關閉開關,最大限度地減少晶體管的開關損耗,從而減少電磁干擾,提高效率。不幸的是,這種性能的提高是有代價的:很難設計一個LLC諧振變換器,它可以實現大范圍負載的軟開關。為此,MPS開發了一種特殊的LLC設計工具,以確保轉換器在正確的諧振狀態下工作,以實現最佳開關效率。

 
圖8:硬開關(左)與軟開關(右)損耗

       在本文的前面,我們討論了為什么AC/DC電源的限制之一是輸入變壓器的尺寸和重量,由于工作頻率較低(50Hz),為了避免飽和,需要使用大電感器和磁芯。在開關電源中,電壓的振蕩頻率要大得多(至少在20kHz以上)。這意味著降壓變壓器可以更小,因為高頻信號在線性變壓器中產生較少的磁損耗。輸入變壓器的尺寸減小使得系統小型化。有些直流設備不需要變壓器提供的隔離。

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