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          開關電源主電路結構及工作原理
          hengliandy# 2019-07-18 1065次

          主回路—開關電源中,功率電流流經的通路。主回路一般包含了開關電源中的開關器件、儲能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器、等所有功率器件,以及供電輸入端和負載端。

          開關電源(直流變換器)的類型很多,在研究開發或者維修電源系統時,全面了解開關電源主回路的各種基本類型,以及工作原理,具有極其重要的意義。

          開關電源主回路可以分為隔離式與非隔離式兩大類型。

          1. 非隔離式電路的類型:

          非隔離——輸入端與輸出端電氣相通,沒有隔離。

          1.1. 串聯式結構

          串聯——在主回路中開關器件(下圖中所示的開關三極管T)與輸入端、輸出端、電感器L、負載RL四者成串聯連接的關系。

          開關管T交替工作于通/斷兩種狀態,當開關管T導通時,輸入端電源通過開關管T及電感器L對負載供電,并同時對電感器L充電,當開關管T關斷時,電感器L中的反向電動勢使續流二極管D自動導通,電感器L中儲存的能量通過續流二極管D形成的回路,對負載R繼續供電,從而保證了負載端獲得連續的電流。

           

          串聯式結構,只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓,因此為降壓式變換。

          1.2. 并聯式結構

          并聯——在主回路中,相對于輸入端而言,開關器件(下圖中所示的開關三極管T)與輸出端負載成并聯連接的關系。

          開關管T交替工作于通/斷兩種狀態,當開關管T導通時,輸入端電源通過開關管T對電感器L充電,同時續流二極管D關斷,負載R靠電容器存儲的電能供電;當開關管T關斷時,續流二極管D導通,輸入端電源電壓與電感器L中的自感電動勢正向疊加后,通過續流二極管D對負載R供電,并同時對電容器C充電。


          由此可見,并聯式結構中,可以獲得高于輸入電壓的輸出電壓,因此為升壓式變換。并且為了獲得連續的負載電流,并聯結構比串聯結果對輸出濾波電容C的容量有更高的要求。

          1.3.極性反轉型變換器結構

          極性反轉——輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結構特征是:在主回路中,相對于輸入端而言,電感器L與負載成并聯。

           

          開關管T交替工作于通/斷兩種狀態,工作過程與并聯式結構相似,當開關管T導通時,輸入端電源通過開關管T對電感器L充電,同時續流二極管D關斷,負載RL 靠電容器存儲的電能供電;當開關管T關斷時,續流二極管D導通,電感器L中的自感電動勢通過續流二極管D對負載RL供電,并同時對電容器C充電;由于續流二極管D的反向極性,使輸出端獲得相反極性的電壓輸出。(信息來源:www.diangon.com)

          2. 隔離式電路的類型:

          隔離——輸入端與輸出端電氣不相通,通過脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量,輸入輸出完全電氣隔離。

          2.1. 單端正激式

          單端——通過一只開關器件單向驅動脈沖變壓器;

          正激——脈沖變壓器的原/付邊相位關系,確保在開關管導通,驅動脈沖變壓器原邊時,變壓器付邊同時對負載供電。

          該電路的***大問題是:開關管T交替工作于通/斷兩種狀態,當開關管關斷時,脈沖變壓器處于“空載”狀態,其中儲存的磁能將被積累到下一個周期,直至電感器飽和,使開關器件燒毀。圖中的D3與N3構成的磁通復位電路,提供了泄放多余磁能的渠道。

          2.2. 單端反激式

          反激式電路與正激式電路相反,脈沖變壓器的原/付邊相位關系,確保當開關管導通,驅動脈沖變壓器原邊時,變壓器付邊不對負載供電,即原/付邊交錯通斷。脈沖變壓器磁能被積累的問題容易解決,但是,由于變壓器存在漏感,將在原邊形成電壓尖峰,可能擊穿開關器件,需要設置電壓鉗位電路予以保護D3、N3構成的回路。從電路原理圖上看,反激式與正激式很相象,表面上只是變壓器同名端的區別,但電路的工作方式不同,D3、N3的作用也不同。

          2.3. 推挽(變壓器中心抽頭)式

          這種電路結構的特點是:對稱性結構,脈沖變壓器原邊是兩個對稱線圈,兩只開關管接成對稱關系,輪流通斷,工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。

           主要優點:高頻變壓器磁芯利用率高(與單端電路相比)、電源電壓利用率高(與后面要敘述的半橋電路相比)、輸出功率大、兩管基極均為低電平,驅動電路簡單。

          主要缺點:變壓器繞組利用率低、對開關管的耐壓要求比較高(至少是電源電壓的兩倍)。

          2.4. 全橋式

          這種電路結構的特點是:由四只相同的開關管接成電橋結構驅動脈沖變壓器原邊。

           

          由同一組信號驅動,同時導通/關端;T2、T3為另一對,由另一組信號驅動,同時導通/關端。兩對開關管輪流通/斷,在變壓器原邊線圈中形成正/負交變的脈沖電流。

          主要優點:與推挽結構相比,原邊繞組減少了一半,開關管耐壓降低一半。

          主要缺點:使用的開關管數量多,且要求參數一致性好,驅動電路復雜,實現同步比較困難。這種電路結構通常使用在1KW以上超大功率開關電源電路中。

          2.5. 半橋式

          電路的結構類似于全橋式,只是把其中的兩只開關管(T3、T4)換成了兩只等值大電容C1、C2。

          主要優點:具有一定的抗不平衡能力,對電路對稱性要求不很嚴格;適應的功率范圍較大,從幾十瓦到千瓦都可以;開關管耐壓要求較低;電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種非穩壓輸出的DC變換器,如電子熒光燈驅動電路中。


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