電源系統中的單元電路_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(lèi)別很多，但是各數類(lèi)型的電源，都可以看成是由一些功能模塊（或者稱(chēng)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)數量并不多，只要清楚了這些單元電路的工作原理和結構特征，就很容易全面掌握電源技術(shù)要領(lǐng)。本節將首先簡(jiǎn)要說(shuō)明這些單元電路的基本作用、基本原理。更詳細的細節知識，設計要求，以及如何通過(guò)這些單元電路組成我們需要的電源系統，等等問(wèn)題將在后面的文章中專(zhuān)門(mén)探討。

二、電源系統基本單元電路介紹

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，轉變成為單向脈沖電，單向脈沖電再經(jīng)過(guò)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化。

　　普通二極管的單向導電性，是構成基本整流電路的基礎。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（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(kāi)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兩種不同標準（美國標準110V，中國標準220V）工頻電壓的電器中。



　　還可以通過(guò)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，構成輸出電壓連續可調的整流電路。

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

　　還可以使用工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的功率場(chǎng)效應管構成開(kāi)關(guān)同步整流電路。由于在大電流工作狀態(tài)下，場(chǎng)效應比二極管的導通電壓更低，開(kāi)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(chǎng)效應管（SR1、SR2）構成的自驅動(dòng)同步整流電路。



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



2、 線(xiàn)性穩壓電路

　　下圖是最基本的串聯(lián)型反饋式線(xiàn)性穩壓電路的原理圖。其中，VZ是是普通的穩壓二極管，用來(lái)產(chǎn)生基準電壓，T1是調整管，R1、R2構成對輸出電壓的取樣電路。


　　
　　串聯(lián)型反饋式線(xiàn)性穩壓電路的穩壓過(guò)程是：輸出電壓取樣，與基準電壓比較，獲得輸出電壓的誤差量，對調整器件實(shí)施反饋控制，改變其電流導通量，達到修正輸出電壓的目的，屬于電壓型負反饋類(lèi)型。

3、 開(kāi)關(guān)穩壓電路

　　開(kāi)關(guān)穩壓電源的控制方式，也是采用了與線(xiàn)性穩壓電源相同的電壓型負反饋類(lèi)型，也分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種類(lèi)型。最大的區別是：調整器件工作于高頻率的通斷狀態(tài)，通過(guò)改變通斷的時(shí)間比例（脈沖占空比），來(lái)改變平均電流值，達到修正輸出電壓的目的?；驹韰⒁?jiàn)以下方框圖。



4、 恒流輸出的方法及電路

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



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(guò)普通的變壓器就可以完成。而直流電壓不能夠簡(jiǎn)單地直接變換，需要通過(guò)功率脈沖振蕩器，先將直流電轉變成為脈沖交流電，再通過(guò)脈沖變壓器升壓或者降壓，最后經(jīng)過(guò)整流濾波電路還原成為直流電，它實(shí)際上屬于開(kāi)關(guān)電源的一種類(lèi)型。
在高壓大功率應用場(chǎng)合。為了減小高壓大功率變換器開(kāi)關(guān)器件的電壓應力，提出了三電平直流變換器的方案，該方法可使開(kāi)關(guān)管的電壓應力是輸入直流電壓的一半。其變換過(guò)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(lái)了對功率開(kāi)關(guān)調整器件頻率特性的更高要求，也加大了EMC設計的難度。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變成為工頻交流電。最簡(jiǎn)單直接的逆變方法，就是使用工頻正弦波信號去驅動(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(guò)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、轉化效率低、輸出功率有限。

　　現代逆變器多數采用了PWM（脈沖寬度調制）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(lái)變換高頻率的脈沖電壓。變壓器原邊與付邊之間是通過(guò)磁場(chǎng)傳遞能量，原邊與付邊之間沒(méi)有電接觸，因此在電源系統中，變壓器還有一個(gè)重要的作用，就是實(shí)現原邊與付邊的電隔離。下圖是使用TOP202Y構成的小功率低輸出電壓開(kāi)關(guān)電源原理圖，其中通過(guò)脈沖變壓器以及光電偶合器，實(shí)現了輸入輸出的完全隔離。

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