開(kāi)關(guān)電源中的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)解析
開(kāi)關(guān)電源中的硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)是針對(duì)開(kāi)關(guān)晶體管而言的。硬開(kāi)關(guān)是不管開(kāi)關(guān)管上的電壓或電流,強(qiáng)行接通或關(guān)斷開(kāi)關(guān)管。當(dāng)開(kāi)關(guān)管(漏極和源極之間,或者集電極和發(fā)射極之間)的電壓及電流較大時(shí),切換開(kāi)關(guān)管,由于開(kāi)關(guān)管狀態(tài)間的切換(由導(dǎo)通到截止,或由截止到導(dǎo)通)需要一定的時(shí)間,這樣就會(huì)造成在開(kāi)關(guān)管狀態(tài)切換的某一段時(shí)間內(nèi),電壓和電流有一個(gè)交越區(qū)域,這個(gè)交越造成的開(kāi)關(guān)管損耗(開(kāi)關(guān)管的切換損耗)隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而急速增加。
若是感性負(fù)載,在開(kāi)關(guān)晶體管關(guān)斷時(shí)會(huì)感應(yīng)出尖峰電壓。開(kāi)關(guān)頻率越高,關(guān)斷越快,該感應(yīng)電壓越高。此電壓加在開(kāi)關(guān)器件兩端,容易造成器件擊穿。
若是容性負(fù)載,在開(kāi)關(guān)晶體管導(dǎo)通瞬間的尖峰電流大。因此,當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管在很高的電壓下接通時(shí),儲(chǔ)存在開(kāi)關(guān)晶體管結(jié)電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率越高,開(kāi)通電流尖峰越大,從而會(huì)引起開(kāi)關(guān)管的過(guò)熱損壞。
另外,在次級(jí)高頻整流回路中的二極管,在由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí),有一個(gè)反向恢復(fù)期,開(kāi)關(guān)晶體管在此期間內(nèi)接通時(shí),容易產(chǎn)生很大的沖擊電流。顯然頻率越高,該沖擊電流也越大,對(duì)開(kāi)關(guān)晶體管的安全運(yùn)行造成危害。
最后,做硬開(kāi)關(guān)運(yùn)用的開(kāi)關(guān)電源中,開(kāi)關(guān)晶體管會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁騷擾。隨著頻率的提高和電路中的di/dt和du/dt增大,所產(chǎn)生的電磁騷擾也在增大,影響開(kāi)關(guān)電源本身和周圍電子設(shè)備的正常工作。
上述問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了開(kāi)關(guān)器件(開(kāi)關(guān)晶體管和高頻整流二極管)工作頻率的提高。近年來(lái)開(kāi)展的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)研究為克服上述缺陷提供了一條有效的途徑。和硬開(kāi)關(guān)工作原理不同,理想的軟關(guān)斷過(guò)程是電流先降小到零,電壓在緩慢上升到斷態(tài)值,所以關(guān)斷損耗近似為零。由于器件關(guān)斷前電流已經(jīng)下降到零,便解決了感性關(guān)斷問(wèn)題。理想的軟開(kāi)通過(guò)程是電壓先降到零,電流在緩慢上升到通態(tài)值,所以開(kāi)通損耗近似為零,器件結(jié)電容的電壓也為零,解決了容性開(kāi)通問(wèn)題。同時(shí),開(kāi)通時(shí),二極管反向恢復(fù)過(guò)程已經(jīng)結(jié)束,因此二極管反向恢復(fù)問(wèn)題不存在。
軟開(kāi)關(guān)技術(shù)還有助于電磁騷擾水平的降低,其原因是開(kāi)關(guān)晶體管在零電壓的情況下導(dǎo)通和在零電流的情況下關(guān)斷,同時(shí)快恢復(fù)二極管也是軟關(guān)斷的,這可以明顯減小功率器件的di/dt和du/dt,從而可以減小電磁干擾的電平。
一般來(lái)說(shuō)軟開(kāi)關(guān)的效率較高(因?yàn)闆](méi)有切換損);操作頻率較高,PFC或變壓器體積可以減少,所以開(kāi)關(guān)電源的體積可以做到更小。但成本也相對(duì)較高,設(shè)計(jì)較復(fù)雜。
開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理
1-1.幾種基本類型的開(kāi)關(guān)電源
顧名思義,開(kāi)關(guān)電源就是利用電子開(kāi)關(guān)器件(如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、可控硅閘流管等),通過(guò)控制電路,使電子開(kāi)關(guān)器件不停地“接通”和“關(guān)斷”,讓電子開(kāi)關(guān)器件對(duì)輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制,從而實(shí)現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換,以及輸出電壓可調(diào)和自動(dòng)穩(wěn)壓。
開(kāi)關(guān)電源一般有三種工作模式:頻率、脈沖寬度固定模式,頻率固定、脈沖寬度可變模式,頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源,或DC/DC電壓變換;后兩種工作模式多用于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。另外,開(kāi)關(guān)電源輸出電壓也有三種工作方式:直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣,前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源,或DC/DC電壓變換;后兩種工作方式多用于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。
根據(jù)開(kāi)關(guān)器件在電路中連接的方式,目前比較廣泛使用的開(kāi)關(guān)電源,大體上可分為:串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源、并聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源、變壓器式開(kāi)關(guān)電源等三大類。其中,變壓器式開(kāi)關(guān)電源(后面簡(jiǎn)稱變壓器開(kāi)關(guān)電源)還可以進(jìn)一步分成:推挽式、半橋式、全橋式等多種;根據(jù)變壓器的激勵(lì)和輸出電壓的相位,又可以分成:正激式、反激式、單激式和雙激式等多種;如果從用途上來(lái)分,還可以分成更多種類。
下面我們先對(duì)串聯(lián)式、并聯(lián)式、變壓器式等三種最基本的開(kāi)關(guān)電源工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹,其它種類的開(kāi)關(guān)電源也將逐步進(jìn)行詳細(xì)分析。
1-2.串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源
1-2-1.串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的工作原理
圖1-1-a是串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的最簡(jiǎn)單工作原理圖,圖1-1-a中Ui是開(kāi)關(guān)電源的工作電壓,即:直流輸入電壓;K是控制開(kāi)關(guān),R是負(fù)載。當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K接通的時(shí)候,開(kāi)關(guān)電源就向負(fù)載R輸出一個(gè)脈沖寬度為Ton,幅度為Ui的脈沖電壓Up;當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷的時(shí)候,又相當(dāng)于開(kāi)關(guān)電源向負(fù)載R輸出一個(gè)脈沖寬度為Toff,幅度為0的脈沖電壓。這樣,控制開(kāi)關(guān)K不停地“接通”和“關(guān)斷”,在負(fù)載兩端就可以得到一個(gè)脈沖調(diào)制的輸出電壓uo 。
圖1-1-b是串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的波形,由圖中看出,控制開(kāi)關(guān)K輸出電壓uo是一個(gè)脈沖調(diào)制方波,脈沖幅度Up等于輸入電壓Ui,脈沖寬度等于控制開(kāi)關(guān)K的接通時(shí)間Ton,由此可求得串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓uo的平均值Ua為:
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓uo的幅值Up等于輸入電壓Ui,其輸出電壓uo的平均值Ua總是小于輸入電壓Ui,因此,串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源一般都是以平均值Ua為變量輸出電壓。所以,串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源屬于降壓型開(kāi)關(guān)電源。
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源也有人稱它為斬波器,由于它工作原理簡(jiǎn)單,工作效率很高,因此其在輸出功率控制方面應(yīng)用很廣。例如,電動(dòng)摩托車速度控制器以及燈光亮度控制器等,都是屬于串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用。如果串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源只單純用于功率輸出控制,電壓輸出可以不用接整流濾波電路,而直接給負(fù)載提供功率輸出;但如果用于穩(wěn)壓輸出,則必須要經(jīng)過(guò)整流濾波。
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)是輸入與輸出共用一個(gè)地,因此,容易產(chǎn)生EMI干擾和底板帶電,當(dāng)輸入電壓為市電整流輸出電壓的時(shí)候,容易引起觸電,對(duì)人身不安全。
若是感性負(fù)載,在開(kāi)關(guān)晶體管關(guān)斷時(shí)會(huì)感應(yīng)出尖峰電壓。開(kāi)關(guān)頻率越高,關(guān)斷越快,該感應(yīng)電壓越高。此電壓加在開(kāi)關(guān)器件兩端,容易造成器件擊穿。
若是容性負(fù)載,在開(kāi)關(guān)晶體管導(dǎo)通瞬間的尖峰電流大。因此,當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管在很高的電壓下接通時(shí),儲(chǔ)存在開(kāi)關(guān)晶體管結(jié)電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率越高,開(kāi)通電流尖峰越大,從而會(huì)引起開(kāi)關(guān)管的過(guò)熱損壞。
另外,在次級(jí)高頻整流回路中的二極管,在由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí),有一個(gè)反向恢復(fù)期,開(kāi)關(guān)晶體管在此期間內(nèi)接通時(shí),容易產(chǎn)生很大的沖擊電流。顯然頻率越高,該沖擊電流也越大,對(duì)開(kāi)關(guān)晶體管的安全運(yùn)行造成危害。
最后,做硬開(kāi)關(guān)運(yùn)用的開(kāi)關(guān)電源中,開(kāi)關(guān)晶體管會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁騷擾。隨著頻率的提高和電路中的di/dt和du/dt增大,所產(chǎn)生的電磁騷擾也在增大,影響開(kāi)關(guān)電源本身和周圍電子設(shè)備的正常工作。
上述問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了開(kāi)關(guān)器件(開(kāi)關(guān)晶體管和高頻整流二極管)工作頻率的提高。近年來(lái)開(kāi)展的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)研究為克服上述缺陷提供了一條有效的途徑。和硬開(kāi)關(guān)工作原理不同,理想的軟關(guān)斷過(guò)程是電流先降小到零,電壓在緩慢上升到斷態(tài)值,所以關(guān)斷損耗近似為零。由于器件關(guān)斷前電流已經(jīng)下降到零,便解決了感性關(guān)斷問(wèn)題。理想的軟開(kāi)通過(guò)程是電壓先降到零,電流在緩慢上升到通態(tài)值,所以開(kāi)通損耗近似為零,器件結(jié)電容的電壓也為零,解決了容性開(kāi)通問(wèn)題。同時(shí),開(kāi)通時(shí),二極管反向恢復(fù)過(guò)程已經(jīng)結(jié)束,因此二極管反向恢復(fù)問(wèn)題不存在。
軟開(kāi)關(guān)技術(shù)還有助于電磁騷擾水平的降低,其原因是開(kāi)關(guān)晶體管在零電壓的情況下導(dǎo)通和在零電流的情況下關(guān)斷,同時(shí)快恢復(fù)二極管也是軟關(guān)斷的,這可以明顯減小功率器件的di/dt和du/dt,從而可以減小電磁干擾的電平。
一般來(lái)說(shuō)軟開(kāi)關(guān)的效率較高(因?yàn)闆](méi)有切換損);操作頻率較高,PFC或變壓器體積可以減少,所以開(kāi)關(guān)電源的體積可以做到更小。但成本也相對(duì)較高,設(shè)計(jì)較復(fù)雜。
開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理
1-1.幾種基本類型的開(kāi)關(guān)電源
顧名思義,開(kāi)關(guān)電源就是利用電子開(kāi)關(guān)器件(如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、可控硅閘流管等),通過(guò)控制電路,使電子開(kāi)關(guān)器件不停地“接通”和“關(guān)斷”,讓電子開(kāi)關(guān)器件對(duì)輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制,從而實(shí)現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換,以及輸出電壓可調(diào)和自動(dòng)穩(wěn)壓。
開(kāi)關(guān)電源一般有三種工作模式:頻率、脈沖寬度固定模式,頻率固定、脈沖寬度可變模式,頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源,或DC/DC電壓變換;后兩種工作模式多用于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。另外,開(kāi)關(guān)電源輸出電壓也有三種工作方式:直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣,前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源,或DC/DC電壓變換;后兩種工作方式多用于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。
根據(jù)開(kāi)關(guān)器件在電路中連接的方式,目前比較廣泛使用的開(kāi)關(guān)電源,大體上可分為:串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源、并聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源、變壓器式開(kāi)關(guān)電源等三大類。其中,變壓器式開(kāi)關(guān)電源(后面簡(jiǎn)稱變壓器開(kāi)關(guān)電源)還可以進(jìn)一步分成:推挽式、半橋式、全橋式等多種;根據(jù)變壓器的激勵(lì)和輸出電壓的相位,又可以分成:正激式、反激式、單激式和雙激式等多種;如果從用途上來(lái)分,還可以分成更多種類。
下面我們先對(duì)串聯(lián)式、并聯(lián)式、變壓器式等三種最基本的開(kāi)關(guān)電源工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹,其它種類的開(kāi)關(guān)電源也將逐步進(jìn)行詳細(xì)分析。
1-2.串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源
1-2-1.串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的工作原理
圖1-1-a是串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的最簡(jiǎn)單工作原理圖,圖1-1-a中Ui是開(kāi)關(guān)電源的工作電壓,即:直流輸入電壓;K是控制開(kāi)關(guān),R是負(fù)載。當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K接通的時(shí)候,開(kāi)關(guān)電源就向負(fù)載R輸出一個(gè)脈沖寬度為Ton,幅度為Ui的脈沖電壓Up;當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷的時(shí)候,又相當(dāng)于開(kāi)關(guān)電源向負(fù)載R輸出一個(gè)脈沖寬度為Toff,幅度為0的脈沖電壓。這樣,控制開(kāi)關(guān)K不停地“接通”和“關(guān)斷”,在負(fù)載兩端就可以得到一個(gè)脈沖調(diào)制的輸出電壓uo 。
圖1-1-b是串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的波形,由圖中看出,控制開(kāi)關(guān)K輸出電壓uo是一個(gè)脈沖調(diào)制方波,脈沖幅度Up等于輸入電壓Ui,脈沖寬度等于控制開(kāi)關(guān)K的接通時(shí)間Ton,由此可求得串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓uo的平均值Ua為:
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓uo的幅值Up等于輸入電壓Ui,其輸出電壓uo的平均值Ua總是小于輸入電壓Ui,因此,串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源一般都是以平均值Ua為變量輸出電壓。所以,串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源屬于降壓型開(kāi)關(guān)電源。
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源也有人稱它為斬波器,由于它工作原理簡(jiǎn)單,工作效率很高,因此其在輸出功率控制方面應(yīng)用很廣。例如,電動(dòng)摩托車速度控制器以及燈光亮度控制器等,都是屬于串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用。如果串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源只單純用于功率輸出控制,電壓輸出可以不用接整流濾波電路,而直接給負(fù)載提供功率輸出;但如果用于穩(wěn)壓輸出,則必須要經(jīng)過(guò)整流濾波。
串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)是輸入與輸出共用一個(gè)地,因此,容易產(chǎn)生EMI干擾和底板帶電,當(dāng)輸入電壓為市電整流輸出電壓的時(shí)候,容易引起觸電,對(duì)人身不安全。
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