開關電源適配器是利用現代電力技術,控制開關晶體管開通和關斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開關電源適配器一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。
開關電源和線性電源相比,二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長,但二者增長速率各異。
線性電源成本在某一輸出功率點上,反而高于開關電源適配,這一點稱為成本反轉點。
隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新,使得開關電源適配器技術也在不斷地創(chuàng)新,這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動,這為開關電源適配器提供了廣闊的發(fā)展空間。 開關電源適配器高頻化是其發(fā)展的方向,高頻化使開關電源適配器小型化,并使開關電源適配器進入更廣泛的應用領域,特別是在高新技術領域的應用,推動了高新技術產品的小型化、輕便化。
另外開關電源適配器的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。
一、開關電源適配器的分類
人們在開關電源技術領域是邊開發(fā)相關電力電子器件,邊開發(fā)開關變頻技術,兩者相互促進推動著開關電源每年以超過兩位數字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。
開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類,DC/DC變換器現已實現模塊化,且設計技術及生產工藝在外均已成熟和標準化,并已得到用戶的認可,但AC/DC的模塊化,因其自身的特性使得在模塊化的進程中,遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。
以下分別對兩類開關電源的結構和特性作以闡述。
開關電源適配器技術的發(fā)展動向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。
由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化,因此國外各大開關電源適配器制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件,特別是改善二次整流器件的損耗,并在功率鐵氧體(Mn?Zn)材料上加大科技創(chuàng)新,以提高在高頻率和較大磁通密度(Bs)下獲得高的磁性能,而電容器的小型化也是一項關鍵技術。
SMT技術的應用使得開關電源取得了長足的進展,在電路板兩面布置元器件,以確保開關電源的輕、小、薄。
開關電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的PWM開關技術進行創(chuàng)新,實現ZVS、ZCS的軟開關技術已成為開關電源的主流技術,并大幅提高了開關電源的工作效率。對于高可靠性指標,美國的開關電源生產商通過降低運行電流,降低結溫等措施以減少器件的應力,使得產品的可靠性大大提高。
模塊化是開關電源發(fā)展的總體趨勢,可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng),可以設計成N+1冗余電源系統(tǒng),并實現并聯方式的容量擴展。針對開關電源運行噪聲大這一缺點,若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著增大,而采用部分諧振轉換電路技術,在理論上即可實現高頻化又可降低噪聲,但部分諧振轉換技術的實際應用仍存在著技術問題,故仍需在這一領域開展大量的工作,以使得該項技術得以實用化。
電力電子技術的不斷創(chuàng)新,使開關電源產業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。
要加快我國開關電源產業(yè)的發(fā)展速度,就必須走技術創(chuàng)新之路,走出有特色的產學研聯合發(fā)展之路,為我國國民經濟的高速發(fā)展做出貢獻。
1DC/DC變換
DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓,也稱為直流斬波。
斬波器的工作方式有兩種,一是脈寬調制方式Ts不變,改變ton(通用),二是頻率調制方式,ton不變,改變Ts(易產生干擾)。
其具體的電路由以下幾類: (1)Buck電路——降壓斬波器,其輸出平均電壓 U0小于輸入電壓Ui,極性相同。 (2)Boost電路——升壓斬波器,其輸出平均電壓 U0大于輸入電壓Ui,極性相同。 (3)Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器,其 輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,電感傳輸。
(4)Cuk電路—降壓或升壓斬波器,其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,電容傳輸。 當今軟開關技術使得DC/DC發(fā)生了質的飛躍,美國VICOR公司設計制造的多種ECI軟開關DC/DC變換器,其大輸出功率有300W、600W、800W等,相應的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3,效率為(80~90)%。
日本NemicLambda公司新推出的一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM系列,其開關頻率為(200~300)kHz,功率密度已達到27W/cm3,采用同步整流器(MOS?FET代替肖特基二極管),使整個電路效率提高到90%。
2AC/DC變換
AC/DC變換是將交流變換為直流,其功率流向可以是雙向的,功率流由電源流向負載的稱為“整流”,功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。
AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電,因必須經整流、濾波,因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的,同時因遇到安全標準(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA),交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件,這樣就限制AC/DC電源體積的小型化,另外,由于內部的高頻、高壓、大電流開關動作,使得解決EMC電磁兼容問題難度加大,也就對內部高密度安裝電路設計提出了很高的要求,由于同樣的原因,高電壓、大電流開關使得電源工作損耗增大,限制了AC/DC變換器模塊化的進程,因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。
AC/DC變換按電路的接線方式可分為,半波電路、全波電路。
按電源相數可分為,單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。