電源知識課件

教案時間：2021-08-31 手機(jī)版

　　導(dǎo)語：最開始的時候，人們利用的是化學(xué)電源，主要是各種原電池。以下小編為大家介紹電源知識課件文章，歡迎大家閱讀參考!

　　電源知識課件

　 開關(guān)電源的工作原理

　　我們通常所接觸的、所用的電源中，許多都是開關(guān)電源。那么開關(guān)電源到底是什么呢？

　　這個要從電源的發(fā)展說起了。

　　最開始的時候，人們利用的是化學(xué)電源，主要是各種原電池。當(dāng)然，哪個時候電力系統(tǒng)遠(yuǎn)沒有現(xiàn)在這么發(fā)達(dá)重要。電源主要是供一些物理學(xué)家研究電現(xiàn)象使用。

　　之后，隨著電磁轉(zhuǎn)換的深入研究，實(shí)現(xiàn)了電-熱、電-光、電-動等各種電到其他能量間的轉(zhuǎn)換手段和理論逐步完善，化學(xué)電源已經(jīng)無法滿足應(yīng)用了。于是基于發(fā)電機(jī)的動-電轉(zhuǎn)換電源開始走上舞臺。同我們今天普遍使用的交流電不同的是，起初人們是用直流發(fā)電機(jī)做電源的。愛迪生和他的同伙們成立了一個電力公司，就是架設(shè)的直流輸電系統(tǒng)。但是，因?yàn)橹绷麟姴荒芊奖愕霓D(zhuǎn)換成各種電壓，所以，輸電線的電壓等級不能過高，導(dǎo)致線路壓降過大。當(dāng)時最遠(yuǎn)輸電不過幾英里范圍。由此，人們根據(jù)變壓器原理提出交流輸電系統(tǒng)，并迅速推廣。有趣的是，當(dāng)時愛迪生異常頑固的'反對交流輸電系統(tǒng)，甚至用高壓交流電電死一條狗--以此來說明交流輸電系統(tǒng)的不安全性。

　　到今天，電已經(jīng)深入生產(chǎn)生活的各個角落。可以說，電是人類利用最廣泛的二次能源。

　　由于技術(shù)原因，電網(wǎng)的頻率通常是50/60HZ。飛機(jī)上是400HZ，普遍比較低。主要是因?yàn)楫?dāng)時的變壓器主要利用鐵心制造。而當(dāng)時的冶金技術(shù)還不能制造出在高頻下?lián)p耗低的材料。

　　隨著半導(dǎo)體業(yè)的發(fā)展，對電源的要求也越來越高。電壓朝著低的方向發(fā)展，而體積重量要求也月來越苛刻。

　　最早采用開關(guān)電源的，應(yīng)該是美國的阿波羅登月計(jì)劃了。

　　由此而開啟關(guān)于開關(guān)電源的研究與生產(chǎn)序幕。

　　在最初電子管時代，就有一些利用氣體擊穿效應(yīng)制造的穩(wěn)壓管。屬于現(xiàn)代穩(wěn)壓電源的鼻祖。然后也產(chǎn)生了利用電子三極管穩(wěn)壓的一些穩(wěn)壓裝置。當(dāng)時主要是給一些要求嚴(yán)格的電子管電路供電，如飛機(jī)的航電系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等等。

　　隨著晶體管時代的到來，電子管電路走向沒落。齊納擊穿二極管代替了電子穩(wěn)壓管，晶體三極管代替了電子管。大量線性穩(wěn)壓電路涌現(xiàn)出來，有簡單的齊納二極管穩(wěn)壓電路、射極跟隨器、帶負(fù)反饋調(diào)整的穩(wěn)壓電路等等。

　　但是由于調(diào)整管處于線性放大區(qū)域，管子兩端的壓降不能過小，否則電源波動會超出穩(wěn)壓能力。管子耗散的功率=管壓降*管子電流（通常比輸出電流略大一點(diǎn)點(diǎn)）是很可觀的能量損失。并且產(chǎn)生了熱需要很大的散熱器。有些場合，需要高效率，有些場合需要高穩(wěn)定性，有些場合又有體積要求（散熱器受限制）或是密封等等。

　　于此，提出了開關(guān)電源電路。當(dāng)時，開關(guān)電源電路或多或少的受到一些數(shù)字電路的啟發(fā)。

　　因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的電源里，體積重量最大的往往是變壓器，而減小變壓器的直接有效的手段就是提高電源頻率。于是各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)紛紛被提出。許多電路在今天依然在大量應(yīng)用。

　　開關(guān)電源是利用半導(dǎo)體器件將直流電源調(diào)制成可以通過變壓器傳遞的各種脈沖波形，并且頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率，發(fā)這種高頻電流通過體積重量都小很多的高頻變壓器傳遞，然后在重新整流濾波作為輸出。

　　由于功率半導(dǎo)體只工作在開通（過飽和）和關(guān)斷兩種狀態(tài)，故此稱為開關(guān)電源，國內(nèi)早期譯做斬波電源。

　　當(dāng)半導(dǎo)體器件工作在開通和關(guān)斷狀態(tài)時，其兩端的UI乘積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于通常線性狀態(tài)，所以損失的功率非常小。并且變壓器的體積重量也很小，所用材料成本也小很多。

　　體積小，重量輕，輸入電壓范圍大，效率高是其主要特點(diǎn)。

　　通過改變直流脈沖的頻率、相位、寬度，出現(xiàn)了三種工作模式PFM（ Pulse Frequency Munition）、PPM（Pulse Phase Modulation）、PWM（Pulse-Width Modulation ）。

　　PFM模式應(yīng)用的比較早，主要特點(diǎn)是工作頻率比較高，所以功率密度大，開關(guān)工作于“軟開關(guān)”狀態(tài)。所謂軟開關(guān)是指在半導(dǎo)體開關(guān)器件開通或關(guān)斷前開關(guān)器件兩端電壓或電流處于0狀態(tài)，此時關(guān)，則由于只有電壓或電流，故其乘積--開關(guān)損耗為零，實(shí)際是一個很小值。所以器件工作時，并無多少熱量產(chǎn)生，器件壽命得以延長。但是因?yàn)殚_關(guān)頻率隨負(fù)載變動，且范圍比較大，故后級濾波器比較難設(shè)計(jì)，部分抵消了他的優(yōu)勢。并且器件的應(yīng)力也比較大。

　　PPM模式是通過改變脈沖的相位來工作的。典型電路是各種移相全橋軟開關(guān)電路。其特點(diǎn)是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合大功率變換，并且容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)特性。頻率固定，控制相對容易。主要應(yīng)用于各種高功率變換場合從幾百到幾十千瓦。

　　PWM模式是通過改變脈沖寬度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能的。是目前應(yīng)用最多，最廣泛的一種模式。其特點(diǎn)是控制容易，拓?fù)溥x擇多，控制電路多，頻率固定。在幾瓦到幾千瓦的范圍內(nèi)都有應(yīng)用，并且通過適當(dāng)?shù)妮o助電路也可以實(shí)現(xiàn)ZC（V）T軟開關(guān)。

　　所以，開關(guān)電源是指通過改變脈沖的頻率、相位、寬度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的一種電源。

　　下面我們從最基本的PWM電路來分析開關(guān)電源的工作狀態(tài)。

　　左邊是基本的BOOST電路（電感升壓電路）右邊是BUCK電路（電感降壓）。升壓電路通過電感將電壓提升使輸出電壓大于輸入電壓。而右邊電路是通過電感和電容將脈沖濾波得到輸出，故電壓低于輸入電壓。

　　下面分析幾個工作步驟。

　　首先，根據(jù)穩(wěn)態(tài)時電感電流是否連續(xù)（就是在一個開關(guān)周期內(nèi)電感電流是否歸零，若歸零則不連續(xù)，也可以根據(jù)電容電壓是否連續(xù)分類，不過通常沒有這么做的。因?yàn)殡妷翰贿B續(xù)的時候非常非常少見--電容電壓通常都是負(fù)載電壓，如果電容電壓不連續(xù)則輸出電壓也將是脈沖波形就不是穩(wěn)壓電源了。）

　　先分析電感電流連續(xù)的情況（右上波形圖）

　　1、T0前開關(guān)斷開，電感釋放先前存儲的能量。電感電流下降。負(fù)載由電感和電容聯(lián)合供電。

　　2、T0時刻開關(guān)管閉和，頂部電路的電流按標(biāo)出的箭頭方向流動。電感電流增加，電感儲存能量。表達(dá)式為dE/dt=（（dI/dt）*（dI/dt））*L）/2既ΔE=ΔI*ΔI*L/2，電容電壓增加，存儲能量，表達(dá)式為ΔE=ΔU*ΔU*C/2。（I電流（安培）L電感量（亨利）U電壓（伏特）C電容量（法拉））

　　3、T1時刻，開關(guān)斷開，電感釋放先前存儲的能量。電感電流下降。

　　4、T2時刻，開關(guān)閉合，同T0。

　　電感電流斷續(xù)（右中波形圖）

　　1、T0前開關(guān)斷開，電感電流是0，負(fù)載由電容供電。

　　2、T0時刻，開關(guān)閉合，中上部電路的電流按標(biāo)出的箭頭方向流動。電感電流增加，電感儲存能量。表達(dá)式為dE/dt=（（dI/dt）*（dI/dt））*L）/2既ΔE=ΔI*ΔI*L/2，電容電壓增加，存儲能量，表達(dá)式為ΔE=ΔU*ΔU*C/2。（I電流（安培）L電感量（亨利）U電壓（伏特）C電容量（法拉））

　　3、T1時刻，開關(guān)斷開，電感釋放先前存儲的能量。電感電流下降。

　　4、T2時刻前，電感存儲能量釋放完畢，電流歸零，負(fù)載由電容供電。

　　5、T2時刻，開關(guān)閉合，同T0。

　　右下是電感電流斷續(xù)、電容電壓斷續(xù)的波形，大家自己分析。

　　這兩個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是基本的PWM拓?fù)洌梢酝ㄟ^串聯(lián)、并聯(lián)等形式派生出許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。并且通過在適當(dāng)?shù)牡胤讲迦胱儔浩鱽韺?shí)現(xiàn)隔離拓?fù)洹?/p>

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