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      什么是開關電源——開關電源的由來

      發布日期: 2018-5-28 15:17:10 信息來源: XED電源

        什么是開關電源——開關電源的由來
        
        生活中處處都有開關電源,應用到各行各業,那么開關電源本質又是什么呢?
        
        這個要從電源的起源講起了!
        
        人類最先利用的是化學電源,主要是各種用原電池,因為當時的電力系統沒有現在發達也沒有現在重要,當時的電源沒有廣泛應用,開關電源還只限于物理學家研究電現象。
        
        在電力深入發展,電磁等深入研究后,實現了電與光學,動學等各種電到其他能量間的轉換手段成熟完善,化學電源遠遠無法滿足應用?;陔娕c動轉換的電源得到大力發展,與我們現在普遍應用的交流電不同,剛開始利用的都是直流發電,但又因為直流在輸電中電壓不能過高,不易轉換電壓,電壓損耗大,輸送距離短等缺陷限制了直流電的發展。不過通過研究變壓器原理后提出交流輸電系統解決直流的多重缺陷后得到大力推廣但在當時,愛迪生曾反對這樣的做法,因為高壓的交流電非常危險,很容易發生電擊事故
        
        到今天,電已經深入生活的各個角落??梢哉f,電是人類利用最廣泛的二次能源。
        
        由于技術原因,電網的頻率通常是50/60HZ。飛機上是400HZ,普遍比較低。主要是因為當時的變壓器主要利用鐵心制造。而當時的冶金技術還不能制造出在高頻下損耗低的材料。
        
        隨著半導體業的發展,對電源的要求也越來越高。電壓朝著低的方向發展,而體積重量要求也月來越苛刻。
        
        最早采用開關電源的,應該是美國的阿波羅登月計劃了。由此而開啟關于開關電源的研究與生產序幕。
        
        在最初電子管時代,就有一些利用氣體擊穿效應制造的穩壓管。屬于現代穩壓電源的鼻祖。然后也產生了利用電子三極管穩壓的一些穩壓裝置。當時主要是給一些要求嚴格的電子管電路供電,如飛機的航電系統、雷達系統等等。
        
        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壓管,晶體三極管代替了電子管。大量線性穩壓電路涌現出來,有簡單的齊納二極管穩壓電路、射極跟隨器、帶負反饋調整的穩壓電路等等。
        
        但是由于調整管處于線性放大區域,管子兩端的壓降不能過小,否則電源波動會超出穩壓能力。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點)是很可觀的能量損失。并且產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,提出了開關電源電路。當時,開關電源電路或多或少的受到一些數字電路的啟發。
        

        因為在傳統的電源里,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。于是各種拓撲結構紛紛被提出。許多電路在今天依然在大量應用。


        
        開關電源是利用半導體器件將直流電源調制成可以通過變壓器傳遞的各種脈沖波形,并且頻率遠遠高于電網頻率,發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。
        
        由于功率半導體只工作在開通(過飽和)和關斷兩種狀態,故此稱為開關電源,國內早期譯做斬波電源。
        
        當半導體器件工作在開通和關斷狀態時,其兩端的UI乘積遠遠小于通常線性狀態,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。
        
        通過改變直流脈沖的頻率、相位、寬度,出現了三種工作模式PFM( Pulse Frequency Munition)、PPM(Pulse Phase Modulation)、PWM(Pulse-Width Modulation )。
        
        PFM模式應用的比較早,主要特點是工作頻率比較高,所以功率密度大,開關工作于“軟開關”狀態。所謂軟開關是指在半導體開關器件開通或關斷前開關器件兩端電壓或電流處于0狀態,此時關,則由于只有電壓或電流,故其乘積--開關損耗為零,實際是一個很小值。所以器件工作時,并無多少熱量產生,器件壽命得以延長。但是因為開關頻率隨負載變動,且范圍比較大,故后級濾波器比較難設計,部分抵消了他的優勢。并且器件的應力也比較大。
        
        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電路。其特點是拓撲結構適合大功率變換,并且容易實現軟開關特性。頻率固定,控制相對容易。主要應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現穩壓功能的。是目前應用最多,最廣泛的一種模式。其特點是控制容易,拓撲選擇多,控制電路多,頻率固定。在幾瓦到幾千瓦的范圍內都有應用,并且通過適當的輔助電路也可以實現ZC(V)T軟開關。
        
        所以,開關電源是指通過改變脈沖的頻率、相位、寬度等參數實現穩壓輸出的一種電源。
       
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