開(kāi)關(guān)電源的簡(jiǎn)介及使用原理

隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源，進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化，完成計(jì)算機(jī)的電源換代，進(jìn)入90年代開(kāi)關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開(kāi)關(guān)電源，更促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。

開(kāi)關(guān)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(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開(kāi)關(guān)電源。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開(kāi)關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。
開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在安防監(jiān)控，節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。

主要用途開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具，通訊設(shè)備，視聽(tīng)產(chǎn)品，安防監(jiān)控，LED燈袋，電腦機(jī)箱，數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類(lèi)等領(lǐng)域。
編輯本段主要類(lèi)型現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源有兩種：一種是直流開(kāi)關(guān)電源；另一種是交流開(kāi)關(guān)電源。  開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)
這里主要介紹的只是直流開(kāi)關(guān)電源，其功能是將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電源（粗電），如市電電源或蓄電池電源，轉(zhuǎn)換成滿(mǎn)足設(shè)備要求的質(zhì)量較高的直流電壓（精電）。直流開(kāi)關(guān)電源的核心是DC/DC轉(zhuǎn)換器。因此直流開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)是依賴(lài)DC/DC轉(zhuǎn)換器分類(lèi)的。也就是說(shuō)，直流開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)與DC/DC轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)是基本相同的，DC/DC轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)基本上就是直 流開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)。
直流DC/DC轉(zhuǎn)換器按輸入與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是有隔離的稱(chēng)為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器；另一類(lèi)是沒(méi)有隔離的稱(chēng)為非隔離 式DC/DC轉(zhuǎn)換器。
隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的個(gè)數(shù)來(lái)分類(lèi)。單管的DC/DC轉(zhuǎn)換器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）兩種。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器 有雙管正激式（DoubleTransistor Forward Converter），雙管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半橋式（Half-Bridge Converter）四種。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器就是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器（Full-Bridge Converter）。
非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，按有源功率器件的個(gè)數(shù)，可以分為單管、雙管和四管三類(lèi)。  開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
單管DC/DC轉(zhuǎn)換器共有六種，即降壓式（Buck）DC/DC轉(zhuǎn)換器 ，升壓式（Boost）DC/DC轉(zhuǎn)換器、升壓降壓式（Buck Boost）DC/DC轉(zhuǎn)換器、Cuk DC/DC轉(zhuǎn)換器、Zeta DC/DC轉(zhuǎn)換器和SEPIC DC/DC轉(zhuǎn)換器。在這六種 單管DC/DC轉(zhuǎn)換器中，Buck和Boost式DC/DC轉(zhuǎn)換器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC轉(zhuǎn)換器是從中派生出來(lái)的。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換 器有雙管串接的升壓式（Buck-Boost）DC/DC轉(zhuǎn)換器。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器常用的是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器（Full-Bridge Converter）。
隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器在實(shí)現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離時(shí)，通常采用變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于變壓器具有變壓的功能，所以有利于擴(kuò)大轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)用 范圍，也便于實(shí)現(xiàn)不同電壓的多路輸出，或相同電壓的多種輸出。
在功率開(kāi)關(guān)管的電壓和電流定額相同時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出功率通常與所用開(kāi)關(guān)管的數(shù)量成正比。所以開(kāi)關(guān)管數(shù)越多，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出功率越大，四管式比兩管式輸出功率大一倍，單管式輸出功率只有四管式的1/4。
非隔離式轉(zhuǎn)換器與隔離式轉(zhuǎn)換器的組合，可以得到單個(gè)轉(zhuǎn)換器所不具備的一些特性。
按能量的傳輸來(lái)分，DC/DC轉(zhuǎn)換器有單向傳輸和雙向傳輸兩種。具有雙向傳輸功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器，既可以從電源側(cè)向負(fù)載側(cè)傳輸功率，也可 以從負(fù)載側(cè)向電源側(cè)傳輸功率。
DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以分為自激式和他控式。借助轉(zhuǎn)換器本身的正反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管自持周期性開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換器，叫做自激式轉(zhuǎn)換器，如洛耶爾 （Royer）轉(zhuǎn)換器就是一種典型的推挽自激式轉(zhuǎn)換器。他控式DC/DC轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)器件控制信號(hào)，是由外部專(zhuān)門(mén)的控制電路產(chǎn)生的。
按照開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)條件，DC/DC轉(zhuǎn)換器又可以分為硬開(kāi)關(guān)（Hard Switching）  開(kāi)關(guān)電源
和軟開(kāi)關(guān)（Soft Switching）兩種。硬開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)器件 是在承受電壓或流過(guò)電流的情況下，開(kāi)通或關(guān)斷電路的，因此在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生較大的交疊損耗，即所謂的開(kāi)關(guān)損耗（Switching loss）。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)一定時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也是一定的，而且開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大，同時(shí)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中還會(huì)激起電路分布電感和寄生 電容的振蕩，帶來(lái)附加損耗，因此，硬開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率不能太高。軟開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)管，在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中，或是加于 其上的電壓為零，即零電壓開(kāi)關(guān)（Zero-Voltage-Switching，ZVS），或是通過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流為零，即零電流開(kāi)關(guān)（Zero-Current·Switching，ZCS）。這種軟開(kāi)關(guān)方式可以顯著地減小開(kāi)關(guān)損耗，以及開(kāi)關(guān)過(guò)程中激起的振蕩，使開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高，為轉(zhuǎn)換器的小型化和模塊化創(chuàng)造 了條件。功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）是應(yīng)用較多的開(kāi)關(guān)器件，它有較高的開(kāi)關(guān)速度，但同時(shí)也有較大的寄生電容。它關(guān)斷時(shí)，在外電壓的作用下， 其寄生電容充滿(mǎn)電，如果在其開(kāi)通前不將這一部分電荷放掉，則將消耗于器件內(nèi)部，這就是容性開(kāi)通損耗。為了減小或消除這種損耗，功率場(chǎng) 效應(yīng)管宜采用零電壓開(kāi)通方式（ZVS）。絕緣柵雙極性晶體管（Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor，IGBT）是一種復(fù)合開(kāi)關(guān)器件，關(guān)斷時(shí)的電流拖 尾會(huì)導(dǎo)致較大的關(guān)斷損耗，如果在關(guān)斷前使流過(guò)它的電流降到零，則可以顯著地降低開(kāi)關(guān)損耗，因此IGBT宜采用零電流（ZCS）關(guān)斷方式。IGBT在 零電壓條件下關(guān)斷，同樣也能減小關(guān)斷損耗，但是MOSFET在零電流條件下開(kāi)通時(shí)，并不能減小容性開(kāi)通損耗。諧振轉(zhuǎn)換器（ResonantConverter ，RC）、準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器（Qunsi-Tesonant Converter，QRC）、多諧振轉(zhuǎn)換器（Mu1ti-ResonantConverter，MRC）、零電壓開(kāi)關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器（ZVS PWM Converter）、零電流開(kāi)關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器（ZCS PWM Converter）、零電壓轉(zhuǎn)換（Zero-Vo1tage-Transition，ZVT）PWM轉(zhuǎn)換器和零電流轉(zhuǎn)換（Zero- Vo1tage-Transition，ZVT）PWM轉(zhuǎn)換器等，均屬于軟開(kāi)關(guān)直流轉(zhuǎn)換器。電力電子開(kāi)關(guān)器件和零開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的發(fā)展，促使了高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展。