電源知識課件

導語：最開始的時候，人們利用的是化學電源，主要是各種原電池。以下小編爲大家介紹電源知識課件文章，歡迎大家閱讀參考!

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  開關電源的工作原理

我們通常所接觸的、所用的電源中，許多都是開關電源。那麼開關電源到底是什麼呢？

這個要從電源的發展說起了。

最開始的時候，人們利用的是化學電源，主要是各種原電池。當然，哪個時候電力系統遠沒有現在這麼發達重要。電源主要是供一些物理學家研究電現象使用。

之後，隨着電磁轉換的深入研究，實現了電-熱、電-光、電-動等各種電到其他能量間的轉換手段和理論逐步完善，化學電源已經無法滿足應用了。於是基於發電機的動-電轉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電機做電源的。愛迪生和他的同夥們成立了一個電力公司，就是架設的直流輸電系統。但是，因爲直流電不能方便的轉換成各種電壓，所以，輸電線的電壓等級不能過高，導致線路壓降過大。當時最遠輸電不過幾英里範圍。由此，人們根據變壓器原理提出交流輸電系統，並迅速推廣。有趣的是，當時愛迪生異常頑固的反對交流輸電系統，甚至用高壓交流電電死一條狗--以此來說明交流輸電系統的不安全性。

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

由於技術原因，電網的頻率通常是50/60HZ。飛機上是400HZ，普遍比較低。主要是因爲當時的變壓器主要利用鐵心製造。而當時的冶金技術還不能製造出在高頻下損耗低的材料。

隨着半導體業的發展，對電源的.要求也越來越高。電壓朝着低的方向發展，而體積重量要求也月來越苛刻。

最早採用開關電源的，應該是美國的阿波羅登月計劃了。

由此而開啓關於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。屬於現代穩壓電源的鼻祖。然後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。

隨着晶體管時代的到來，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。

但是由於調整管處於線性放大區域，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。並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。

於此，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啓發。

因爲在傳統的電源裏，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。於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製成可以透過變壓器傳遞的各種脈衝波形，並且頻率遠遠高於電網頻率，發這種高頻電流透過體積重量都小很多的高頻變壓器傳遞，然後在重新整流濾波作爲輸出。

由於功率半導體只工作在開通（過飽和）和關斷兩種狀態，故此稱爲開關電源，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乘積遠遠小於通常線性狀態，所以損失的功率非常小。並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，輸入電壓範圍大，效率高是其主要特點。

透過改變直流脈衝的頻率、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，開關工作於“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於0狀態，此時關，則由於只有電壓或電流，故其乘積--開關損耗爲零，實際是一個很小值。所以器件工作時，並無多少熱量產生，器件壽命得以延長。但是因爲開關頻率隨負載變動，且範圍比較大，故後級濾波器比較難設計，部分抵消了他的優勢。並且器件的應力也比較大。

PPM模式是透過改變脈衝的相位來工作的。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，並且容易實現軟開關特性。頻率固定，控制相對容易。主要應用於各種高功率變換場合從幾百到幾十千瓦。

PWM模式是透過改變脈衝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。在幾瓦到幾千瓦的範圍內都有應用，並且透過適當的輔助電路也可以實現ZC（V）T軟開關。

所以，開關電源是指透過改變脈衝的頻率、相位、寬度等參數實現穩壓輸出的一種電源。

下面我們從最基本的PWM電路來分析開關電源的工作狀態。

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）。升壓電路透過電感將電壓提升使輸出電壓大於輸入電壓。而右邊電路是透過電感和電容將脈衝濾波得到輸出，故電壓低於輸入電壓。

下面分析幾個工作步驟。

首先，根據穩態時電感電流是否連續（就是在一個開關週期內電感電流是否歸零，若歸零則不連續，也可以根據電容電壓是否連續分類，不過通常沒有這麼做的。因爲電壓不連續的時候非常非常少見--電容電壓通常都是負載電壓，如果電容電壓不連續則輸出電壓也將是脈衝波形就不是穩壓電源了。）

先分析電感電流連續的情況（右上波形圖）

1、T0前開關斷開，電感釋放先前存儲的能量。電感電流下降。負載由電感和電容聯合供電。

2、T0時刻開關管閉和，頂部電路的電流按標出的箭頭方向流動。電感電流增加，電感儲存能量。表達式爲dE/dt=（（dI/dt）*（dI/dt））*L）/2既ΔE=ΔI*ΔI*L/2，電容電壓增加，存儲能量，表達式爲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，開關閉合，同T0。

電感電流斷續（右中波形圖）

1、T0前開關斷開，電感電流是0，負載由電容供電。

2、T0時刻，開關閉合，中上部電路的電流按標出的箭頭方向流動。電感電流增加，電感儲存能量。表達式爲dE/dt=（（dI/dt）*（dI/dt））*L）/2既ΔE=ΔI*ΔI*L/2，電容電壓增加，存儲能量，表達式爲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，負載由電容供電。

5、T2時刻，開關閉合，同T0。

右下是電感電流斷續、電容電壓斷續的波形，大家自己分析。

這兩個拓撲結構是基本的PWM拓撲，可以透過串聯、並聯等形式派生出許多拓撲結構。並且透過在適當的地方插入變壓器來實現隔離拓撲。