干貨 | 電源變換類型分析
關注 2022年6月16日 14:28 瀏覽：2994 評論：3 收藏：3
一種將交流（AC）輸入轉換為直流（DC）輸出的電路。
交流電：Alternating Current（交流）的首字母縮寫。
AC：是大小和極性（方向）隨時間呈周期性變化的電流。電流極性在1秒內的變化次數被稱為頻率，以Hz為單位表示。
Direct Current（直流）的首字母縮寫。
直流電：恒定電流是直流電的一種，是大小和方向都不變的直流電。交流電，英文Alternating Current，簡稱AC，是指電流方向隨時間作周期性變化的為交流電，在一個周期內的運行平均值為零。動極性（方向）和大小皆不隨時間變化的電流通常被稱為DC。
②流動極性不隨時間變化，但大小隨時間變化的電流也是DC，
通常被稱為紋波電流 (Ripple current)。
AC/DC電源就是輸入為交流，輸出為直流的電源變換器。例如我們常用的手機充電器、筆記本、平板電腦的電源適配器都是這種電源。在這個電源變換器內部包含有降壓電路、整流濾波電路、和穩壓電路。
分為：降壓和降壓-升壓轉換器；反激式轉換器 ；正向轉換器 ；LLC諧振轉換器；
PFC 轉換器；單相輸入 PFC 轉換器 ；三相輸入 PS ZVS FB 轉換器 等
AC/DC線性電源設計簡單。AC/DC線性電源通過變壓器將交流電（AC）輸入電壓降低到更適合預期應用的值；然后，對降低的交流（AC）電壓進行整流變為直流（DC）電壓；最后對其進行濾波以進一步改善波形質量（如下AC/DC線性電源功能框圖）。
傳統的AC / DC線性電源在效率、功率范圍和尺寸方面限制了集成度。由于AC/DC線性電源的輸入電壓是在輸入端進行轉換的，因此需要的變壓器體積大和重。在低頻（例如50Hz）下，需要較大的電感將大量功率從初級線圈傳輸到次級線圈，需要很大的變壓器鐵芯。AC / DC線性電源的另一個限制是大功率的電壓調節。AC / DC線性電源使用線性穩壓器來保持輸出端的電壓恒定。這些線性穩壓器以熱量的形式耗散多余的能量。對大功率而言，穩壓器為了維持恒定的輸出電壓需要耗散的熱量高，需要龐大的散熱裝置。
AC / DC開關電源能夠創建效率更高的電源變換器，而無需消耗額外的功率。在開關交流電源中，在輸入端就對其進行整流和濾波，直流電壓通過斬波器，由斬波器將電壓轉換為高頻脈沖序列。最后通過另一個整流器和濾波器將脈沖序列轉換回直流（DC）電壓，并清除到達輸出之前可能存在的任何剩余交流分量（開關模式AC/DC電源功能框圖）。
在高頻下運行時，變壓器電感能夠傳輸更多的功率而不會達到飽和，這意味著鐵芯可以越來越小。因此，AC / DC開關電源中用于將電壓幅度減小到預期值的變壓器尺寸，可以僅為AC / DC線性電源所需變壓器尺寸的一小部分。
AC / DC開關電源變換器會在系統中產生大量噪聲，需要復雜的控制電路，增加了設計的復雜性。AC / DC開關電源中更小的變壓器和不斷提高的穩壓器效率。AC / DC線性電源和開關電源之間的區別如下：
DC到DC電源變換：輸入為DC直流，輸出為DC直流的電源變換器。
DC/DC轉換器是指將直流轉換為直流的裝置的名稱。它常被稱為線性穩壓器或開關穩壓器等，以轉換方式的名稱命名。
降壓-升壓開關型轉換器：輸出電壓可以高于或低于輸入電壓。降壓-升壓型 DC-DC 轉換器通常用于電池供電設備。
開關穩壓器，英文(regulatior)，有人叫它調節器、穩壓源。實現穩壓，就是需要控制系統(負反饋)，從自動控制理論中知，當電壓上升的時候通過負反饋把它降低，當電壓下降的時候就把它升上去，這樣形成了一個控制的環路。如圖中的方框圖是PWM(脈寬控制方式)，當然還有其他如：PFM(頻率控制方式)、移相控制方式等。
占空比：開通的時間Ton 與開關周期T 的比值，ton(開通時間) + toff(關斷時間) = T(開關周期)，占空比D=ton / T。但是，我們不能采用一個脈沖輸出！需要一種實現能量流動平穩化的方法。通過很多的脈沖，高頻地切換，將在開關接通期間存儲能量而在開關切斷時提供此能量的手段，從而實現平穩的電壓。
最基本的 DC-DC 轉換器是線性電壓轉換器。它們通過將多余的功率耗散到電阻器中來實現 DC-DC 電壓轉換，使它們成為電阻分壓器。顯然，這對于電源轉換效率來說并不是很理想。它們的工作原理的另一個含義是它們只能將某個輸入電壓轉換為具有相同極性的較低輸出電壓。換句話說，它們的電壓轉換比的值總是在零和一之間。線性電壓轉換器的優點是實施起來相當簡單。此外，它們通常不需要大型且占用空間的電感器或電容器，這使它們成為單片集成的有吸引力的選擇。
固定輸出線性穩壓器件 －傳統芯片 正電壓輸出的78xx，以及負電壓輸出的79xx
LDO：即low dropout regulator，是一種低壓差線性穩壓器。這是相對于傳統的線性穩壓器來說的。
LDO 是一種線性穩壓器的。傳統的線性穩壓器，如78XX系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓至少高出2V~3V，否則就不能正常工作，低壓降（LDO）線性穩壓器的成本低，噪音低，靜態電流小，這些是它的突出優點。它需要的外接元件也很少，通常只需要一兩個旁路電容。新的LDO線性穩壓器可達到以下指標：輸出噪聲30μV，PSRR為60dB，靜態電流6μA（TI的TPS78001達到Iq=0.5uA），電壓降只有100mV(TI量產了號稱0.1mV的LDO)。
傳輸器件開關(場效應管)，在每個周期完全接通和完全切斷的狀態；
l 里面至少包括一個電能儲能的元件，如：電感器或者電容器；
傳統的LM2576系列是降壓開關型集成穩壓器代表。
開關穩壓器的電感量和電容量，都和頻率相關，頻率越低，需要的儲能量也就越大，才有大的電流輸出，電感量和輸出的功率有很大關系
電荷泵，也稱為開關電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”(flying)或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC-DC(變換器)。
電荷泵電路能夠在不需要電感參與的情況下實現高效的能量傳輸。尤其在火熱的手機快充應用中，降壓式電荷泵能夠實現接近98%的轉換效率。
在過去的十年里，電荷泵得到了廣泛運用，從未調整單輸出IC到帶多輸出電壓的調整IC。輸出功率和效率也得到了發展，因此現在的電荷泵可以輸出高達250mA的電流，效率達到75%(平均值)。電荷泵大多應用在需要電池的系統，如蜂窩式電話、尋呼機、藍牙系統和便攜式電子設備。
主要應用包括驅動用于手機背光的白光LED和毫瓦范圍的數字處理器。
MC34063是一款集Boost變換器、BUCK變換器、電源反向器于一身的電源芯片。MC34063可用極少的開關元器件，構成升壓變換開關、降壓變換開關和電壓反向電路，這種開關電源相對線性穩壓電源來說，效率較高，而且當輸入輸出電壓降很大時，效率不會降低，電源也不需要大的散熱器，體積較小，使得其應用范圍非常廣泛，主要應用于以微處理器或單片機為基礎的系統里。
MC34063主要封裝有DIP-8以及SOP-8兩種。
DC-DC 開關轉換器用于在本地為系統的任何組件或部分提供所需的直流電壓和電流。根據應用在輸入和輸出電壓之間的關系，工程師必須選擇最佳的電源拓撲——降壓、升壓、降壓-升壓或反相，帶或不帶同步整流。或者，他們可以決定使用基于單片 IC 或帶有分立電源開關和控制器的實施方案——甚至是高級數字實施方案。無論他們選擇什么，正確的半導體產品都是滿足其特定效率和尺寸設計目標的關鍵。
3.3V@100mA@數字，可以直接從USB的輸入電壓通過一個LDO（典型壓降為1.2V）得到，一般USB端口通過USB線到達電路板會有一定的壓降，壓降值取決于USB線的粗細、長短、材料（決定了阻抗）以及負載電路板所需要的電流，在本設計中我們假設USB線最大的壓降為0.5V，也就是在電源板的輸入端能夠保證4.5V－5V之間的直流供電。考慮到系統成本，在此設計中我們采用了最常用的、價格便宜而外圍電路非常簡單的1117-3.3V LDO穩壓器來產生3.3V@100mA的電壓，此路的最大功耗為0.33W，效率為3.3/4.5（73%） ～ 3.3／5（66%）。如果需要電流更大，可以考慮采用轉換效率超過75%以上的開關穩壓器件產生3.3V，當然這會導致系統的成本略微增加
1.2V@500mA@數字，必須用開關穩壓的方式來產生，在此我們選擇了一款性價比很高的由Microchip公司提供的開關穩壓器件MCP1603，能夠滿足系統的要求
＋5V@100mA@模擬，先通過MC34063將輸入范圍在4.5V－5V之間的直流電壓調整到＋6.5V（有開關噪聲），再通過最低壓降為1.2V的LDO 1117-5產生＋5V的、干凈的直流電壓
－5V@100mA@模擬，先通過MC34063將輸入范圍在4.5V－5V之間的直流電壓調整到－7.5V（有開關噪聲），再通過最低壓降為2.5V的線性穩壓器79L05產生－5V的，干凈的直流電壓
＋／－5V的產生可以有多種方案，在此處采用兩顆MC34063并產生不同的輸出電壓，主要是為了讓大家對比體會79L05和1117-5之間的差別，也就是常規的線性穩壓器和LDO之間的差異。
DC-AC轉換器是指將交流電轉換成直流電的一種電源設備，簡單說是開關電源，
直流電（DC）轉化為交流電（AC）的裝置稱為逆變器。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。
逆變器就是一種將低壓（12或24伏或48伏）直流電轉變為220伏交流電的電子設備。因為通常是將220伏交流電整流變成直流電來使用，而逆變器的作用與此相反，因此而得名。處在一個“移動”的時代，移動辦公，移動通訊，移動休閑和娛樂。在移動的狀態中，不但需要由電池或電瓶供給的低壓直流電，同時更需要在日常環境中不可或缺的220伏交流電，逆變器就可以滿足需求。
逆變器是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉變成定頻定壓或調頻調壓交流電（一般為220V,50Hz正弦波）的轉換器。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。采用PWM原理，MOS管工作產生變化波形后通過變壓器變換電壓，再整流輸出。交流電轉換成直流電被稱為整流，直流電轉換成交流電被稱為逆變。
廣泛適用于空調、家庭影院、電動砂輪、電動工具、縫紉機、DVD、VCD、電腦、電視、洗衣機、抽油煙機、冰箱，錄像機、按摩器、風扇、照明等。在國外因汽車的普及率較高外出工作或外出旅游即可用逆變器連接蓄電池帶動電器及各種工具工作。通過點煙器輸出的車載逆變是20W 、 40W、 80W、 120W到150W 功率規格。
逆變電源常用的方法為：通過SPWM方式調制出正弦波波形，然后通過一個H橋切換輸出電壓極性，要求H橋的切換和SPWM電路同步。在技術上較為復雜，但是效率高，市場上不少逆變器都采用這種方式。
SPWM：正弦脈寬調制正弦PWM的信號波為正弦波， 就是正弦波等效成一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形（與我們課件上畫的一致） ， 這個由n個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周波形等效， 稱為SPWM波形。
SPWM是以正弦波作為基準波（調制波）,用一列等幅的三角波（載波）與基準正弦波相比較產生PWM波的控制方式。當基準正弦波高于三角波時,使相應的開關器件導通;當基準正弦波低于三角波時,使相應的開關器件截止。由此,逆變器的輸出電壓波形為脈沖列,其特點是：半個周期中各脈沖等距等幅不等寬,總是中間寬,兩邊窄,各脈沖面積與該區間正弦波下的面積成比例。這種脈沖波經過低通濾波后可得到與調制波同頻率的正弦波,正弦波幅值和頻率由調制波的幅值和頻率決定。
逆變電路的工作還可以細化為：先把振蕩電路將直流電轉換為交流電；其次，線圈升壓將不規則交流電變為方波交流電；最后，整流使得交流電經由方波變為正弦波交流電。
UPS是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要元件，穩壓、穩頻輸出的電源保護設備。當市電正常輸入時，UPS就將市電穩壓后供給負載使用。同時對機內電池充電，把能量儲存在電池中，當市電中斷（各種原因停電）或輸入故障時，UPS即將機內電池的能量轉換為220V交流電繼續供負載使用，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。
逆變器在工作時其本身也要消耗一部分電力，它的輸入功率要大于它的輸出功率。逆變器的效率即是逆變器輸出功率與輸入功率之比，即逆變器效率為輸出功率比上輸入功率。如一臺逆變器輸入了100瓦的直流電，輸出了90瓦的交流電，那么，它的效率就是90%。
安全性能好：產品具備短路、過載、過/欠電壓、超溫5種保護功能；
物理性能良好：產品采用全鋁質外殼，散熱性能好，表面硬氧化處理，耐摩擦性能好，并可抗一定外力的擠壓或碰擊；
變頻電源是將市電經過ACC—DC—AC的轉換,輸出的為純正弦波，在一定范圍內可調。具有體積小噪音低操作簡單過載能力強等特點。
變頻電源是通過應用電力電子技術，改變電機工作電源頻率，以控制電機不同轉速的電力控制設備。變頻器主要有整流電路、緩沖電路、濾波電路、逆變電路等組成。如下圖。
整流電路：主要由整流橋組成；將交流電（市電）經過全橋整流后成直流電。對于三相380V的交流電，經整流后，直流電壓理論值為380X1.414≈537V；而單相220V的交流電，經整流后，直流電壓理論值為220X1.414≈310V。
緩沖電路：抑制在上電瞬間的沖擊電流。由電解電容的工作原理可知，變頻器在上電瞬間，電容的兩端電壓不會突變，而電容兩端的電流會突變，此時電容兩端相當于短路。若沒有緩沖電路（充電電阻），整流橋會因為電流過大而損壞。緩沖電路起到了保護整流橋的作用。
濾波電路：一般電解電容的耐壓值為400V；而三相380V的交流電，經整流后，直流電壓理論值約為537V。因此濾波電容器，只能由兩級電解電容串聯而成。由于電解電容的容量不可能絕對相同，串聯之后兩級電解電容上的電壓分配是不均衡的，會導致兩個電解電容的使用壽命不一樣。為了解決電壓不均衡的問題，需在兩個電解電容兩端分別并聯阻值相同的均壓電阻。
逆變電路：將直流電（直流母線）轉換成交流電的電力電子電路。在逆變橋里的多個IGBT組成。每個IGBT里都集成一個續流二極管，其作用是為電機的定子繞組反饋能量（電機發電）提供回路。當電機處于發電狀態時，其電能可通過續流二極管流向直流回路，電解電容充電。
由于世界各國電網中電壓、頻率各不相同，出口、進口產品都需要根據不同國家的電壓、頻率來測試其技術性能。 變頻電源可以模擬世界各國的供電電壓和頻率。
變頻電源的輸入電源是交流電，一般國內的三相交流電是380V，單相交流電是220V，美國、日本等國的電壓是110V，（查看世界各國的電壓的頻率）。變頻電源可以模仿世界各國的用電標準電壓怕頻率，所以很多的出口電器的廠商就用變頻電源來測試出口電器的使用情況。每個國家的用電標準頻率都是不同的，不同國家的用電標準頻率：世界各國電壓標準
t 脈幅調制（PAM） ：Plus Amplitude Modulation
t 脈寬調制（PWM） ：Plus Width Modulation
變頻電源是將市電中的交流電經過AC-DC-AC變換， 輸出為純凈的正弦波，輸出頻率和電壓 一定范圍內可調。它有別于用于電機調速用的變頻調速控制器，也有別于普通交流穩壓電源。理想的交流電源的特點是頻率穩定、電壓穩定、內阻等于零、電壓波形為純正弦波（無失真）。變頻電源十分接近于理想交流電源，因此，先進發達國家越來越多地將變頻電源用作標準供電電源，以便為用電器提供最優良的供電環境，便于客觀考核用電器的技術性能。
變頻電源基本原變頻電源做為交流諧振耐壓試驗系統的核心部分,要求調壓、調頻獨立進行,輸出電壓0～400 V,頻率30～300 Hz,且穩定度高,還要求在現場環境下有較強的抗干擾能力。
隨著全控型快速開關器件GTR、IGBT、MOSFET等的出現,才逐漸發展為PWM方式。由于調節PWM波的占空比即可調節電壓幅值,所以逆變環節可同時完成調壓和調頻任務,整流器無需控制,設備結構更簡單,控制更方便。輸出電壓由方波改進為PWM波,降低了輸出電壓的低次諧波含量。
一般的電源跟負載相連， 從相關文獻可知， 目前對逆變電源的研究主要集中在以下幾個方面：
目前常用的逆變電路拓撲形式主要有： 常規逆變電路拓撲， 軟開關逆變電路拓撲， 多電平逆變電路拓撲等。
常規逆變電路拓撲可分為單相半橋、 單相橋式、 三相橋式電路等， 根據直流側電源性質，又可將其分為電壓源型逆變電路（VSTI） 和電流源型逆變電路（CSTI）。單相逆變電路的優點是簡單， 使用器件少， 常用于幾 KW 以下的小功率逆變電源。三相橋式逆變電源應用較多。
逆變電源為得到更好的交流輸出波形， 將會提高全控型電力電子器件的開關頻率， 同時，開關損耗也會隨之增加， 電路效率嚴重下降， 電磁干擾也增大了， 所以簡單的提高開關頻率是不行的。 針對這些問題出現了軟開關技術， 它是以諧振為主的輔助換流手段， 解決了電路中的開關損耗和開關噪聲問題， 使開關頻率可以大幅度提高。 軟開關技術總的來說可以分為零電壓（ZVS） 和零電流(ZCS) 兩類， 按照其出現的先后， 可以將其分為準諧振、 零開關 PWM和 PWM 三大類。每一類都包括拓撲和眾多的派生拓撲。
多電平逆變器的思想最早由日本 Nabae 于 20 世紀 80 年代初提出的。其基本原理是通過多個直流電平來合成逼近正弦輸出的階梯波電壓。 其優點是減小逆變器輸出諧波， 降低了開關管電壓應力。 多電平拓撲結構種類較多， 但是大致可分為： 二極管鉗位型， 飛跨電容性和獨立直流電源級聯多電平這三種拓撲結構。 這三種多電平拓撲結構各有優點， 其中應用最廣泛的是二極管鉗位型多電平拓撲結構。
全波整流和半波整流（AC/DC轉換）將AC（交流電壓）轉換為DC（直流電壓）的整流方式有全波整流和半波整流。兩種情況都利用了二極管的電流正向流通特性來進行整流。
全波整流是通過二極管橋式電路結構將輸入電壓的負電壓成分轉換為正電壓后整流成直流電壓（脈沖電壓）。而半波整流是使用一個二極管來消除輸入負電壓成分后整流為直流電壓（脈沖電壓）。
在電力電子技術的應用及各種電源系統中， 變頻電源技術均處于核心地位。 近年來， 現代變頻電源技術發展主要表現出以下幾種趨勢：
提高變頻電源的開關頻率， 可以有效地減小裝置的體積和重量， 為了進一步減小裝置的體積和重量， 去掉笨重的工頻隔離變壓器， 采用高頻隔離， 并可消除變壓器和電感的音頻噪聲， 同時改善了輸出電壓的動態響應能力。
高性能主要指輸出電壓特性的高性能， 它主要體現在以下幾個方面: 穩壓性能好， 空載及負載時輸出電壓有效值要穩定； 波形質量高， 不但要求空載時的波形好， 帶載時波形也好，對非線性負載性要強； 突加或突減負載時輸出電壓的瞬態響應特性好； 電壓調制量小； 輸出電壓的頻率穩定性好； 對于共相電源， 帶不平衡負載時相電壓失衡小。
當今逆變電源的發展趨向是大功率化和高可靠性. 雖然現在已經能生產幾千 KVA 的大型逆變電源， 完全可以滿足大功率要求的場合。 但是， 這樣整個系統的可靠性完全由單臺電源決定， 無論如何可靠性也不可能達到很高。 為了提高系統的可靠性， 就必須實現模塊化， 模塊化意味著用戶可以方便地將小容量的模塊化電源任意組合， 構成一個較大容量的變頻電源。 模塊化需要解決逆變電源之間的并聯問題， 變頻電源的并聯要比直流電源的并聯復雜，它面臨著負荷分配、 環流補償、 通斷控制等多方面的問題。
現在數字信號處理技術日趨完善成熟， 顯示出越來越多的優點: 便于計算機處理控制、 避免模擬信號的畸變失真、 提高系統抗干擾能力、 便于軟件包調試和遙感遙測遙調、 也便于自診斷， 容錯等技術的植入， 同時也為電源的并聯技術發展提供了方便。
綠色電源的含義有兩層:首先是顯著節電， 這意味著發電容量的節約， 而發電是造成環境污染的重要原因。 為了使電源系統綠色化， 電源應加裝高效濾波器， 還應在電網輸入端采用功率因數校正技術和軟開關技術。提高輸入功率因數具有重要意義， 不僅可以減少對電網的污染， 降低市電的無功損耗， 起到環保和節能的效果， 而且還能減少相應的投資， 提高運行可靠性。 提高功率因數的傳統方法是采用無源功率因數校正技術， 目前較先進的方法是:單相輸入的采用有源功率因數校正技術， 三相輸入的采用 SPWM 高頻整流提高功率因數。今后電源技術將朝著高效率、 高功率因數和高可靠性方向發展， 并不斷實現低諧波污染、 低環境污染、 低電磁干擾和小型化、 輕量化。從而為今后的綠色電源產品和設備的發展提供強有力的技術保證， 這也將是現代電源發展的必然結果。
數字化是變頻電源發展的主要方向， 但還是需要解決一下難題:
(l) 變頻電源輸出要跟蹤的是一個按正弦規律變化的給定信號， 它不同于一般的開關電源的常值控制。 在閉環控制下， 給定信號與反饋信號的時間差就體現為明顯的相位差， 這種相位差與負載是相關的， 這就給控制器的設計帶來了困難。
(2) 變頻電源輸出濾波器對系統的模型影響很大， 輸入電壓的波動幅值和負載的性質，大小的變化范圍往往比較大， 這些都增加了控制對象的復雜性， 使得控制對象模型的高階性、不確定性、 非線性顯著增加。
(3) 變頻電源電力電子變換裝置是一個離散的、 耦合的、 非線性的動態系統。
要滿足負載對電源的靜態指標和動態指標要求， 一般地將電力電子變換裝置設計成一個閉環自動控制系統，工程技術人員對線性系統的校正與綜合比較熟悉， 對這樣的系統控制有些力不從心。 因此， 如果能建立系統的數學模型， 特別是從控制到輸出之間的傳遞函數， 則有助于工程技術人員的設計和系統分析， 減少盲目選擇參數的調試時間， 解決本質非線性系統的線性控制問題。
技術鄰APP工程師 必備
