开关电源 的种类
现在,电子技术的迅速发展使人们对电子仪器和设备的要求又有了新的内容。在性能上要求更加安全可靠,在功能上不断增加,在使用和操作上的自动化和智能化程度要越来越高,在体积和重量上要日趋小型化合微型化,在功耗和电磁兼容上要功率因数大和转换效率高。这就使得采用具有众多优点的开关电源更显重要了,因此开关电源在计算机、通信、航海、航空、航天、仪器仪表、微控制器、医疗仪器、传感器、家用电器等方面得到越来越多的应用,发挥了不可取代的巨大作用。同时也大大促进了开关电源的发展,从事着方面研究和生产人员也在不断增加,开关电源的品类越来越多,常见的开关电源电路的分类如下。
1. 按激励方式划分
(1)他激式开关电源电路
电路内部专门设置有产生PWM( 或SPWM)驱动信号的控制与驱动电路。在早期的开关电源产品中,这部分电路均是采用散件电路实现的。而在20世纪80年代中期以后所生产出来的开关电源产品中,这部分均是采用PWM(或SPWM)IC来实现的。这种形式的开关电源电路具有工作稳定、可靠和便于控制的优点,一般都应用于大功率和超大功率输出的场合,电路结构形式如图1-3(a)所示。
(2)自激式开关电源电路
电路中的开关功率管既作开关功率管,又兼作PWM(SPWM)驱动信号产生的振荡器。在有些较为复杂的自激式电路中,开关功率管与其他晶体管构成复合管来一起完成双重任务。具有该种电路结构形式的开关电源一般都工作在谐振状态,为谐振式开关电源电路。它具有内部损耗小、装换效率高、成本低等优点和实现条件苛刻、工作可靠性差、不便于控制等缺点,一般都应用于小功率和中功率输出的场合,电路结构形式如图1-3(b)所示。
2. 按调制方式划分
(1) 脉冲调制开关电源电路
PWM(或SPWM)驱动信号的频率保持不变,通过改变脉冲宽度(也就是调节占空比)来实现对输出电压的调节和控制。大部分的开关电源电路均是采用由取样电路、耦合电路等构成的反馈闭环回路,来控制PWM(或SPWM)驱动信号的脉冲宽度,最后实现稳定输出电压幅度的目的。
(2)脉频调制型开关电源电路
PFM(或SPFM)驱动信号的频率和脉冲宽度(占空比)来实现调节和稳定输出电压幅度的目的。这种类型的开关电源电路一般均是在重载时工作于脉宽调制模式,在轻载或空载时工作于脉频调制模式。
3. 按开关功率管的类型划分
(1) 晶体管型开关电源电路
采用NPN型或PNP型晶体管作为开关功率管。这种电路的优点是开关功率管饱和和导通以后,集—射极导通电阻非常小,管子的开关损耗较小;缺点是驱动功率与输出功率成正比,不易应用在大功率和超大功率输出的场合。这种电路常被应用在家用电器的供电电源电路中。电路结构形式如图1-4(a)所示。
(2) 晶闸管型开关电源电路
采用晶闸管作为开关功率管。这种电路的优点是可直接输入工频电网电压,不需要一次整流电路部分,成本低;缺点是对工频电网和周围环境的电磁辐射(EMI)污染较大,目前已规划为被淘汰的系列,电路结构如图1-4(b)所示。
(3) MOSFET型开关电源电路
采用 N沟道或P沟道MOSFET作为开关功率管。这种电路的特点是驱动功率小,可直接多管并联工作而不需要考虑均流问题,可应用于输出大功率超大功率的场合,早期的一些大功率和超大开关功率管稳压电源均输该类型。电路结构如图1-4(c)所示。
(4) IGBT型开关电源电路
采用IGBT复合功率模块作为开关功率管。这种电路集晶体管型和MOSFET型开关电源电路的优点于一体,取晶体管饱和导通电阻较小之长补MOSFET导通电阻较大之短,取MOSFET驱动电流极小之长补晶体管型驱动电流较大之短,因此其非常适合在中、大和超大功率输出的场合应用。电路结构如图1-4(d)所示。
4。按储能电感的连接方式划分
(1)串联型开关电源电路
储能电感串联在输出端,这种电路与降压型开关电源电路完全相同。电路结构如图1-5(a)所示
(2) 并联型开关电源电路
储能电感并联在输出端,这种电路与后面将要讲到的极性发转型开关电源电路结构完全相同。电路结构如图1-5(b)所示。
5.按开关功率管的连接方式划分
(1) 单端正激式开关电源电路
该电路中仅使用一个开关功率管,电路结构如图1-6(a)所示。这种电路的特点是开关功率管导通时,开关变压器初级中的能量传递给次级负载电路。负载电路包括滤波点阻抗器和电容器以及真正的负载系统,其中滤波电抗器和电容器既起滤波又起储能的作用。也就是在开关功率管关闭时,负载系统所需的能量将由电抗器和电容器中所存储的能量来提供,而续流二极管将为这些能量提供回路。因此设计此种电路时,电抗器、电容器和续流二极管参数的计算非常重要。这种电路在工频电网电压输入时,对电路中开关功率管的耐压要求较高,因此不适应用于大功率或超大功率输出的场合。
(2)单端反激式开关电源电路
该电路中仅使用一个开关功率管,电路结构如图1-6(b)所示。这种电路的特点是开关功率管导通时,为储能电感或开关变压器储能;开关功率管关闭时,储能电感或开关变压器为负载释放能量,具有电流连续和不连续工作模式。在电流连续工作模式下,开关功率管和储能电感或开关变压器的利用率都比较高。当输出开路时,便工作于不连续工作模式;当储能电感或开关变压器设计不合理时,也就是开关功率管导通期间为储能电感或开关变压器所储能的能量不等于开关功率管关闭期间储能电或开关变压器为负载所释放的能量时,也同样工作于不连续工作模式。因此这种电路在设计时储能电感或开关变压器参数的计算机为关键。该电路不但不适应用在大功率或超大功率输出的场合,而且还不能工作于输出端开路的应用场合。
(3)推挽式开关电源电路
使用两个开关功率管,将其连接成推挽式功率放大器的形式。实际上这种电路时由两个单端反激式开关电源电路相加而成的,它的特点是开关变压器的初级绕组必须具有一个中心抽头,开关变压器的利用率较高,适用于输入电压高、输出功率较大的应用场合。电路结构如图1-6(c)所示。
(4)半桥式开关电源电路
使用两个开关功率管,将其连接成半桥式形式。这种电路的特点是开关功率管所承受的电压仅为输入电压的一半,开关变压器的利用率非常高。它适用于输入电压较高和输出功率较大的应用场合,电路结构如图1-6(d)所示。
(5)全桥式开关电源电路
使用4个开关功率管,将其连接成全桥式形式,实际上这种电路时由两个半桥式开关电源电路相加而成的,其特点与半桥式开关电源电路相同。它适用于输入电压较高和输出功率更大的应用场合。电路结构如图1-6(e)
6.按工作方式划分
1)可控整流型开关电路
这种电路与晶闸管型开关电源电路安全相同,主要是靠改变晶闸管的导通角度来实现对输出电压的稳定和调节目的。
2)斩波型开关电源电路
这种电路与混合型开关电源电路完全相同
3)隔离型开关电源电路
这种电路的特点是输出电路部分与输入部分依靠光电耦合器和开关变压器完全隔离,上面所讲的推挽式、半桥式和全半桥式开关电源电路均属该类型电源,另外,该类型的开关电源凭借电路中的开关变压器具有多路输出,输出电压可以高于或低于等于输入电压和输出电压可以为正极性或反极性或混合极性的优点。
以上这些五花八门的开关电源,其品种和种类都是站在不同的角度,以开关电源不同的特点进行命名和分类的。尽管各种各样的开关电源电路的激励方法、输出直流电压的调节和控制手段、储能电感的连接方式、开关功率管的器件种类以及串并联电路结构等各不相同,并且还具有单端式和双端式之分,但是它们最后可以归结为降压式、升压式和输出极性发转式开关电源电路三大类。