開關(guān)電源的工作原理詳解

開關(guān)電源的基本原理是將輸入電源的交流電或直流電先通過整流和濾波電路轉(zhuǎn)化為直流電，再通過開關(guān)管的開關(guān)控制將直流電轉(zhuǎn)換成高頻脈沖電流，再通過變壓器和濾波電路將高頻脈沖電流轉(zhuǎn)換成所需要的輸出電流。

開關(guān)電源主要由輸入濾波電路、開關(guān)電路、控制電路、輸出電路四部分組成。

輸入濾波電路：它主要由變壓器、整流橋、濾波電容等組成，用于將輸入電源的交流電或直流電轉(zhuǎn)化為直流電，并通過濾波電容濾除直流電中的雜波和紋波，提供純凈的直流電給開關(guān)電路。

開關(guān)電路：它主要由開關(guān)管(如MOSFET、IGBT等)、驅(qū)動(dòng)電路、反饋電路等組成，用于將輸入的直流電通過開關(guān)管的開關(guān)控制將直流電轉(zhuǎn)換成高頻脈沖電流。其中驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)提供合適的控制信號(hào)使開關(guān)管工作，反饋電路則負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)輸出電流和電壓的大小，并將反饋信號(hào)發(fā)送到控制電路中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的控制。

控制電路：它主要由控制芯片、電容、電阻等組成，用于對(duì)開關(guān)電路進(jìn)行控制?？刂菩酒?fù)責(zé)計(jì)算開關(guān)管的開關(guān)時(shí)間和頻率，從而控制輸出電壓和電流的大小。電容和電阻則用于實(shí)現(xiàn)反饋控制。

輸出電路：它主要由變壓器、濾波電容、穩(wěn)壓電路等組成，用于將高頻脈沖電流轉(zhuǎn)換成所需要的輸出電流。其中變壓器負(fù)責(zé)將高頻脈沖電流轉(zhuǎn)換成適合輸出負(fù)載的電流，濾波電容則用于濾除高頻脈沖電流中的雜波和紋波，穩(wěn)壓電路則用于保持輸出電壓的穩(wěn)定性。

變頻器是一種靜止的頻率變換器，可將電網(wǎng)電源的50Hz頻率交流電變成頻率可調(diào)的交流電，作為電動(dòng)機(jī)的電源裝置，目前在國(guó)內(nèi)外使用廣泛。使用變頻器可以節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率等。

1、變頻器組成原理

1.1變頻器的基本結(jié)構(gòu)

調(diào)速用變頻器構(gòu)成：主電路、控制電路、保護(hù)電路

變頻器主電路工作原理

變壓變頻裝置結(jié)構(gòu)框圖

按照不同的控制方式，交-直-交變頻器可分成以下三種方式：

采用可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖。

可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式的特點(diǎn)：

開關(guān)電源是一種交直流電轉(zhuǎn)換的電源裝置，它通過開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作，以高頻率將輸入電壓切換為脈沖信號(hào)，然后通過整流濾波電路將其轉(zhuǎn)換為直流電壓輸出。開關(guān)電源具有高效率、小體積、輕重量、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

開關(guān)電源工作原理

開關(guān)電源的基本工作原理是通過開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作，將輸入電壓切換為高頻脈沖信號(hào)。這個(gè)高頻脈沖信號(hào)經(jīng)過變壓器或電感器的變換和濾波電路的處理，最終得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。開關(guān)電源的輸出電壓可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整和穩(wěn)定，以滿足不同設(shè)備的電源需求。開關(guān)電源具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括高效率、穩(wěn)定性好、體積小、重量輕、可靠性高等。它廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、工業(yè)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域，成為現(xiàn)代電子技術(shù)中常見的電源類型之一。

開關(guān)電源分類

開關(guān)電源可以根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，以下是幾種常見的分類方式：

1.按輸入電源類型分類分為：

AC-DC開關(guān)電源：將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

DC-DC開關(guān)電源：將直流電轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓。

2.按工作方式分類：

單端開關(guān)電源：只有一個(gè)開關(guān)管，適用于低功率應(yīng)用。

雙端開關(guān)電源：有兩個(gè)開關(guān)管，適用于高功率應(yīng)用。

3.按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類：

按照拓?fù)浯笾驴煞譃?Buck (降壓)、Boost(升壓)、Buck-Boost(降壓-升壓)、Flyback(反激)、Forward(正激)、Two-Transistor Forward(雙晶體管正激)、Push-Pull(推挽)、Half Bridge(半橋)、Full Bridge (全橋)等，這些分類方式只是其中的一部分，開關(guān)電源還可以根據(jù)其他特定的要求和應(yīng)用進(jìn)行更詳細(xì)的分類。

接下來我們針對(duì)常用的Flyback(反激)、Forward(正激)做一些介紹，正激和反激是兩種不同的開關(guān)電源技術(shù)，正激式開關(guān)電源是指使用正激高頻變壓器隔離耦合能量的開關(guān)電源，與之對(duì)應(yīng)的有反激式開關(guān)電源。

正激式開關(guān)電源

正激式開關(guān)電源中結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但輸出功率很高，適用于100W-300W的開關(guān)電源，一般用在低壓，大電流的開關(guān)電源，應(yīng)用比較廣泛。

如下圖所示，對(duì)于正激式開關(guān)電源具體是指當(dāng)開關(guān)管接通時(shí)，輸出變壓器充當(dāng)介質(zhì)直接耦合磁場(chǎng)能量，電能與磁能相互轉(zhuǎn)化，使輸入輸出同時(shí)進(jìn)行。在日常應(yīng)用中也存在不足：如需要增加反電動(dòng)勢(shì)繞組(防止變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)把開關(guān)管擊穿)，次級(jí)多加1個(gè)電感進(jìn)行儲(chǔ)能濾波，因此相比反激式開關(guān)電源而言其成本較高，而且正激式開關(guān)電源變壓器的體積要比反激式開關(guān)電源變壓器的體積大。

反激式開關(guān)電源

如下圖所示，反激式開關(guān)電源是指使用反激高頻變壓器隔離輸入輸出回路的開關(guān)電激，它的變壓器不僅起到變換電壓傳輸能量的作用，同時(shí)還起到儲(chǔ)能電感的作用，因此，反激式變壓器類似于電感的設(shè)計(jì)。所有電路比較簡(jiǎn)單，容易控制，反激式在5W-100W的小功率方面應(yīng)用非常廣泛。對(duì)于反激式開關(guān)電源，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊電感電流上升，由于反激電路輸出線圈同名端相反，因此輸出二極管截止，變壓器儲(chǔ)存能量，負(fù)載由輸出電容進(jìn)行能量供應(yīng)，當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，變壓器原邊電感感應(yīng)電壓反向，此時(shí)輸出二極管導(dǎo)通，變壓器的能量通過二極管向負(fù)載供電，同時(shí)對(duì)電容充電。

由對(duì)比可知，正激的變壓器只有變壓功能，整體可以看成一個(gè)帶變壓器的buck電路。反激的變壓器可以看作一個(gè)帶變壓功能的電感，是一個(gè)buck-boost電路?？偟膩碚f，正激反激工作原理不同，正激是初級(jí)工作次級(jí)也工作，次級(jí)不工作有續(xù)流電感續(xù)流，一般是CCM模式。功率因數(shù)一般不高，而且輸入輸出和變比占空比成比例。反激是初級(jí)工作，次級(jí)不工作，兩邊獨(dú)立開來,一般DCM模式下，但是變壓器的電感會(huì)比較小，而且需要加氣隙,所以通常適合中小功率情況。

正激變壓器是理想的，不儲(chǔ)能，但是由于勵(lì)磁電感是有限值，勵(lì)磁電流使得磁芯會(huì)大，為避免磁通飽和，變壓需要輔助繞組進(jìn)行磁通復(fù)位。反激變壓器工作形式可以看作耦合電感，電感先儲(chǔ)能再放能，由于反激變壓器的輸入、輸出電壓極性相反，故當(dāng)開關(guān)管斷開之后，次級(jí)可以提供磁芯一個(gè)復(fù)位電壓，因而反激變壓器不需額外增加磁通復(fù)位繞組。