AC-DC 轉(zhuǎn)換器原理和設(shè)計(jì)介紹

時(shí)間：2024-07-16 20:35:24

關(guān)鍵字： ACDC 整流器

手機(jī)看文章

掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章

[導(dǎo)讀]AC-DC 轉(zhuǎn)換器使用各種電子元件，包括二極管和電容器。它們基于整流器的運(yùn)行，整流器允許從具有零平均值的波形開(kāi)始獲得具有非零平均值的波形。大多數(shù)電源應(yīng)用都使用直流電壓，因此必須將正弦交流電壓(50 或 60 Hz)轉(zhuǎn)換為直流電壓。通常，使用變壓器和二極管整流器將輸入交流電轉(zhuǎn)換為直流電就足夠了，但如果所涉及的功率明顯較高，則元件的尺寸可能會(huì)更大。這些電路的主要元件是二極管，這是一種非線性元件，其輸出端的信號(hào)并不總是遵循其輸入端信號(hào)的趨勢(shì)，它用于使電流只沿一個(gè)方向流動(dòng)。在許多應(yīng)用中，它必須提供大量能量，因此有相當(dāng)堅(jiān)固和強(qiáng)大的功率模型可供選擇。在功率和高頻應(yīng)用中，一個(gè)非常重要的參數(shù)是恢復(fù)時(shí)間，即電流通過(guò)零點(diǎn)的瞬間和反向電流降至其最大峰值的 25% 的瞬間之間的時(shí)間。

AC-DC 轉(zhuǎn)換器是將交流電 (AC) 轉(zhuǎn)換為直流電 (DC) 的電子設(shè)備。其用途廣泛，包括需要直流電才能運(yùn)行的電子設(shè)備、家用電器、照明系統(tǒng)和電動(dòng)汽車(chē)。

介紹

AC-DC 轉(zhuǎn)換器使用各種電子元件，包括二極管和電容器。它們基于整流器的運(yùn)行，整流器允許從具有零平均值的波形開(kāi)始獲得具有非零平均值的波形。大多數(shù)電源應(yīng)用都使用直流電壓，因此必須將正弦交流電壓(50 或 60 Hz)轉(zhuǎn)換為直流電壓。通常，使用變壓器和二極管整流器將輸入交流電轉(zhuǎn)換為直流電就足夠了，但如果所涉及的功率明顯較高，則元件的尺寸可能會(huì)更大。這些電路的主要元件是二極管，這是一種非線性元件，其輸出端的信號(hào)并不總是遵循其輸入端信號(hào)的趨勢(shì)，它用于使電流只沿一個(gè)方向流動(dòng)。在許多應(yīng)用中，它必須提供大量能量，因此有相當(dāng)堅(jiān)固和強(qiáng)大的功率模型可供選擇。在功率和高頻應(yīng)用中，一個(gè)非常重要的參數(shù)是恢復(fù)時(shí)間，即電流通過(guò)零點(diǎn)的瞬間和反向電流降至其最大峰值的 25% 的瞬間之間的時(shí)間。

整流器拓?fù)?

最重要的整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是半波、格雷茨橋和中心抽頭變壓器。半波整流器最簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)二極管和負(fù)載。圖 1 說(shuō)明了該電路，包含以下元件：

· 50 Hz 正弦波發(fā)生器和 230 VAC (RMS) 輸出電壓

· 230 VAC(RMS)至 195 VAC(RMS)的電壓變壓器

· 整流二極管，本例中為 SiC 肖特基型號(hào)，功率為 650 V、4 A、9 W，最壞情況下

· 50 歐姆的電阻負(fù)載。

上面的第一個(gè)波形圖顯示流過(guò)負(fù)載的電流，該電流與流過(guò)二極管的電流相同。第二個(gè)波形圖分別顯示輸入電壓 (Vin)、二極管之前的正弦輸出電壓 (Vout1) 和齊納二極管之后的整流電壓 (Vout2) 的軌跡。因此，電路提供的輸出電壓的平均值不為零。這種電路的問(wèn)題是效率低，并且即使在次級(jí)中電流的平均值也常常不為零。如下面的波形圖所示，二極管之前的電壓和二極管之后的電壓之間存在微小的電位差。這是由于“正向電壓”參數(shù)造成的，對(duì)于所使用的二極管，根據(jù)工作條件，該參數(shù)可以在 1.5 V 到 2.25 V 之間。由于二極管不是理想元件，因此它們的電位差會(huì)阻止達(dá)到最大峰值。在這種配置中，負(fù)載在半個(gè)信號(hào)周期內(nèi)沒(méi)有供電，因此會(huì)損失一半寶貴的正弦波。在這種類(lèi)型的電路中，二極管的運(yùn)行非常關(guān)鍵，因?yàn)樗诿總€(gè)信號(hào)周期都會(huì)受到高電流峰值的壓力。為了降低紋波系數(shù)，可以使用 LC 濾波器。

圖 1：半波整流器

另一種整流器解決方案是 Graetz 電橋，如圖 2 所示，并附有其基本波形圖，即輸入軌跡 (Vin) 和輸出軌跡 (Vout)。要了解電橋的工作原理，必須檢查正弦輸入信號(hào)的交流電壓并觀察其代數(shù)符號(hào)。如果電壓為正，則二極管 D1 和 D4 導(dǎo)通，而 D2 和 D3 截止。另一方面，如果電壓為負(fù)，則二極管 D2 和 D3 導(dǎo)通，而 D1 和 D4 截止。在任何情況下，流過(guò)負(fù)載的電流始終指向同一方向。此配置也可用于連續(xù)電源。無(wú)論輸入電流的方向和方向如何，輸出電壓始終具有相同的方向，因此其使用可與初步極性保護(hù)電路進(jìn)行比較。圖示顯示了電橋的兩個(gè)等效電氣圖。在電力應(yīng)用中，串聯(lián)兩個(gè)電流傳導(dǎo)二極管可能會(huì)耗散相當(dāng)大的功率，因?yàn)槎O管兩端的壓降會(huì)相當(dāng)高。在這種配置中，輸出信號(hào)的頻率是輸入信號(hào)的兩倍。

圖 2：Graetz 橋式整流器

通過(guò)使用圖 3 所示的帶中心抽頭變壓器的整流器，可以獲得與 Graetz 電橋相同的效果，并降低可能的高耗散。此外，在這種情況下，其操作是雙重的，取決于輸入信號(hào)是正半波還是負(fù)半波。如果感應(yīng)電壓為正，則二極管 D1 導(dǎo)通，而 D2 截止。但是，如果感應(yīng)電壓為負(fù)，則二極管 D1 截止，而 D2 導(dǎo)通。該電路與在輸入信號(hào)的兩個(gè)相反相位上工作的半波整流器完全等效。由于一次只有一個(gè)二極管工作，因此不存在特殊的耗散問(wèn)題，并且該解決方案可用于高功率應(yīng)用。

圖 3：帶有中心抽頭變壓器的整流器

從脈動(dòng)電壓到直流電壓

輸出電壓必須完全穩(wěn)定，沒(méi)有波紋和諧波，也不能有脈動(dòng)，如前面的電氣圖所示。這個(gè)目標(biāo)是通過(guò)使用具有濾波功能的大容量電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。前面看到的整流器使我們能夠從零平均值電壓開(kāi)始生成非零平均值波形。對(duì)于大多數(shù)設(shè)備，系統(tǒng)以參考地的直流正電壓工作，因此有必要從整流信號(hào)中提取直流分量。因此，有必要在整流器輸出端使用濾波電路，其任務(wù)是使負(fù)載上的電壓盡可能穩(wěn)定和較高。最重要的解決方案之一是 RC 濾波器。當(dāng)負(fù)載具有低阻抗特性時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)新的復(fù)雜情況，因?yàn)楹笳邥?huì)吸收大部分電流。因此，由于信號(hào)的正弦形狀，平滑電容器的任務(wù)是在斷電期間保持負(fù)載電壓穩(wěn)定。當(dāng)時(shí)間常數(shù) t = RC 與信號(hào)紋波的特征時(shí)間相比非常大時(shí)，該方案的性能會(huì)非常出色。電容器上的電壓增加到最大電壓，當(dāng)二極管進(jìn)入阻斷狀態(tài)時(shí)，電容器逐漸向負(fù)載放電，呈指數(shù)趨勢(shì)。該循環(huán)不斷重復(fù)。類(lèi)似的 RC 濾波器由與負(fù)載并聯(lián)的大容量電解電容器組成。除了使電壓連續(xù)且為正之外，設(shè)計(jì)人員還必須盡可能減少甚至消除紋波信號(hào)，其程度取決于信號(hào)的頻率、濾波電容器的值，以及負(fù)載的電壓。通常，負(fù)載上的電壓包含一些交流電源電壓的痕跡，疊加在直流電壓上。這些紋波具有鋸齒形狀，頻率是輸入頻率的兩倍，是由負(fù)載吸收的電流引起的。電容器的值取決于設(shè)計(jì)人員可以接受的最大紋波百分比。低紋波率或無(wú)紋波率是高質(zhì)量電源的特征。圖 4 顯示了受紋波百分比影響的負(fù)載上的各種信號(hào)，具體取決于電解電容器的容量，如下所示：這些紋波具有鋸齒形狀，頻率是輸入頻率的兩倍，是由負(fù)載吸收的電流引起的。電容器的值取決于設(shè)計(jì)人員可以接受的最大紋波百分比。低紋波率或無(wú)紋波率是高質(zhì)量電源的特征。圖 4 顯示了受紋波百分比影響的負(fù)載上的各種信號(hào)，具體取決于電解電容器的容量，如下所示：這些紋波具有鋸齒形狀，頻率是輸入頻率的兩倍，是由負(fù)載吸收的電流引起的。電容器的值取決于設(shè)計(jì)人員可以接受的最大紋波百分比。低紋波率或無(wú)紋波率是高質(zhì)量電源的特征。圖 4 顯示了受紋波百分比影響的負(fù)載上的各種信號(hào)，具體取決于電解電容器的容量，如下所示：

· v(out1)：是不使用任何濾波電容的負(fù)載上的信號(hào)

· v(out2)：是帶有 100 uF 濾波電容的負(fù)載上的信號(hào)

· v(out3)：是帶有1000 uF濾波電容的負(fù)載上的信號(hào)

· v(out4)：是帶有10000 uF濾波電容的負(fù)載上的信號(hào)。

可以看出，電容越大，瞬態(tài)平衡所需的時(shí)間越長(zhǎng)。要獲得相當(dāng)可接受的信號(hào)，在本電路中，必須使用容量至少為 100,000 uF 的電解電容。對(duì)于濾波電容的大小，許多方程式可幫助設(shè)計(jì)人員獲得最佳效果。理想的濾波器是僅返回連續(xù)信號(hào)的濾波器，其紋波系數(shù)等于零，因此沒(méi)有任何交流分量。從理論上講，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該需要一個(gè)非常高值的電解電容，因?yàn)樗梢源_保緩慢放電和時(shí)不變的輸出電壓，并且紋波很小。然而在實(shí)踐中，濾波器容量的大幅增加并沒(méi)有帶來(lái)任何特殊的好處，反而增加了燃油系統(tǒng)的整體尺寸和成本。此外，增加電容器的電容量也會(huì)增加電流的峰值，可能損壞元件的電介質(zhì)，對(duì)二極管造成很大的壓力，并導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)過(guò)熱。