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开关电源适配器的发展史

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开关电源适配器的发展史

在开关电源适配器出现之前,线性稳压电源适配器(简称线性电源适配器)已经应用了很长一段时间。而后,开关电源适配器是作为线性电源适配器的一种替代产品出现的,开关电源适配器这一称谓也是相对于线性电源适配器而产生的。图14是线性电源适配器的结构简图。图中的关键元器件是调整管V。工作时检测输出电压得到,将其和参考电压U进行比较,用其误差对调整管V的基极电流进行负反馈控制。
这样,当输入电压4发生变化,或负载变化引起电源适配器的输出电压a,变化时,就可以通过改变调整管V的管压降a,来使输出电压a,稳定。为了使调整管V可以发挥足够的调节作用,V必须工作在线性放大状态,且保持一定的管压降。因此,这种电源适配器被称为线性电源适配器。线性电源适配器的直流输入电路通常是由工作在工频下的整流变压器T和二极管整流加电容滤波组成。由于交流电源适配器电压变化范围有时较大,因此的变化范围也较大。此外,二极管整流电路所接的滤被电容C不可能很大,这样就有一定的脉动。但这些都可以通过调整管V的管压降来进行调整,使输出电压a。的精度和纹波都满足较高的要求。
图中整流变压器T的作用有两个:一是通过对其电压比的合理没计,使n比。高出一个合适的值,确保调整管V可工作在放大状态二是使输出电压和交流输入电源适配器实现电气隔离,这一点也很重要。
图的线性电源适配器虽然可以满足所需直流电压的高低和供电质量(精度、纹波等)的要求,但有两个严重的缺点:一是调整管V工作在线性放大状态,损耗很大,因而使整个电源适配器效率很低;二是需要一个工频变压器T,使得电源适配器体积大、重量重。
开关电源适配器就是为了克服线性电源适配器的缺点而出现的,其典型结构见图12。图1-2中的整流电路是把交流电源适配器直接经过二极管整流电路和电容C滤波后得到直流电压u1,再由逆变器逆变成高频交流方波脉冲电压。由于人耳可听到的音频的范围大体为20Ha~20kH,因此逆变器的开关频率大多选在20kH以上,这样就避免了令人烦躁的噪声污染。逆变器输出经高频变压器T隔离,并变换成适当的交流电压,再经过整流和滤波变成所需要的直流输出电压u。

当交流输入电压、负载等变化时,直流输出电压u。也会变化。这时可以调节逆变器输出的方波脉冲电压的宽度,使直流输出电压。保持稳定。从图1-2及开关电源适配器的工作原理可以看出,逆变电路较为复杂,它是开关电源适配器的核心部分。
上述电路结构看起来虽然比较复杂,但是比起图1-1的线性电源适配器来,却有几个突出的特点。首先,该电路中起调节输出电压作用的逆变电路中的电力电子器件都工作在开关状态,损耗很小,使得电源适配器的效率可达到90%甚至95%以上。其次,电路中起隔离和电压变换作用的变压器T是高频变压器,其工作频率多为20kHz以上。搬运过电子仪器的人都会有这样的体会,电子仪器往往“一头沉”,这较重的一头往往就是电源适配器变压器所在的一头。因为高频变压器体积可以做得很小,从而使整个电源适配器的体积大为缩小,重量也大大减轻。同时,由于工作频率高,滤波器的体积也大为减小。由于图12所示电源适配器中的电力电子器件总是工作在开关状态,因此相对于线性电源适配器而言,称之为开关电源适配器。
上述开关电源适配器由于有高频变压器隔离,因而属于隔离型开关电源适配器。还有一种没有变压器的电源适配器,它是非隔离型的,也属于开关电源适配器的范畴。图1-3就是一种典型的非隔离型开关电源适配器电路。图中所画的实际上是一个降压斩波电路,通过调整输出脉冲电压的宽度(即调节开关器件V的导通占空比D)来调节输出电压。除图中的降压型电路外,还有升压型电路等多种非隔离型开关电源适配器电路,相关内容将在前面详述。
还有一大类常见的直流电源适配器,就是图14所示的晶闸管相位控制电源适配器(简称为相控电源适配器)。图中所示的是单相全控桥式整流电路,它是最常用的相控电源适配器电路之一。有关这类电路,电力电子技术的教科书中有详细的介绍,这里不再赘述。就图14所示的单相全控桥式整流电路而言,其输出的直流电压中包含100Hz的纹波,如果改为三相全控桥式整流电路,直流输出电压中的纹波频率就变为300Hz。但是不论采用哪一种形式的相控整流电路,其中的电力电子器件(晶闸管)的开关频率都是以工频为基础的,在我国即为50H(单相桥的100H是50Hz的2倍,三相桥的300Hz是50Hz的6倍)。

和开关电源适配器相同,相控电源适配器中的电力电子器件也是工作在开关状态,只是其工作频率是工频,而不是高频。相比之下,相控电源适配器的一个显著优点是电路简单,控制方便。它的主要缺点是也要使用一个工频变压器T,使得整个电源适配器的体积大、重量重,这一点和线性电源适配器类似。另外,相控电源适配器的直流输出电压纹波频率仅是工频的几倍(单相全控桥为2倍,三相全控桥为6倍),需要较大的滤波器才有较好的滤波效果。而开关电源适配器直流输出电压的纹波频率很高,常在20kHz以上,因此只需要很小的滤波器就可以了。由于相控电源适配器的开关频率低其对控制的响应速度也比开关电源适配器要慢。
按照目前的习惯,开关电源适配器专指电力电子器件工作在高频开关状态下的直流电源适配器,因此,开关电源适配器也常被称为高频开关电源适配器,而相控电源适配器则不包括在开关电源适配器之内。因此可以说,开关电源适配器是高频直流开关电源适配器的简称,其中“高频”排除了相控电源适配器,而“直流”排除了交流电源适配器(如UPs等电力电子器件处于开关状态,但它是交流电源适配器)。
上面简单介绍了线性电源适配器、开关电源适配器和相控电源适配器三种直流电源适配器,表12比较了它们的主要特点和适用范围。
就电源适配器而言,除上述直流电源适配器外,还有一大类是交流中规电源适配器。例如,UPS提供的是恒频恒压( Constant Voltage Constant Frequency,CvCF)电源适配器,变频器提供的是变频变压( Variable Voltage Variable Frequency,wwVF)电源适配器,它们中的电力电子器件都工作在开关状态,工作频率也较高,但它们都不属于开关电源适配器。
综上所述,同时具备三个条件的电源适配器可称之为开关电源适配器。这三个条件就是:开关(电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态)、高频(电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频)和直流(电源适配器输出是直流而不是交流)。

如前所述,开关电源适配器是从线性电源适配器发展而来的,这就是它被称为“开关”电源适配器的原因。由于其前身是线性电源适配器。因此它是各种电子装置、许多电气控制设备都采用的电源适配器。在开关电源适配器出现之前,这些装置的工作电源适配器都采用线性电源适配器。由于计算机等电子装置的集成度不断增加,功能越来越强,体积却越来越小,因此迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源适配器,这就成了开关电源适配器技术发展的强大动力。
新型电力电子器件的发展给开关电源适配器的发展提供了物质条件。20世纪60年代末,垂直导电的高耐压、大电流的双极型电力晶体管[BJT,亦称巨型晶体管(GTR)]的出现,使得采用高工作频率的开关电源适配器得以问世,那时确定的开关电源适配器的基本结构一直沿用至今。
开关频率的提高有助于开关电源适配器体积减小、重量减轻。早期的开关电源适配器的开关频率仅为数千赫,随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进,开关频率也逐步提高。但当频率达到10kH左右时,变压器、电感等磁性元件发出的噪声就变得很刺耳。为了减小噪声并进一步减小体积,在20世纪70年代开关频率终于突破了人耳听觉极限的20kH。这一变化甚至被称为“20kH革命”。后来随着电力 MOSFET的应用,开关电源适配器的开关频率进一步提高,使得电源适配器体积更小,重量更轻,功率密度更进一步提高。
由于和线性电源适配器相比,开关电源适配器在绝大多数性能指标上都具有很大的优势。因此,目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合以外,开关电源适配器已经全面取代了线性电源适配器。计算机、电视机、各种电子仪器的电源适配器几乎都已是开关电源适配器的一统天下。
作为电子装置的供电电源适配器,线性电源适配器主要用于小功率范围。因此,在20世纪80年代以前,作为线性电源适配器的更新换代产品,开关电源适配器也主要用于小功率场合。那时,中大功率直流电源适配器仍以晶闸管相控电源适配器为主。但是,80年代起,由于绝缘栅双极型晶体管(GBT)的出现打破了这一格局。IGBT可以看成是 MOSFET和BT复合而成的器件。和BJT相同,它们都主要应用于中等功率场合。但是和B相比,GBT工作频率更高,且属于电压驱动型器件,易于驱动,具有突出的优点而没有明显的缺点。因此,LGBT迅速取代了县花一现的B,而成为中等功率范围的主流器件,并且不断向大功率方向拓展其生存空间。

IGBT的出现使得开关电源适配器的容量不断增大,在许多中等容量范围内迅速取代了相控电源适配器。在通信领域,早期的48V基础电源适配器几乎都是采用的晶闸管相控电源适配器,现在已逐步被开关电源适配器所取代。电力系统的操作用直流电源适配器以前也是采用晶闸管相控电源适配器,目前开关电源适配器已经成为其主流。

此外,电焊机、电镀装置等传统的晶闸管相控电源适配器的应用范围,也逐步被开关电源适配器所蚕食。如前所述,开关频率的提高可以使电源适配器体积减小、重量减轻,但却使得开关损耗增大,电源适配器效率降低。另外,开关频率的提高也使得电源适配器的电磁干扰间题变得突出起来。为了解决这一问题,20世纪80年代出现了采用准谐波技术的零电压开关电路和零电流开关电路,这种技术被称为软开关技术。采用软开关技术,在理想情况下可使开关损耗降为零,提高效率,同时也使电磁干扰大大减小,因而也有助于进一步提高开关频率,使得电源适配器进一步向体积小、重量轻、效率高、功率密度大的方向发展。经过近30年的发展,对于软开关技术的研究至今仍十分活跃,它也已经成为应用于各种电力电子电路的一项基础性技术但是,迄今为止,软开关技术应用最为成功的领域仍然是在开关电源适配器领域。

如图1-2所示,开关电源适配器和交流电网连接的电路通常都是二极管整流电路,这种电路的输人电流已不再是正弦波,而含有大量的谐波,这也使得电源适配器的功率因数很低。当公用电网上接有大量的开关电源适配器负载时,就会对电网产生严重的谐波污染。最近几年经常听到绿色电源适配器”这个名词。这里所说的“绿色”其标志主要就是对电网不产生谐波污染,对环境不产生电磁干扰,当然也包括不产生噪声。为了降低开关电源适配器对电网的谐波污染,提高开关电源适配器的功率因数在20世纪90年代出现了功率因数校正( Power Factor Correction,PC)技术,并在各种开关电源适配器中大量应用。目前,单相PFC技术已比较成熟,并广泛用于各种开关电源适配器中,而三相PFC技术则还有很长的路要走。


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| 发布时间:2018.10.17    来源:电源适配器厂家
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