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高頻直流電源的工作原理

來(lái)源:
2025-06-12
類別:基礎(chǔ)知識(shí)
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文章創(chuàng)建人 拍明芯城

高頻直流電源的工作原理

在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代,電源作為各類電子設(shè)備和工業(yè)應(yīng)用的核心,其性能的優(yōu)劣直接決定了系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和可靠性。傳統(tǒng)工頻(50/60 Hz)直流電源在許多高精度、小體積、高效率的應(yīng)用場(chǎng)合中逐漸暴露出其固有的局限性,例如變壓器體積龐大、發(fā)熱量大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢等。為克服這些問(wèn)題,高頻直流電源應(yīng)運(yùn)而生,并憑借其顯著的優(yōu)勢(shì),如體積小、重量輕、效率高、紋波小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等,迅速成為電源技術(shù)發(fā)展的主流方向。高頻直流電源的核心在于采用高頻開(kāi)關(guān)技術(shù),將輸入的交流或直流電通過(guò)高頻變換,最終輸出穩(wěn)定的直流電。這種電源廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療電子、工業(yè)自動(dòng)化、新能源、電動(dòng)汽車充電等眾多領(lǐng)域,對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)方面都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。深入理解高頻直流電源的工作原理,對(duì)于其設(shè)計(jì)、應(yīng)用和維護(hù)都具有至關(guān)重要的意義。

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1. 高頻直流電源概述

高頻直流電源,顧名思義,是指工作頻率遠(yuǎn)高于工頻(通常在幾十千赫茲到兆赫茲甚至更高)的直流電源。它利用開(kāi)關(guān)器件(如MOSFET、IGBT等)在高頻狀態(tài)下的快速通斷,結(jié)合高頻變壓器、電感、電容等儲(chǔ)能元件,實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換與傳輸。與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源和工頻開(kāi)關(guān)電源相比,高頻直流電源通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率,能夠顯著減小儲(chǔ)能元件的體積和重量,從而提高功率密度,降低成本,并提升整體效率。其基本功能是將一種形式的電能轉(zhuǎn)換為另一種形式,例如將市電交流(AC)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定直流(DC),或者將直流(DC)轉(zhuǎn)換為另一等級(jí)的直流(DC)。

高頻直流電源的分類可以根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、隔離方式、控制方式以及應(yīng)用領(lǐng)域等多個(gè)維度進(jìn)行。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看,常見(jiàn)的有正激、反激、半橋、全橋、LLC諧振等;從隔離方式上看,可分為隔離型和非隔離型;從控制方式上看,主要有脈寬調(diào)制(PWM)控制、脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制以及脈沖密度調(diào)制(PDM)控制等。這些不同的分類方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)共同構(gòu)成了高頻直流電源技術(shù)豐富多彩的圖景,每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用范圍。例如,反激變換器適用于中小功率場(chǎng)合,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn);而全橋變換器則適用于大功率場(chǎng)合,能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率和更低的紋波。諧振變換器則通過(guò)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)損耗,提高效率。

高頻直流電源的核心優(yōu)勢(shì)在于其“高頻”特性。高頻意味著在相同的時(shí)間內(nèi),能量轉(zhuǎn)換的次數(shù)更多,因此每次能量轉(zhuǎn)換所需的儲(chǔ)能元件的體積可以大大減小。例如,在傳統(tǒng)工頻變壓器中,為了傳輸一定的功率,磁芯和線圈的尺寸必須足夠大以存儲(chǔ)足夠的磁能,而在高頻變壓器中,由于磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)速度快,每次反轉(zhuǎn)的能量可以很小,從而允許使用更小的磁芯和更少的線圈匝數(shù)。這種體積和重量的顯著降低,使得高頻直流電源能夠更好地滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品對(duì)小型化、輕量化的需求。同時(shí),高頻操作也使得電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快,當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí),電源能夠迅速調(diào)整輸出,保持電壓穩(wěn)定。

2. 高頻直流電源的基本組成與工作流程

盡管高頻直流電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)千變?nèi)f化,但其基本組成部分和工作流程卻有著共同的邏輯框架。一個(gè)典型的高頻直流電源通常由以下幾個(gè)主要部分構(gòu)成:輸入整流濾波電路、高頻逆變(或斬波)電路、高頻變壓器(隔離型電源)、輸出整流濾波電路、控制電路以及保護(hù)電路。這些組成部分協(xié)同工作,共同完成電能的轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定和保護(hù)功能。

2.1 輸入整流濾波電路

輸入整流濾波電路是高頻直流電源的第一級(jí),其作用是將輸入的交流電(如市電220V/50Hz)轉(zhuǎn)換為未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電。對(duì)于直接輸入直流電的場(chǎng)合(如電池供電),此部分可能簡(jiǎn)化或省略。

2.1.1 整流整流是將交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電的過(guò)程。最常用的整流方式是二極管橋式整流,它由四個(gè)二極管組成,無(wú)論輸入交流電的極性如何,都能保證電流始終沿一個(gè)方向流向負(fù)載。全波整流相對(duì)于半波整流具有更高的效率和更低的紋波。在一些高功率應(yīng)用中,為了提高功率因數(shù)和降低諧波污染,會(huì)采用有源功率因數(shù)校正(APFC)電路。APFC電路通常是一個(gè)升壓型(Boost)斬波器,它在整流之后對(duì)脈動(dòng)直流進(jìn)行處理,使其輸入電流波形與輸入電壓波形同相,從而提高功率因數(shù),并能將輸出電壓提升到更高的直流水平,為后續(xù)的高頻變換提供穩(wěn)定的高壓直流母線。例如,對(duì)于220V交流輸入,整流濾波后的直流電壓峰值可達(dá)約310V;而通過(guò)APFC電路,可以將其提升至380V或400V左右,這有利于提高后續(xù)逆變級(jí)的效率和減小變壓器尺寸。

2.1.2 濾波濾波的目的是平滑整流后的脈動(dòng)直流電壓,減小其紋波,使其更接近純直流。常用的濾波元件是電解電容器。電容器在電壓升高時(shí)充電,在電壓降低時(shí)放電,從而削弱了電壓的波動(dòng)。濾波電容的容量越大,濾波效果越好,輸出紋波越小。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,濾波電容的選擇需要綜合考慮紋波要求、體積、成本和ESR(等效串聯(lián)電阻)等因素。過(guò)大的電容不僅增加體積和成本,還可能導(dǎo)致開(kāi)機(jī)浪涌電流過(guò)大。同時(shí),為了抑制高頻干擾,通常還會(huì)并聯(lián)小容量的薄膜電容或陶瓷電容。

2.2 高頻逆變(或斬波)電路

這是高頻直流電源的核心部分,其作用是將輸入整流濾波后的直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電(對(duì)于隔離型電源)或高頻脈動(dòng)直流電(對(duì)于非隔離型降壓/升壓斬波器)。這一過(guò)程是通過(guò)電力電子開(kāi)關(guān)器件(如MOSFET、IGBT等)在高頻下的快速通斷實(shí)現(xiàn)的。

2.2.1 開(kāi)關(guān)器件高頻開(kāi)關(guān)器件是實(shí)現(xiàn)高頻變換的關(guān)鍵。早期的高頻電源使用雙極型晶體管(BJT),但隨著技術(shù)的發(fā)展,MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)和IGBT(絕緣柵雙極晶體管)因其優(yōu)異的開(kāi)關(guān)特性(如開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率小、通態(tài)電阻低等)而得到廣泛應(yīng)用。

  • MOSFET:適用于中低壓、高頻率應(yīng)用,其導(dǎo)通電阻小,開(kāi)關(guān)速度快,特別適合于開(kāi)關(guān)電源的初級(jí)側(cè)。隨著工藝的進(jìn)步,高壓MOSFET的性能也在不斷提升。

  • IGBT:適用于高壓、大電流、中低頻率應(yīng)用,它結(jié)合了MOSFET的易驅(qū)動(dòng)特性和BJT的低導(dǎo)通壓降特性,常用于大功率高頻電源,如電焊機(jī)、感應(yīng)加熱電源等。

2.2.2 逆變器拓?fù)?/strong>根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式和隔離需求,高頻逆變器有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):

  • 反激變換器(Flyback Converter):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,適用于小功率(通常在幾瓦到幾百瓦)的隔離型電源。它在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),能量?jī)?chǔ)存在變壓器中,次級(jí)繞組不導(dǎo)通;在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),變壓器將儲(chǔ)存的能量通過(guò)次級(jí)繞組釋放給負(fù)載。其缺點(diǎn)是變壓器利用率不高,輸出電流紋波較大,不適合大功率應(yīng)用。

  • 正激變換器(Forward Converter):適用于中等功率(幾十瓦到幾百瓦)的隔離型電源。與反激不同,正激變換器在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),能量直接通過(guò)變壓器傳遞到次級(jí)。為了避免磁芯飽和,通常需要額外的復(fù)位繞組或復(fù)位電路。其變壓器利用率較高,輸出電流紋波相對(duì)較小。

  • 半橋變換器(Half-Bridge Converter):適用于中大功率(數(shù)百瓦到數(shù)千瓦)的隔離型電源。它由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管串聯(lián)組成半橋結(jié)構(gòu),輸出為方波電壓,通過(guò)高頻變壓器耦合到次級(jí)。其優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)管承受電壓較低,僅為輸入直流電壓的一半,且變壓器磁芯利用率高。

  • 全橋變換器(Full-Bridge Converter):適用于大功率(數(shù)千瓦到幾十千瓦)的隔離型電源。由四個(gè)開(kāi)關(guān)管組成全橋結(jié)構(gòu),能夠產(chǎn)生雙極性方波電壓,充分利用變壓器磁芯,效率高,紋波小。但控制相對(duì)復(fù)雜,驅(qū)動(dòng)電路要求高。

  • LLC諧振變換器(LLC Resonant Converter):近年來(lái)發(fā)展迅速的一種新型諧振變換器,其特點(diǎn)是利用諧振回路實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的軟開(kāi)關(guān)(零電壓開(kāi)關(guān)ZVS或零電流開(kāi)關(guān)ZCS),極大地降低了開(kāi)關(guān)損耗,從而顯著提高了電源效率,尤其適用于高功率密度、高效率的應(yīng)用,如服務(wù)器電源、LED驅(qū)動(dòng)電源、電動(dòng)汽車充電樁等。它通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓,具有寬輸入電壓范圍和負(fù)載范圍的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于非隔離型電源,如降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)斬波器,它們不使用高頻變壓器,而是直接利用電感和電容進(jìn)行能量的儲(chǔ)存和釋放,并通過(guò)開(kāi)關(guān)管的占空比控制輸出電壓。這些拓?fù)鋸V泛應(yīng)用于負(fù)載點(diǎn)(POL)電源、電池充電管理等領(lǐng)域。

2.3 高頻變壓器

高頻變壓器是隔離型高頻直流電源中不可或缺的組成部分,它在高頻變換器中發(fā)揮著能量傳遞、電壓變換和電氣隔離的關(guān)鍵作用。與工頻變壓器相比,高頻變壓器具有體積小、重量輕、效率高、漏感小等顯著特點(diǎn)。

2.3.1 磁芯材料高頻變壓器的性能主要取決于其磁芯材料。常用的高頻磁芯材料是鐵氧體,它是一種陶瓷材料,具有高電阻率和低磁損耗的特點(diǎn),特別適合在高頻下工作。根據(jù)磁導(dǎo)率、飽和磁通密度、居里溫度和損耗特性,鐵氧體又分為多種牌號(hào),如Mn-Zn系(錳鋅)鐵氧體適用于低頻至幾百千赫茲,Ni-Zn系(鎳鋅)鐵氧體適用于兆赫茲以上頻率。選擇合適的磁芯材料對(duì)于降低變壓器損耗、提高效率至關(guān)重要。

2.3.2 繞組設(shè)計(jì)高頻變壓器的繞組設(shè)計(jì)需要特別注意趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。在直流或低頻下,電流均勻分布在導(dǎo)線截面中,但在高頻下,電流會(huì)趨向于導(dǎo)線表面流動(dòng)(趨膚效應(yīng)),導(dǎo)致導(dǎo)線有效截面積減小,電阻增大,損耗增加。同時(shí),相鄰繞組之間的磁場(chǎng)也會(huì)引起額外的渦流損耗(鄰近效應(yīng))。為了減小這些損耗,高頻變壓器通常采用多股利茲線(Litz wire)或扁平銅帶進(jìn)行繞制。利茲線由多股獨(dú)立絕緣的細(xì)導(dǎo)線絞合而成,可以有效減小趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。此外,繞組的層數(shù)和排列方式也會(huì)影響漏感和分布電容,這些都會(huì)影響變壓器的性能和電磁兼容性(EMC)。

2.3.3 能量傳遞與隔離在高頻開(kāi)關(guān)變換器中,高頻變壓器將初級(jí)繞組側(cè)的高頻交流能量轉(zhuǎn)換為次級(jí)繞組側(cè)的能量,并傳遞給輸出電路。同時(shí),它提供了初級(jí)和次級(jí)之間的電氣隔離,確保了使用者和設(shè)備的安全性。隔離是電源安全標(biāo)準(zhǔn)(如IEC 60950、IEC 62368等)中的重要要求,防止輸入高壓直接危及輸出側(cè)的低壓電路或使用者。

2.4 輸出整流濾波電路

輸出整流濾波電路位于高頻變壓器(或電感)的次級(jí)側(cè),其作用是將高頻交流電(或高頻脈動(dòng)直流電)轉(zhuǎn)換為平穩(wěn)的直流電,以供負(fù)載使用。

2.4.1 整流在高頻直流電源的輸出端,通常使用肖特基二極管(Schottky Diode)或快速恢復(fù)二極管(Fast Recovery Diode)進(jìn)行整流。

  • 肖特基二極管:具有極低的導(dǎo)通壓降和極快的反向恢復(fù)時(shí)間,因此在高頻整流中損耗非常小,效率高,但其反向耐壓相對(duì)較低,且反向漏電流較大,不適合高壓大電流應(yīng)用。

  • 快速恢復(fù)二極管:反向恢復(fù)時(shí)間比普通二極管短,適用于較高電壓和中等頻率的應(yīng)用。

  • 同步整流(Synchronous Rectification):為了進(jìn)一步提高輸出整流級(jí)的效率,特別是在低壓大電流輸出場(chǎng)合,同步整流技術(shù)被廣泛應(yīng)用。它使用低導(dǎo)通電阻的MOSFET替代傳統(tǒng)的二極管作為整流器件。MOSFET在導(dǎo)通時(shí)具有極低的導(dǎo)通壓降(通常只有幾十毫伏),遠(yuǎn)低于肖特基二極管的導(dǎo)通壓降(幾百毫伏),從而顯著降低了整流損耗。同步整流需要精確的驅(qū)動(dòng)控制,以確保MOSFET在正確的時(shí)間導(dǎo)通和關(guān)斷,避免體二極管導(dǎo)通帶來(lái)的損耗。

2.4.2 濾波輸出濾波的目的是進(jìn)一步平滑整流后的脈動(dòng)直流電壓,減小輸出紋波和噪聲。常用的濾波元件是電感和電容組成的LC濾波電路。電感在電流變化時(shí)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì),阻止電流突變,而電容則通過(guò)充放電平滑電壓。合理選擇電感和電容的數(shù)值,可以有效地抑制高頻開(kāi)關(guān)噪聲和輸出紋波。在許多應(yīng)用中,為了獲得更低的紋波和更好的瞬態(tài)響應(yīng),會(huì)采用多級(jí)LC濾波或者使用電解電容與陶瓷電容并聯(lián)的方式。輸出濾波電路的性能直接影響電源的輸出質(zhì)量,對(duì)于對(duì)紋波和噪聲敏感的負(fù)載(如精密儀器、音響設(shè)備等)尤為重要。

2.5 控制電路

控制電路是高頻直流電源的“大腦”,負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)輸出電壓(或電流),并根據(jù)設(shè)定值動(dòng)態(tài)調(diào)整開(kāi)關(guān)器件的占空比或開(kāi)關(guān)頻率,從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓或電流的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

2.5.1 反饋機(jī)制控制電路通過(guò)采樣輸出電壓(或電流),并將其與參考電壓進(jìn)行比較,產(chǎn)生誤差信號(hào)。這個(gè)誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)誤差放大器放大后,送入脈寬調(diào)制(PWM)控制器或脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制器。反饋回路通常分為兩種:

  • 電壓模式控制:直接反饋輸出電壓,并與參考電壓進(jìn)行比較,通過(guò)調(diào)整占空比來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。

  • 電流模式控制:除了反饋輸出電壓外,還反饋電感電流或開(kāi)關(guān)電流。電流模式控制具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、更快的瞬態(tài)恢復(fù)、更低的輸出電容要求以及固有的過(guò)流保護(hù)功能,因此在許多高性能電源中被廣泛應(yīng)用。峰值電流模式控制和平均電流模式控制是兩種常見(jiàn)的電流模式控制方式。

對(duì)于隔離型電源,由于初級(jí)和次級(jí)之間存在隔離,直接采樣輸出電壓并反饋到初級(jí)側(cè)比較困難。常用的方法是使用光耦合器(Opto-coupler)或反饋?zhàn)儔浩鱽?lái)傳遞反饋信號(hào)。光耦合器通過(guò)光信號(hào)隔離初級(jí)和次級(jí),將次級(jí)側(cè)的誤差信號(hào)傳遞到初級(jí)側(cè)的PWM控制器。

2.5.2 PWM控制器脈寬調(diào)制(PWM)是目前最常用的控制方式。PWM控制器根據(jù)誤差信號(hào)產(chǎn)生一系列占空比可調(diào)的方波脈沖。這些脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大后,用于控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷。通過(guò)調(diào)整脈沖的寬度(即占空比),可以改變傳遞到負(fù)載的能量,從而穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)負(fù)載增加導(dǎo)致輸出電壓下降時(shí),控制電路會(huì)增加占空比,使開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)間更長(zhǎng),從而增加能量傳輸,提升輸出電壓;反之亦然。

2.5.3 PFM/PDM控制器除了PWM控制,還有脈沖頻率調(diào)制(PFM)和脈沖密度調(diào)制(PDM)等控制方式。PFM通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出,而占空比可能保持不變或變化不大。PDM則通過(guò)改變脈沖的密度來(lái)調(diào)節(jié)輸出。諧振變換器通常采用PFM控制,通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率使其工作在諧振點(diǎn)附近,實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。

2.6 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路是控制電路與功率開(kāi)關(guān)器件之間的橋梁,其作用是將控制電路產(chǎn)生的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為足夠強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào),以快速、有效地驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)器件(如MOSFET、IGBT)導(dǎo)通和關(guān)斷。

2.6.1 驅(qū)動(dòng)能力MOSFET和IGBT是電壓控制型器件,它們的柵極(Gate)具有一定的輸入電容。為了使開(kāi)關(guān)器件快速通斷,需要一個(gè)能夠提供足夠瞬時(shí)電流的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)迅速充放電柵極電容。驅(qū)動(dòng)能力不足會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)速度慢,從而增加開(kāi)關(guān)損耗,甚至可能導(dǎo)致器件損壞。

2.6.2 隔離驅(qū)動(dòng)在隔離型電源中,初級(jí)側(cè)的驅(qū)動(dòng)電路通常需要與地和控制電路進(jìn)行隔離,以避免高壓干擾。光耦合器、脈沖變壓器或?qū)S玫母綦x柵極驅(qū)動(dòng)器是常用的隔離驅(qū)動(dòng)方案。這些器件能夠安全地將驅(qū)動(dòng)信號(hào)從低壓控制側(cè)傳輸?shù)礁邏汗β蕚?cè)。

2.6.3 死區(qū)時(shí)間控制在半橋和全橋等包含上下兩個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)管的拓?fù)渲?,為了避免上下管同時(shí)導(dǎo)通造成電源短路(“直通”),驅(qū)動(dòng)電路必須引入死區(qū)時(shí)間(Dead Time)。死區(qū)時(shí)間是指上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管之間,一個(gè)關(guān)斷后到另一個(gè)導(dǎo)通之前的一小段時(shí)間間隔,確保在任何時(shí)刻只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。死區(qū)時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致直通,死區(qū)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)增加損耗并降低效率。精確的死區(qū)時(shí)間控制是高頻直流電源設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。

2.7 保護(hù)電路

保護(hù)電路是高頻直流電源可靠運(yùn)行的重要保障,用于在電源發(fā)生異常情況時(shí)及時(shí)切斷輸出或限制輸出,防止損壞電源本身、負(fù)載或?qū)θ松碓斐蓚Α?/span>

2.7.1 過(guò)壓保護(hù)(OVP)當(dāng)輸出電壓超過(guò)設(shè)定閾值時(shí),過(guò)壓保護(hù)電路會(huì)觸發(fā),通常通過(guò)關(guān)斷開(kāi)關(guān)管或拉低PWM控制信號(hào),從而停止輸出。常見(jiàn)的OVP方式有:齊納二極管鉗位、可控硅(SCR)短路保護(hù)、專用OVP芯片等。

2.7.2 過(guò)流/短路保護(hù)(OCP/SCP)當(dāng)輸出電流超過(guò)額定值或發(fā)生短路時(shí),過(guò)流/短路保護(hù)電路會(huì)動(dòng)作。保護(hù)方式可以是打嗝模式(Hiccup Mode,周期性嘗試啟動(dòng))、限流模式(限制最大輸出電流)或鎖定模式(Latching Mode,一旦觸發(fā)則需手動(dòng)復(fù)位)。通過(guò)檢測(cè)開(kāi)關(guān)管的電流或輸出電流,與設(shè)定閾值進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)。電流檢測(cè)通常采用采樣電阻、電流互感器或霍爾效應(yīng)傳感器。

2.7.3 過(guò)溫保護(hù)(OTP)當(dāng)電源內(nèi)部溫度(如功率開(kāi)關(guān)器件、變壓器或散熱器溫度)過(guò)高時(shí),過(guò)溫保護(hù)會(huì)觸發(fā)。通常通過(guò)熱敏電阻(NTC)或溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度,一旦超過(guò)安全閾值,電源會(huì)降低輸出功率或停止工作,以防止過(guò)熱損壞。

2.7.4 欠壓保護(hù)(UVP)當(dāng)輸入電壓過(guò)低時(shí),欠壓保護(hù)會(huì)動(dòng)作,防止電源在低壓條件下工作,可能導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管飽和、變壓器磁芯飽和等問(wèn)題。輸出欠壓保護(hù)則是在輸出電壓低于設(shè)定值時(shí),指示故障或進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。

2.7.5 其他保護(hù)此外,還可能有輸入過(guò)壓保護(hù)、浪涌電流抑制(通過(guò)熱敏電阻或NTC電阻)、反饋回路開(kāi)路保護(hù)、空載保護(hù)等。完善的保護(hù)電路設(shè)計(jì)是保證電源長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。

3. 高頻直流電源的工作原理流程

綜合上述各個(gè)組成部分,高頻直流電源的工作原理可以概括為以下幾個(gè)主要步驟:

  1. 輸入電能準(zhǔn)備

    • 如果輸入是交流電(如市電),首先通過(guò)輸入整流濾波電路將其轉(zhuǎn)換為高壓直流電。此過(guò)程可能包含有源功率因數(shù)校正(APFC),以提高功率因數(shù)和提供更穩(wěn)定的直流母線電壓。

    • 如果輸入是直流電(如電池或太陽(yáng)能電池板),則直接進(jìn)入高頻變換階段,或經(jīng)過(guò)預(yù)穩(wěn)壓。

  2. 高頻能量轉(zhuǎn)換

    • 高壓直流電送入高頻逆變(或斬波)電路。在控制電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下,功率開(kāi)關(guān)器件(MOSFET/IGBT)以極高的頻率(幾十千赫茲到兆赫茲)進(jìn)行周期性通斷。

    • 對(duì)于隔離型電源,開(kāi)關(guān)器件將直流電斬波成高頻方波電壓,并加載到高頻變壓器的初級(jí)繞組。變壓器通過(guò)磁耦合將能量從初級(jí)傳遞到次級(jí),并實(shí)現(xiàn)電氣隔離和電壓變換。

    • 對(duì)于非隔離型電源(如Buck、Boost),開(kāi)關(guān)器件將直流電斬波,并通過(guò)電感和電容的儲(chǔ)能和釋放來(lái)改變電壓等級(jí)。

  3. 輸出電能處理

    • 高頻變壓器次級(jí)(或電感)輸出的高頻交流電(或高頻脈動(dòng)直流電)進(jìn)入輸出整流濾波電路

    • 輸出整流器件(肖特基二極管或同步整流MOSFET)將高頻交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電。

    • 輸出濾波電感和電容組成的LC濾波網(wǎng)絡(luò),進(jìn)一步平滑脈動(dòng)直流電,濾除高頻紋波和噪聲,輸出穩(wěn)定、低紋波的直流電供給負(fù)載。

  4. 閉環(huán)反饋與調(diào)節(jié)

    • 控制電路持續(xù)監(jiān)測(cè)輸出直流電壓(或電流),通過(guò)采樣電路獲取實(shí)際輸出值。

    • 實(shí)際輸出值與預(yù)設(shè)的參考電壓(或電流)進(jìn)行比較,產(chǎn)生誤差信號(hào)。

    • 誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和處理,送入PWM控制器。PWM控制器根據(jù)誤差大小,實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比(或開(kāi)關(guān)頻率)。

    • 調(diào)整后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路加到功率開(kāi)關(guān)器件的柵極,從而改變開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間,進(jìn)而調(diào)節(jié)高頻變壓器(或電感)的能量傳輸,最終使輸出電壓(或電流)穩(wěn)定在設(shè)定值。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的閉環(huán)負(fù)反饋過(guò)程,確保了電源對(duì)輸入電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的快速響應(yīng)和穩(wěn)定輸出。

  5. 安全保護(hù)

    • 保護(hù)電路在整個(gè)工作過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源的關(guān)鍵參數(shù),如輸出電壓、輸出電流、內(nèi)部溫度等。

    • 一旦檢測(cè)到任何異常情況(如過(guò)壓、過(guò)流、短路、過(guò)溫等),保護(hù)電路會(huì)立即觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)措施,如關(guān)斷開(kāi)關(guān)管、限制輸出、發(fā)出告警等,以防止電源、負(fù)載或操作人員受到損害。

通過(guò)以上步驟,高頻直流電源能夠高效、穩(wěn)定、安全地將輸入的電能轉(zhuǎn)換為所需的直流電能,為各種電子設(shè)備和系統(tǒng)提供可靠的電力支持。高頻化是現(xiàn)代電源技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì),它不僅帶來(lái)了電源的小型化和輕量化,更在效率、性能和成本方面實(shí)現(xiàn)了顯著的提升,為信息技術(shù)、新能源、智能制造等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

責(zé)任編輯:David

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