全国大学生电子设计竞赛(一)--电源简介

第一章 电源简介

1.1 电源分类

1.1.1 电源与电源转换器

  我们常提到的“电源”概念，指的是把其他形式的能量，如机械能、化学能、风能、热能、太阳能等直接转换成电能的装置，例如水力、风力、火力发电，以及各类电池等。
  电源转换器是能够将电力能源的形式进行控制和转换的装置，它的能量变化过程是电能→电能，而非其他能量→电能。电源转换器能够转换主电源电能的形式或规格，用于满足不同用电设备对不同电能形式的需要，或用在供电电源与负载之间，对电能进行变换或稳定处理。本书中所讲的“电源”概念，实际上指的是电源转换器。

1.1.2 电源转换器类型

（1）根据转换的形式分类，可分为
  AC-AC（交流-交流）转换器：如交流电源变压器、变频器等。
  AC-DC（交流-直流）转换器：整流器。
  DC-DC（直流-直流）转换器。
  DC-AC（直流-交流）转换器：逆变器。
（2）根据转换的方法分类，可分为
  线性电源：使用工作在线性区的功率器件调整管，靠调整功率管上的电压降来稳定输出。线性电源的缺点是：由于调整管静态损耗大，因此效率相对较低，且需要安装一个很大的散热器来散热；由于变压器工作在工频（50Hz）上，所以体积和重量较大。优点是稳定性高、纹波小、可靠性高，易做成多路、输出连续可调的成品。
  开关电源：开关电源是通过控制开关管的开通和关断来输出电压的一种电源。它的优点是：与同功率档次的线性电源相比，体积小、重量轻，在高功率产品中这种差异更为明显，这是因为开关电源不需要沉重的工频变压器和很大容量的滤波电容，同时开关管功耗比线性电源调整管小得多，因此所需散热片面积比较小；开关电源的控制方式和电路拓扑决定了它的功耗小、转换效率高、稳压范围宽、滤波效率高、安全可靠、电路形式灵活。开关电源近年来一直有较大的发展，研究人员提出了包括高频化、软开关技术、谐振直流环、屏蔽技术等在内的多项新技术，很多厂家也都不断推出高性能高集成度的控制IC，使得开关电源的线路在不断简化的同时具有更可靠高效的性能。
  开关电源按控制方式可分为：
  脉冲调制变换器：驱动波形为方波。包括PWM调制、PFM调制、混合调制等。
  谐振式变换器：驱动波形为使用谐振电路得到的正弦波。包括ZCS（零电流谐振开关）、ZVS（零电压谐振开关）等。
  按拓扑结构可分为：
  隔离式：采用变压器来实现输出与输入电气隔离。包括单管正激式（Forward）、单管反激式（Flyback）、双管正激式（Double Transistor Forward Converter）、双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter）、半桥式（Half-Bridge Converter）和全桥式（Full-Bridge Converter）等类型。
  非隔离式：拓扑中不使用隔离变压器，输入与输出不存在电气隔离。包括降压式（Buck）、升压式（Boost）、升压降压式（Buck Boost）、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器等类型。
（3）根据调控的效果分类，可分为
  稳压电源：能为负载提供稳定的交流或直流电压的电源。当电网电压或负载出现波动时，输出电压保持不变。
  恒流电源：能向负载提供恒定电流的电源，在电网电压产生波动或阻抗特性发生变化时仍能使输出电流保持恒定。现有的恒流电源的恒流范围大致为1µA～20A。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载以提高放大倍数，在差动放大电路、脉冲产生电路中也得到了广泛应用。恒流电源依据其主要构成元件可以分为晶体管恒流源、场效应管恒流源、集成运放恒流源等。
  调频/变频电源：输出电压的频率可调的（交流）电源。

1.2 电源的各项指标

1.2.1 直流电源指标

（1）电压调整率Su ：负载不变，输入电压变化时输出电压相对变化量。即

  其中， Uomax为输入电压变化时最大输出电压， Uomin为最小输出电压值， Uo为额定输出电压。
（2）负载调整率Si ：负载调整率也称为电流调整率。表示在输入电压不变的情况下，在一定范围内改变负载时，输出电压的最大相对变化量。即：

  其中， Uo2为空载（或轻载）时输出电压， Uo1为满载（或重载）时输出电压， Uo为额定负载时输出电压。
（3）纹波电压（电流）的指标形式：
  最大纹波电压（电流）：在额定输出电压和负载电流下，输出电压（电流）的纹波（包括噪声）峰-峰值大小，通常以峰-峰值△Vp-p（△Ip-p）或有效值△Vrms（△Irms）表示。
  纹波系数 ：在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值与输出直流电压之比。即：

（4）效率：效率定义为输出的有功功率 与输入的有功功率 的百分比。即：

  其中， Uo为输出电压， Io为输出电流， Ui为输入电压， Ii为输入电流。

1.2.2 交流电源指标

（1）电压调整率Su ：负载不变，输入电压有效值变化时输出电压有效值相对变化量。即

其中， Uo1为输入电压最大时的输出电压有效值， Uo2为输入电压最小时的输出电压有效值， 为额定输出电压有效值。
（2）负载调整率S1 ：负载调整率也称为电流调整率。表示在输入电压不变的情况下，改变负载时，输出电压有效值的最大相对变化量。即：

其中， Uo2为空载（或轻载）时输出电压有效值， Uo1为满载（或重载）时输出电压有效值， Uo为额定负载时输出电压有效值。
（3）效率 ：输出的有功功率Po 与输入的有功功率Pi 的百分比。即：

其中， Uo为输出电压有效值， Io为输出电流有效值， Ui为输入电压有效值， Ii为输入电流有效值。
（4）有功功率P：将电能转换为其他形式能量（如机械能、光能、热能等）的电功率，单位为瓦特（W）。有功功率用一个周期内瞬时功率的积分的平均值来计算。
  对于交流电，

  其中，u(t) i(t)分别为瞬时电压、电流， T为周期。
  对于正弦交流电，

  其中， U和I分别为电压、电流有效值， φ为电压、电流相位差。
（5）无功功率Q：电路中为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率，单位为乏（Var）。无功功率不对外作功，也不转化为机械能、热能，而是转变为其他形式的能量，用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场。无功功率是交流电路中由于电抗性元件（指纯电感或纯电容）的存在，而进行可逆性转换的那部分电功率。
（6）视在功率S：视在功率是有功功率和无功功率的向量和，也可以用电压和电流有效值的乘积来表示，单位为伏安（VA）或千伏安（kVA）。视在功率表明了用电器从电源（电网）获取的总功率，但并不代表用电器真正消耗的功率。它代表了一种能量之间的交换关系，也是衡量用电器最大负荷承受能力的指标之一。
（7）功率因数PF：功率因数定义为有功功率P与视在功率S的比值，在正弦交流电中可等效为电压与电流相位差的余弦值。功率因数计算公式为

  其中 φ表示 u(t)和i(t) 的相位差，也称功率因数角； γ表示基波因数，定义为基波有效值（均方根值）与真有效值（均方根值）的比值，对于纯正弦交流信号，γ=1 。
  功率因数是对电能进行安全有效利用的衡量标准之一，功率因数值越大，代表电力电子设备的电能利用率越高。
  如图1.1所示，“功率三角形”表示视在功率S、有功功率P和无功功率Q三者在数值上的关系。

（8）谐波失真THD：THD有两个常用的定义。在IEC 61000-4-7中，THD定义为指定次全部谐波分量均方根值与基波分量均方根值之比。公式（1.11）用来计算电压和电流THD：

  这一THD定义更常见于能源计量系统，如果基波的贡献小于其他谐波的总贡献，得到的THD值可能会超过100%。
  THD的另外一个定义是指定次（N）全部谐波分量均方根值与总均方根值之比。总RMS值包括基波和其他谐波的作用。公式（1.13）分别用来计算电压和电流THD：

  在THD的这一定义中，由于总均方根被用作分母，而不仅仅是基波均方根值。因此，得到的值总小于100%。
  在公式（1.11）-（1.14）中，Vh,rms 和 Ih,rms分别表示电压、电流的h次谐波有效值。
  在测试THD精度时，需注意所使用的THD定义，因为这两个不同的定义会得出两个不同的值。

往期精彩回顾

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全国大学生电子设计竞赛(二)–电源常用技术与算法
全国大学生电子设计竞赛(三)–线性电源设计
全国大学生电子设计竞赛(四)–双极性可调精密直流电源的设计
全国大学生电子设计竞赛(五)–开关电源的设计
全国大学生电子设计竞赛(六)–常用整流技术
全国大学生电子设计竞赛(七)–逆变电源设计
2017年全国大学生电子设计大赛A题–微电网模拟系统
2018年全国大学生电子设计大赛E题–变流器负载试验中的能量回馈装置

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