一、開(kāi)關(guān)電源的基本概念
電源是將各種能源轉(zhuǎn)換成為用電設(shè)備所需電能的裝置，是所有靠電能工作的裝置的動(dòng)力源泉。直流開(kāi)關(guān)電源是一種由占空比控制的開(kāi)關(guān)電路構(gòu)成的電能變換裝置，用于交流一直流或直流一直流電能變換，通常稱其為開(kāi)關(guān)電源(Switched Mode Power Supply——SMPS)。其功率從零點(diǎn)幾瓦到數(shù)十千瓦，廣泛用于生活、生產(chǎn)、科研、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。彩色電視機(jī)、VCD播放機(jī)等家用電器，醫(yī)用X光機(jī)、CT機(jī)，計(jì)算機(jī)設(shè)備，工業(yè)用的電解、電鍍、充電、焊接、激光等裝置，以及飛機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、艦船中，都大量采用了開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源的能量轉(zhuǎn)換形式如圖1所示。
圖1 開(kāi)關(guān)電源的能量轉(zhuǎn)換形式
顧名思義，開(kāi)關(guān)電源的核心為電力電子開(kāi)關(guān)電路，根據(jù)負(fù)載對(duì)電源提出的輸出穩(wěn)壓或穩(wěn)流特性的要求，利用反饋控制電路，采用占空比控制方法，對(duì)開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行控制。開(kāi)關(guān)電源的這一技術(shù)特點(diǎn)使其同其他形式的電源，如采用調(diào)整管的線性電源和采用晶閘管的相控電源相比具有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：
1.效率高
采用占空比控制的開(kāi)關(guān)電路，在理想情況下，只進(jìn)行能量的變換而沒(méi)有損耗。實(shí)際上，電路中開(kāi)關(guān)器件存在通態(tài)壓降、斷態(tài)漏電流、開(kāi)關(guān)損耗等非理想因素，電感和電容元件也有等效串聯(lián)電阻和漏電流等非理想因索，所以存在損耗。但電路的總效率仍能達(dá)到85%～98%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靠動(dòng)態(tài)電阻調(diào)節(jié)的線性電源，通常比相控電源的效率也要高些。
2.體積小、重量輕
開(kāi)關(guān)電源采用較高的開(kāi)關(guān)頻率，一般高于20kHz這一人耳的聽(tīng)覺(jué)極限。因此電路中的電感、電容等濾波元件和變壓器都大大減小。而線性電源和相控電源通常都需要采用很大的濾波元件和笨重龐大的工頻變壓器。所以在同等功率的條件下，開(kāi)關(guān)電源的體積和重量?jī)H為線性電源和相控電源時(shí)的1/10。另外，開(kāi)關(guān)電源的效率較高，需要的散熱器也較小，這在很大程度上減小了體積和重量。同時(shí)，還節(jié)省了很多硅鋼片、銅、鋁等原材料。
因?yàn)榫哂羞@些優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，大有取代線性電源和相控電源的趨勢(shì)。值得注意的是，開(kāi)關(guān)電源的輸出噪聲和紋波一般比線性電源大，所以在需要非常低的噪聲與紋波(如紋波峰峰值要小于5～10mV)的情況下，仍需要線性電源，由于大功率全控型開(kāi)關(guān)器件以及高頻磁性元件技術(shù)的局限，在需要的功率非常大(1MW以上)時(shí)，仍需采用相控電源。但隨著控制技術(shù)和元器件技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源的各方面的性能都在不斷提高，容量也在不斷擴(kuò)大。
二、開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)
開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)原則較多，較常見(jiàn)的有按其是否具備電能回饋能力分類(lèi)、能否隔離分類(lèi)和按照其采取的開(kāi)關(guān)電路形式來(lái)分類(lèi)。
通常并不需要開(kāi)關(guān)電源具備使電能從負(fù)載側(cè)回饋到電源側(cè)的能力，因此大多數(shù)電源是不能回饋的，然而有些特定的應(yīng)用，如蓄電池充放電電源，卻需要電能能夠在電源與負(fù)載間雙向流動(dòng)，這時(shí)就需要能回饋電能的電源。
按照開(kāi)關(guān)電源的輸入與輸出間是否電氣隔離，可以將其分為非隔離型和隔離型兩大類(lèi)，輸入與輸出間不具備電氣隔離能力的為非隔離型，具備電氣隔離能力的為隔離型。值得說(shuō)明的是，與同等電壓，電流、功率的非隔離型開(kāi)關(guān)電源相比，隔離型開(kāi)關(guān)電源的電路較為復(fù)雜、效率略低、成本也有所增加。但在實(shí)際應(yīng)用中，仍廣泛采用隔離型開(kāi)關(guān)電源，這有以下幾方面的原因：
1)負(fù)載要求電源的輸出端與輸入端電氣隔離。
2)需要相互隔離的多路輸出。
3)輸出電壓與輸入電壓的比例遠(yuǎn)小于1或遠(yuǎn)大于1。
根據(jù)開(kāi)關(guān)電源所采用的開(kāi)關(guān)電路的形式，可以將開(kāi)關(guān)電源分成很多種，這在以后的文章中還要詳細(xì)介紹。
根據(jù)以上的原則，可以將開(kāi)關(guān)電源按圖2分類(lèi)。
圖2 開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)
三、開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)要點(diǎn)
開(kāi)關(guān)電源技術(shù)包含以下重要的組成部分：
1.元器件技術(shù)
包括涉及開(kāi)關(guān)器件的電力電子器件技術(shù)和涉及變壓器、電感等主要磁性元件的磁技術(shù)，以及涉及電容等其他無(wú)源元件的技術(shù)。
2.電路技術(shù)
主要研究各種基本開(kāi)關(guān)電路和相應(yīng)的軟開(kāi)關(guān)電路，以及各種吸收電路等。
3.控制技術(shù)
主要研究適用于開(kāi)關(guān)電源的各種開(kāi)關(guān)控制方法，如電壓模式控制和各種電流模式控制等。
4.電磁兼容技術(shù)
研究開(kāi)關(guān)電源中電磁干擾的產(chǎn)生、傳播和抑制等問(wèn)題。
5.散熱技術(shù)
利用傳熱學(xué)理論，分析和解決開(kāi)關(guān)電源主要發(fā)熱元件的散熱問(wèn)題。
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