輸入整流是將交流電壓轉換為直流電壓的第一步。人們普遍認為直流電壓是一條筆直的、不動(dòng)搖的恒壓線(xiàn)，就像從電池里出來(lái)的那種。然而，定義直流電的是電荷的單向流動(dòng)。這意味著(zhù)電壓流向相同，但不一定是恒定的。正弦波是交流電(AC)最典型的波形，前半個(gè)周期為正，其余周期為負。如果反向或消除負半周期，則電流停止交替，變成直流電。這可以通過(guò)一個(gè)叫做矯正的過(guò)程來(lái)實(shí)現。整流可以通過(guò)使用無(wú)源半橋整流器來(lái)實(shí)現，用二極管消除正弦波的負半部分(見(jiàn)圖2)。二極管允許電流在正半波期間流過(guò)，但當電流反向流動(dòng)時(shí)，二極管會(huì )阻斷電流方向。

 

圖2：半橋整流器

 

整流后，產(chǎn)生的正弦波平均功率較低，不能有效地為設備供電。一個(gè)更有效的方法是改變負半波的極性并使其變成正電壓。這種方法被稱(chēng)為全波整流，它需要四個(gè)二極管配置成一個(gè)電橋(見(jiàn)圖3)。無(wú)論輸入電壓如何，這種配置都能保持穩定的電流流向極性。

 

圖3：全橋整流器

 

全整流波的平均輸出電壓比半橋整流器的高，但離為電子設備供電所需的恒定直流波形仍有很大差距。雖然這是一個(gè)直流波，但由于電壓波形，供電是低效的，因為電壓波的值變化非?？旌皖l繁。這種周期性的直流電壓變化被稱(chēng)為紋波。減少或消除紋波是一個(gè)有效的電源供應的關(guān)鍵。減少紋波最簡(jiǎn)單和最常用的方法是在整流器輸出端使用一個(gè)大電容器，稱(chēng)為儲能電容器或平滑濾波器(見(jiàn)圖4)。電容器在電壓峰值時(shí)存儲電壓，然后向負載提供電流，直到其電壓小于現在上升的整流電壓波。得到的波形更接近所需的形狀，可以認為是沒(méi)有交流分量的直流電壓。這個(gè)最終的電壓波形現在可以用來(lái)給直流電供電設備。

 

圖4：帶平滑濾波器的全橋整流器

 

無(wú)源整流使用半導體二極管作為不受控制的開(kāi)關(guān)，是整流交流波最簡(jiǎn)單的方法，但不是最有效的方法。二極管是相對有效的開(kāi)關(guān);它們可以以最小的功率損耗快速打開(kāi)和關(guān)閉。半導體二極管的唯一問(wèn)題是它們的正向偏置電壓降為0.5V到1V，這會(huì )降低效率。有源整流用可控開(kāi)關(guān)代替二極管，如MOSFET或BJT晶體管(見(jiàn)圖5)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)：首先，基于晶體管的整流器消除了與半導體二極管相關(guān)的0.5V到1V的固定電壓降，因為它們的電阻可以很小，因此電壓降也很小。第二，晶體管是可控開(kāi)關(guān)，這意味著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率可以控制，從而得到優(yōu)化。缺點(diǎn)是，有源整流器需要更復雜的控制電路來(lái)達到其目的，這就需要額外的元件，從而使它們變得更貴。

 

圖5：全橋有源整流器

 

功率因數校正(PFC)開(kāi)關(guān)電源設計中的第二個(gè)階段是功率因數校正(PFC)。功率因數校正電路與交流電源到直流電源的實(shí)際轉換關(guān)系不大，但卻是大多數商用電源的關(guān)鍵部件。

 

圖6：整流器輸出的電壓和電流波形

 

如果你觀(guān)察整流器電容器的電流波形(見(jiàn)圖6)，你會(huì )看到充電電流在很短的時(shí)間內流過(guò)電容器，特別是電容器輸入電壓大于電容器電荷到整流信號的峰值。這會(huì )在電容器中產(chǎn)生一系列短電流尖峰，因此不僅對電源造成嚴重問(wèn)題，而且由于這些電流尖峰注入電網(wǎng)的諧波量很大，對整個(gè)電網(wǎng)都是一個(gè)重大問(wèn)題。諧波會(huì )產(chǎn)生失真，可能會(huì )影響連接到電網(wǎng)的其他電源和設備。在開(kāi)關(guān)電源設計中，功率因數校正電路的目標是通過(guò)濾除這些諧波來(lái)最小化影響。為此，有兩種選擇：有源和無(wú)源功率因數校正。

 

無(wú)源PFC電路是由無(wú)源低通濾波器組成的，它試圖消除高次諧波。然而，電源，特別是在大功率應用中，僅僅使用無(wú)源PFC無(wú)法滿(mǎn)足諧波噪聲的國際規定，必須采用有源功率校正。

 

有源PFC改變電流波形，使之跟隨電壓變化。諧波被移到更高的頻率，使其更容易濾除。在這種情況下，最廣泛使用的電路是升壓變換器，也稱(chēng)為升壓變換器。

 

隔離：隔離開(kāi)關(guān)電源與非隔離開(kāi)關(guān)電源。無(wú)論功率因數校正電路是否存在，功率轉換的最后一步是將整流后的直流電壓逐步降低到適合預期應用的幅度。因為輸入的交流波形已經(jīng)在輸入端整流，所以直流電壓輸出將會(huì )很高：如果沒(méi)有功率因數校正，整流器的輸出直流電壓將為320V左右。如果有有源功率因數校正電路，升壓變換器的輸出將是穩定的400V或更高。這兩種情況都是極其危險的，對于通常需要顯著(zhù)降低電壓的大多數應用來(lái)說(shuō)毫無(wú)用處。表1顯示了在選擇正確的隔離拓撲時(shí)應該考慮的幾個(gè)轉換器和應用方面。

 

在選擇使用哪種降壓方法時(shí)，主要考慮的是安全性。電源在輸入端與交流電源相連，這意味著(zhù)，如果輸出端有電流泄漏，可能會(huì )嚴重傷害，并損壞任何負載設備。安全隔離可以通過(guò)磁隔離輸入和輸出電路來(lái)實(shí)現。隔離AC/DC電源中使用最廣泛的電路是反激變換器和諧振LLC變換器，因為它們包括電流隔離或磁隔離(見(jiàn)圖7)。

 

圖7：反激變換器(左)和LLC諧振變換器(右)

 

使用變壓器意味著(zhù)信號不能是平坦的直流電壓。相反，為了通過(guò)感應耦合將能量從變壓器的一側傳輸到另一側，必須存在電壓變化，從而改變電流。因此，反激式和LLC變換器都將輸入直流電壓“斬波”成方波，方波可以通過(guò)變壓器降壓。然后輸出波形必須在輸出前再次校正。

 

反激變換器主要用于低功耗應用。反激變換器是一種隔離的buck-boost變換器，這意味著(zhù)輸出電壓可以高于輸入電壓，也可以低于輸入電壓，這取決于變壓器在一次繞組和二次繞組之間的匝數比。反激變換器的工作原理與升壓變換器非常相似。當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，初級線(xiàn)圈由輸入端充電，產(chǎn)生磁場(chǎng)。當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，初級電感器中的電荷轉移到次級繞組，次級繞組向電路注入電流，為負載供電。反激式變換器相對容易設計，并且比其他變換器需要更少的元件，但是效率不高，因為強制晶體管任意打開(kāi)和關(guān)閉的硬開(kāi)關(guān)會(huì )造成很大的損耗(見(jiàn)圖8)。特別是在大功率應用中，這對晶體管的生命周期非常不利，并產(chǎn)生顯著(zhù)的功率損耗，這就是為什么反激變換器更適合低功率應用，通常高達100W。

 

諧振LLC轉換器在大功率應用中更為常用。這些電路也通過(guò)變壓器進(jìn)行磁隔離。LLC變換器是基于諧振原理，即當它與濾波器的固有頻率相匹配時(shí)，對某一頻率的放大。在這種情況下，LLC轉換器的諧振頻率由串聯(lián)的電感器和電容器(LC濾波器)和變壓器初級電感器(L)的附加效應而定，因此命名LLC轉換器。LLC諧振變換器是大功率應用的首選，因為它們可以產(chǎn)生零電流開(kāi)關(guān)，也稱(chēng)為軟開(kāi)關(guān)(見(jiàn)圖8)。這種開(kāi)關(guān)方法在電路中的電流接近零時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)，最大限度地減少晶體管的開(kāi)關(guān)損耗，從而減少電磁干擾，提高效率。不幸的是，這種性能的提高是有代價(jià)的：很難設計一個(gè)LLC諧振變換器，它可以實(shí)現大范圍負載的軟開(kāi)關(guān)。為此，MPS開(kāi)發(fā)了一種特殊的LLC設計工具，以確保轉換器在正確的諧振狀態(tài)下工作，以實(shí)現最佳開(kāi)關(guān)效率。

 

圖8：硬開(kāi)關(guān)(左)與軟開(kāi)關(guān)(右)損耗

 

在本文的前面，我們討論了為什么AC/DC電源的限制之一是輸入變壓器的尺寸和重量，由于工作頻率較低(50Hz)，為了避免飽和，需要使用大電感器和磁芯。在開(kāi)關(guān)電源中，電壓的振蕩頻率要大得多(至少在20kHz以上)。這意味著(zhù)降壓變壓器可以更小，因為高頻信號在線(xiàn)性變壓器中產(chǎn)生較少的磁損耗。輸入變壓器的尺寸減小使得系統小型化。有些直流設備不需要變壓器提供的隔離。