AC-DC 转换器原理和设计介绍

[导读]AC-DC 转换器使用各种电子元件，包括二极管和电容器。它们基于整流器的运行，整流器允许从具有零平均值的波形开始获得具有非零平均值的波形。大多数电源应用都使用直流电压，因此必须将正弦交流电压(50 或 60 Hz)转换为直流电压。通常，使用变压器和二极管整流器将输入交流电转换为直流电就足够了，但如果所涉及的功率明显较高，则元件的尺寸可能会更大。这些电路的主要元件是二极管，这是一种非线性元件，其输出端的信号并不总是遵循其输入端信号的趋势，它用于使电流只沿一个方向流动。在许多应用中，它必须提供大量能量，因此有相当坚固和强大的功率模型可供选择。在功率和高频应用中，一个非常重要的参数是恢复时间，即电流通过零点的瞬间和反向电流降至其最大峰值的 25% 的瞬间之间的时间。

AC-DC 转换器是将交流电 (AC) 转换为直流电 (DC) 的电子设备。其用途广泛，包括需要直流电才能运行的电子设备、家用电器、照明系统和电动汽车。

介绍

AC-DC 转换器使用各种电子元件，包括二极管和电容器。它们基于整流器的运行，整流器允许从具有零平均值的波形开始获得具有非零平均值的波形。大多数电源应用都使用直流电压，因此必须将正弦交流电压(50 或 60 Hz)转换为直流电压。通常，使用变压器和二极管整流器将输入交流电转换为直流电就足够了，但如果所涉及的功率明显较高，则元件的尺寸可能会更大。这些电路的主要元件是二极管，这是一种非线性元件，其输出端的信号并不总是遵循其输入端信号的趋势，它用于使电流只沿一个方向流动。在许多应用中，它必须提供大量能量，因此有相当坚固和强大的功率模型可供选择。在功率和高频应用中，一个非常重要的参数是恢复时间，即电流通过零点的瞬间和反向电流降至其最大峰值的 25% 的瞬间之间的时间。

整流器拓扑

最重要的整流器拓扑结构是半波、格雷茨桥和中心抽头变压器。半波整流器最简单，只需要一个二极管和负载。图 1 说明了该电路，包含以下元件：

· 50 Hz 正弦波发生器和 230 VAC (RMS) 输出电压

· 230 VAC(RMS)至 195 VAC(RMS)的电压变压器

· 整流二极管，本例中为 SiC 肖特基型号，功率为 650 V、4 A、9 W，最坏情况下

· 50 欧姆的电阻负载。

上面的第一个波形图显示流过负载的电流，该电流与流过二极管的电流相同。第二个波形图分别显示输入电压 (Vin)、二极管之前的正弦输出电压 (Vout1) 和齐纳二极管之后的整流电压 (Vout2) 的轨迹。因此，电路提供的输出电压的平均值不为零。这种电路的问题是效率低，并且即使在次级中电流的平均值也常常不为零。如下面的波形图所示，二极管之前的电压和二极管之后的电压之间存在微小的电位差。这是由于“正向电压”参数造成的，对于所使用的二极管，根据工作条件，该参数可以在 1.5 V 到 2.25 V 之间。由于二极管不是理想元件，因此它们的电位差会阻止达到最大峰值。在这种配置中，负载在半个信号周期内没有供电，因此会损失一半宝贵的正弦波。在这种类型的电路中，二极管的运行非常关键，因为它在每个信号周期都会受到高电流峰值的压力。为了降低纹波系数，可以使用 LC 滤波器。

图 1：半波整流器

另一种整流器解决方案是 Graetz 电桥，如图 2 所示，并附有其基本波形图，即输入轨迹 (Vin) 和输出轨迹 (Vout)。要了解电桥的工作原理，必须检查正弦输入信号的交流电压并观察其代数符号。如果电压为正，则二极管 D1 和 D4 导通，而 D2 和 D3 截止。另一方面，如果电压为负，则二极管 D2 和 D3 导通，而 D1 和 D4 截止。在任何情况下，流过负载的电流始终指向同一方向。此配置也可用于连续电源。无论输入电流的方向和方向如何，输出电压始终具有相同的方向，因此其使用可与初步极性保护电路进行比较。图示显示了电桥的两个等效电气图。在电力应用中，串联两个电流传导二极管可能会耗散相当大的功率，因为二极管两端的压降会相当高。在这种配置中，输出信号的频率是输入信号的两倍。

图 2：Graetz 桥式整流器

通过使用图 3 所示的带中心抽头变压器的整流器，可以获得与 Graetz 电桥相同的效果，并降低可能的高耗散。此外，在这种情况下，其操作是双重的，取决于输入信号是正半波还是负半波。如果感应电压为正，则二极管 D1 导通，而 D2 截止。但是，如果感应电压为负，则二极管 D1 截止，而 D2 导通。该电路与在输入信号的两个相反相位上工作的半波整流器完全等效。由于一次只有一个二极管工作，因此不存在特殊的耗散问题，并且该解决方案可用于高功率应用。

图 3：带有中心抽头变压器的整流器

从脉动电压到直流电压

输出电压必须完全稳定，没有波纹和谐波，也不能有脉动，如前面的电气图所示。这个目标是通过使用具有滤波功能的大容量电容器来实现的。前面看到的整流器使我们能够从零平均值电压开始生成非零平均值波形。对于大多数设备，系统以参考地的直流正电压工作，因此有必要从整流信号中提取直流分量。因此，有必要在整流器输出端使用滤波电路，其任务是使负载上的电压尽可能稳定和较高。最重要的解决方案之一是 RC 滤波器。当负载具有低阻抗特性时，就会出现新的复杂情况，因为后者会吸收大部分电流。因此，由于信号的正弦形状，平滑电容器的任务是在断电期间保持负载电压稳定。当时间常数 t = RC 与信号纹波的特征时间相比非常大时，该方案的性能会非常出色。电容器上的电压增加到最大电压，当二极管进入阻断状态时，电容器逐渐向负载放电，呈指数趋势。该循环不断重复。类似的 RC 滤波器由与负载并联的大容量电解电容器组成。除了使电压连续且为正之外，设计人员还必须尽可能减少甚至消除纹波信号，其程度取决于信号的频率、滤波电容器的值，以及负载的电压。通常，负载上的电压包含一些交流电源电压的痕迹，叠加在直流电压上。这些纹波具有锯齿形状，频率是输入频率的两倍，是由负载吸收的电流引起的。电容器的值取决于设计人员可以接受的最大纹波百分比。低纹波率或无纹波率是高质量电源的特征。图 4 显示了受纹波百分比影响的负载上的各种信号，具体取决于电解电容器的容量，如下所示：这些纹波具有锯齿形状，频率是输入频率的两倍，是由负载吸收的电流引起的。电容器的值取决于设计人员可以接受的最大纹波百分比。低纹波率或无纹波率是高质量电源的特征。图 4 显示了受纹波百分比影响的负载上的各种信号，具体取决于电解电容器的容量，如下所示：这些纹波具有锯齿形状，频率是输入频率的两倍，是由负载吸收的电流引起的。电容器的值取决于设计人员可以接受的最大纹波百分比。低纹波率或无纹波率是高质量电源的特征。图 4 显示了受纹波百分比影响的负载上的各种信号，具体取决于电解电容器的容量，如下所示：

· v(out1)：是不使用任何滤波电容的负载上的信号

· v(out2)：是带有 100 uF 滤波电容的负载上的信号

· v(out3)：是带有1000 uF滤波电容的负载上的信号

· v(out4)：是带有10000 uF滤波电容的负载上的信号。

可以看出，电容越大，瞬态平衡所需的时间越长。要获得相当可接受的信号，在本电路中，必须使用容量至少为 100,000 uF 的电解电容。对于滤波电容的大小，许多方程式可帮助设计人员获得最佳效果。理想的滤波器是仅返回连续信号的滤波器，其纹波系数等于零，因此没有任何交流分量。从理论上讲，设计人员应该需要一个非常高值的电解电容，因为它可以确保缓慢放电和时不变的输出电压，并且纹波很小。然而在实践中，滤波器容量的大幅增加并没有带来任何特殊的好处，反而增加了燃油系统的整体尺寸和成本。此外，增加电容器的电容量也会增加电流的峰值，可能损坏元件的电介质，对二极管造成很大的压力，并导致整个系统过热。