第一章 電源簡介

1.1 電源分類

1.1.1 電源與電源轉(zhuǎn)換器

??我們常提到的“電源”概念，指的是把其他形式的能量，如機(jī)械能、化學(xué)能、風(fēng)能、熱能、太陽能等直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，例如水力、風(fēng)力、火力發(fā)電，以及各類電池等。
??電源轉(zhuǎn)換器是能夠?qū)㈦娏δ茉吹男问竭M(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的裝置，它的能量變化過程是電能→電能，而非其他能量→電能。電源轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換主電源電能的形式或規(guī)格，用于滿足不同用電設(shè)備對不同電能形式的需要，或用在供電電源與負(fù)載之間，對電能進(jìn)行變換或穩(wěn)定處理。本書中所講的“電源”概念，實(shí)際上指的是電源轉(zhuǎn)換器。

1.1.2 電源轉(zhuǎn)換器類型

（1）根據(jù)轉(zhuǎn)換的形式分類，可分為
??AC-AC（交流-交流）轉(zhuǎn)換器：如交流電源變壓器、變頻器等。
??AC-DC（交流-直流）轉(zhuǎn)換器：整流器。
??DC-DC（直流-直流）轉(zhuǎn)換器。
??DC-AC（直流-交流）轉(zhuǎn)換器：逆變器。
（2）根據(jù)轉(zhuǎn)換的方法分類，可分為
??線性電源：使用工作在線性區(qū)的功率器件調(diào)整管，靠調(diào)整功率管上的電壓降來穩(wěn)定輸出。線性電源的缺點(diǎn)是：由于調(diào)整管靜態(tài)損耗大，因此效率相對較低，且需要安裝一個(gè)很大的散熱器來散熱；由于變壓器工作在工頻（50Hz）上，所以體積和重量較大。優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高、紋波小、可靠性高，易做成多路、輸出連續(xù)可調(diào)的成品。
??開關(guān)電源：開關(guān)電源是通過控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷來輸出電壓的一種電源。它的優(yōu)點(diǎn)是：與同功率檔次的線性電源相比，體積小、重量輕，在高功率產(chǎn)品中這種差異更為明顯，這是因?yàn)殚_關(guān)電源不需要沉重的工頻變壓器和很大容量的濾波電容，同時(shí)開關(guān)管功耗比線性電源調(diào)整管小得多，因此所需散熱片面積比較小；開關(guān)電源的控制方式和電路拓?fù)錄Q定了它的功耗小、轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、濾波效率高、安全可靠、電路形式靈活。開關(guān)電源近年來一直有較大的發(fā)展，研究人員提出了包括高頻化、軟開關(guān)技術(shù)、諧振直流環(huán)、屏蔽技術(shù)等在內(nèi)的多項(xiàng)新技術(shù)，很多廠家也都不斷推出高性能高集成度的控制IC，使得開關(guān)電源的線路在不斷簡化的同時(shí)具有更可靠高效的性能。
??開關(guān)電源按控制方式可分為：
??脈沖調(diào)制變換器：驅(qū)動(dòng)波形為方波。包括PWM調(diào)制、PFM調(diào)制、混合調(diào)制等。
??諧振式變換器：驅(qū)動(dòng)波形為使用諧振電路得到的正弦波。包括ZCS（零電流諧振開關(guān)）、ZVS（零電壓諧振開關(guān)）等。
??按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為：
??隔離式：采用變壓器來實(shí)現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離。包括單管正激式（Forward）、單管反激式（Flyback）、雙管正激式（Double Transistor Forward Converter）、雙管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter）、半橋式（Half-Bridge Converter）和全橋式（Full-Bridge Converter）等類型。
??非隔離式：拓?fù)渲胁皇褂酶綦x變壓器，輸入與輸出不存在電氣隔離。包括降壓式（Buck）、升壓式（Boost）、升壓降壓式（Buck Boost）、Cuk DC/DC轉(zhuǎn)換器、Zeta DC/DC轉(zhuǎn)換器和SEPIC DC/DC轉(zhuǎn)換器等類型。
（3）根據(jù)調(diào)控的效果分類，可分為
??穩(wěn)壓電源：能為負(fù)載提供穩(wěn)定的交流或直流電壓的電源。當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，輸出電壓保持不變。
??恒流電源：能向負(fù)載提供恒定電流的電源，在電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動(dòng)或阻抗特性發(fā)生變化時(shí)仍能使輸出電流保持恒定。現(xiàn)有的恒流電源的恒流范圍大致為1μA～20A。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點(diǎn)，又可以作為其有源負(fù)載以提高放大倍數(shù)，在差動(dòng)放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中也得到了廣泛應(yīng)用。恒流電源依據(jù)其主要構(gòu)成元件可以分為晶體管恒流源、場效應(yīng)管恒流源、集成運(yùn)放恒流源等。
??調(diào)頻/變頻電源：輸出電壓的頻率可調(diào)的（交流）電源。

1.2 電源的各項(xiàng)指標(biāo)

1.2.1 直流電源指標(biāo)

（1）電壓調(diào)整率Su ：負(fù)載不變，輸入電壓變化時(shí)輸出電壓相對變化量。即

??其中， Uomax為輸入電壓變化時(shí)最大輸出電壓， Uomin為最小輸出電壓值， Uo為額定輸出電壓。
（2）負(fù)載調(diào)整率Si ：負(fù)載調(diào)整率也稱為電流調(diào)整率。表示在輸入電壓不變的情況下，在一定范圍內(nèi)改變負(fù)載時(shí)，輸出電壓的最大相對變化量。即：

??其中， Uo2為空載（或輕載）時(shí)輸出電壓， Uo1為滿載（或重載）時(shí)輸出電壓， Uo為額定負(fù)載時(shí)輸出電壓。
（3）紋波電壓（電流）的指標(biāo)形式：
??最大紋波電壓（電流）：在額定輸出電壓和負(fù)載電流下，輸出電壓（電流）的紋波（包括噪聲）峰-峰值大小，通常以峰-峰值△Vp-p（△Ip-p）或有效值△Vrms（△Irms）表示。
??紋波系數(shù) ：在額定負(fù)載電流下，輸出紋波電壓的有效值與輸出直流電壓之比。即：

（4）效率：效率定義為輸出的有功功率 與輸入的有功功率 的百分比。即：

??其中， Uo為輸出電壓， Io為輸出電流， Ui為輸入電壓， Ii為輸入電流。

1.2.2 交流電源指標(biāo)

（1）電壓調(diào)整率Su ：負(fù)載不變，輸入電壓有效值變化時(shí)輸出電壓有效值相對變化量。即

其中， Uo1為輸入電壓最大時(shí)的輸出電壓有效值， Uo2為輸入電壓最小時(shí)的輸出電壓有效值， 為額定輸出電壓有效值。
（2）負(fù)載調(diào)整率S1 ：負(fù)載調(diào)整率也稱為電流調(diào)整率。表示在輸入電壓不變的情況下，改變負(fù)載時(shí)，輸出電壓有效值的最大相對變化量。即：

其中， Uo2為空載（或輕載）時(shí)輸出電壓有效值， Uo1為滿載（或重載）時(shí)輸出電壓有效值， Uo為額定負(fù)載時(shí)輸出電壓有效值。
（3）效率 ：輸出的有功功率Po 與輸入的有功功率Pi 的百分比。即：

其中， Uo為輸出電壓有效值， Io為輸出電流有效值， Ui為輸入電壓有效值， Ii為輸入電流有效值。
（4）有功功率P：將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量（如機(jī)械能、光能、熱能等）的電功率，單位為瓦特（W）。有功功率用一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)功率的積分的平均值來計(jì)算。
??對于交流電，

??其中，u(t) i(t)分別為瞬時(shí)電壓、電流， T為周期。
??對于正弦交流電，

??其中， U和I分別為電壓、電流有效值， φ為電壓、電流相位差。
（5）無功功率Q：電路中為建立交變磁場和感應(yīng)磁通而需要的電功率，單位為乏（Var）。無功功率不對外作功，也不轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?#xff0c;用于電路內(nèi)電場與磁場的交換，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場。無功功率是交流電路中由于電抗性元件（指純電感或純電容）的存在，而進(jìn)行可逆性轉(zhuǎn)換的那部分電功率。
（6）視在功率S：視在功率是有功功率和無功功率的向量和，也可以用電壓和電流有效值的乘積來表示，單位為伏安（VA）或千伏安（kVA）。視在功率表明了用電器從電源（電網(wǎng)）獲取的總功率，但并不代表用電器真正消耗的功率。它代表了一種能量之間的交換關(guān)系，也是衡量用電器最大負(fù)荷承受能力的指標(biāo)之一。
（7）功率因數(shù)PF：功率因數(shù)定義為有功功率P與視在功率S的比值，在正弦交流電中可等效為電壓與電流相位差的余弦值。功率因數(shù)計(jì)算公式為

??其中 φ表示 u(t)和i(t) 的相位差，也稱功率因數(shù)角； γ表示基波因數(shù)，定義為基波有效值（均方根值）與真有效值（均方根值）的比值，對于純正弦交流信號(hào)，γ=1 。
??功率因數(shù)是對電能進(jìn)行安全有效利用的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，功率因數(shù)值越大，代表電力電子設(shè)備的電能利用率越高。
??如圖1.1所示，“功率三角形”表示視在功率S、有功功率P和無功功率Q三者在數(shù)值上的關(guān)系。

（8）諧波失真THD：THD有兩個(gè)常用的定義。在IEC 61000-4-7中，THD定義為指定次全部諧波分量均方根值與基波分量均方根值之比。公式（1.11）用來計(jì)算電壓和電流THD：

??這一THD定義更常見于能源計(jì)量系統(tǒng)，如果基波的貢獻(xiàn)小于其他諧波的總貢獻(xiàn)，得到的THD值可能會(huì)超過100%。
??THD的另外一個(gè)定義是指定次（N）全部諧波分量均方根值與總均方根值之比。總RMS值包括基波和其他諧波的作用。公式（1.13）分別用來計(jì)算電壓和電流THD：

??在THD的這一定義中，由于總均方根被用作分母，而不僅僅是基波均方根值。因此，得到的值總小于100%。
??在公式（1.11）-（1.14）中，Vh,rms 和 Ih,rms分別表示電壓、電流的h次諧波有效值。
??在測試THD精度時(shí)，需注意所使用的THD定義，因?yàn)檫@兩個(gè)不同的定義會(huì)得出兩個(gè)不同的值。

往期精彩回顧

---

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽(一)–電源簡介
全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽(二)–電源常用技術(shù)與算法
全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽(三)–線性電源設(shè)計(jì)
全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽(四)–雙極性可調(diào)精密直流電源的設(shè)計(jì)
全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽(五)–開關(guān)電源的設(shè)計(jì)
全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽(六)–常用整流技術(shù)
全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽(七)–逆變電源設(shè)計(jì)
2017年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽A題–微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)
2018年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽E題–變流器負(fù)載試驗(yàn)中的能量回饋裝置

---

??如果覺得文章對你有幫助，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)、點(diǎn)贊、分享給你的朋友，感謝您的支持！如果文章有什么不足之處或者建議請留下走心留言，歡迎評論，謝謝！！！

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的全国大学生电子设计竞赛(一)--电源简介的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。