交流/直流电源介绍

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电源是什么?

电源是将来自能量源(如供电网)的电流转换为负载(如电机或电子设备)用电所需的电压和电流值的电气设备。

电源的目的是以适当的电压和电流为负载供电。因此电流必须以受控的方式(以及准确的电压)提供给各式各样的负载,有时还需要同时提供给所有负载。在这个过程中,输入电压或其他连接设备的变化不能影响其输出。

电源可以是外部电源,例如笔记本电脑和手机充电器等设备的电源;也可以是内部电源,例如台式计算机等大型设备的电源。

无论哪种电源,它们的共同点是从输入端的能量源获取电能,并以某种方式对其进行转换,再将能量提供给输出端的负载。

输入和输出端的电力可以是交流电(AC)或直流电(DC)的形式:

  • 当电流沿一个恒定方向流动时,将产生直流电(DC)。它通常来自电池、太阳能电池或AC / DC变换器。直流电是电子设备的首选电源类型。
  • 电流周期性反转将产生交流电(AC)。通过电力传输线向家庭和企业供电时采用交流电。

可以想见,如果交流电是提供给住宅的电源类型,而直流电是用于手机充电的电源类型,那么您将需要一个AC/DC电源,以便将来自电网的交流电压转换为直流电压来为手机电池充电。

了解交流电(AC)

进行电源设计,首先需要确定输入电流。大多数电网的输入电压源都是交流电。

交流电的典型波形为正弦波(见图1)。`

AC Waveform and Basic Parameters

图1: 交流电波形及其基本参数

使用交流电源时,需要考虑以下几个指标:

  • • 峰值电压/电流:波形可以达到的最大振幅值
  • • 频率:每秒的波形循环变化数量。完成一次循环变化所需的时间称为周期。
  • • 平均电压/电流:一个周期内所有电压点的平均值。在没有叠加直流电压的纯交流波形中,该值为零,因为正负两半的值相互抵消。
  • • 均方根电压/电流:一个周期内瞬时电压平方的均方根。在纯交流正弦波中,其值可以通过公式(1)计算:
  • $$V_{PEAK} \over \sqrt 2 $$
  • • 均方根值也可以定义为产生相同热效应所需的等效直流功率。尽管这个定义较为复杂,但通过它能够得到交流电压或电流的有效值,因此该定义已广泛应用于电气工程领域。有时它被表示为VAC
  • • 相位:两个波形之间的角度差。正弦波的一个完整周期为360°,从0°开始,在90°(正峰)和270°(负峰)处出现峰值,并在180°和360°处与起点有两次交叉。如果将两个波形绘制在一起,在一个波形达到其正峰值的同时,另一个波形达到其负峰值,则第一个波形峰值位于90°,而第二个波形峰值位于270°。 这意味着两个波形相位差为180°,这种情形称为反相,因为它们的值始终符号相反。如果相位差为0°,则称两个波形为同相。

交流电(AC)是电力从发电设施传输到最终用户的方式。它被用于电力传输,是因为在传输过程中电力需要多次转换。

发电设施产生的电压约为40,000V(即40kV),该电压随后被升压到150kV至800kV之间的任意值,以减少长距离传输电流产生的功耗。一旦到达目标区域,电压就会降低至4kV至35kV之间。最后,在电流到达各个用户之前,电压会再降低至120V或240V,具体取决于位置。

对直流电(DC)而言,实现所有这些电压变化要么很复杂,要么效率低下。线性变压器是依靠电压波动来传递和转换电能的,所以,它们只能采用交流电(AC)工作。

AC/DC线性电源与开关电源

AC/DC线性电源

AC/DC线性电源设计简单。

AC/DC线性电源通过变压器将交流电(AC)输入电压降低到更适合预期应用的值;然后,对降低的交流(AC)电压进行整流变为直流(DC)电压;最后对其进行滤波以进一步改善波形质量(图2)。

Linear AC/DC Power Supply Block Diagram

图2: AC/DC线性电源功能框图

传统的AC / DC线性电源设计多年来不断发展,在效率、功率范围和尺寸方面都得到很大改善。但这种设计存在一些重大缺陷限制了其集成度。

它最大的限制是尺寸。由于AC/DC线性电源的输入电压是在输入端进行转换的,因此需要的变压器体积非常大,也非常重。

在低频(例如50Hz)下,它需要较大的电感值才能将大量功率从初级线圈传输到次级线圈,这需要很大的变压器铁芯。因此,这类电源的小型化几乎不可能。

AC / DC线性电源的另一个限制是大功率的电压调节。

AC / DC线性电源使用线性稳压器来保持输出端的电压恒定。这些线性稳压器以热量的形式耗散多余的能量。这在低功率下不会造成太大问题,但对大功率而言,稳压器为了维持恒定的输出电压需要耗散的热量将非常高,这需要添加巨型散热器。

AC/DC开关电源

为了解决线性或传统AC / DC电源设计相关的许多问题,包括变压器尺寸和电压调节问题,业界已经开发出了新的设计方法,这就是开关电源。

开关电源的出现得益于半导体技术的发展,尤其是大功率MOSFET晶体管的出现。这种晶体管即使在大电压和大电流下也可以非常快速、高效地导通或关断。

AC / DC开关电源能够创建效率更高的电源变换器,而无需消耗额外的功率。

使用开关电源变换器设计的AC / DC电源称为开关模式电源,它采用一种稍为复杂的方式将交流电转换为直流电。

在开关交流电源中,输入电压不会被降低,而是在输入端就对其进行整流和滤波。然后,直流电压通过斩波器,由斩波器将电压转换为高频脉冲序列。最后,通过另一个整流器和滤波器将脉冲序列转换回直流(DC)电压,并清除到达输出之前可能存在的任何剩余交流分量(请参见图3)。

在高频下运行时,变压器电感能够传输更多的功率而不会达到饱和,这意味着铁芯可以越来越小。因此,AC / DC开关电源中用于将电压幅度减小到预期值的变压器尺寸,可以仅为AC / DC线性电源所需变压器尺寸的一小部分。

Switched-Mode AC/DC Power Supply Block Diagram

图3: 开关模式AC/DC电源功能框图

可以预料,这种新的设计方法也存在一些缺陷。

AC / DC开关电源变换器会在系统中产生大量噪声,必须对其进行处理以确保噪声不会在输出端出现,这就需要更加复杂的控制电路,从而增加了设计的复杂性。好在这些滤波器由易于集成的器件组成,因此不会对电源尺寸产生较大影响。

正是因为AC / DC开关电源中更小的变压器和不断提高的稳压器效率,现在我们才能通过手掌大小的电源变换器就将220V RMS交流电压转换为5V直流电压。

表1总结了AC / DC线性电源和开关电源之间的区别。

AC / DC线性电源 AC / DC开关电源
尺寸和重量 需要大型变压器,这增加了尺寸和重量。 如果需要,高频下也允许使用更小的变压器。
效率 如果未稳压,变压器损耗将是影响效率的唯一关键因素。如果加以稳压,则大功率应用将对效率产生关键影响。 其晶体管类似于小电阻,因此开关损耗很小,这使它适用于高效率、大功率应用。
噪音 未稳压的电源可能会因电压纹波而产生很大的噪声,但稳压后的AC/DC线性电源可能产生的噪声极低,因此它们通常被用于医学传感应用。 当晶体管开关速度极快时,会在电路中产生噪声。但这些噪声可以被滤除;或者,对于音频应用,可以将开关频率设置得极高,超过人类的听觉极限。
复杂性 与AC / DC开关电源相比, AC / DC线性电源往往具有更少的组件和更简单的电路。 变压器产生的额外噪声导致需要增加大型、复杂的滤波器以及变换器的控制和调节电路。


表1:线性电源与开关电源的比较

单相电源与三相电源

交流(AC)电源可以是单相或者三相:

  • 三相电源由三个导体(线)组成,每条线承载的交流电(AC)具有相同的频率和电压幅度,但相互之间相位差为120°,即一个周期的三分之一 (请参见图4)。这种系统在输送大量电力方面效率最高,因此可用于将发电设施产生的电力输送到世界各地的家庭和企业。
  • 单相电源是向单个家庭或办公室供电的首选方法,它可以在线路之间平均分配负载。在这种情况下,电流从电源线流经负载,然后再返回零线。这是除大型工业或商业建筑以外大多数设施的供电类型。不过,单相系统无法将尽可能多的功率传递给负载,而且更容易出现电源故障,但它也允许使用更简单的网络和设备。
Three-Phase Power Supply AC Waveform

图4: 三相电源交流电波形

三相电源采用两种配置来传输电力:Δ型和Y型配置,也称为三角形和星形配置。

这两种配置之间的主要区别在于是否能够添加零线(请参见图5)。

三角形连接可靠性更高,但星型连接可提供两种不同的电压:相电压(即为家庭供电的单相电压)和线电压(用于为更大的负载供电)。在星型配置中,线电压(或线电流)是相电压(或相电流)的√3倍。

因为标准配电系统必须同时向三相和单相系统供电,所以大多数配电网络都具有三线和零线。这样,用相同的传输线可以同时为住宅和工业机械供电。因此,星型配置是最常用的配电配置方式,而三角形配置通常用于为三相负载(例如大型电机)供电。

Y and Delta Three-Phase Configurations

图5:三相电源的星形和三角形配置

不同地区的电网为用户提供的单相电源电压值可能不同。因此,在购买或使用电源之前,需要检查电源的输入电压范围,以确保其可以在您所在地区的电网中正常工作,否则将可能损坏电源或与之相连的设备。

表2比较了全球不同地区的电网电压。

RMS (AC) 电压 峰值电压 频率 地区
230V 310V 50Hz 欧洲、非洲、亚洲、澳大利亚、新西兰和南美
120V 170V 60Hz 北美
100V 141V 50Hz/60Hz 日本*


*由于19世纪后期的电气化革命,日本国家电网中存在两种频率。在关西城市大阪,电力供应商从美国购买了60Hz发电机;而在关东的东京,则购买了50Hz的德国发电机。双方都拒绝更改频率,因此直到今天日本供电系统中仍然有两种频率:关东地区为50Hz,关西地区为60Hz。

如前所述,三相电源不仅用于传输,还可以为大型负载(如电机或大型电池充电)供电。这是因为在三相系统中并行施加电源可以将更多的能量传输到负载,而且三相的重叠可以实现更均匀的传输(请参见图6)。

Power Transmission in Single-Phase (Left) and Three-Phase (Right) Systems

图6:单相(左)和三相(右)系统中的电力传输

例如,在为电动汽车(EV)充电时,能够传递给电池的电量决定了其充电速度。

单相充电器插入交流(AC)电源,并通过汽车内部的AC / DC电源变换器(也称为车载充电器)将交流电转换为直流电(DC)。这些充电器的电力受电网和AC插座的限制。

这种限制因国家和地区而异,但通常32A插座的功率小于7kW(在欧洲,220 x 32A = 7kW)。而三相电源在外部将电源从交流电转换为直流电,可以将120kW以上的电力传输给电池,从而实现超快速充电。

Summary

AC / DC电源无处不在,其主要工作是将交流电压(AC)转换为稳定的直流(DC)电压,从而为不同的电气设备供电。

交流电用于实现整个电网中,从发电设施到最终用户的电力传输。交流(AC)电路可以配置为单相或三相系统。 单相系统较简单,可以为整个家庭提供足够的电力;三相系统能够以更稳定的方式提供更多的电力,因此经常用于工业应用的供电。

设计高效的AC / DC电源并非易事,因为市场需要能够在各种负载条件下均保持高效的大功率微型电源。

AC / DC电源的设计方法随着时间不断变迁。AC / DC线性电源受其尺寸和效率的限制,因为它工作于低频条件,并通过热量的形式耗散多余的能量以此来调节输出温度。相比之下,开关电源更加流行,它通过开关稳压器将交流电转换为直流电,它在更高频率下工作,其电源转换的效率远高于以前的设计,可以实现掌上大功率AC / DC电源。

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