你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

交流/直流電源介紹

發(fā)布時間:2022-02-25 責任編輯:wenwei

【導讀】電源是將來自能量源(如供電網(wǎng))的電流轉換為負載(如電機或電子設備)用電所需的電壓和電流值的電氣設備。電源的目的是以適當?shù)碾妷汉碗娏鳛樨撦d供電。因此電流必須以受控的方式(以及準確的電壓)提供給各式各樣的負載,有時還需要同時提供給所有負載。在這個過程中,輸入電壓或其他連接設備的變化不能影響其輸出。


電源是什么?

 

電源是將來自能量源(如供電網(wǎng))的電流轉換為負載(如電機或電子設備)用電所需的電壓和電流值的電氣設備。

 

電源的目的是以適當?shù)碾妷汉碗娏鳛樨撦d供電。因此電流必須以受控的方式(以及準確的電壓)提供給各式各樣的負載,有時還需要同時提供給所有負載。在這個過程中,輸入電壓或其他連接設備的變化不能影響其輸出。

 

電源可以是外部電源,例如筆記本電腦和手機充電器等設備的電源;也可以是內部電源,例如臺式計算機等大型設備的電源。

 

無論哪種電源,它們的共同點是從輸入端的能量源獲取電能,并以某種方式對其進行轉換,再將能量提供給輸出端的負載。

 

輸入和輸出端的電力可以是交流電(AC)或直流電(DC)的形式:


●    當電流沿一個恒定方向流動時,將產生直流電(DC)。它通常來自電池、太陽能電池或AC / DC變換器。直流電是電子設備的首選電源類型。

●    電流周期性反轉將產生交流電(AC)。通過電力傳輸線向家庭和企業(yè)供電時采用交流電。

 

可以想見,如果交流電是提供給住宅的電源類型,而直流電是用于手機充電的電源類型,那么您將需要一個AC/DC電源,以便將來自電網(wǎng)的交流電壓轉換為直流電壓來為手機電池充電。

 

了解交流電(AC)

 

進行電源設計,首先需要確定輸入電流。大多數(shù)電網(wǎng)的輸入電壓源都是交流電。

 

交流電的典型波形為正弦波(見圖1)。`


1643110261929686.png

圖1: 交流電波形及其基本參數(shù)


使用交流電源時,需要考慮以下幾個指標:


?? 峰值電壓/電流:波形可以達到的最大振幅值

?? 頻率:每秒的波形循環(huán)變化數(shù)量。完成一次循環(huán)變化所需的時間稱為周期。

?? 平均電壓/電流:一個周期內所有電壓點的平均值。在沒有疊加直流電壓的純交流波形中,該值為零,因為正負兩半的值相互抵消。

?? 均方根電壓/電流:一個周期內瞬時電壓平方的均方根。在純交流正弦波中,其值可以通過公式(1)計算:


6.png


?? 均方根值也可以定義為產生相同熱效應所需的等效直流功率。盡管這個定義較為復雜,但通過它能夠得到交流電壓或電流的有效值,因此該定義已廣泛應用于電氣工程領域。有時它被表示為VAC。

?? 相位:兩個波形之間的角度差。正弦波的一個完整周期為360°,從0°開始,在90°(正峰)和270°(負峰)處出現(xiàn)峰值,并在180°和360°處與起點有兩次交叉。如果將兩個波形繪制在一起,在一個波形達到其正峰值的同時,另一個波形達到其負峰值,則第一個波形峰值位于90°,而第二個波形峰值位于270°。 這意味著兩個波形相位差為180°,這種情形稱為反相,因為它們的值始終符號相反。如果相位差為0°,則稱兩個波形為同相。

 

交流電(AC)是電力從發(fā)電設施傳輸?shù)阶罱K用戶的方式。它被用于電力傳輸,是因為在傳輸過程中電力需要多次轉換。

 

發(fā)電設施產生的電壓約為40,000V(即40kV),該電壓隨后被升壓到150kV至800kV之間的任意值,以減少長距離傳輸電流產生的功耗。一旦到達目標區(qū)域,電壓就會降低至4kV至35kV之間。最后,在電流到達各個用戶之前,電壓會再降低至120V或240V,具體取決于位置。

 

對直流電(DC)而言,實現(xiàn)所有這些電壓變化要么很復雜,要么效率低下。線性變壓器是依靠電壓波動來傳遞和轉換電能的,所以,它們只能采用交流電(AC)工作。 

 

AC/DC線性電源與開關電源

 

AC/DC線性電源


AC/DC線性電源設計簡單。

 

AC/DC線性電源通過變壓器將交流電(AC)輸入電壓降低到更適合預期應用的值;然后,對降低的交流(AC)電壓進行整流變?yōu)橹绷鳎―C)電壓;最后對其進行濾波以進一步改善波形質量(圖2)。


1643110235255939.png

圖2: AC/DC線性電源功能框圖


傳統(tǒng)的AC / DC線性電源設計多年來不斷發(fā)展,在效率、功率范圍和尺寸方面都得到很大改善。但這種設計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線性電源的輸入電壓是在輸入端進行轉換的,因此需要的變壓器體積非常大,也非常重。

 

在低頻(例如50Hz)下,它需要較大的電感值才能將大量功率從初級線圈傳輸?shù)酱渭壘€圈,這需要很大的變壓器鐵芯。因此,這類電源的小型化幾乎不可能。

 

AC / DC線性電源的另一個限制是大功率的電壓調節(jié)。

 

AC / DC線性電源使用線性穩(wěn)壓器來保持輸出端的電壓恒定。這些線性穩(wěn)壓器以熱量的形式耗散多余的能量。這在低功率下不會造成太大問題,但對大功率而言,穩(wěn)壓器為了維持恒定的輸出電壓需要耗散的熱量將非常高,這需要添加巨型散熱器。

 

AC/DC開關電源


為了解決線性或傳統(tǒng)AC / DC電源設計相關的許多問題,包括變壓器尺寸和電壓調節(jié)問題,業(yè)界已經開發(fā)出了新的設計方法,這就是開關電源。

 

開關電源的出現(xiàn)得益于半導體技術的發(fā)展,尤其是大功率MOSFET晶體管的出現(xiàn)。這種晶體管即使在大電壓和大電流下也可以非常快速、高效地導通或關斷。

 

AC / DC開關電源能夠創(chuàng)建效率更高的電源變換器,而無需消耗額外的功率。

 

使用開關電源變換器設計的AC / DC電源稱為開關模式電源,它采用一種稍為復雜的方式將交流電轉換為直流電。

 

在開關交流電源中,輸入電壓不會被降低,而是在輸入端就對其進行整流和濾波。然后,直流電壓通過斬波器,由斬波器將電壓轉換為高頻脈沖序列。最后,通過另一個整流器和濾波器將脈沖序列轉換回直流(DC)電壓,并清除到達輸出之前可能存在的任何剩余交流分量(請參見圖3)。

 

在高頻下運行時,變壓器電感能夠傳輸更多的功率而不會達到飽和,這意味著鐵芯可以越來越小。因此,AC / DC開關電源中用于將電壓幅度減小到預期值的變壓器尺寸,可以僅為AC / DC線性電源所需變壓器尺寸的一小部分。


1643110218983589.png

圖3: 開關模式AC/DC電源功能框圖


可以預料,這種新的設計方法也存在一些缺陷。

 

AC / DC開關電源變換器會在系統(tǒng)中產生大量噪聲,必須對其進行處理以確保噪聲不會在輸出端出現(xiàn),這就需要更加復雜的控制電路,從而增加了設計的復雜性。好在這些濾波器由易于集成的器件組成,因此不會對電源尺寸產生較大影響。

 

正是因為AC / DC開關電源中更小的變壓器和不斷提高的穩(wěn)壓器效率,現(xiàn)在我們才能通過手掌大小的電源變換器就將220V RMS交流電壓轉換為5V直流電壓。

 

表1總結了AC / DC線性電源和開關電源之間的區(qū)別。

 

1643110204326480.png

表1:線性電源與開關電源的比較


單相電源與三相電源

 

交流(AC)電源可以是單相或者三相:


●    三相電源由三個導體(線)組成,每條線承載的交流電(AC)具有相同的頻率和電壓幅度,但相互之間相位差為120°,即一個周期的三分之一 (請參見圖4)。這種系統(tǒng)在輸送大量電力方面效率最高,因此可用于將發(fā)電設施產生的電力輸送到世界各地的家庭和企業(yè)。

●    單相電源是向單個家庭或辦公室供電的首選方法,它可以在線路之間平均分配負載。在這種情況下,電流從電源線流經負載,然后再返回零線。這是除大型工業(yè)或商業(yè)建筑以外大多數(shù)設施的供電類型。不過,單相系統(tǒng)無法將盡可能多的功率傳遞給負載,而且更容易出現(xiàn)電源故障,但它也允許使用更簡單的網(wǎng)絡和設備。


1643110190706242.png

圖4: 三相電源交流電波形


三相電源采用兩種配置來傳輸電力:Δ型和Y型配置,也稱為三角形和星形配置。

 

這兩種配置之間的主要區(qū)別在于是否能夠添加零線(請參見圖5)。

 

三角形連接可靠性更高,但星型連接可提供兩種不同的電壓:相電壓(即為家庭供電的單相電壓)和線電壓(用于為更大的負載供電)。在星型配置中,線電壓(或線電流)是相電壓(或相電流)的√3倍。

 

因為標準配電系統(tǒng)必須同時向三相和單相系統(tǒng)供電,所以大多數(shù)配電網(wǎng)絡都具有三線和零線。這樣,用相同的傳輸線可以同時為住宅和工業(yè)機械供電。因此,星型配置是最常用的配電配置方式,而三角形配置通常用于為三相負載(例如大型電機)供電。


1643110175865751.png

圖5:三相電源的星形和三角形配置


不同地區(qū)的電網(wǎng)為用戶提供的單相電源電壓值可能不同。因此,在購買或使用電源之前,需要檢查電源的輸入電壓范圍,以確保其可以在您所在地區(qū)的電網(wǎng)中正常工作,否則將可能損壞電源或與之相連的設備。

 

表2比較了全球不同地區(qū)的電網(wǎng)電壓。

 

1643110161432966.png

 

*由于19世紀后期的電氣化革命,日本國家電網(wǎng)中存在兩種頻率。在關西城市大阪,電力供應商從美國購買了60Hz發(fā)電機;而在關東的東京,則購買了50Hz的德國發(fā)電機。雙方都拒絕更改頻率,因此直到今天日本供電系統(tǒng)中仍然有兩種頻率:關東地區(qū)為50Hz,關西地區(qū)為60Hz。

 

如前所述,三相電源不僅用于傳輸,還可以為大型負載(如電機或大型電池充電)供電。這是因為在三相系統(tǒng)中并行施加電源可以將更多的能量傳輸?shù)截撦d,而且三相的重疊可以實現(xiàn)更均勻的傳輸(請參見圖6)。


1643110145407708.png

圖6:單相(左)和三相(右)系統(tǒng)中的電力傳輸


例如,在為電動汽車(EV)充電時,能夠傳遞給電池的電量決定了其充電速度。

 

單相充電器插入交流(AC)電源,并通過汽車內部的AC / DC電源變換器(也稱為車載充電器)將交流電轉換為直流電(DC)。這些充電器的電力受電網(wǎng)和AC插座的限制。

 

這種限制因國家和地區(qū)而異,但通常32A插座的功率小于7kW(在歐洲,220 x 32A = 7kW)。而三相電源在外部將電源從交流電轉換為直流電,可以將120kW以上的電力傳輸給電池,從而實現(xiàn)超快速充電。

 

Summary

 

AC / DC電源無處不在,其主要工作是將交流電壓(AC)轉換為穩(wěn)定的直流(DC)電壓,從而為不同的電氣設備供電。

 

交流電用于實現(xiàn)整個電網(wǎng)中,從發(fā)電設施到最終用戶的電力傳輸。交流(AC)電路可以配置為單相或三相系統(tǒng)。 單相系統(tǒng)較簡單,可以為整個家庭提供足夠的電力;三相系統(tǒng)能夠以更穩(wěn)定的方式提供更多的電力,因此經常用于工業(yè)應用的供電。

 

設計高效的AC / DC電源并非易事,因為市場需要能夠在各種負載條件下均保持高效的大功率微型電源。

 

AC / DC電源的設計方法隨著時間不斷變遷。AC / DC線性電源受其尺寸和效率的限制,因為它工作于低頻條件,并通過熱量的形式耗散多余的能量以此來調節(jié)輸出溫度。相比之下,開關電源更加流行,它通過開關穩(wěn)壓器將交流電轉換為直流電,它在更高頻率下工作,其電源轉換的效率遠高于以前的設計,可以實現(xiàn)掌上大功率AC / DC電源。


來源:MPS芯源系統(tǒng)



免責聲明:本文為轉載文章,轉載此文目的在于傳遞更多信息,版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題,請聯(lián)系小編進行處理。


推薦閱讀:


物聯(lián)網(wǎng)動力的新標準

鐵路級電源轉換器

汽車電子中的電磁干擾生成、傳播與抑制(下)

符合新標準之集成開關穩(wěn)壓器設計

交通運輸系統(tǒng)中的DC/DC轉換器

特別推薦
技術文章更多>>
技術白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關閉

?

關閉