交流-直流转换器

什么是 AC-DC 转换器

电力在电线上传输的方式有两种：一种是直流电 (DC)，以非振荡恒定电压单向流动；另一种是交流电 (AC)，由于振荡电压而来回流动。交流电是传输电力的主要方式，因为它比直流电具有多种优势，包括较低的配电成本，以及由于变压器的发明，电压等级之间的转换方式更简单。

交流电以高压远距离传输，然后转换为低压，是家庭中更高效、更安全的电源。根据位置不同，高压范围从 4kV（千伏）到 765kV。提醒一下，家庭交流电源范围从 110V 到 250V，具体取决于您居住在世界的哪个地方。在美国，典型的交流主线电压为 120V。

AC-DC 转换器将交流电（其电压也交替变化）引导至电感器 (L) 和电容器 (C) 等无功阻抗元件，并将其存储和集成。此过程将与正电位和负电位相关的功率分离。

滤波器用于平滑存储的能量，从而为其他电路创建直流电源。这种电路可以采用多种形式，但始终包含相同的基本元件，并且可能具有一个或多个转换阶段。

图 1 中所示的 AC-DC 转换器称为“正向转换器”，其效率比稍微简单一些的架构“反激式转换器”更高。

虽然没有详细讨论，但反激式转换器与正向式转换器的不同之处在于，其操作取决于电路中变压器气隙中存储的能量。除了这一差异外，它们可以使用相同的基本模块。

 
图 1：正向转换器 AC/DC 电源功能框图

输入过滤块

输入滤波器很重要，因为它可以防止电源开关元件产生的噪声返回到主电源。它还可以防止主电源上的噪声进入后续电路。滤波器通过 50/60Hz 主频率，并衰减可能存在的高频噪声和谐波。

与 AC-DC 转换器的其他部件一样，电容器和电感器等电抗元件发挥着频率选择性抑制的重要作用。电容器不通过直流，可以串联使用（作为直流阻断“高通滤波器”元件），也可以并联使用（将高频分流到地面，防止它们进入转换器）。

输入滤波块通常还包括一个压敏电阻或变阻器，以防止电网上的高压尖峰损坏电源。这是图 1 中输入端带有对角线的矩形框。常见的变阻器类型是金属氧化物变阻器 (MOV)。任何超过设备“钳位电压”的电压都会导致 MOV 导电，分流高压尖峰并抑制浪涌。

整改

简单的 AC-DC 转换器由输入滤波后的变压器组成，然后将其传递到整流器以产生直流电。在这种情况下，整流发生在变压器之后，因为变压器不传递直流电。然而，许多 AC/DC 转换器使用更复杂的多级转换拓扑（如图 1 所示），因为它具有变压器要求更小和回传到主电源的噪声更低的优势。

整流器使用半导体器件来实现，这些器件有条件地只在一个方向上传导电流，例如二极管。更复杂的半导体整流器包括晶闸管。可控硅整流器 (SCR) 和交流三极管 (TRIAC) 类似于继电器，因为少量电压可以控制较大电压和电流的流动。

这些器件的工作方式是，只有当控制“门”被输入信号触发时，它们才会导通。通过在交流波形流动时在正确的时间打开或关闭器件，电流被引导以产生直流分离。有许多电路可以做到这一点，从交流波形中抽取的信号用作控制信号，设置晶闸管打开或关闭的相位象限。这就是换向，可以是自然的（就简单的二极管而言），也可以是强制的（就更复杂的器件而言）。

高效电源可以使用 MOSFET 等有源器件作为此类电路中的开关。使用更复杂的拓扑的原因通常是为了提高效率、降低噪音或充当电源控制。

二极管在导通时会产生固有电压降。这会导致功率在二极管中耗散，但其他有源元件的电压降可能低得多，因此功率损耗也较低。SCR 和 TRIAC 电路在低成本电源控制电路中特别常见，例如下面的调光器示例 - 用于在输入电源交替时直接控制和控制输送到负载的电流。

请注意，当电路中没有变压器时，这些实现不是电流性的——只在适当的电路中有用，例如直接连接电源的灯光控制。它们还用于高功率工业和军用电源，在这些电源中简单性和坚固性至关重要

 
图 2：基于 SCR 的转换

功率因数校正 (PFC)

这是转换器难理解的方面。PFC 是提高转换器效率的重要元素，它通过校正电流与电压波形的相对相位来保持功率因数。它降低了转换器可能呈现给主电源的“无功负载”特性。

这对于维持高质量、高效的电网至关重要，电力供应公司甚至可以对功率因数较差的客户征收特殊的无功电流费率。无源或有源 PFC 是指使用有源元件还是无源元件来校正相位关系。

半导体 PFC 可以指带有集成控制器的专用 IC，专门用于主动监控和调整 PFC 电路，从而减少元件数量并简化整体设计，同时获得更高的性能。它们可以整合其他功能，例如过压/欠压保护、过流保护、软启动和故障检测/响应。

图 1 所示的转换器是单级 PFC 转换器。本节中的电容器用于存储该级脉动输入功率和相对恒定输出功率之间的不平衡能量。有关此内容的更多详细信息，请参阅“无功能量存储”部分。两级 PFC 转换器通常被使用，因为它们不必处理通用电源中存储电容器上的宽电压范围，这会对转换效率产生不利影响。它们还可以在电容器尺寸方面提供更好的权衡，这有助于降低成本。

AC-DC 转换器功率级

功率级控制通过变压器从初级侧传输到次级侧的功率。它由一个有源开关装置组成，该装置以高达数百 kHz 的高频进行切换。开关的开/关状态由脉冲宽度调制 (PWM) 输入控制，该输入会根据需要动态传输到负载的功率量而变化。

该信息由次级侧的反馈路径获得，该反馈路径可通过多种技术进行通信，以满足转换器的隔离要求。更高的开关频率可减少变压器需求，从而降低尺寸和成本。

变压器

变压器由绕在公共磁芯上的导线组成，这些导线通过电磁感应相互耦合。这在连接到高压（主电源）电源时非常重要——这被称为“离线”转换，因为电感耦合会将主电源与后续电路断开，这比直接连接要安全得多。

通过电磁场而不是直接铜电路进行耦合，称为“电流隔离”，将可能导致电击或危险火花放电的能量限制在变压器磁场通量线中存储的能量内。变压器存储能量的能力（与尺寸和材料有关）是转换器设计中的一个重要考虑因素，因为它决定了变压器在变化的负载条件下提供能量以维持所需电压电位的能力。

您可以在我们的变压器理论教程中找到详细信息并了解有关变压器的更多信息。

图 1 中有一个名为“Mag Amp Reset”的块，它与变压器的消磁有关，这是由于架构中固有的磁化电流造成的。如果没有这个块，磁芯材料的剩磁会在功率级 PWM 的几个周期内使其饱和。虽然这个附加电路太复杂，无法在本教程中介绍，但在查看转换器电路图时，这个附加电路可能会非常令人困惑，了解为什么需要它很有用。

有许多技术可以执行消磁，简单的方法是当功率级开关关闭时，消磁电流通过单独的辅助绕组反馈到二极管。该电路将 PWM 占空比限制为 50%，但可以使用更复杂的方法来实现更高的占空比。

变压器或其他电流隔离方法（如光耦合器）经常用于在初级侧和次级侧之间传递信息信号。这是为了便于对转换过程进行更复杂的控制——使初级侧控制电路能够响应次级侧负载的状态，并动态改变其控制电流的方式，从而降低噪声并提高效率。

AC-DC 转换器输出电路

如滤波部分所述，电容器和电感器等无源电抗（存储）元件中的电场会存储能量。在电荷控制整流之后使用时，它们在交流输入功率周期中充当能量储存器。这是转换器中的一个重要元件，因为这种能量储存器充当电源 - 能够在变化的负载条件下实现恒定的输出电压。

有源元件可感应负载上的电压和/或流入负载的电流，并在负反馈控制回路中使用此信息来调节注入这些存储元件的能量，以保持恒定的输出电压水平。此泵送过程使用有源元件来打开和关闭流入存储元件的电流，这在广义的调节概念中有所提及。

规定

我们需要为负载电路提供恒定电压，而不管负载的动态阻抗如何。否则，可能会出现过压或欠压情况，导致电路行为异常甚至损坏电路。低压数字电子设备尤其如此，因为电源电压必须严格限制在标称值的百分之几的范围内。电抗元件对此没有任何内置控制。AC/DC 转换器实现严格控制的输出电压范围的方式是通过有条件地控制存储在低阻抗电抗存储源中的能量。

随着这些元件的功率消耗，电压输出将随时间而变化，并且可能因器件的非理想特性（如串联电阻或寄生电容）而产生变化。需要某种动态控制来为该电源充电。这称为调节。微处理器等负载在执行不同操作时会改变其所需的功率，这加剧了对主动动态调节的需求。

调节控制是一种控制开关元件的反馈电路。在这种情况下，开关元件位于转换器的初级侧。为了使开关高效，它必须处于完全开启（尽可能低的阻抗）或完全关闭（尽可能高的阻抗）状态——因为在两种状态之间会导致通过开关的功率被耗散和浪费。像 MOSFETS 这样的半导体开关并不理想，并且会表现出一定的阻抗，它们会耗散能量，从而降低转换效率。

实际上，控制开关的方法只有两种：通过改变开关打开或关闭的占空比，称为脉冲宽度调制 (PWM)，或控制打开或关闭的频率。非谐振模式转换器采用硬开关技术，而谐振模式转换器采用更智能的软开关技术。

软开关意味着在零电压或零电流点打开或关闭交流波形，从而消除开关损耗并实现非常高效的架构。同步整流等技术用 MOSFET 等有源开关元件取代整流二极管。控制与输入交流波形同步的开关使 MOSFET 能够在正确的时间以非常低的导通电阻和较小的压降进行传导 - 与二极管整流相比，效率更高。

调节电路如何知道何时切换？控制模式有两种主要方法：电压控制和电流控制。调节器利用其中一种或两种方法的组合来调节提供给负载电路的电压。

电压控制模式

调节电路检测输出电压，将其与参考电压进行比较以产生误差函数。误差信号修改开关比，使输出更接近所需水平。这是简单的控制方法。

电流控制模式

输出电压和电感电流均被感测，并且两者的组合用于控制占空比。这种内部“电流感测环路”能够加快对负载变化的响应时间，但比电压控制模式更复杂。

除了控制方法之外，调节元件的进一步复杂化是转换器作为换向周期的方式，这被称为连续或不连续操作模式。连续操作模式是指电感器电流永远不会降至零（如果转换器拓扑具有此模式）。

这是一种输出纹波较低、噪声较低的工作模式，但由于电感始终处于导通状态，因此它总是会在其非理想串联导通损耗中耗散一些能量。在非连续模式下，电感电流可以降至零，从而使负载从存储电容器中获取能量。这是一种效率较高的工作模式，但可能具有更多的纹波和较差的调节控制。

AC-DC 转换器的类型

正如简要提到的，有几种与其拓扑相关的转换器类型，包括反激式和降压反激式架构。这些是常见的拓扑，因为它们包含变压器，元件数量少，并且相对于其他选项成本较低。

反激式转换器通常是降压-升压 AC-DC 转换器（升压/降压），其中电感器被变压器取代。变压器内部存储的能量用于通过有源或无源整流电路对次级进行换向。常见的反激式转换器类型采用不连续模式 (DCM) - 变压器中流动的电流趋于零 - 因为这通常具有简单的控制环路和的成本。连续电流模式 (CCM) 反激式转换器需要更高的功率水平，但由于连续导通会导致更高的变压器绕组损耗。

许多电源根据负载水平在模式之间切换。反激式拓扑上的准谐振 (QR) 和谷底开关/可变频率变化是更复杂的电路，可优化开关时间和方式以提高效率。QR 反激式通过回收非理想漏电感的能量来实现这一点，谷底开关可减少过冲引起的尖峰。它们通常用于低功率应用。