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不使用变压器,如何设计大功率系统?

时间:2021-02-10 作者:Power Electronics News编辑团队 阅读:
虽然没有庞大、笨重而又昂贵变压器的电源架构设计是项电子技术挑战,但这种设计却能为很多应用节省空间。让我们来看看如何在不使用变压器的情况下设计大功率系统。
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不带变压器的电源使用容抗理论来降低输入交流电网电压。实际上,应记住,电网提供230VAC(或110VAC,取决于居住国家)的交流电压,而输出电压必须连续且尽可能平整。

对于小功率应用不会有任何问题,但是对于大电流情况,电源的效率可能会降低。其基本理念主要是使用高压电容器将电网电压降低到所需水平。电路输出端的电流与电容器的电抗成正比(当然也与电容器的容量成正比)。因此,可以简单地通过并联连接多个电容器或使用容量非常大的电容器来增加输出电流。但是,这样做有可能产生非常大的初始峰值电流,进而导致严重问题。

原理图

图1给出了无变压器电源的示意图,该电源将电压从230VAC降低到12VDC,理论输出电流为1A。这个原型仅用于对电源进行实验,不能用于敏感系统,例如医疗或安全设备。实际上,其输入和输出之间没有隔离。但是,对于一般的应用,其功能可以保证。所使用的电子元器件如下:

C1:33,000µF、25VL极化电解电容器

C2:≥400V、10µF的非极化聚酯电容器

C3:≥400V、10µF的非极化聚酯电容器

D1:二极管1N4007

D2:12V、3W齐纳二极管

D3:二极管1N4007

D4:二极管1N4007

D5:二极管1N4007

D6:二极管1N4007

D7:二极管1N4007

D8:二极管1N4007

D9:二极管1N4007

D10:二极管1N4007

D11:二极管1N4007

D12:二极管1N4007

D13:二极管1N4007

R1:1Ω、5W电阻

R2:10Ω电阻——负载电阻,不小于10Ω

R3:470kΩ、1W电阻

R4:1Ω、5W电阻

R5:200mA熔断器

每个电子元器件都有其特定的功能。该电路的工作机制非常明确:

230VRMS交流电通过C2和C3所组成的限幅器。R3可以在电路未上电时对电容器放电。

1N4007二极管超级电桥(D10、D11、D6、D7、D1、D4、D3、D5、D9、D8、D12和D13)对电压进行整流,将负半波转换为正半波。这里的二极管数量非常多,这样可以分散功率、减少热量,从而使其保持在元器件制造商所规定的范围内。

R1和R4用于稍微限制电流,以防在交流信号过零期间电容器的阻抗非常低。

200mA R5熔断器用于保护齐纳二极管免受过大电流的影响。如果负载发生故障,则有可能遇到这种情况。该电路假定恒定存在10Ω负载。

图1:无变压器的12V、1A电源接线图

电流、电压和功率分析

现在来检查一下电路在其正常工作期间的动态工作情况。必须从一开始就将10Ω负载连接到系统。在经过大约1s(大容量电解电容器C1充电的时间)的短时瞬变之后,电源开始工作。如图2所示,这时输出端及负载上的电压稳定在12V。

图2:电源工作期间负载上的电压为12V

从这一刻起,负载(10Ω)流过的电流约为1.2A,也即吸收功率为14.3W。现在来检查一下最关键元器件的电压、电流和功率值。聚酯电容器C2和C3上的电压相当高,峰值电压约为320V,如图3的波形图所示。因此,不能使用200VL的非极化电容器,而必须将这个值提高到至少400VL,如果是630VL则更好。该电容组的总电容为20µF。

图3:输入限幅聚酯电容器上的电压

相反,图4所示的曲线图显示了每个二极管1N4007上流过的电流。1N4007的数据手册指出,即使脉冲电流更大,但该器件所能承受的最大电流等于1A。在任何情况下,它都在最大限值以内,这恰恰是因为并联使用了大量半导体器件。

图4:流过每个二极管的电流都控制在该器件所支持的最大限值以内

齐纳二极管上的峰值电流为150mA,平均值为34mA,有效值(RMS)为63mA。因此,在输出处插入正确的负载后,该器件保持在低温状态,可以正常工作而不会有任何问题。如图5所示,流过安全电阻R1和R4(都为1Ω)的电流近似为2A峰值的正弦波。其RMS值约为1.4A,因此这两个器件的最小功耗大约为3W。该电流的波形(以及这两个电阻上的相对电压波形)不是完美的正弦波,而是由于二极管的压降,在过零点处会产生抵消——实际上是种交越失真。

图5:流过安全电阻R1和R4的电流

输出处的纹波信号

如图6所示,纹波在可接受的水平。其峰-峰值约为92mV,对应于0.75%,这对于不太复杂的负载类型来说是个完全可接受的值。当然,纹波频率等于100Hz。

图6:输出信号受纹波信号的影响很小

关闭电路要小心

当电路关闭时,电容器C2和C3可能会保持很长时间的充电状态,因此必须格外小心。因此,建议将470kΩ的电阻与上述高压电容器并联,如图1的接线图所示。在正常工作条件下,其功耗约为110mW,因此不会影响电路的正常工作。但是,在没有电的情况下,该电阻器会在大约50s内使电容器完全放电,而在20s后,电路就不再具有危险性(请参见图7中的曲线图)。

图7:当电路关闭时,与电容器C2和C3并联的电阻R3会使它们放电

效率

此电路的效率并不是支持这种电源的要点之一,过多的散热会大大降低最终产出。以下简化的效率计算给出了输出功率和输入功率之间的关系:

因此,

最终的效率为69%——我们当然不能谈最大效率。

这种电源的实现并不方便

考虑到所有潜在的问题,可以说用传统或开关式变压器实现电源比用这种方式设置电路更方便(见图8中的实现示例)。负面影响很多,可以总结如下:

大容量、高电压聚酯电容器的成本与1A小型变压器的成本相当,甚至更高。此外,电解电容器的成本很高。

电路未与输入网络隔离,因此会有潜在的危险。此外,有一个元件脱落或损毁,就可能导致整个设备发生损坏。

效率不是很高,因此不方便进行这么多的妥协。

最大输出电流约为1A,这与需要20A或30A的电阻性或电感性负载相去甚远。

图8:无变压器电源设计的一种可能实施图

结论

无变压器电源电路有许多缺点,不能用于精密和关键用途。这种电路无法提供大电流,并且输出未与高压输入隔离。除了会出现电压峰值以外,由于50Hz或60Hz的交流电,电容器还可能会吸收大电流,因此对整个电路存在潜在危险。无论如何,虽然在实践中选择这种解决方案不太方便,但是了解这种电源的基础理论总是有用的。

(参考原文:Power Supply Design Notes: High-Current Transformerless Power Supply)

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2021年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅  

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