第一章 電源簡介

1.1 電源分類

1.1.1 電源與電源轉換器

??我們常提到的“電源”概念，指的是把其他形式的能量，如機械能、化學能、風能、熱能、太陽能等直接轉換成電能的裝置，例如水力、風力、火力發電，以及各類電池等。
??電源轉換器是能夠將電力能源的形式進行控制和轉換的裝置，它的能量變化過程是電能→電能，而非其他能量→電能。電源轉換器能夠轉換主電源電能的形式或規格，用于滿足不同用電設備對不同電能形式的需要，或用在供電電源與負載之間，對電能進行變換或穩定處理。本書中所講的“電源”概念，實際上指的是電源轉換器。

1.1.2 電源轉換器類型

（1）根據轉換的形式分類，可分為
??AC-AC（交流-交流）轉換器：如交流電源變壓器、變頻器等。
??AC-DC（交流-直流）轉換器：整流器。
??DC-DC（直流-直流）轉換器。
??DC-AC（直流-交流）轉換器：逆變器。
（2）根據轉換的方法分類，可分為
??線性電源：使用工作在線性區的功率器件調整管，靠調整功率管上的電壓降來穩定輸出。線性電源的缺點是：由于調整管靜態損耗大，因此效率相對較低，且需要安裝一個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。優點是穩定性高、紋波小、可靠性高，易做成多路、輸出連續可調的成品。
??開關電源：開關電源是通過控制開關管的開通和關斷來輸出電壓的一種電源。它的優點是：與同功率檔次的線性電源相比，體積小、重量輕，在高功率產品中這種差異更為明顯，這是因為開關電源不需要沉重的工頻變壓器和很大容量的濾波電容，同時開關管功耗比線性電源調整管小得多，因此所需散熱片面積比較小；開關電源的控制方式和電路拓撲決定了它的功耗小、轉換效率高、穩壓范圍寬、濾波效率高、安全可靠、電路形式靈活。開關電源近年來一直有較大的發展，研究人員提出了包括高頻化、軟開關技術、諧振直流環、屏蔽技術等在內的多項新技術，很多廠家也都不斷推出高性能高集成度的控制IC，使得開關電源的線路在不斷簡化的同時具有更可靠高效的性能。
??開關電源按控制方式可分為：
??脈沖調制變換器：驅動波形為方波。包括PWM調制、PFM調制、混合調制等。
??諧振式變換器：驅動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）、ZVS（零電壓諧振開關）等。
??按拓撲結構可分為：
??隔離式：采用變壓器來實現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：拓撲中不使用隔離變壓器，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轉換器、Zeta DC/DC轉換器和SEPIC DC/DC轉換器等類型。
（3）根據調控的效果分類，可分為
??穩壓電源：能為負載提供穩定的交流或直流電壓的電源。當電網電壓或負載出現波動時，輸出電壓保持不變。
??恒流電源：能向負載提供恒定電流的電源，在電網電壓產生波動或阻抗特性發生變化時仍能使輸出電流保持恒定。現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定其靜態工作點，又可以作為其有源負載以提高放大倍數，在差動放大電路、脈沖產生電路中也得到了廣泛應用。恒流電源依據其主要構成元件可以分為晶體管恒流源、場效應管恒流源、集成運放恒流源等。
??調頻/變頻電源：輸出電壓的頻率可調的（交流）電源。

1.2 電源的各項指標

1.2.1 直流電源指標

（1）電壓調整率Su ：負載不變，輸入電壓變化時輸出電壓相對變化量。即

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

??其中， Uo2為空載（或輕載）時輸出電壓， Uo1為滿載（或重載）時輸出電壓， Uo為額定負載時輸出電壓。
（3）紋波電壓（電流）的指標形式：
??最大紋波電壓（電流）：在額定輸出電壓和負載電流下，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 ：在額定負載電流下，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

（1）電壓調整率Su ：負載不變，輸入電壓有效值變化時輸出電壓有效值相對變化量。即

其中， Uo1為輸入電壓最大時的輸出電壓有效值， Uo2為輸入電壓最小時的輸出電壓有效值， 為額定輸出電壓有效值。
（2）負載調整率S1 ：負載調整率也稱為電流調整率。表示在輸入電壓不變的情況下，改變負載時，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）時輸出電壓有效值， Uo1為滿載（或重載）時輸出電壓有效值， Uo為額定負載時輸出電壓有效值。
（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：將電能轉換為其他形式能量（如機械能、光能、熱能等）的電功率，單位為瓦特（W）。有功功率用一個周期內瞬時功率的積分的平均值來計算。
??對于交流電，

??其中，u(t) i(t)分別為瞬時電壓、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，也不轉化為機械能、熱能，而是轉變為其他形式的能量，用于電路內電場與磁場的交換，并用來在電氣設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，而進行可逆性轉換的那部分電功率。
（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）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系，也是衡量用電器最大負荷承受能力的指標之一。
（7）功率因數PF：功率因數定義為有功功率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。功率因數計算公式為

??其中 φ表示 u(t)和i(t) 的相位差，也稱功率因數角； γ表示基波因數，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，γ=1 。
??功率因數是對電能進行安全有效利用的衡量標準之一，功率因數值越大，代表電力電子設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三者在數值上的關系。

（8）諧波失真THD：THD有兩個常用的定義。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）用來計算電壓和電流THD：

??這一THD定義更常見于能源計量系統，如果基波的貢獻小于其他諧波的總貢獻，得到的THD值可能會超過100%。
??THD的另外一個定義是指定次（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，需注意所使用的THD定義，因為這兩個不同的定義會得出兩個不同的值。

往期精彩回顧

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全國大學生電子設計競賽(一)–電源簡介
全國大學生電子設計競賽(二)–電源常用技術與算法
全國大學生電子設計競賽(三)–線性電源設計
全國大學生電子設計競賽(四)–雙極性可調精密直流電源的設計
全國大學生電子設計競賽(五)–開關電源的設計
全國大學生電子設計競賽(六)–常用整流技術
全國大學生電子設計競賽(七)–逆變電源設計
2017年全國大學生電子設計大賽A題–微電網模擬系統
2018年全國大學生電子設計大賽E題–變流器負載試驗中的能量回饋裝置

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總結

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)--电源简介的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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