交流-DC交流电转换成直流电

将交流(AC)输入转换为直流(DC)输出的电路。

1.交流电：英文是交流电的缩写。

交流电：是一种电流，其大小和极性(方向)随时间周期性变化。电流极性在一秒钟内变化的次数称为频率，用赫兹表示。

2.直流电的首字母缩略词(DC)。

DC:恒流是一种DC，大小和方向相同。交流电，简称AC，是指电流方向在任意时刻周期性变化，在一个周期内的运行平均值为零的交流电。极性(方向)和大小不随时间变化的电流通常称为DC。

电流的极性不随时间变化，但其大小随时间变化的电流也是DC，

通常称为纹波电流。

3.ACDC低频功率变换方案

交流/DC电源是一种具有交流输入和DC输出的电源转换器。比如我们常用的手机充电器、笔记本、平板电脑的电源适配器都是这样的电源。该电源转换器包含降压电路、整流滤波电路和稳压电路。

基于的低频电源变换方案

常见的高压交流-低压DC电源适配器4个。交流DC转换器的类型

分为：buck和buck-boost变换器；反激变换器：正激变换器；LLC谐振转换器；PFC转换器；单相输入PFC变换器；三相输入PS ZVS FB变换器等

5.交流/DC线性电源和开关电源

一、交流/DC线性电源

交流/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)的输入电压降低到更适合预期应用的值；然后，将降低的交流(AC)电压整流成直流(DC)电压；最后进行滤波，进一步改善波形质量(见下图交流/DC线性电源的功能框图)。

交流/DC线性电源功能框图

传统的交流/DC线性电源限制了效率、功率范围和尺寸的集成。由于交流/DC线性电源的输入电压是在输入端进行转换的，所以所需的变压器体积大、重量重。在低频(例如50Hz)下，需要大电感将大量功率从初级线圈传输到次级线圈，并且需要大变压器芯。交流/DC线性电源的另一个限制是大功率电压调节。交流/DC线性电源使用线性调节器来保持输出电压恒定。这些线性调节器以热量的形式消耗多余的能量。对于大功率来说，为了维持恒定的输出电压，稳压器需要散发大量的热量，这就需要一个巨大的散热器。

二。交流/DC开关电源

交流/DC开关电源可以在不消耗额外功率的情况下产生更高效的功率转换器。在开关交流电源中，它在输入端被整流和滤波，DC电压通过一个斩波器，该斩波器将电压转换成高频脉冲序列。最后，脉冲序列被另一个整流器和滤波器转换回直流(DC)电压，并且在到达输出之前可能存在的任何剩余交流分量被去除(开关模式交流/DC电源的功能框图)。

高频运行时，变压器电感可以传输更多的功率而不饱和，也就是说铁芯可以越来越小。因此，在交流/DC开关电源中用于将电压幅值降低到期望值的变压器尺寸只能是交流/DC线性电源所需变压器尺寸的一小部分。

开关模式交流/DC电源功能框图

交流/DC开关电源变换器会在系统中产生大量噪声，需要复杂的控制电路，增加了设计的复杂性。AC/DC开关电源中的较小变压器和增加的调节器效率。交流/DC线性电源和开关电源的区别如下：

线性电源与开关电源的比较

DCDC

DC-DC功率转换：输入为DC-DC，输出为DC-DC的功率转换器。

DC/DC转换器是指将DC转换为DC的设备的名称。它通常被称为线性调节器或开关调节器，以转换模式的名称命名。

1.DCDC拓扑类型：

降压转换器：输出电压低于输入电压。

升压转换器：输出电压高于输入电压。

降压-升压开关转换器：输出电压可以高于或低于输入电压。降压-升压DC-DC转换器通常用于电池供电设备。

2.从转换类型：

一.开关DCDC转换器

开关稳压器，英文(regulator)，有人称之为稳压器和调压器。为了实现电压稳定，需要对系统进行控制(负反馈)。从自动控制理论可知，当电压上升时，会通过负反馈降低，当电压下降时，会升高，这样就形成了一个控制回路。图中的框图是PWM(脉宽控制模式)，当然还有其他如PFM(频率控制模式)和相移控制模式。

占空比：导通时间ton与开关周期T的比值，Ton(导通时间)toff(关断时间)=T(开关周期)，占空比D=TON/T .但是，我们不能用一个脉冲输出！需要一种方法来实现能量流的稳定。通过许多脉冲、高频开关，能量将在开关接通期间被储存，并在开关断开时被提供，从而实现稳定的电压。

特点如下：

可以升压(boost)。

(2)降低(减少)甚至反转电压。

高效率和高功率密度。线性DCDC转换器

最基本的DC-DC转换器是线性电压转换器。他们实现了DC-DC电压转换，将多余的功率分散到电阻中，使其成为电阻分压器。显然，这对于功率转换效率来说并不理想。它们工作原理的另一层含义是，它们只能将一个输入电压转换成同极性的较低输出电压。换句话说，它们的电压转换比的值总是在零和一之间。线性电压转换器的优点是实现起来非常简单。此外，它们通常不需要占用空间的大电感或电容，这使它们成为单芯片集成的理想选择。

优势：

简单设计

组件很少。

小噪音

高速瞬态响应

低价

缺点：

输入压差大，效率差。

效率低下，高烧不退

有时需要散热。

只有降压3。线性电压稳定：

固定输出线性稳压器——传统芯片正电压输出的78xx和负电压输出的79xx。

可调输出线性稳压器-传统芯片LM317

线性电压稳定的性能特征示例：

4.LDO:低压差稳压器，这是一个低压差线性稳压器。这是相对于传统线性稳压器而言的。

LDO是一个线性调节器。传统的线性稳压器，如78XX系列芯片，要求输入电压至少要比输出电压高2V~3V，否则无法正常工作。低压差(LDO)线性稳压器具有低成本、低噪声和低静态电流的突出优点。它还需要很少的外部元件，通常只需要一两个旁路电容。新型LDO线性稳压器可以达到以下规格：输出噪声30V，PSRR 60dB，静态电流6A(Ti的TPS78001达到Iq=0.5uA)，压降仅100mV(Ti生产的0.1mV LDO)。

常用的LDO器件-ams1117

5.开关电压调节器：

传输器件开关(FET)，其在每个周期中完全导通和完全关断；

l包括至少一个用于存储电能的元件，例如电感器或电容器；

l多种拓扑结构(降压、升压、降压-升压等。).

传统的LM2576系列是降压型开关集成稳压器的代表。

开关调节器的电感和电容都与频率有关。频率越低，所需的储能越大，电流输出也越大。电感与输出功率有很大关系。

6.电荷泵，也称为开关电容电压转换器，是一种DC-DC(转换器)，使用所谓的“飞行”或“泵送”电容器(而不是电感器或变压器)来存储能量。

电荷泵电路可以在没有电感参与的情况下实现高效的能量传输。尤其是在火热的手机快充应用中，降压电荷泵可以达到近98%的转换效率。

在过去的十年里，电荷泵得到了广泛的应用，从非稳压单输出IC到稳压多输出IC。输出功率和效率也有所发展，所以现在的电荷泵最高可以输出250mA，效率75%(平均)。电荷泵主要用在需要电池的系统中，例如蜂窝电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。

应用主要包括驱动用于手机背光的白光LED和毫瓦级的数字处理器。

7.常见设备-MC34063

MC34063是一款集成了升压变换器、降压变换器和功率逆变器的功率芯片。MC34063可以用很少的开关元件组成升压开关、降压开关和电压反转电路。与线性稳压电源相比，这种开关电源具有更高的效率，当输入输出电压大幅下降时，效率也不会下降。该电源不需要大型散热器，体积小，应用范围非常广。它主要用于基于微处理器或单片机的系统。

MC34063主要采用DIP-8和SOP-8封装。

DC-DC开关转换器用于在本地为系统的任何组件或部分提供所需的DC电压和电流。工程师必须根据施加的输入输出电压之间的关系，选择最佳的电源拓扑——降压、升压、降压-升压或逆变，有无同步整流。或者，他们可以决定使用——实施方案，甚至是基于单芯片ic或独立电源开关和控制器的高级数字实施方案。无论他们选择什么，正确的半导体产品都是满足其特定效率和尺寸设计目标的关键。

8.DCDC方案选择示例：

程序描述：

3.3V@100mA@ digital，可通过LDO直接从USB的输入电压获得(典型压降为1.2V)。一般USB口通过USB线到达电路板时会有一定的压降。压降值取决于USB电缆的厚度、长度、材料(决定阻抗)以及负载电路板所需的电流。在本设计中，我们假设USB线的最大压降为0.5V，即在电源板输入端可以保证4.5%。考虑到系统的成本，在本次设计中，我们采用了最常用的价格低廉、外围电路非常简单的1117-3.3V LDO稳压器来产生3.3V@100mA的电压。该电路最大功耗为0.33W，效率为3.3/4.5 (73%) ~ 3.3/5 (66%)。如果需要更大的电流，可以考虑使用转换效率在75%以上的开关稳压器来产生3.3V，这当然会导致系统的成本略有增加。

1.2V@500mA@号必须通过开关稳压产生。这里我们选择了Microchip公司提供的高性价比的开关稳压器件MCP1603，可以满足系统的要求。

+5v @ 100ma @ analog，先用MC34063将输入范围为4.5v-5v的DC电压调整到++6.5V(有开关噪声)，再用LDO 1117-5产生+5v的干净DC电压，电压降最低为1.2V

-5v @ 100ma @模拟，先用MC34063调节输入范围为4.5v-5v到- 7.5V(有开关噪声)的DC电压，再用线性调节器79L05产生-5v的干净DC电压，最低压降为2.5v

有许多方案可以产生+/-5V的电压。这里用两个MC34063产生不同的输出电压，主要是让你比较一下79L05和1117-5的区别，也就是常规线性稳压器和LDO的区别。

DC-AC DC呼叫AC

DC交流变换器是指一种将交流电转换成直流电的电源设备。简单来说就是开关电源。

将直流电(DC)转换成交流电(AC)的装置叫做逆变器。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。

逆变器是一种将低压(12或24伏或48伏)DC转换成220伏交流电的电子设备。因为220v交流电通常被整流成DC使用，而逆变器具有相反的功能，因此而得名。在一个“移动”的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲娱乐。在运动状态下，不仅需要电池或蓄电池提供的低压直流电，还需要日常环境中不可或缺的220伏交流电，逆变器可以满足需求。

逆变器是将直流电能(电池、蓄电池)转换成恒频恒压或调频调压交流电(一般为220V、50Hz正弦波)的转换器。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。利用PWM原理，MOS管工作产生变化的波形，然后通过变压器转换电压，再整流输出。交流到DC的转换叫整流，DC到交流的转换叫逆变。

广泛应用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、vcd、电脑、电视、洗衣机、油烟机、冰箱、录像机、按摩器、风扇、照明等。在国外，由于汽车普及率高，外出工作或旅行时，可以使用逆变器连接电池驱动电器和各种工具工作。点烟器输出的车载逆变器有20W、40W、80W、120W到150W功率规格。

逆变电源常用的方法是通过SPWM调制正弦波形，然后通过一个H桥切换输出电压的极性，这就需要H桥的切换和SPWM电路的同步。技术复杂，但效率高，市面上很多逆变器都采用这种方式。

SPWM:正弦脉宽调制正弦PWM的信号波形为正弦波，即正弦波等效为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形(与我们课件中的绘图一致)。这种由N个等幅不等宽的矩形脉冲组成的波形相当于正弦波的半周波形，称为SPWM波形。

单极脉宽调制波的形成

SPWM是一种以正弦波为参考波(调制波)，将一系列三角波(载波)与参考正弦波进行比较，产生PWM波的控制方法。当参考正弦波高于三角波时，相应的开关器件导通；当参考正弦波低于三角波时，相应的开关器件被关断。因此，逆变器的输出电压波形是一个脉冲串，其特点是在半个周期内，每个脉冲都是等间距、等幅、不等宽的，总是中间宽两边窄，每个脉冲的面积与该区间内正弦波下的面积成正比。脉搏波经过低通滤波后可以得到一个与调制波频率相同的正弦波，正弦波的幅度和频率由调制波的幅度和频率决定。

逆变电路的工作也可以细化为：首先，振荡电路将DC转换成交流电；其次，给线圈升压，将不规则交流电变成方形交流电；最后整流使交流电通过方波变成正弦波交流电。

工作原理如下：

逆变器的分类：

半桥逆变器架构

UPS是一种以储能装置、逆变器为主要部件，具有稳定的电压和频率输出的电力保护设备。当市电正常输入时，UPS将市电稳定后供给负载。同时给机器中的电池充电，将能量储存在电池中。当市电中断(各种原因停电)或输入故障时，UPS会将机内电池的能量转换成220V交流电供负载继续使用，以保持负载正常工作，保护负载的软硬件不受损坏。

全桥逆变器架构如下：

工作效率：

逆变器工作时也消耗一部分功率，输入功率大于输出功率。逆变器的效率是输出功率与输入功率的比值，即逆变器的效率是输出功率与输入功率的比值。如果逆变器输入100瓦的DC，输出90瓦的交流电，其效率为90%。

逆变器的主要特点

转换效率高，速度快

交流DC的大小和频率的变化

变频电源通过ACC-DC-AC转换市电，输出为纯正弦波，可在一定范围内调节。具有体积小、噪音低、操作简单、过载能力强等特点。

变频电源是一种应用电力电子技术控制电机不同转速来改变电机工作电源频率的电源控制设备。变频器主要由整流电路、缓冲电路、滤波电路和逆变电路组成。如下图。

整流电路：主要由整流桥组成；交流电(市电)经过全桥整流后转换成直流电。三相380V交流电，整流后DC电压理论值为380 x 1.414537V；单相220V交流电整流后的DC电压理论值为220X1.414310V。

缓冲电路：抑制上电瞬间的浪涌电流。根据电解电容的工作原理，逆变器上电时，电容两端的电压不会突然变化，但电容两端的电流会突然变化。此时电容两端相当于短路。如果没有缓冲电路(充电电阻)，整流桥会因为电流过大而损坏。缓冲电路起到保护整流桥的作用。

滤波电路：一般电解电容的耐压为400V；三相380伏交流电经整流后，DC电压的理论值约为537伏。因此，滤波电容只能由两个电解电容串联而成。由于电解电容器的容量不可能绝对相同，串联后两个电解电容器上的电压分布不平衡，这将导致两个电解电容器的使用寿命不同。为了解决电压不平衡的问题，应在两个电解电容的两端并联阻值相同的均压电阻。

逆变电路：将直流电(DC总线)转换成交流电的电力电子电路。逆变器桥中的多个IGBT。每个IGBT都集成了一个续流二极管，其功能是为电机定子绕组反馈能量(电机发电)提供电路。当电机处于发电状态时，其电能可以通过续流二极管流向DC电路，电解电容被充电。

因为各国电网的电压和频率不同，所以进出口产品的技术性能要根据各国的电压和频率进行检测。变频电源可以模拟世界各国的供电电压和频率。

变频电源的输入功率是交流电。一般国内三相交流电是380V，单相交流电是220V，美国、日本等国家的电压是110V。(见世界各国电压频率)。变频电源可以模仿世界上电力的标准电压，所以很多出口家电的厂家都用变频电源来测试出口家电的使用。每个国家的用电标准频率不一样。各国用电标准频率：世界各国电压标准。

国家电压频率

下表列出了一些国家或地区的单相电压值。

我们日常使用的大功率变频电源一般参数示例

变频器按调制方式分类：

t脉冲幅度调制(PAM):加幅度调制

t脉冲宽度调制(PWM):正宽度调制

变频电源通过交流-DC-交流转换将市电中的交流电转换为纯正弦波，输出频率和电压可在一定范围内调节。它不同于用于电机调速的变频调速器，也不同于常见的交流稳压电源。理想的交流电源的特点是频率稳定，电压稳定，内阻为零，为纯正弦波(无失真)。变频电源非常接近理想的交流电源。因此，先进的发达国家越来越多地使用变频电源作为标准电源，以提供最佳的供电环境

随着全控型快速开关器件GTR、IGBT、MOSFET等的出现。逐渐发展到PWM模式。由于可以通过调节PWM波的占空比来调节电压幅值，逆变环节可以同时完成调压和调频的任务，不需要控制整流器，设备结构更简单，控制更方便。输出电压从方波提高到PWM波，降低了输出电压的低次谐波含量。

逆变电源的研究现状

一般情况下，电源与负载相连。根据相关文献，目前对逆变电源的研究主要集中在以下几个方面：

一.拓扑形式

目前常用的逆变电路拓扑有：常规逆变电路拓扑、软开关逆变电路拓扑、多电平逆变电路拓扑等。

传统逆变器电路拓扑

常规逆变电路拓扑可分为单相半桥、单相桥、三相桥电路等。根据DC侧电源的性质，可分为电压源逆变电路(VSTI)和电流源逆变电路(CSTI)。单相逆变电路具有简单、器件少的优点，常用于几千瓦以下的小功率逆变电源。三相桥式逆变器应用广泛。

软开关逆变器电路拓扑

为了获得更好的交流输出波形，逆变电源会提高全控型电力电子器件的开关频率，同时开关损耗也会增大，电路效率严重下降，电磁干扰也会增大，所以单纯提高开关频率是不行的。为了解决这些问题，软开关技术应运而生，它是一种基于谐振的辅助换流方法。解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率大大提高。一般来说，软开关技术可以分为零电压(ZVS)和零电流(零电流)。按其出现的顺序可分为准谐振、零开关PWM和PWM。每个类别都包括拓扑和许多派生拓扑。

三电平或多电平逆变电路的拓扑结构

多电平逆变器的思想最早是由日本Nabae在20世纪80年代初提出的。其基本原理是通过多个DC电平合成近似于正弦输出的阶梯波电压。它具有减少逆变器输出谐波和降低开关管电压应力的优点。多电平拓扑有很多种，但大致可以分为二极管箝位拓扑、飞跨电容拓扑和独立DC功率级联多电平拓扑。这三种多电平拓扑各有优势，其中二极管箝位多电平拓扑应用最为广泛。

全波整流和半波整流(交流/DC转换)将交流(交流电压)转换为DC(直流电压)的整流方式包括全波整流和半波整流。在这两种情况下，二极管的正向电流特性用于整流。

全波整流是通过二极管桥式电路结构将输入电压的负电压分量转换成正电压，然后整流成DC电压(脉冲电压)。半波整流利用二极管消除输入的负电压分量，然后将其整流成DC电压(脉冲电压)。

二。变频电源技术研究的发展趋势

在电力电子技术和各种供电系统的应用中，变频供电技术处于核心地位。近年来，现代变频电源技术的发展主要呈现以下趋势：

(1)高频率

提高变频电源的开关频率可以有效减小设备的体积和重量。为了进一步减小器件的体积和重量，去掉了笨重的工频隔离变压器，采用高频隔离，可以消除变压器和电感的音频噪声，提高输出电压的动态响应能力。

(2)高性能

高性能主要是指输出电压特性的高性能，主要体现在以下几个方面：稳压性能好，空载和负载下输出电压有效值稳定；波形质量很高，这不仅要求空载时有良好的波形，还要求

当今逆变电源的发展趋势是大功率、高可靠性。虽然它已经能够生产几千个KVA的大型逆变电源，完全可以满足大功率的要求。但这样一来，整个系统的可靠性完全由单个电源决定，无论如何都不可能达到高可靠性。为了提高系统的可靠性，有必要实现模块化。模块化是指用户可以方便地将小容量的模块化电源组合起来，形成大容量的变频电源。模块化需要解决逆变电源之间的并联问题。变频电源的并联比DC电源的并联更复杂，面临着负荷分配、环流补偿、开关控制等诸多问题。

(4)数字化

如今，数字信号处理技术越来越成熟，显示出越来越多的优势：便于计算机处理和控制，避免模拟信号失真，提高系统抗干扰能力，便于软件包调试、遥感和遥调，便于自诊断和容错技术的植入，为电源并联技术的发展提供便利。

(5)绿化

绿色供电有两层含义：一是显著节电，即节约发电容量，发电是造成环境污染的重要原因。为了使供电系统绿色化，电源应配备高效滤波器，在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。提高输入功率因数意义重大，不仅可以减少对电网的污染，降低市电的无功损耗，达到环保节能的效果，还可以减少相应的投资，提高运行可靠性。提高功率因数的传统方法是采用无源功率因数校正技术。目前比较先进的方式是单相输入采用有源功率因数校正技术，三相输入采用SPWM高频整流。未来电源技术将向高效率、高功率因数、高可靠性方向发展，不断实现低谐波污染、低环境污染、低电磁干扰、小型化、轻量化。从而为未来绿色电源产品和设备的发展提供强有力的技术保障，这也将是现代电源发展的必然结果。

三。变频电源数字化发展的难点

它是数字化变频电源发展的主要方向，但仍有一些问题需要解决：

(l)变频电源的输出跟踪给定的按正弦规律变化的信号，不同于一般开关电源的恒定控制。在闭环控制下，给定信号与反馈信号的时间差是一个明显的相位差，与负载有关，给控制器的设计带来困难。

(2)变频电源的输出滤波器对系统的模型影响很大。输入电压的波动幅度、负载的性质、大小的变化范围往往比较大，这些都增加了被控对象的复杂性，使得被控对象模型的高阶性、不确定性、非线性显著增加。

(3)变频电源的电力电子变换装置是一个离散、耦合、非线性的动态系统。

为了满足负载对电源的静态和动态指标要求，电力电子变换装置一般设计为闭环自动控制系统。工程师和技术人员熟悉线性系统的校正和综合，但他们无法控制这样的系统。因此，如果能够建立系统的数学模型，特别是从控制到输出的传递函数，将有助于工程师对系统进行设计和分析，减少盲目选择参数的调试时间，解决本质非线性系统的线性控制问题。

编辑：李倩

标签：电压电源DC