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新能源汽車講解丨AC/DC、DC/DC轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)

發(fā)布時間：2023-06-19

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首先，我們過一下AC（交流）和DC（直流）的概念。

何謂AC
Alternating Current（交流）的首字母縮寫。
AC是大小和極性（方向）隨時間呈周期性變化的電流。
電流極性在1秒內(nèi)的變化次數(shù)被稱為頻率，以Hz為單位表示。
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何謂DC
Direct Current（直流）的首字母縮寫。
DC是極性（方向）不隨時間變化的電流。

①流動極性（方向）和大小皆不隨時間變化的電流通常被稱為DC。
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②流動極性不隨時間變化，但大小隨時間變化的電流也是DC，
通常被稱為紋波電流 (Ripple current)。
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一、AC/DC轉(zhuǎn)換器
 
何謂AC/DC轉(zhuǎn)換器？
AC/DC轉(zhuǎn)換器是指將AC（交流電壓）轉(zhuǎn)換成DC（直流電壓）的元件。

為什么需要AC/DC轉(zhuǎn)換器？
那是因為家庭住宅和樓房接收到的電壓是100V或200V的AC電壓。
然而大家大部分使用的電器是在5V或3.3V的DC電壓下工作的。
也就是說，如果不把AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓，電器就不能工作。

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其中也有電機(jī)、燈泡等可以用交流電壓驅(qū)動的產(chǎn)品，但電機(jī)與微控制器的控制電路連在一起，燈泡也變成節(jié)能LED，因此有必要進(jìn)行ACDC轉(zhuǎn)換。

為什么傳輸?shù)氖茿C電壓？
可能有人會認(rèn)為“既然電器使用的是DC，那為什么不一開始就傳輸DC？”
總所周知，電力來自水力發(fā)電站、火力發(fā)電站、核電站等。這些發(fā)電站位于山區(qū)或沿海等地區(qū)，從這些地區(qū)傳輸?shù)绞袇^(qū)，AC電壓更有優(yōu)勢。
簡而言之，通過以高電壓、低電流方式傳輸AC電壓，可以減少傳輸損耗（能量損耗）。
然而，在實際家庭中，由于不能直接使用高電壓，所以需要通過幾個變電站分階段進(jìn)行變壓（降壓），最后轉(zhuǎn)換成100V或200V后進(jìn)入家庭。這些轉(zhuǎn)換也因AC更簡單，所以傳輸?shù)氖茿C電壓。

全波整流和半波整流（AC/DC轉(zhuǎn)換）
將AC（交流電壓）轉(zhuǎn)換為DC（直流電壓）的整流方式有全波整流和半波整流。兩種情況都利用了二極管的電流正向流通特性來進(jìn)行整流。

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全波整流是通過二極管橋式電路結(jié)構(gòu)將輸入電壓的負(fù)電壓成分轉(zhuǎn)換為正電壓后整流成直流電壓（脈沖電壓）。而半波整流是使用一個二極管來消除輸入負(fù)電壓成分后整流為直流電壓（脈沖電壓）。
之后，利用電容器的充電和放電功能來平滑波形，從而轉(zhuǎn)換為純凈的直流電壓。
因此可以說，與不利用輸入負(fù)電壓成分的半波整流相比，全波整流是更具高效率的整流方法。
此外，平滑后的紋波電壓根據(jù)電容器容量和負(fù)載（LOAD）而變化。
全波整流和半波整流在相同的電容器容量和負(fù)載條件下，全波整流的紋波電壓更小。紋波電壓越小，穩(wěn)定性越高、性能越優(yōu)。

AC/DC轉(zhuǎn)換方法
AC/DC轉(zhuǎn)換有變壓器方式和開關(guān)方式。


變壓器方式
這是普通AC/DC轉(zhuǎn)換器的變壓器方式電路結(jié)構(gòu)。

【變壓器方式的電路結(jié)構(gòu)示例】
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下圖顯示了變壓器方式電壓波形的變化。
變壓器方法首先需要通過變壓器將交流電壓降壓到適當(dāng)?shù)慕涣麟妷海ɡ纾瑥腁C100V降至AC10V等）。這屬于AC/AC轉(zhuǎn)換，降壓值由變壓器的繞組比設(shè)定。
接下來，通過二極管橋式整流器對經(jīng)過變壓器降壓的交流電壓進(jìn)行全波整流，轉(zhuǎn)換為脈沖電壓。
最后，經(jīng)電容器平滑并輸出紋波小的直流電壓，這是最傳統(tǒng)的AC/DC轉(zhuǎn)換方法。
【變壓器方式的波形推移】
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開關(guān)方式
這是普通AC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)方式電路結(jié)構(gòu)。
【開關(guān)方式的電路結(jié)構(gòu)示例】
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下圖顯示了開關(guān)方式電壓波形的變化。
變壓器方式是首先通過變壓器進(jìn)行AC/AC降壓，而開關(guān)方式是直接用二極管橋式整流器對交流電壓進(jìn)行整流。由于普通家庭的用電電壓為AC100V或AC200V，所以二極管橋式整流器必須具有可承受高電壓的規(guī)格。
接下來，用電容器平滑直流電壓（脈沖電壓）。電容器同樣需要耐高壓的電容器。
然后，通過開關(guān)元件的ON/OFF對直流電壓進(jìn)行斬波（切割），并經(jīng)過高頻變壓器降壓后傳送到二次側(cè)。此時，斬波波形變?yōu)榉讲ā?br style="margin:0px;padding:0px;outline:0px;max-width:100%;box-sizing:border-box !important;overflow-wrap:break-word !important;" /> 與家用頻率（50/60Hz）相比，開關(guān)元件使用的頻率更高（例如，100kHz）。由于高頻工作，所以可以實現(xiàn)變壓器的小型化、輕便化。
【開關(guān)方式的波形推移】
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在二次側(cè)利用整流二極管對方波進(jìn)行半波整流，之后用電容器對其進(jìn)行平滑，并輸出直流電壓。
開關(guān)方式是利用控制電路控制開關(guān)元件，獲得穩(wěn)定的預(yù)期的直流輸出（例如，DC12V）的方式。
與變壓器方式相比，開關(guān)方式由開關(guān)元件和控制電路組成，電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但由于基于高頻控制可以使用小型變壓器，所以有助于設(shè)備小型化，這是它的一個很大的優(yōu)點。

反饋控制
何謂反饋控制？
開關(guān)式AC/DC轉(zhuǎn)換器通過確認(rèn)實際輸出的DC電壓值，并根據(jù)該電壓信息對開關(guān)元件進(jìn)行控制，從而確保穩(wěn)定實現(xiàn)規(guī)定的DC輸出。這種確認(rèn)該輸出電壓值以控制開關(guān)元件的機(jī)制叫做反饋控制（FB控制）。

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【開關(guān)方式電路結(jié)構(gòu)示例】
反饋控制的示意圖
開關(guān)式AC/DC轉(zhuǎn)換器通過二極管電橋?qū)C電壓進(jìn)行整流，再通過電容器實施平滑處理，將AC電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓。然后，通過開關(guān)元件對該DC電壓進(jìn)行斬波（ON/OFF）后，通過高頻變壓器降壓后傳遞到2次側(cè)，再利用電容器進(jìn)行平滑處理，輸出規(guī)定的DC電壓（VDC）。
FB控制電路檢測實際輸出的該電壓值是否達(dá)到規(guī)定的目標(biāo)電壓值。

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【經(jīng)過平滑處理的輸出電壓示意圖】
實際輸出電壓值低于目標(biāo)電壓值時，則會對開關(guān)元件進(jìn)行控制，使ON時間變長。這樣，輸出電壓值就會上升。反之，高于目標(biāo)電壓值時，則控制ON時間變短。
這樣，反饋控制電路常時對實際輸出電壓值進(jìn)行確認(rèn)，并根據(jù)該值調(diào)整開關(guān)元件的ON/OFF時間，確保目標(biāo)輸出電壓值的穩(wěn)定。

輕負(fù)載模式
何謂輕負(fù)載模式？
提高使用較少輸出電流時的效率的技術(shù)叫做輕負(fù)載模式。在DC/DC轉(zhuǎn)換器等中也叫脈沖串模式。
輕負(fù)載模式示意圖
開關(guān)式AC/DC及DC/DC轉(zhuǎn)換器通過ON/OFF轉(zhuǎn)換進(jìn)行電壓斬波和電容器平滑處理，以穩(wěn)定提供目標(biāo)輸出電壓值。
但是，這種轉(zhuǎn)換在ON/OFF時會產(chǎn)生瞬間漏電流（貫通電流）。也就是說，單位時間內(nèi)的ON/OFF次數(shù)越多，漏電流導(dǎo)致的損失越大，效率越低。