開關電源(Switch Power Supply,簡稱SPS),又稱交換式電源、開關變換器,是一種高頻化電能轉換裝置,是電源供應器的一種。其功能是將一個位準的電壓,透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。開關電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源,而輸出多半是需要直流電源的設備,例如個人電腦,而開關電源就進行兩者之間電壓及電流的轉換。
開關電源不同于線性電源,開關電源利用的切換晶體管多半是在全開模式(飽和區)及全閉模式(截止區)之間切換,這兩個模式都有低耗散的特點,切換之間的轉換會有較高的耗散,但時間很短,因此比較節省能源,產生廢熱較少。理想上,開關電源本身是不會消耗電能的。電壓穩壓是透過調整晶體管導通及斷路的時間來達到。相反的,線性電源在產生輸出電壓的過程中,晶體管工作在放大區,本身也會消耗電能。開關電源的高轉換效率是其一大優點,而且因為開關電源工作頻率高,可以使用小尺寸、輕重量的變壓器,因此開關電源也會比線性電源的尺寸要小,重量也會比較輕。
若電源的高效率、體積及重量是考慮重點時,開關電源比線性電源要好。不過開關電源比較復雜,內部晶體管會頻繁切換,若切換電流尚未加以處理,可能會產生噪聲及電磁干擾影響其他設備,而且若開關電源沒有特別設計,其電源功率因數可能不高。
開關電源產品廣泛應用于工業自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器,電子冰箱,液晶顯示器,LED燈具,通訊設備,視聽產品,安防監控,LED燈帶,電腦機箱,數碼產品和儀器類等領域。
現代開關電源有兩種:一種是直流開關電源;另一種是交流開關電源。這里主要介紹的只是直流開關電源,其功能是將電能質量較差的原生態電源(粗電),如市電電源或蓄電池電源,轉換成滿足設備要求的質量較高的直流電壓(精電)。直流開關電源的核心是DC/DC轉換器。因此直流開關電源的分類是依賴DC/DC轉換器分類的。也就是說,直流開關電源的分類與DC/DC轉換器的分類是基本相同的,DC/DC轉換器的分類基本上就是直 流開關電源的分類。
直流DC/DC轉換器按輸入與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類:一類是有隔離的稱為隔離式DC/DC轉換器;另一類是沒有隔離的稱為非隔離 式DC/DC轉換器。
隔離式DC/DC轉換器也可以按有源功率器件的個數來分類。單管的DC/DC轉換器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)兩種。雙管DC/DC轉換器 有雙管正激式(DoubleTransistor ForwardConverter),雙管反激式(Double Transistor Flyback Converter)、推挽式(Push-Pull Converter) 和半橋式(Half-BridgeConverter)四種。四管DC/DC轉換器就是全橋DC/DC轉換器(Full-Bridge Converter)。
非隔離式DC/DC轉換器,按有源功率器件的個數,可以分為單管、雙管和四管三類。單管DC/DC轉換器共有六種,即降壓式(Buck)DC/DC轉換器 ,升壓式(Boost)DC/DC轉換器、升壓降壓式(Buck Boost)DC/DC轉換器、Cuk DC/DC轉換器、Zeta DC/DC轉換器和SEPIC DC/DC轉換器。在這六種 單管DC/DC轉換器中,Buck和Boost式DC/DC轉換器是基本的,Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC轉換器是從中派生出來的。雙管DC/DC轉換 器有雙管串接的升壓式(Buck-Boost)DC/DC轉換器。四管DC/DC轉換器常用的是全橋DC/DC轉換器(Full-Bridge Converter)。
隔離式DC/DC轉換器在實現輸出與輸入電氣隔離時,通常采用變壓器來實現,由于變壓器具有變壓的功能,所以有利于擴大轉換器的輸出應用范圍,也便于實現不同電壓的多路輸出,或相同電壓的多種輸出。
在功率開關管的電壓和電流定額相同時,轉換器的輸出功率通常與所用開關管的數量成正比。所以開關管數越多,DC/DC轉換器的輸出功率越大,四管式比兩管式輸出功率大一倍,單管式輸出功率只有四管式的1/4。
非隔離式轉換器與隔離式轉換器的組合,可以得到單個轉換器所不具備的一些特性。
按能量的傳輸來分,DC/DC轉換器有單向傳輸和雙向傳輸兩種。具有雙向傳輸功能的DC/DC轉換器,既可以從電源側向負載側傳輸功率,也可以從負載側向電源側傳輸功率。
DC/DC轉換器也可以分為自激式和他控式。借助轉換器本身的正反饋信號實現開關管自持周期性開關的轉換器,叫做自激式轉換器,如洛耶爾(Royer)轉換器就是一種典型的推挽自激式轉換器。他控式DC/DC轉換器中的開關器件控制信號,是由外部專門的控制電路產生的。
按照開關管的開關條件,DC/DC轉換器又可以分為硬開關(Hard Switching)和軟開關(Soft Switching)兩種。硬開關DC/DC轉換器的開關器件 是在承受電壓或流過電流的情況下,開通或關斷電路的,因此在開通或關斷過程中將會產生較大的交疊損耗,即所謂的開關損耗(Switching loss)。當轉換器的工作狀態一定時開關損耗也是一定的,而且開關頻率越高,開關損耗越大,同時在開關過程中還會激起電路分布電感和寄生 電容的振蕩,帶來附加損耗,因此,硬開關DC/DC轉換器的開關頻率不能太高。軟開關DC/DC轉換器的開關管,在開通或關斷過程中,或是加于 其上的電壓為零,即零電壓開關(Zero-Voltage-Switching,ZVS),或是通過開關管的電流為零,即零電流開關(Zero-Current·Switching,ZCS)。這種軟開關方式可以顯著地減小開關損耗,以及開關過程中激起的振蕩,使開關頻率可以大幅度提高,為轉換器的小型化和模塊化創造了條件。功率場效應管(MOSFET)是應用較多的開關器件,它有較高的開關速度,但同時也有較大的寄生電容。它關斷時,在外電壓的作用下,其寄生電容充滿電,如果在其開通前不將這一部分電荷放掉,則將消耗于器件內部,這就是容性開通損耗。為了減小或消除這種損耗,功率場 效應管宜采用零電壓開通方式(ZVS)。絕緣柵雙極性晶體管(Insulated Gate Bipolar tansistor,IGBT)是一種復合開關器件,關斷時的電流拖尾會導致較大的關斷損耗,如果在關斷前使流過它的電流降到零,則可以顯著地降低開關損耗,因此IGBT宜采用零電流(ZCS)關斷方式。IGBT在 零電壓條件下關斷,同樣也能減小關斷損耗,但是MOSFET在零電流條件下開通時,并不能減小容性開通損耗。諧振轉換器(Resonant Converter ,RC)、準諧振轉換器(Quasi-Resonant Converter,QRC)、多諧振轉換器(Multi-Resonant Converter,MRC)、零電壓開關PWM轉換器(ZVS PWM Converter)、零電流開關PWM轉換器(ZCS PWM Converter)、零電壓轉換(Zero-Voltage-Transition,ZVT)PWM轉換器和零電流轉換(Zero- Voltage-Transition,ZVT)PWM轉換器等,均屬于軟開關直流轉換器。電力電子開關器件和零開關轉換器技術的發展,促使了高頻開關電源的發展。