スイッチング電源 — 一般原理、利点と欠点

今日、家庭用電化製品や電源に鉄製変圧器を見つけることはすでに困難です。 1990 年代になると、それらは急速に過去のものとなり始め、スイッチング コンバータまたはスイッチング電源 (略称 SMPS) に取って代わられました。

スイッチング電源は、サイズ、生成される DC 電圧の品質の点でトランスを上回り、出力電圧と電流を調整するための幅広いオプションがあり、伝統的に出力過負荷保護が装備されています。また、スイッチング電源は家庭内ネットワークにおける主な干渉源であると考えられていますが、その普及を逆転させることはできません。

変圧器供給:

スイッチング電流:

スイッチング電源は半導体スイッチのおかげで広く普及しています。 電界効果トランジスタ と ダイオードショットキー... インバータ、溶接機、無停電電源装置、TV、モニター用の内蔵電源など、現代のあらゆるスイッチング電源の心臓部となるのは、チョークや変圧器と連携して動作する電界効果トランジスタです。 — 現在では、ほとんどすべての電圧でパルス変換回路のみが使用されています。

パルスコンバータの一般的な動作原理は電磁誘導の法則に基づいており、この点でも同様です。 各変圧器付き… 唯一の違いは、主電源周波数 50 Hz の交流電圧が従来の主電源変圧器の一次巻線に直接印加され、直接変換され (その後、必要に応じて整流され)、スイッチング電源では主電源電圧がは、まず整流されて DC に変換され、次に特別な高周波 (50 ヘルツの主電源と比較して) 回路を使用してさらに増加または減少するパルスに変換されます。

スイッチング電源回路には、主電源整流器、スイッチ（またはスイッチ）、変圧器（またはチョーク）、出力整流器、制御ユニット、安定化および保護ユニットなどのいくつかの主要コンポーネントが含まれています。整流器、スイッチ、変圧器 (チョーク) は SMPS 回路の電源部分の基礎を形成し、電子ブロック (PWM コントローラーを含む) はいわゆるドライバーに属します。

したがって、主電源電圧は整流器を介して主電源フィルタのコンデンサに供給され、このようにして定電圧が得られます。その最大値は主電源電圧の現在の平均値に応じて 305 ～ 340 ボルトです ( 215 から 240 ボルトまで）。

整流された電圧はパルスの形で変圧器（チョーク）の一次巻線に印加されます。その繰り返し周波数は通常、主要な制御回路によって決定され、その持続時間は供給される負荷の平均電流によって決定されます。 。

数十～数百kHzの周波数のスイッチでトランスやチョークの1次巻線とフィルタコンデンサを接続・遮断し、トランスやチョークコアの磁化を反転させます。

変圧器とチョークの違い: チョークでは、電源からコアへのエネルギーの蓄積と、コアから巻線を介して負荷へのエネルギーの伝達の段階が時間的に分離されますが、変圧器ではこれが同時に行われます。

チョークは、昇圧 - 昇圧、降圧 - ダウンなどのトポロジのガルバニック絶縁のないコンバータだけでなく、逆トポロジのガルバニック絶縁を備えたコンバータでも使用されます。このトランスは、ブリッジ-フルブリッジ、ハーフブリッジ-ハーフブリッジ、プッシュ-プル-プッシュ-プル、フォワード-フォワードのトポロジのガルバニック絶縁を備えたコンバータで使用されます。

スイッチは 1 つ (バックアップ コンバータ、フォワード コンバータ、ガルバニック絶縁なしのブーストまたはバック コンバータ) にすることも、電源セクションに複数のスイッチ (ハーフブリッジ、ブリッジ、プッシュ) を含めることもできます。

スイッチの制御回路は、電源の出力から、この信号の値、パルスの幅（デューティサイクル）に従って、負荷の電圧または電圧と電流のフィードバック信号を受け取ります。スイッチの導通状態の持続時間を制御し、自動的に調整されます。

出力は次のように整理されます。トランスまたはインダクタの二次巻線、またはインダクタの単巻線（ガルバニック絶縁のないコンバータについて話している場合）から、全波整流器のショットキー ダイオードを介して、パルス電圧がフィルタに供給されます。コンデンサー。

電圧フィードバック信号を受信する分圧器もあり、電流センサーも存在する場合があります。負荷は、追加の出力ローパス フィルターを介して、または直接フィルター コンデンサに接続されます。