設計無變壓器大電流電源供應器

作者 : Power Electronics News編輯團隊

雖說設計一個沒有龐大、笨重又昂貴變壓器的電源供應器架構在技術會是一個挑戰，但這種設計能為很多應用節省空間；以下讓我們來看看該如何在不使用變壓器的情況下設計大電流系統。

沒有變壓器的電源供應器使用容抗理論(capacitive reactance theory)來降低輸入交流電源(AC mains)的電壓。實際上應該要謹記，電網提供230V_AC (或110V_AC，取決於不同國家)的交流電壓，而輸出電壓必須連續且盡可能平整。

對於小功率應用不會有任何問題，但是對於大電流情況，電源的效率可能會降低。其基本理念主要是使用高壓電容器，將電源電壓降低到所需水準。電路輸出端的電流與電容器的電抗成正比(當然也與電容器的容量成正比)。因此可以簡單地透過並聯多個電容器，或使用容量非常大的電容器來增加輸出電流。但是，這樣做有可能產生非常大的初始峰值電流，進而導致嚴重問題。

圖1：無變壓器的12V、1A電源供應器電路圖。

上圖是無變壓器電源供應器的電路圖，該電源供應器將電壓從230V_AC降低到12V_DC，理論輸出電流為1A。這個原型僅用於在電源供應器上進行實驗，不能應用於敏感系統，例如醫療或安全性裝置，因為實際上其輸入和輸出之間沒有隔離。但對於一般的應用，其功能是可以保證的。此電路使用的電子元件如下：

• C1：33,000μF、25VL極化電解電容器(polarized electrolytic capacitor)；
• C2：≥μ400V、10μF的非極化聚酯電容器(Non-polarized polyester capacitor)；
•  C3：≥400V、10μF的非極化聚酯電容器；
• D1：二極體1N4007；
• D2：12V、3W齊納二極體；
• D3：二極體1N4007；
• D4：二極體1N4007；
• D5：二極體1N4007；
• D6：二極體1N4007；
• D7：二極體1N4007；
• D8：二極體1N4007；
• D9：二極體1N4007；
• D10：二極體1N4007；
• D11：二極體1N4007；
• D12：二極體1N4007；
• D13：二極體1N4007；
• R1：1Ω、5W電阻；
• R2：10Ω電阻——負載電阻，不小於10Ω；
• R3：470kΩ、1W電阻；
• R4：1Ω、5W電阻；
• R5：200mA保險絲。

以上每個電子元件都有其特定功能；該電路的運作機制非常明確：

1. 230VRMS交流電透過C2和C3所組成的限壓器(limiter)；R3可以在電路未通電時對電容器放電。
2. 1N4007二極體超級電橋(D10、D11、D6、D7、D1、D4、D3、D5、D9、D8、D12和D13)對電壓進行整流，將負半波轉換為正半波。這裡的二極體數量非常多，這樣可以分散功率、減少熱量，從而使其保持在元件製造商所規定的範圍內。
3. R1和R4用於稍微限制電流，以防在交流訊號過零期間電容器的阻抗非常低。
4. 200mA R5保險絲用於保護齊納二極體免受過大電流的影響。如果負載發生故障，則有可能遇到這種情況。該電路假定恆定存在10Ω負載。

電流、電壓和功率分析

現在來檢查一下電路在其正常運作期間的動態運作情況。必須從一開始就將10Ω負載連接到系統。在經過大約1s (大容量電解電容器C1充電的時間)的短時瞬變之後，電源開始運作。如下圖所示，這時輸出端及負載上的電壓穩定在12V。

圖2：電源運作期間負載上的電壓為12V。

從這一刻起，負載(10Ω)流過的電流約為1.2A，也即吸收功率為14.3W。現在來檢查一下最關鍵零件的電壓、電流和功率值。聚酯電容器C2和C3上的電壓相當高，峰值電壓約為320V，如圖3的波形圖所示。因此，不能使用200VL的非極化電容器，而必須將這個值提高到至少400VL，如果是630VL則更好。該電容組的總電容為20μF。

圖3：輸入限幅聚酯電容器上的電壓。

相反，圖4所示的曲線圖顯示了每個二極體1N4007上流過的電流。1N4007的產品規格表指出，即使脈衝電流更大，但該元件所能承受的最大電流等於1A。在任何情況下，它都在最大限值以內，這正是因為並聯使用了大量半導體元件。

圖4：流經每顆二極體的電流都控制在該元件所支援的最大限值以內。

齊納二極體上的峰值電流為150mA，平均值為34mA，有效值(RMS)為63mA。因此，在輸出處插入正確的負載後，該元件保持在低溫狀態，可以正常運作而不會有任何問題。如圖5所示，流經安全電阻R1和R4(都為1Ω)的電流近似為2A峰值的正弦波。

其RMS值約為1.4A，因此這兩個元件的最小功耗大約為3W。該電流的波形(以及這兩個電阻上的相對電壓波形)不是完美的正弦波，而是由於二極體的壓降，在過零點處會產生抵消——實際上是種交越失真(intersection distortion)。

圖5：流經安全電阻R1和R4的電流。

輸出端的漣波訊號

如圖6所示，漣波(ripple)在可接受的水準。其峰-峰值約為92mV，對應於0.75%，這對於不太複雜的負載類型來說是個完全可接受的值。當然，漣波頻率等於100Hz。

圖6：輸出訊號受漣波訊號的影響很小。

關閉電路要小心

當電路關閉時，電容器C2和C3可能會保持很長時間的充電狀態，因此必須格外小心。因此，建議將470kΩ的電阻與上述高壓電容器並聯，如圖1的電路圖所示。在正常運作條件下，其功耗約為110mW，因此不會影響電路的正常運作。但是，在沒有電的情況下，該電阻器會在大約50s內使電容器完全放電，而在20s後，電路就不再具有危險性(請見圖7的曲線圖)。

圖7：當電路關閉時，與電容器C2和C3並聯的電阻R3會使它們放電。

效率

此電路的效率並不是支援這種電源供應器的要點之一，過多的散熱會大幅降低最終產出。以下簡化的效率計算公式可提供輸出功率和輸入功率之間的關係：

從中得出：

最終的效率為69%——我們當然不能談最大效率。

實現這種電源供應器並不合宜

考量到所有潛在的問題，可以說採用傳統或開關式變壓器實現電源供應器，比用以上方法(參考圖8的實例)設置電路適合得多。負面因素很多，總結如下：

• 大容量、高電壓聚酯電容器的成本與1A小型變壓器的成本相當，甚至更高。此外，電解電容器的成本很高。
• 電路未與輸入網路隔離，因此會有潛在的危險。此外，有一個元件脫落或損毀，就可能導致整個設備發生損壞。
• 效率不是很高，不太適合為此做出這麼多的妥協。
• 最大輸出電流約為1A，這與需要20A或30A的電阻性或電感性負載相去甚遠。

圖8：無變壓器電源供應器設計示例。

結語

無變壓器電源電路有許多缺點，不適合精密和安全關鍵用途。這種電路無法提供大電流，並且輸出未與高壓輸入隔離。除了會出現電壓峰值以外，由於50Hz或60Hz的交流電，電容器還可能會吸收大電流，因此對整個電路存在潛在危險。無論如何，雖然在實踐中選擇這種解決方案不太可行，但是對種電源供應器的基礎理論有所了解總是有用處的。

本文同步刊登於《電子工程專輯》簡體中文版雜誌2021年2月號；責編：Judith Cheng

（參考原文：Power Supply Design Notes: High-Current Transformerless Power Supply，原文出自EE Times姊妹刊，ASPENCORE旗下Powerelectronicsnews網站）