高頻開關電源

第第頁高頻開關電源高頻開關電源（也稱為開關型整流器SMR）通過MOSFET或IGBT的高頻工作，開關頻率一般掌控在50—100kHz范圍內，實現(xiàn)高效率和小型化。目錄進展趨勢重要功能掌控方式穩(wěn)壓原理電源原理分類產品特點誕生過程進展趨勢在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路特別巨大而笨重,假如采納高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源更改用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動掌控。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源（逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等）的核心技術。高頻化理論分析和實踐閱歷表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5～l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以依據這一原理進行改造,成為“開關變換類電源”,其重要材料可以節(jié)省90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的漸漸提高,促使很多原來采納電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)省材料的經濟效益,更可體現(xiàn)技術含量的價值。模塊化模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七元,包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實質上都屬于“標準”功率模塊（SPM）。有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了“智能化”功率模塊（IPM）,不但縮小了整機的體積,更便利了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力（表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺）。為了提高系統(tǒng)的牢靠性,有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊（ASPM）,它把一臺整機的幾乎全部硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(yōu)化完美的境地。它仿佛于微電子中的用戶專用集成電路（ASIC）。只要把掌控軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用便利,縮小整機體積,更緊要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至,提高系統(tǒng)的牢靠性。另外,大功率的開關電源,由于器件容量的限制和加添冗余提高牢靠性方面的考慮,一般采納多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作,采納均流技術,全部模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下充足了大電流輸出的要求,而且通過加添相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)牢靠性,即使萬一顯現(xiàn)單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復供給充分的時間。數字化在傳統(tǒng)功率電子技術中,掌控部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十時代,電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是,數字式信號、數字電路顯得越來越緊要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理掌控、避開模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾（提高抗干擾本領）、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十時代,對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容（EMC）問題以及功率因數修正（PFC）等問題的解決,離不開模擬技術的學問,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機掌控時,數字化技術就離不開了。綠色化電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)省,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的緊要原因,所以節(jié)電就可以削減對環(huán)境的污染；其次這些電源不能（或少）對電網產生污染,國際電工委員會（IEC）對此訂立了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,很多功率電子節(jié)電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合很多毛刺尖峰,甚至顯現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。這些為2l世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。現(xiàn)代電力電子技術是開關電源技術進展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷顯現(xiàn),現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速進展。在傳統(tǒng)的應用技術下,由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓撲和新型的掌控技術,可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態(tài),從而可大大的提高工作頻率,提高開關電源工作效率,設計出性能優(yōu)良的開關電源。總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前進展,新技術的顯現(xiàn)又會使很多應用產品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現(xiàn),將標志著這些技術的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業(yè)的進展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發(fā)討論。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內市場正在啟動,并將很快進展起來。還有其它很多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們去開發(fā)。重要功能（1）通過MODEM和電話網與監(jiān)控中心通信，從通信口讀取高頻開關電源的信息；（2）測量模塊的輸出電流和電壓、直流母線電流和電壓、電源的輸出電流和電壓、電池充放電電流和電壓等；（3）掌控電源的輸出電流和穩(wěn)流，掌控電源的開關機等；（4）掌控高頻開關電源實現(xiàn)對蓄電池浮充、均充方式的自動轉換；（5）掌控硅鏈的自動或手動投切，保證掌控母線的穩(wěn)壓精度，進而保證微機和晶體管保護用電的牢靠性，防止造成保護誤動；（6）調整充電限流值和總輸出電流穩(wěn)流值；（7）具有本地和遠程掌控方式，采納密碼允許或禁止方式操作，以加強系統(tǒng)運行牢靠性。掌控方式按TRC掌控原理，有三種方式：一、脈沖寬度調制（PulseWidthModulation,縮寫為PWM）開關周期恒定，通過更改脈沖寬度來更改占空比的方式。二、脈沖頻率調制（PulseFrequencyModulation,縮寫為PFM）導通脈沖寬度恒定，通過更改開關工作頻率來更改占空比的方式。三、混合調制導通脈沖寬度和開關工作頻率均不固定，彼此都能更改的方式，它是以上二種方式的混合。高頻開關電源不需要大幅度提高開關速度就可以在理論上把開關損耗降到零，而且噪聲也小。穩(wěn)壓原理開關掌控穩(wěn)壓原理開關K以肯定的時間間隔重復地接通和斷開，在開關K接通時，輸入電源E通過開關K和濾波電路供給應負載RL，在整個開關接通期間，電源E向負載供給能量；當開關K斷開時，輸入電源E便停止了能量的供給。可見，輸入電源向負載供給能量是斷續(xù)的，為使負載能得到連續(xù)的能量供給，開關穩(wěn)壓電源必需要有一套儲能裝置，在開關接通時將一部份能量儲存起來，在開關斷開時，向負載釋放。圖中，由電感L、電容C2和二極管D構成的電路，就具有這種功能。電感L用以儲存能量，在開關斷開時，儲存在電感L中的能量通過二極管D釋放給負載，使負載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量，因二極管D使負載電流連續(xù)不斷，所以稱為續(xù)流二極管。在AB間的電壓平均值EAB可用下式表示：EAB=TON/T*E式中TON為開關每次接通的時間，T為開關通斷的工作周期（即開關接通時間TON和關斷時間TOFF之和）。由式可知，更改開關接通時間和工作周期的比例，AB間電壓的平均值也隨之更改，因此，隨著負載及輸入電源電壓的變化自動調整TON和T的比例便能使輸出電壓V0維持不變。更改接通時間TON和工作周期比例亦即更改脈沖的占空比，這種方法稱為“時間比率掌控”（TimeRatioControl,縮寫為TRC）。電源原理主電路從交流電網輸入、直流輸出的全過程，包括：1、輸入濾波器：其作用是將電網存在的雜波過濾掉，同時也防止本機產生的雜波反饋到公共電網。2、整流與濾波：將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級變換。3、逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。4、輸出整流與濾波：依據負載需要，供給穩(wěn)定牢靠的直流電源。掌控電路一方面從輸出端取樣，經與設定標準進行比較，然后去掌控逆變器，更改其頻率或脈寬，達到輸出穩(wěn)定，另一方面，依據測試電路供給的資料，經保護電路辨別，供給掌控電路對整機進行各種保護措施。檢測電路除了供給保護電路中正在運行中各種參數外，還供給各種顯示儀表資料。輔佑襄助電源供給全部單一電路的不同要求電源。分類開關型穩(wěn)壓電源的電路結構有多種：（1）按驅動方式分，有自勵式和他勵式。（2）按DC/DC變換器的工作方式分：①單端正勵式和反勵式、推挽式、半橋式、全橋式等；②降壓型、升壓型和升降壓型等。（3）按電路構成分，有諧振型和非諧振型。（4）按掌控方式分：①脈沖寬度調制（PWM）式；②脈沖頻率調制（PFM）式；③PWM與PFM混合式。（5）按電源是否隔離和反饋掌控信號耦合方式分，有隔離式、非隔離式和變壓器耦合式、光電耦合式等。以上這些方式的組合可構成多種方式的開關型穩(wěn)壓電源。因此設計者需依據各種方式的特征進行有效地組合，制作出充足需要的高質量開關型穩(wěn)壓電源。產品特點1本產品采納進口元器件和國際先進的全橋逆變換流技術精密加工而成，使整機的性能穩(wěn)定，質量更加牢靠。2整機具有過壓，過流，超溫，短路，缺相等自動保護報警功能和軟啟動功能。并可加裝時間掌控和計算機接口。3直流輸出波形為高頻方波，紋波系數《1%，可提高鍍數，拒絕鈍化，加強鍍層表面的光澤度和鍍件暗角的鉆芯度。并可削減原材料的損耗，達到電鍍行業(yè)的各種特別要求。4高頻開關電源采納風冷式設計，安裝便利。并配有遠控裝置，操作簡單?？梢詭ж撦d開關機，削減調整的繁瑣程序。5體積小、重量輕，整機運用了全方位的防腐工藝制作，加強了產品的防腐蝕本領，延長了使用壽命。6高效，節(jié)能，工作效率達到90%以上，任意電壓電流比始終成線性匹配。省去了傳統(tǒng)整流器的調壓器和主變的損耗，節(jié)能在35%以上，大大的減輕了電鍍成本，實為表面處理行業(yè)最理智的選擇。誕生過程20世紀60時代大量應用的線性調整器式直流穩(wěn)壓電源，由于它存在著以下諸多的缺點，如體積重量大，很難實現(xiàn)小型化、損耗大、效率低、輸出與輸入之間有公共端，不易實現(xiàn)隔離，只能降壓，不能升壓，很難在輸出大于5A的場合應用等，已開始被開關調整器式直流穩(wěn)壓電源所取代。1964年，日本NEO雜志發(fā)表了兩篇具有引導性的文章：一篇為“用高頻技術使AC變DC電源小型化”；另一篇為“脈沖調制用于電源小型化”。這兩篇文章指明白開關調整器式直流穩(wěn)壓電源小型化的討論方向，即一是高頻化，二是采納脈沖寬度調制技術。經過將近10年的討論、開發(fā)取得了良好的結果。1973年，美國摩托羅拉公司發(fā)表了一篇題為“觸發(fā)起20kHz的革命”的文章，自此活著界范圍內就掀起了高頻開關電源的開發(fā)熱潮，并將DC/DC轉換器作為開關調整器用于開關電源，使電源的功率密度由1～4W/in3加添到40～50W/in3、首先被采納的是Buck轉換器。到20世紀80時代中期，Buck、Boost和Buck￣Boost轉換器也應用到開關電源中。20世紀70時代中期，美國加州理工學院研制出一種新型開關轉換器，稱為Cuk轉換器（是以創(chuàng)造人S1obodanCuk的姓來命名的）。Cuk轉換器與Buck—Boost轉換器互為對偶，也是一種升降壓轉換器。20世紀80時代中期以后漸漸被應用到開關電源中。1976年，美國P。W，Clarke研制出一種有變壓器的“原邊電感式轉換器”（PrimaryInductanceConverter）簡稱PIC，獲得專利，并且也應用到開關電源中。1977年，Bell試驗室在PIC的基礎上，研制出有變壓器的“單端原邊電感式轉換器”（Single—EndedPr