開關(guān)電源地發(fā)展與應(yīng)用

1、實用文案高頻開關(guān)電源的應(yīng)用與發(fā)展On Application and Development of High frequency SMPS上海輕工業(yè)設(shè)計院周德賢（上海 200031）1高頻電源系統(tǒng)方框圖高頻開關(guān)整流器一般是先將交流電直接經(jīng)二極管整流、 濾波成直流電，再經(jīng) 過開關(guān)電源變換成高頻交流電，通過高頻變壓器變壓隔離后，由快速恢復(fù)二極管 高頻整流、電感電容濾波后輸出，見圖 1。圖12采用高頻化有較高技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)理論分析和實踐經(jīng)驗表明，電器產(chǎn)品的體積重量與其供電頻率的平方根成反 比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻 50Hz提高到20kHz時，用電設(shè)備的體積重量大體 上降至工頻設(shè)計的（510） %。這

2、正是開關(guān)電源實現(xiàn)變頻帶來明顯效益的基本 原因。逆變或整流焊機(jī)、通訊電源用浮充電源的開關(guān)式整流器， 都是基于這一原 理。那么，以同樣的原理對傳統(tǒng)的電鍍、電解、電加工、浮充、電力合閘等各種 直流電源加以類似的改造，使之更新?lián)Q代為“開關(guān)變換類電源”，其主要材料可 以節(jié)約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 逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化， 既可帶來顯著節(jié)能、 節(jié)材的經(jīng)濟(jì)效益，更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。3設(shè)計模塊化一一自由組合擴(kuò)容互為備用提高安全系數(shù)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。實際上，由于頻率的不斷提高，

3、致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈 加嚴(yán)重，對器件造成更大的應(yīng)力（表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺）。為了提高系統(tǒng) 的可靠性，而把相關(guān)的部分做成模塊。標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案把開關(guān)器件的驅(qū)動、保護(hù)電路也裝到功率模塊中去，構(gòu)成了 “智能化”功率 模塊（IPM）,這既縮小了整機(jī)的體積，又方便了整機(jī)設(shè)計和制造。多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術(shù)，所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流， 一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔(dān)負(fù)載電流。 這樣，不但提高了功率 容量，在器件容量有限的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊， 便極大地提高了系統(tǒng)可靠性，即使萬一出 現(xiàn)單模塊故障，也不會影

4、響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復(fù)提供了充分的時間。4高頻開關(guān)電源產(chǎn)品規(guī)格（見表1、表2）表 1 功率 500W- 3000W型號SZ 500SZ- 1000SZ- 2000SZ- 3000輸出電壓5100V10700 V25100V24 36 V電流5100A10700A8 80A85125A穩(wěn)定度（）1111輸入電壓（V）AC220AC220AC220AC220模塊重量（kg）1.524.58表 2 功率 5000W- 20000W型號SZ- 5000SZ- 10000SZ- 20000輸出電壓24 36 V24 48V24 48 V電流140 210A208360A420850A穩(wěn)定度（）11

5、1輸入電壓（V）AC380AC380AC380模塊重量（kg）142040以上產(chǎn)品重量僅為傳統(tǒng)產(chǎn)品重量的1/51/8。5國內(nèi)外IGBT逆變焊機(jī)的發(fā)展情況IGBT逆變焊機(jī)具有動態(tài)特性好、體積小、重量輕、高效節(jié)能、節(jié)材、有利 于焊接自動化等優(yōu)點。從70年代起，就受到國內(nèi)外焊機(jī)界的高度重視。當(dāng)今， 許多工業(yè)國家，如美國、西歐等把“絕緣柵雙極型晶體管"（IGBT）運用到焊機(jī)上，其各項指標(biāo)均優(yōu)于其他類型焊機(jī)，已形成規(guī)模，并占領(lǐng)了市場，成為焊機(jī)的 發(fā)展方向。目前，我國進(jìn)口的焊機(jī)，大多是這種焊機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，近年來我國每年的焊機(jī)銷量以大約40%的速度遞增，同時有關(guān)部門已決定淘汰老

6、式焊機(jī)，IGBT逆變焊機(jī)以其優(yōu)點，成為用戶更新?lián)Q代的 首選產(chǎn)品。5. 1原理框圖見圖2圖25. 2原理說明380(220) V交流電，經(jīng)全橋整流成直流電源；通過IGBT逆變器，形成20kHz 的高頻矩形波；再由高頻變壓器降壓到幾十伏通過快速恢復(fù)二極管整流、 濾波成 為直流焊接電源。5. 3IGBT焊機(jī)主要優(yōu)點： 動態(tài)特性好，焊接質(zhì)量高,體積小，重量輕 噪音低 效率高，節(jié)能近幾年來，我國也有許多廠家從事IGBT焊機(jī)的開發(fā)和生產(chǎn)。國產(chǎn)焊機(jī)與進(jìn) 口產(chǎn)品相比有價格較低的優(yōu)勢。但由于多方面的原因，目前國產(chǎn)的IGBT逆變焊機(jī)，在設(shè)計技術(shù)、制造工藝、元器件可靠性等方面都有不同程度的問題，使得故 障率較高。到

7、目前為止，還沒有一個廠家的產(chǎn)品在廣大用戶心目中建立可靠的產(chǎn) 品形象?？梢赃@樣說，“誰能有突破，掌握高品質(zhì)的產(chǎn)品，解決了國產(chǎn)IGBT焊機(jī)的可靠性問題，誰就可以占領(lǐng)這個市場”。ZX7 400 逆變 弧焊整流器AT7- 400 直流弧焊 發(fā)電機(jī)ZXGJ40硅整流弧 焊機(jī)ZXG- 400磁放大器 整流器ZX5- 400 品閘管整額定輸出電流 (A)400400400400400標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案額正負(fù)載持續(xù) 率60%60%60%60%60%輸出空載電壓 （V）70 8060 9071.58063輸入電壓（V）3X3803X3803X3803X3803X380效率（）855376.57574COS>

8、0.98（入 =0.79）0.90.680.550.75重量（kg）44370238310220外型尺寸長（mm560950685690594寬（mrm254590570490495高（mm415890107595210006電力智能高頻開關(guān)整流器目前我國各地的發(fā)電廠、水電站及 500kV、220kV、110kV、35kV等各類變電 站所使用的直流電源設(shè)備（包括供給斷路器分合閘用，后備電池充電以及二次回 路的儀器儀表，繼電保護(hù)，控制應(yīng)急燈照明等各類低壓設(shè)備用電），大部分采用 的是相控電源或磁飽和式電源，由于受工藝水平和器件特性的限制， 上述電源長 期以來處于低技術(shù)指標(biāo)、維護(hù)保養(yǎng)難的狀況。由于受

9、變壓器或晶閘管自身參數(shù)的 限制，上述電源存在很多不足之處，諸如：初充電流、浮充電流不穩(wěn)，系統(tǒng)紋波 電壓過高，控制特性不佳，不便于同計算機(jī)系統(tǒng)配接實現(xiàn)監(jiān)控等。同時，目前充 電設(shè)備與蓄電池并聯(lián)運行，當(dāng)電源紋波系數(shù)較大，浮充電壓波動或偏低時，會出 現(xiàn)蓄電池脈動充電、放電現(xiàn)象，造成蓄電池組或單體的過早損壞。 除了很多技術(shù) 指標(biāo)方面的缺陷外，上述電源還存在體積龐大，效率不高，1 + 1冗余投資大等不足之處，應(yīng)該說已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足飛速發(fā)展的電力工程的需要，而以體積小、重量輕、效率高、輸出紋波低、動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、模塊可疊加輸出、N+ 1冗余等為特點的高頻開關(guān)電源逐步取代相控電源或磁飽和式電源已是大勢所

10、趨， 特別是近十年來電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及功率器件制造技術(shù)的提高，更使高頻開關(guān)電源的可靠性及適用面大大優(yōu)于相控電源和磁飽和式電源，所以90年代以后，美國、德國等西方發(fā)達(dá)國家新建電廠和變電站的相關(guān)設(shè)備已全部采用高頻 開關(guān)電源，并完成了對舊有電源設(shè)備的改造。模塊采用三相三線制380V平衡輸入，無表4高頻電力模塊特點及技術(shù)參數(shù)項目指標(biāo)測試條件最小標(biāo)稱 值最大標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案輸入電壓范圍 (VAC260380456輸出240VDC滿載輸出可調(diào)范圍 (VDQ180230300輸入380VAC滿載穩(wěn)壓精度0.01 %0.5 %輸出 198296VDC,(20100) %日， 輸入260456VAC穩(wěn)流

11、精度0.08 %0.5 %輸出 198286VDC (20100) % 日， 輸入260456VAC動態(tài)響應(yīng)100ji s150 p s400ji s額定輸出20%75%負(fù)裁躍變充電機(jī)效率88%90%91%輸出 300V, 5A最大可聞噪聲 (dB)5060滿載，環(huán)境噪音40dB表5高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)與常規(guī)電源直流系統(tǒng)的比較技木指標(biāo)內(nèi)谷開關(guān)電源直流系統(tǒng)SCFg流系統(tǒng)常規(guī)直流系統(tǒng)穩(wěn)壓穩(wěn)流精度<0.1 %<0.5%<2%紋波系數(shù)0.1 %0.5%<2%源效應(yīng)0.05 %0.6%<2%負(fù)裁效應(yīng)0.1 %0.5%<3%效率>90%>85%<75%

12、功率因數(shù)>75%,可校正0.7<0.6開機(jī)浪涌電子控制，無無感性負(fù)數(shù)，有可靠性Hj, N+ 1 冗余較局，1 + 1冗余低，1 + 1冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化并聯(lián)結(jié)構(gòu)柜屏柜(屏)式結(jié)構(gòu)監(jiān)控功能完善較完善備有系統(tǒng)操作管理功能體積重量小，輕中等大，重電池管理功能完善較好電力高頻開關(guān)整流領(lǐng)域又添新力軍一一深圳新能力科技有限公司國家電力事業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展， 取得了舉世矚目的成就。其中直流操作電源也 經(jīng)歷了從磁飽和電源至晶閘管電源， 到目前的高頻開關(guān)電源，在發(fā)展過程中每一 次的進(jìn)步都是電力應(yīng)用領(lǐng)域的一次革命。標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案高頻開關(guān)整流技術(shù)是國家頒布優(yōu)先發(fā)展的高科技項目。新能力科技公司始終走在高

13、頻開關(guān)技術(shù)前沿，與國情相結(jié)合，開發(fā)高頻開關(guān)整流系列產(chǎn)品，最大限度地滿足市場的需要，被列為國家科技部重點扶持企業(yè)。新能力公司提供的不僅僅是性能可靠和品種、規(guī)格豐富的產(chǎn)品，而且其中蘊含著卓越的服務(wù)理念，并以實現(xiàn)民族產(chǎn)業(yè)為已任，成為電力高頻開關(guān)整流領(lǐng)域的新力軍，體現(xiàn)了中國人的新能力！中線電流損耗，在交流輸入端，采用先進(jìn)的尖峰抑制器件及EMI 濾波電路，由全橋整流電路將三相交流電整流為直流， 再由DC/DQW頻變換電路（300kHz）把所 得的直流電逆變成穩(wěn)定可調(diào)的直流電輸出。脈寬調(diào)制電路（PWM及軟開關(guān)諧振電路根據(jù)電網(wǎng)和負(fù)載的變化，自動調(diào)節(jié)高頻開關(guān)的脈沖寬度和移相角，使輸出電壓電流在任何允許的情況下

14、都能保持穩(wěn)定。7 開關(guān)電源的發(fā)展趨勢在功率電子技術(shù)的應(yīng)用及基本電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。傳統(tǒng)的相控型電源非常龐大而笨重，例如逆變焊機(jī)、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源。如果采用高頻開關(guān)電源技術(shù)，其體積和重量都會大幅度下降，而且可較大地提高電能利用率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和交流傳動中，更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率，從而達(dá)到近乎理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動控制?，F(xiàn)在， 開關(guān)電源技術(shù)方興未艾，而近年來又被大的市場需求所推動，必將帶來開關(guān)電源技術(shù)的大發(fā)展。這幾年， 隨著通信行業(yè)的發(fā)展，以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信電源，國內(nèi)將有較大的市場需求。開關(guān)電源代

15、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(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在起動， 并將很快發(fā)展起來。還有其他許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源，也將得到迅速發(fā)展。電磁兼容是指在有限的空間、時間和頻譜范圍內(nèi)，各種電氣設(shè)備共存而不引起性能的下降，它包括電磁騷擾（EMD和電磁敏感（EMS兩方面白內(nèi)容。EM此指 電氣產(chǎn)品向外發(fā)出噪聲，EMS®是指電氣產(chǎn)品抵抗外來電磁騷擾的能力。一臺具 備良好電磁兼容性能的設(shè)備，應(yīng)該既不受周圍電磁環(huán)境的影響也不對周圍造成電磁騷擾。開關(guān)電源中的功率開關(guān)管在高頻下的通、斷過程產(chǎn)生大幅度的電壓和電流跳變，因而產(chǎn)生強大的電磁騷擾，但騷擾的頻率

16、范圍（<30MHZ是比較低的。多數(shù)小功率開關(guān)電源的幾何尺寸遠(yuǎn)小于 30MHz電磁場對應(yīng)的波長（空氣介質(zhì)中約 為10m ,開關(guān)電源系統(tǒng)研究的電磁騷擾現(xiàn)象屬于似穩(wěn)場的范圍，研究它們的電 磁騷擾問題時，主要考慮的是傳導(dǎo)騷擾。開關(guān)電源中的電磁騷擾源主要有開關(guān)器件、二極管和非線性無源元件；在開關(guān)電源中，印制板布線不當(dāng)也是引起電磁騷擾的一個主要因素標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁騷擾對開關(guān)電源來說，開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁騷擾是開關(guān)電源的主要騷擾源之一。開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心，主要由開關(guān)管和高頻變壓器組成。它產(chǎn)生的dv/d t 是具有較大輻度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖騷擾產(chǎn)生的主要原因是1

17、） 開關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級線圈，是感性負(fù)載。在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，初級線圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關(guān)管斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰。這種電源電壓中斷會產(chǎn)生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個噪聲會傳導(dǎo)到輸入輸出端，形成傳導(dǎo)騷擾，重者有可能擊穿開關(guān)管。2）脈沖變壓器初級線圈，開關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射騷擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的

18、高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)騷擾。二極管整流電路產(chǎn)生的電磁騷擾主電路中整流二極管產(chǎn)生的反向恢復(fù)電流的|d i /dt | 遠(yuǎn)比續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流的|d i/dt | 小得多。作為電磁騷擾源來研究，整流二極管反向恢復(fù)電流形成的騷擾強度大，頻帶寬。 整流二極管產(chǎn)生的電壓跳變遠(yuǎn)小于電源中的功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時產(chǎn)生的電壓跳變。因此，不計整流二極管產(chǎn)生的|dv/dt | 和|d i /d t | 的影響，而把整流電路當(dāng)成電磁騷擾耦合通道的一部分來研究也是可以的。2.1.3 dv/dt 與負(fù)載大小的關(guān)系功率開關(guān)管開通和關(guān)斷時產(chǎn)生的dv/d t 是開關(guān)電源的主要騷擾源。經(jīng)理論

19、分析及實驗表明，負(fù)載加大，關(guān)斷產(chǎn)生的|dv/dt | 值加大，而負(fù)載變化對開通的|d v/d t | 影響不大。由于開通和關(guān)斷時產(chǎn)生的|d v/d t | 不同， 從而對外部產(chǎn)生的騷擾脈沖也是不同的。開關(guān)電源電磁噪聲的耦合通道描述開關(guān)電源和系統(tǒng)傳導(dǎo)騷擾的耦合通道有兩種方法：1 ）將耦合通道分為共模通道和差模通道；2 ）采用系統(tǒng)函數(shù)來描述騷擾和受擾體之間的耦合通道的特性。本文采用第一種方法進(jìn)行論述。2.2.1 共模和差模騷擾通道標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案開關(guān)電源在由電網(wǎng)供電時，它將從電網(wǎng)取得的電能變換成另一種特性的電能供給負(fù)載。同時開關(guān)電源又是一噪聲源，通過耦合通道對電網(wǎng)、開關(guān)電源本身和其它設(shè)備產(chǎn)生騷擾，

20、通常多采用共模和差模騷擾加以分析?！肮材ｒ}擾”是指騷擾大小和方向一致，其存在于電源任何一相對大地、或中線對大地間。共模騷擾也稱為縱模騷擾、不對稱騷擾或接地騷擾。是載流體與大地之間的騷擾?！安钅ｒ}擾”是指大小相等，方向相反，其存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模騷擾也稱為常模騷擾、橫模騷擾或?qū)ΨQ騷擾。是載流體之間的騷擾。共模騷擾說明騷擾是由輻射或串?dāng)_耦合到電路中的，而差模騷擾則說明騷擾源于同一條電源電路的。通常這兩種騷擾是同時存在的，由于線路阻抗的不平衡，兩種騷擾在傳輸中還會相互轉(zhuǎn)化，情況十分復(fù)雜。共模騷擾主要是由|d v/d t | 產(chǎn)生的， |d i /d t | 也產(chǎn)生一定的共模騷擾

21、。但是， 在低壓大電流的開關(guān)電源中， 共模騷擾主要是由|dv/dt | 產(chǎn)生的還是由|d i /dt | 產(chǎn)生的， 需要進(jìn)一步研究。在頻率不是很高的情況下，開關(guān)電源的騷擾源、耦合通道和受擾體實質(zhì)上構(gòu)成一多輸入多輸出的電網(wǎng)絡(luò)，而將其分解為共模和差模騷擾來研究是對上述復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的一種處理方法，這種處理方法在某種場合還比較合適。但是， 將耦合通道分為共模和差模通道具有一定的局限性，雖然能測量出共模分量和差模分量， 但共模分量和差模分量是由哪些元器件產(chǎn)生的，的確不易確定。因此有人用系統(tǒng)函數(shù)的方法來描述開關(guān)電源騷擾的耦合通道，即研究耦合通道的系統(tǒng)函數(shù)與各元器件的關(guān)系，建立耦合通道的電路模型。許多系統(tǒng)分析的

22、結(jié)果，如靈敏度的分析、模態(tài)的分析等，都可用來研究開關(guān)電源的 EMD勺調(diào)試和預(yù)測。但是，用系 統(tǒng)函數(shù)的方法分析騷擾的耦合通道，還需要做很多工作。2.2.2 雜散參數(shù)影響耦合通道的特性在傳導(dǎo)騷擾頻段（小于30MHz范圍內(nèi)，多數(shù)開關(guān)電源騷擾的耦合通道是可以用電路網(wǎng)絡(luò)來描述的。但是， 在開關(guān)電源中的任何一個實際元器件，如電阻器、電容器、電感器乃至開關(guān)管、二極管都包含有雜散參數(shù)，且研究的頻帶愈寬， 等值電路的階次愈高，因此， 包括各元器件雜散參數(shù)和元器件間的耦合在內(nèi)的開關(guān)電源的等效電路將復(fù)雜得多。在高頻時，雜散參數(shù)對耦合通道的特性影響很大，分布電容的存在成為電磁騷擾的通道。另外，在開關(guān)管功率較大時，集電

23、極一般都需加上散熱片，散熱片與開關(guān)管之間的分布電容在高頻時不能忽略，它能形成面向空間的輻射騷擾和電源線傳導(dǎo)的共模騷擾。3 電磁騷擾的抑制對開關(guān)電源的EMD勺抑制措施，主要是1 ）減小騷擾源的騷擾強度；標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案2 ）切斷騷擾傳播途徑。為了達(dá)到這個目的，主要從選擇合適的開關(guān)電源電路拓?fù)洌徊捎谜_的接地、屏蔽、濾波措施；設(shè)計合理的元器件布局及印制板布線等幾個方面考慮。3.1 減小開關(guān)電源本身的騷擾減小開關(guān)電源本身的騷擾是抑制開關(guān)電源騷擾的根本，是使開關(guān)電源電磁騷擾低于規(guī)定極限值的有效方法。1 ）減小功率管通、斷過程中產(chǎn)生的騷擾上面分析表明，開關(guān)電源的主要騷擾是來自功率開關(guān)管通、斷的dv/d

24、t 。因此減小功率開關(guān)管通、斷的 dv/d t 是減小開關(guān)電源騷擾的重要方面。人們通常認(rèn)為軟開關(guān)技術(shù)可以減小開關(guān)管通、斷的 dv/dt。但是，目前的一些研究結(jié)果表明軟開關(guān)并不像人們預(yù)料的那樣，可以明顯地減小開關(guān)電源的騷擾。沒有實驗結(jié)果表明，軟開關(guān)變換器在EMC生能方面明顯地優(yōu)于硬開關(guān)變換器。有文獻(xiàn)系統(tǒng)地研究了 PW亞激式變換器、準(zhǔn)諧振零電流變頻開關(guān)正激變換器、 多諧振零電壓變頻開關(guān)反激式變換器、多揩振零電壓變頻開關(guān)正激變換器、電壓箝位多諧振零電壓定頻開關(guān)反激式變換器以及半橋式零電壓變頻串聯(lián)諧振變換器的EM時性，討論了緩沖電路、箝位電路、變頻與定頻控制對騷擾水平的影響。實驗結(jié)果表明，具有電壓箝位

25、的零電壓定頻開關(guān)變換器的EMDt平最低。因此，采用軟開關(guān)電源技術(shù)，結(jié)合合理的元器件布置及合理的印制電路板布線，對開關(guān)電源的EMDK平有一定的改善。2 ）開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)將頻率不變的調(diào)制改變?yōu)殡S機(jī)調(diào)制，變頻調(diào)制等。頻率固定不變的調(diào)制脈沖產(chǎn)生的騷擾在低頻段主要是調(diào)制頻率的諧波騷擾，低頻段的騷擾主要集中在各諧波點上。由F.Lin 提出的開關(guān)頻率調(diào)制方法3，其基本思想是通過調(diào)制開關(guān)頻率fc的方法，把集中在開關(guān)頻率fc及其諧波2fc, 3fc上的能量分散到它們 周圍的頻帶上，由此降低各個頻點上的EMD6值，以達(dá)到低于EMLB準(zhǔn)規(guī)定的限 值。這種開關(guān)調(diào)頻PWMJ方法雖然不能降低總的騷擾能量， 但它把能量分

26、散到頻 點的基帶上，以達(dá)到各個頻點都不超過 EMDK定的限值。3.2 接地“接地”有設(shè)備內(nèi)部的信號接地和設(shè)備接大地，兩者概念不同，目的也不同?！暗亍钡慕?jīng)典定義是“作為電路或系統(tǒng)基準(zhǔn)的等電位點或平面”。3.2.1 設(shè)備的信號接地設(shè)備的信號接地，可能是以設(shè)備中的一點或一塊金屬來作為信號的接地參考點，它為設(shè)備中的所有信號提供了一個公共參考電位。標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案在這里介紹浮地和混合接地，另外，還有單點接地和多點接地。1 ）浮地采用浮地的目的是將電路或設(shè)備與公共接地系統(tǒng)，或可能引起環(huán)流的公共導(dǎo)線隔離開來。浮地還可以使不同電位間的電路配合變得容易。實現(xiàn)電路或設(shè)備浮地的方法有變壓器隔離和光電隔離。浮地的最大

27、優(yōu)點是抗騷擾性能好。浮地的缺點是由于設(shè)備不與公共地相連，容易在兩者間造成靜電積累，當(dāng)電荷積累到一定程度后，在設(shè)備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電，而成為破環(huán)性很強的騷擾源。一個折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個阻值很大的泄放電阻，用以釋放所積累的電荷。注意控制釋放電阻的阻抗，太低的電阻會影響設(shè)備泄漏電流的合格性。2 ）混合接地混合接地使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時呈現(xiàn)不同的特性，這在寬帶敏感電路中是必要的。電容對低頻和直流有較高的阻抗，因此能夠避免兩模塊之間的地環(huán)路形成。當(dāng)將直流地和射頻地分開時，將每個子系統(tǒng)的直流地通過10100nF的電容器接到射頻地上，這兩種地應(yīng)在一點有低阻抗連接起

28、來，連接點應(yīng)選在最高翻轉(zhuǎn)速度（di/dt）信號存在的點。3.2.2 設(shè)備接大地在工程實踐中，除認(rèn)真考慮設(shè)備內(nèi)部的信號接地外，通常還將設(shè)備的信號地， 機(jī)殼與大地連在一起，以大地作為設(shè)備的接地參考點。設(shè)備接大地的目的是1 ）保證設(shè)備操作人員人身的安全。2 ） 泄放機(jī)箱上所積累的電荷，避免電荷積累使機(jī)箱電位升高，造成電路工作的不穩(wěn)定。3 ） 避免設(shè)備在外界電磁環(huán)境的作用下使設(shè)備對大地的電位發(fā)生變化，造成設(shè)備工作的不穩(wěn)定。由此可見，設(shè)備接大地除了是對人員安全、設(shè)備安全的考慮外，也是抑 制騷擾發(fā)生的重要手段。3.3 屏蔽抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的騷擾輻射的有效方法是屏蔽，即用電導(dǎo)率良好的材料對電場屏蔽，用磁導(dǎo)率

29、高的材料對磁場屏蔽。為了防止脈沖變壓器的磁場泄露，可利用閉合環(huán)形成磁屏蔽，另外， 還要對整個開關(guān)電源進(jìn)行電場屏蔽。屏蔽應(yīng)考標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案慮散熱和通風(fēng)問題，屏蔽外殼上的通風(fēng)孔最好為圓形多孔，在滿足通風(fēng)的條件下，孔的數(shù)量可以多，每個孔的尺寸要盡可能小。接縫處要焊接，以保證電磁的連續(xù)性，如果采用螺釘固定，注意螺釘間距要短。屏蔽外殼的引入、引出線處要采取濾波措施，否則，這些會成為騷擾發(fā)射天線，嚴(yán)重降低屏蔽外殼的屏蔽效果。若用電場屏蔽，屏蔽外殼一定要接地，否則，將起不到屏蔽效果；若用磁場屏蔽，屏蔽外殼則不需接地。對非嵌入的外置式開關(guān)電源的外殼一定要進(jìn)行電場屏蔽，否則，很難通過輻射騷擾測試。濾波電源濾波

30、器安裝在電源線與電子設(shè)備之間，用于抑制電源線引出的傳導(dǎo)騷擾，又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導(dǎo)騷擾。對提高設(shè)備的可靠性有重要的作用。開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁騷擾以傳導(dǎo)騷擾為主，而傳導(dǎo)騷擾又分差模騷擾和共模干擾兩種。通常共模騷擾要比差模騷擾產(chǎn)生更大的輻射型EMD目前抑制傳導(dǎo)EMDJ有效的方法是利用無源濾波技術(shù)。作為一種雙端口網(wǎng)絡(luò)EMDS波器，它對騷擾的抑制性能不僅取決于濾波 器本身的拓?fù)?，而且在很大程度上也受EMD8波器輸入、輸出阻抗值的影響。由 于EMDS波器阻抗和負(fù)載阻抗的可變動性以及它們可能直接與電網(wǎng)相連的特點， 電源EMDffi波器的輸入、輸出阻抗不但不匹配而且常常是末知的。這就造成了 EM醒波器設(shè)計

31、不能完全應(yīng)用成熟的通信用濾波器的設(shè)計方法和理論。這是電源波波器設(shè)計面臨的主要問題。元器件布局及印制電路板布線開關(guān)電源的輻射騷擾與電流通路中的電流大小，通路的環(huán)路面積，以及電流頻率的平方等三者的乘積成正比，即輻射騷擾 E"I-A-f2。運用這一關(guān)系 的前提是通路尺寸遠(yuǎn)小于頻率的波長。上述關(guān)系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關(guān)鍵，這是說開關(guān)電源的元器件要彼此緊密排列。在初級電路中，要求輸入端電容、晶體管和變壓器彼此靠近，且布線緊湊；在次級電路中，要求二極管、變壓器和輸出端電容彼此貼近。在印制板上，將正負(fù)載流導(dǎo)線分別布在印制板的兩面，并設(shè)法使兩個載流導(dǎo)體彼此間保持平行，因為平行緊靠的正負(fù)

32、載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的外部磁場是趨向于相互抵消的。布線間的電磁耦合是通過電場和磁場進(jìn)行的，因此在布線時，應(yīng)注意對電場與磁場耦合的抑制。對電場的抑制方法有1 ）盡量增大線間距離，使電容耦合為最??；2 ）采用靜電屏蔽，屏蔽層要接地；標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案3）降低敏感線路的輸入阻抗。對磁場的抑制方法有1）減小騷擾源和敏感電路的環(huán)路面積；2）增大線間距離，使耦合騷擾源與敏感電路間的互感盡可能地小；3）最好使騷擾源與敏感電路呈直角布線，以便大大降低線路間耦合。4 結(jié)語開關(guān)電源電磁兼容設(shè)計的目的是使產(chǎn)品在一定的電磁環(huán)境下正常工作，也就是說，電源產(chǎn)品應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗擾度極限值要求，在受到一定的電磁騷擾時，無性能的下降

33、或故障；同時，電源產(chǎn)品滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁極限值智能功率器件的原理與應(yīng)用沙占友，王書海，安勝彪，張秀濤（河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050054）摘要：目前，功率器件正朝著集成化、智能化和模塊化的方向發(fā)展。智能功率器件為機(jī)電一體化設(shè)備中弱電與 強電的連接提供了理想的接口。介紹了智能功率器件的特點、產(chǎn)品分類、工作原理及典型應(yīng)用。關(guān)鍵詞：智能功率器件；功率開關(guān)調(diào)節(jié)器；功率模塊；變頻器Principle and Application of Intelligent Power DeviceSHA Zhan-you, WANG Shu-hai, AN Sheng-biao, ZHANG X

34、iu-qingAbstract:Now,the power device is developing toward integration, intelligent and modularization. In mechanism-electricity equipment, intelligent power device support an ideal interface to connect weak and power electricity. The characteristic, product classification, operational principle and

35、typical application of the intelligent power device are introduced.Keywords:Intelligent power device; Power switching regulator; Power module; Transducer中圖分類號：TN492文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：02分2713（2003）04 0129041 智能功率器件的特點及產(chǎn)品分類標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案1.1 智能功率器件的特點所謂智能功率器件，就是把功率器件與傳感器、檢測和控制電路、保護(hù)電路及故障自診斷電路等集成為一體并具有功率輸出能力的新型器件。由于

36、這類器件可代替人工來完成復(fù)雜的功率控制，因此它被賦予智能的 特征。例如，在智能功率器件中，常見的保護(hù)功能有欠電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、過電流及短路保護(hù)、過熱保護(hù)。 此外，某些智能功率器件還具有輸出電壓過沖保護(hù)、瞬態(tài)電流限制、軟啟動和最大輸入功率限制等保護(hù)電路， 從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。智能功率器件具有體積小、重量輕、性能好、抗騷擾能力強、使用壽命長等顯著優(yōu)點，可廣泛用于單片機(jī)測控系統(tǒng)、變頻調(diào)速器、電力電子設(shè)備、家用電器等領(lǐng)域。1.2 智能功率器件的產(chǎn)品分類智能功率器件可分成兩大類，即智能功率集成電路與智能功率模塊。1 ）智能功率集成電路智能功率集成電路的種類很多，下面僅列出幾種典型產(chǎn)品

37、。高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器（ High Voltage Power Switching Regulator ）。例如，美國摩托羅拉公司研 制的MC33370!列產(chǎn)品。智能功率開關(guān) （ IntelligentP ower Switch ） 。 例如， 德國西門子（ Siemens） 公司生產(chǎn)的Smart SIPMOS智能功率開關(guān)，產(chǎn)品型號有 BTS412B BTS611等。2）智能功率模塊智能功率模塊是采用微電子技術(shù)和先進(jìn)的制造工藝，把智能功率集成電路與微電子器件及外圍功率器件組裝成一體，能實現(xiàn)智能功率控制的商品化部件。模塊大多采用密封式結(jié)構(gòu)，以保證良好的電氣絕緣和抗震性 能。用戶只須了解模塊的外特性

38、，即可使用。因此，它能簡化設(shè)計工作，縮短系統(tǒng)的研制周期。國內(nèi)外許多著名的模塊廠商的產(chǎn)品都通過了 IEC950 （國際電工委員會）或UL1950（美國）、GS（德國）、CE（歐共體）安全 認(rèn)證，其質(zhì)量可靠、安全性好、抗騷擾性強、符合電磁兼容性（ EMC標(biāo)準(zhǔn)、便于維修，上機(jī)合格率可達(dá)100%例如，日本三菱電機(jī)公司最近開發(fā)的IPM系列第三代智能功率模塊，其用途極為廣泛。最近，國內(nèi)也相 繼開發(fā)出變頻空調(diào)器專用智能功率模塊、電動機(jī)智能功率模塊等新產(chǎn)品。圖1給出了各種功率器件的工作頻率、容量的范圍 及 其應(yīng)用 領(lǐng)域。其中，SCR為 普通品閘管，Triac為雙向晶閘管，GTOft表可關(guān)斷晶閘管，Tr Mod

39、g示普通功率管模塊，MOSFET 示功率場效應(yīng)管，IGBT MODPM代表IPM系列的IGBT智能功率模塊，其中的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor） 為絕緣柵型場效應(yīng)管雙極型晶體管的英文寫。 由 圖可 見 ， IGBT 智 能 功率 模塊的工作頻率遠(yuǎn)高于普通功率管模塊，而其容量又比功率場效應(yīng)管提高12個數(shù)量級。標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案invIdIIUIL1 風(fēng)1UIA IMI.作朋.枇g圖1各種功率器件的性能及應(yīng)用領(lǐng)域2 智能功率集成電路的原理與應(yīng)用2.1 MC33370系列高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器MC33370系列是美國Motorola公司于1999年研制的適配

40、微控制器(MCU的高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器，它包括 MC3336aMC33374根據(jù)封裝形式的不同，共有17種型號?？蓮V泛用于辦公自動化設(shè)備、儀器儀表、無線通信 設(shè)備及消費類電子產(chǎn)品中，構(gòu)成150W以下的高壓隔離式AC/DCfe源變換器。MC33370系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖如圖2中虛線方框所示。各引腳的功能如下：vn- vn，±'T反修：s1.3#tAireir R胃It *I k n ? 5V工可人機(jī)申繇tlH -輸入：.一FR ； 15 Jl-FiW <'.；!；<3tS.6V II包沔加V：療bl；此總本V4門端庵照TTk內(nèi)部 但產(chǎn)電騰t i WXSCI，工凋

41、出；” 口, H)上電胡位»旭G招MOSFET功,.I標(biāo)準(zhǔn)文檔4)I*ATOkH?生以加心笛科IMJ1Y c vcir犯 熱clk 據(jù)RAMPJUTLFU M .-；iM>實用文案圖2MC33370系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖U cc為工作電源電壓的輸入端。FB 為反饋端。GND為地。ScI 為狀態(tài)控制端，只需配少量外圍元件，即可實現(xiàn)以下6 種狀態(tài)控制方式：1 ）利用按鍵觸發(fā)方式來選擇工作模式或備用模式；2）配微控制器進(jìn)行關(guān)斷操作；3）給狀態(tài)控制器配以低壓保護(hù)電路，使之在模式轉(zhuǎn)換過程中不會引起開關(guān)電源輸出電壓的波動；4）利用數(shù)字信號進(jìn)行控制；5 ）接上電延時電路；6）禁止對狀態(tài)控制器進(jìn)行

42、操作。D 為功率開關(guān)管漏極引出端。MC33370的內(nèi)部主要包括9部分：1 ）振蕩器；2）并聯(lián)調(diào)整器誤差放大器；3）脈寬調(diào)制比較器與脈寬調(diào)制觸發(fā)器；4）外部關(guān)斷電路及關(guān)斷觸發(fā)器；5 ）電流極限比較器及功率開關(guān)管；6）啟動電路；7 ）欠壓鎖定電路；8 ）過熱保護(hù)電路；9）狀態(tài)控制器。由MC33374TTV構(gòu)成的15V/3.5A、52W肝關(guān)電源的電路如圖3所示。其交流輸入電壓u的允許變化范圍是92V276M VDVD為整流橋。初級保護(hù)電路由 RC吸收電路（R、G）和鉗位保護(hù)電路（VR VD）構(gòu)成,標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案能有效抑制圖頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，保護(hù)MC3337的部的功率開關(guān)節(jié)。據(jù)后控共接位

43、壞根聯(lián)為慮于聯(lián)OW 損,并SB屬并G 受缺 >。濟(jì)管作 屋調(diào)此通隆( i+T lOOOpF5fnvOA .1.17 iVI)4叫汴I6V心11 4 ； IHL5U；VDZ采用P6KE200A型瞬態(tài)電壓抑制器(TVS),圖中阻容元件R、G的序 需要亦可將R、G的串聯(lián)電路，改成由R(20 k Q、2網(wǎng)和G ( 0.1 F、 再用以超快恢復(fù)二極管，組成R C VD型保護(hù)電路。C5為UCc的旁路 制開關(guān)電源通、斷狀態(tài)的按鍵。VD6與C6組成反饋繞組輸出端的高 器。次級高頻整流管采用MBR20100c T 20 A/ 100 V 型肖特基二極管 陰對管，兩個陰極在內(nèi)部短接，使用時需將兩個陽極在外部

44、連 法。由G、Ci、L、C2和C3組成輸出濾波電路。設(shè)計印制板時還可預(yù)先 置，以便由QCii這4只電容并聯(lián)成濾波電容，進(jìn)而使Lo減小到Lo/4圖3 由MC33374T/TV勾成52WFF關(guān)電源的電路由可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器 TL431B構(gòu)成外部誤差放大器，它還與光耦合器MOC8103&成了光耦反饋電路。 其穩(wěn)壓原理是當(dāng)輸出電壓 U0發(fā)生波動時，經(jīng)R、R分壓后得到的取樣電壓就與 TL431B中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行 比較，產(chǎn)生外部誤差電壓 U',再通過光耦合器使第2腳的反饋電流Ifb產(chǎn)生相應(yīng)的變化，并以此調(diào)節(jié)輸出占空 比，達(dá)到穩(wěn)壓目的。4用來濾除由高頻變壓器初、次級耦合電容所造成的

45、共模騷擾。G為控制環(huán)路的補償電容。2.2BTS412B型智能功率開關(guān)BTS412B型智能功率開關(guān)采用TO-220封裝，它有5個引出端:Ubb為工作電源電壓端。GND為公共地。IN為控制信號輸入端。標(biāo)準(zhǔn)文檔實用文案ST為狀態(tài)輸出端。OUT為功率輸出端。芯片內(nèi)部主要包括邏輯電路、電壓檢測電路、整流器、充電泵、功率MOSFET此外，還有防止靜電放電（ESD的保護(hù)電路，過電壓保護(hù)、過流保護(hù)、負(fù)載開路及短路保護(hù)電路，對電感負(fù)載的保護(hù)電路，對功率 MOSFE柵極進(jìn)行保護(hù)的電路。BTS412B的主要技術(shù)參數(shù)為U£50V,連續(xù)輸出白負(fù)載電流Il=1.4A,最大峰值電流I limit=25A,導(dǎo)通電阻

46、Rn=0.25 Q 。使用兩片BTS412B乍高端開關(guān)，另用兩只 BUZ71型50V、14A、40W勺N溝道場效應(yīng)管作低端開關(guān)，可 構(gòu)成如圖4所示的H橋雙向直流電動機(jī)驅(qū)動電路。BUZ71L勺導(dǎo)通電阻僅為0.1 Qo當(dāng)發(fā)生故障時，從ST端輸出 的狀態(tài)信號就通過晶體管JE9013驅(qū)動LED發(fā)光，作為報警指示。3rUlBST BTS4IZBIW GND OUTs圖4 H橋雙向直流電動機(jī)驅(qū)動電路3 智能功率模塊的原理與應(yīng)用由日本三菱電機(jī)公司開發(fā)出的IPM系列產(chǎn)品，屬于第三代智能功率模塊。它采用第三代 IGBT來代替?zhèn)?統(tǒng)的功率MOSFE和雙極型達(dá)林頓管，并配以功能完善的控制及保護(hù)電路，構(gòu)成了一種理想的高頻軟開關(guān)模塊。這類模塊特別適用于正弦波輸出的變壓變頻（VVVF式變頻器中。IPM系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖如圖5所示。模塊內(nèi)部主要包括欠壓保護(hù)電路、驅(qū)動 IGBT的電路、過流保護(hù) 電路、短路保護(hù)電路、溫度傳感器及過熱保護(hù)電路、門電路和 IGBT。該系列產(chǎn)品配16位單片機(jī)后構(gòu)成的通用 VVV注頻器的原理圖，如圖6所示。標(biāo)準(zhǔn)文檔