高頻開關(guān)電源

第第頁高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源（也稱為開關(guān)型整流器SMR）通過MOSFET或IGBT的高頻工作，開關(guān)頻率一般掌控在50—100kHz范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。目錄進(jìn)展趨勢重要功能掌控方式穩(wěn)壓原理電源原理分類產(chǎn)品特點(diǎn)誕生過程進(jìn)展趨勢在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)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(guān)電源技術(shù),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(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源更改用電頻率,從而達(dá)到近于理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動掌控。高頻開關(guān)電源技術(shù),更是各種大功率開關(guān)電源（逆變焊機(jī)、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等）的核心技術(shù)。高頻化理論分析和實(shí)踐閱歷表明,電氣產(chǎn)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(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計的5～l0%。無論是逆變式整流焊機(jī),還是通訊電源用的開關(guān)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(jù)這一原理進(jìn)行改造,成為“開關(guān)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(shè)備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)省材料的經(jīng)濟(jì)效益,更可體現(xiàn)技術(shù)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(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實(shí)質(zhì)上都屬于“標(biāo)準(zhǔn)”功率模塊（SPM）。有些公司把開關(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）,不但縮小了整機(jī)的體積,更便利了整機(jī)的設(shè)計制造。實(shí)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(yán)重,對器件造成更大的電應(yīng)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(jī)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(jīng)過嚴(yán)格、合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計,達(dá)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(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺新型的開關(guān)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(jī)體積,更緊要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應(yīng)力降至,提高系統(tǒng)的牢靠性。另外,大功率的開關(guān)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(dú)立的模塊單元并聯(lián)工作,采納均流技術(shù),全部模塊共同分擔(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(fù)供給充分的時間。數(shù)字化在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,掌控部分是按模擬信號來設(shè)計和工作的。在六、七十時代,電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電路基礎(chǔ)上的。但是,數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越緊要,數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn):便于計算機(jī)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(lǐng)）、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯等技術(shù)的植入。所以,在八、九十時代,對于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計來說,模擬技術(shù)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(shù)修正（PFC）等問題的解決,離不開模擬技術(shù)的學(xué)問,但是對于智能化的開關(guān)電源,需要用計算機(jī)掌控時,數(shù)字化技術(shù)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(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會（IEC）對此訂立了一系列標(biāo)準(zhǔn),如IEC555、IEC917、IECl000等。事實(shí)上,很多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合很多毛刺尖峰,甚至顯現(xiàn)缺角和畸變。20世紀(jì)末,各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀(jì)批量生產(chǎn)各種綠色開關(guān)電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)是開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)展的基礎(chǔ)。隨著新型電力電子器件和適于更高開關(guān)頻率的電路拓?fù)涞牟粩囡@現(xiàn),現(xiàn)代電源技術(shù)將在實(shí)際需要的推動下快速進(jìn)展。在傳統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)下,由于功率器件性能的限制而使開關(guān)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(guān)電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓?fù)浜托滦偷恼瓶丶夹g(shù),可使功率開關(guān)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(guān)電源工作效率,設(shè)計出性能優(yōu)良的開關(guān)電源?？偠灾?電力電子及開關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前進(jìn)展,新技術(shù)的顯現(xiàn)又會使很多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實(shí)現(xiàn),將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟,實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著通信行業(yè)的進(jìn)展,以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源,僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進(jìn)行開發(fā)討論。開關(guān)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(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動,并將很快進(jìn)展起來。還有其它很多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。重要功能（1）通過MODEM和電話網(wǎng)與監(jiān)控中心通信，從通信口讀取高頻開關(guān)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(guān)機(jī)等；（4）掌控高頻開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)對蓄電池浮充、均充方式的自動轉(zhuǎn)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(jìn)而保證微機(jī)和晶體管保護(hù)用電的牢靠性，防止造成保護(hù)誤動；（6）調(diào)整充電限流值和總輸出電流穩(wěn)流值；（7）具有本地和遠(yuǎn)程掌控方式，采納密碼允許或禁止方式操作，以加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)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(diào)制（PulseWidthModulation,縮寫為PWM）開關(guān)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(diào)制（PulseFrequencyModulation,縮寫為PFM）導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過更改開關(guān)工作頻率來更改占空比的方式。三、混合調(diào)制導(dǎo)通脈沖寬度和開關(guān)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(guān)電源不需要大幅度提高開關(guān)速度就可以在理論上把開關(guān)損耗降到零，而且噪聲也小。穩(wěn)壓原理開關(guān)掌控穩(wěn)壓原理開關(guān)K以肯定的時間間隔重復(fù)地接通和斷開，在開關(guān)K接通時，輸入電源E通過開關(guān)K和濾波電路供給應(yīng)負(fù)載RL，在整個開關(guān)接通期間，電源E向負(fù)載供給能量；當(dāng)開關(guān)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(fù)載供給能量是斷續(xù)的，為使負(fù)載能得到連續(xù)的能量供給，開關(guān)穩(wěn)壓電源必需要有一套儲能裝置，在開關(guān)接通時將一部份能量儲存起來，在開關(guān)斷開時，向負(fù)載釋放。圖中，由電感L、電容C2和二極管D構(gòu)成的電路，就具有這種功能。電感L用以儲存能量，在開關(guān)斷開時，儲存在電感L中的能量通過二極管D釋放給負(fù)載，使負(fù)載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量，因二極管D使負(fù)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(guān)每次接通的時間，T為開關(guān)通斷的工作周期（即開關(guān)接通時間TON和關(guān)斷時間TOFF之和）。由式可知，更改開關(guān)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(fù)載及輸入電源電壓的變化自動調(diào)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(wǎng)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(wǎng)存在的雜波過濾掉，同時也防止本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。2、整流與濾波：將電網(wǎng)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(guān)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(jù)負(fù)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(jīng)與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去掌控逆變器，更改其頻率或脈寬，達(dá)到輸出穩(wěn)定，另一方面，依據(jù)測試電路供給的資料，經(jīng)保護(hù)電路辨別，供給掌控電路對整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)措施。檢測電路除了供給保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)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(guān)型穩(wěn)壓電源的電路結(jié)構(gòu)有多種：（1）按驅(qū)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(gòu)成分，有諧振型和非諧振型。（4）按掌控方式分：①脈沖寬度調(diào)制（PWM）式；②脈沖頻率調(diào)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(gòu)成多種方式的開關(guān)型穩(wěn)壓電源。因此設(shè)計者需依據(jù)各種方式的特征進(jìn)行有效地組合，制作出充足需要的高質(zhì)量開關(guān)型穩(wěn)壓電源。產(chǎn)品特點(diǎn)1本產(chǎn)品采納進(jìn)口元器件和國際先進(jìn)的全橋逆變換流技術(shù)精密加工而成，使整機(jī)的性能穩(wěn)定，質(zhì)量更加牢靠。2整機(jī)具有過壓，過流，超溫，短路，缺相等自動保護(hù)報警功能和軟啟動功能。并可加裝時間掌控和計算機(jī)接口。3直流輸出波形為高頻方波，紋波系數(shù)《1%，可提高鍍數(shù)，拒絕鈍化，加強(qiáng)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(dá)到電鍍行業(yè)的各種特別要求。4高頻開關(guān)電源采納風(fēng)冷式設(shè)計，安裝便利。并配有遠(yuǎn)控裝置，操作簡單?？梢詭ж?fù)載開關(guān)機(jī)，削減調(diào)整的繁瑣程序。5體積小、重量輕，整機(jī)運(yùn)用了全方位的防腐工藝制作，加強(qiáng)了產(chǎn)品的防腐蝕本領(lǐng)，延長了使用壽命。6高效，節(jié)能，工作效率達(dá)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(diào)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(shí)為表面處理行業(yè)最理智的選擇。誕生過程20世紀(jì)60時代大量應(yīng)用的線性調(diào)整器式直流穩(wěn)壓電源，由于它存在著以下諸多的缺點(diǎn)，如體積重量大，很難實(shí)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(shí)現(xiàn)隔離，只能降壓，不能升壓，很難在輸出大于5A的場合應(yīng)用等，已開始被開關(guān)調(diào)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(dǎo)性的文章：一篇為“用高頻技術(shù)使AC變DC電源小型化”；另一篇為“脈沖調(diào)制用于電源小型化”。這兩篇文章指明白開關(guān)調(diào)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(diào)制技術(shù)。經(jīng)過將近10年的討論、開發(fā)取得了良好的結(jié)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(nèi)就掀起了高頻開關(guān)電源的開發(fā)熱潮，并將DC/DC轉(zhuǎn)換器作為開關(guān)調(diào)整器用于開關(guān)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(zhuǎn)換器。到20世紀(jì)80時代中期，Buck、Boost和Buck￣Boost轉(zhuǎn)換器也應(yīng)用到開關(guān)電源中。20世紀(jì)70時代中期，美國加州理工學(xué)院研制出一種新型開關(guān)轉(zhuǎn)換器，稱為Cuk轉(zhuǎn)換器（是以創(chuàng)造人S1obodanCuk的姓來命名的）。Cuk轉(zhuǎn)換器與Buck—Boost轉(zhuǎn)換器互為對偶，也是一種升降壓轉(zhuǎn)換器。20世紀(jì)80時代中期以后漸漸被應(yīng)用到開關(guān)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(zhuǎn)換器”（PrimaryInductanceConverter）簡稱PIC，獲得專利，并且也應(yīng)用到開關(guān)電源中。1977年，Bell試驗(yàn)室在PIC的基礎(chǔ)上，研制出有變壓器的“單端原邊電感式轉(zhuǎn)換器”（Single—EndedPr