高频开关电源范文

高频开关电源篇1

关键字：高频开关电源； 发展

对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高频开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

由于科学技术的不断发展，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。其主要有以下4种发展方向：

1 高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统"整流行业"的电镀、电解、电加工、充电、浮充电等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为"开关变换类电源",其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。

2 模块化

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于"标准"功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了"智能化"功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了"用户专用"功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计,达到优化完美的境地。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。

3 数字化

在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC) 问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。

4 绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。

总而言之,开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着开关电源技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。

参考文献：

[1]刘胜利,高频开关电源实用新技术[M].

[2]王家庆,智能型高频开关电源系统的原理使用与维护 [M].

高频开关电源篇2

关键词: 电力电子技术; 高频开关电源; 功率半导体器件; 功率变换

中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：

1 电力电子技术概述

电力电子技术以功率处理为对象，以实现高效率用电和高品质用电为目标，通过采用电力半导体器件，并综合自动控制计算机(微处理器)技术和电磁技术，实现电能的获取、传输、变换和利用。电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面。

电力电子技术起始于20世纪50年代末60年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（P-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展，使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代末期和90年代初期发展起来的、以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通泰压降小，载流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。

2高频开关电源概述

高频开关电源是交流输入直流整流，然后经过功率开关器件（功率晶体管、MOS管、IGBT等）构成放入逆变电路，将高压直流（单相整流约300V，三相整流约500V）变换成方波（频率为20kHz）。高频方波经高频变压器降压得到低压的高频方波，再经整流滤波得到稳定电压的直流输出。

高频开关电源的特点[1]：

1、重量轻，体积小

由于采用高频技术，去掉了工频（50Hz）变压器，与相控整流器相比较，在输出同等功率的情况下，开关电源的体积只是相控整流器的1/10，重量也接近1/10。

2、功率因数高

相控整流器的功率因数随可控硅导通角的变化而变化，一般在全导通时，可接近0.7，以上，而小负裁时，但为0.3左右。经过校正的开关电源功率因数一般在0.93以上，并且基本不受负载变化的影响。

3、可闻噪声低

在相控整流设备中，工频变压器及滤波电感作时产生的可闻噪声大，一般大于60db，而开关电源在无风扇的情况下可闻噪声仅为45db左右。

4、效率高

开关电源采用的功率器件一般功耗较小，带功率因数补偿的开关电源其整机效率可达88%以上，较好的可以做到92%以上。

5、冲击电流小

开机冲击电流可限制在额定输入电流的水平。

6、模快式结构

由于体积小，重量轻，可设计为模块式结构。

3电力电子技术在大功率开关电源中的应用

3.1功率半导体器件

功率半导体器件的发展是高频开关电源技术的重要支撑。功率MOSFET和IGB的出现，使开关电源高频化的实现成为可能；超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发，为研制高效率或低电压输出的开关电源创造了条件；功率半导体器件的额定电压和额定电流不断增大，为实现单机电源模块的大电流和高率提供了保证。

（1）功率MOSFET

功率MOSFET是一种单极型（只有电子或空穴作但单一导电机构）电压控制半导体元件[8]，其特点是控制极（栅极）静态内阻极高，驱动功率很小，开关速度高，无二次击穿，安全区宽等。开关频率可高达500kHz,特别适合高频化的电力电子装置。

（2）绝缘栅双极晶体管IGBT

绝缘栅双极晶体管IGBT是一种双（导通）机制复合器件，它的输入控制部分为MOSFET，输出极为GTR，集中了MOSFET及GTR分别具有的优点[2]：高输入阻抗，可采用逻辑电平来直接驱动，实现电压控制，开关速度高，饱和压降低，电阻及损耗小，电流、电压容量大，抗浪涌电流能力强，没有二次击穿现象，安全区宽等。

3.2软开关技术

传统大功率开关电源逆变主电路结构多采用PWM硬开关控制的全桥电路结构，功率开关器件在开关瞬间承受很大的电流和电压应力，产生很大的开关损耗，且随着频率的提高而损耗增大。工作频率在20kHz，采用IGBT功率器件的PWM硬开关控制的电源，功率器件开关损耗占总损耗的60%~70%，甚至更大[3]。为了消除或抑制电路的电压尖峰和浪涌电流，一般增加缓冲电路，不仅使电路更加复杂，还将功率器件的开关损耗转移到缓冲电路，而且缓冲电路的损耗随着工作频率的提高而增大。

软开关技术利用谐振原理，使开关器件两端的电压或流过的电流呈区间性正弦变化，而且电压、电流波形错开，使开关器件实现接近零损耗。谐振参数中吸收了高频变压器的漏抗、电路中寄生电感和功率器件的寄生电容，可以消除高频条件下的电压尖峰和浪涌电流，极大地降低器件的开关应力，从而大大提高开关电源的效率和可靠性。

3.3同步整流技术

对于输出低电压、大电流的开关电源来讲，进一步提高其效率的措施是在应用软开关技术的基础上，以功率MOS管反接作为整流用开关二极管，这种技术称为同步整流（SR），用SR管代替肖特基二极管（SBD）可以降低整流管压降，提高开关电源的效率。

现在的同步整流技术都在努力地实现ZVS及ZCS方式的同步整流。自从2002年美国银河公司发表了ZVS同步整流技术之后，现在已经得到了广泛应用[4]。这种方式的同步整流技术巧妙地将副边驱动同步整流的脉冲信号与原边PWM脉冲信号联动起来，其上升沿超前于原边PWM脉冲信号的上升沿，而降沿滞后的方法实现了同步整流MOSFET的ZVS方式工作。最新问世的双输出式P联M控制IC几乎都在控制逻辑内增加了对副边实现ZVS同步整流的控制端子。这些IC不仅解决好初级侧功率MOSFET的软开关, 而且重点解决好副边的ZVS方式的同步整流。用这几款IC制作的DC/DC变换器, 总的转换效率都达到了94%以上。

3.4控制技术

开关变换器具有强非线性、离散性、变结构的特点，负载性质也是多变的，因此主电路的性能必须满足负载大范围的变化，这使开关电源的控制方法和控制器的设计变得比较复杂。

电流型控制及多环控制在开关电源中得到了较广泛的应用；电荷控制、单周期控制等技术使开关电源的动态性能有了很大的提高。一些新的方法，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制及各种调制方式在开关电源中的应用，已经引起关注。

随着微电子技术的发展，微控制器的处理速度越来越快，集成度越来越高，将微控制器或者DSP应用到大功率开关电源的数字控制模块已经成为现实。开关电源的高性能数字控制芯片的出现，推动了电源数字化的进程[5]。

数字控制可以实现精细的非线性算法，监控多部件的分布电源系统，减少产品测试的调整时间，使产品生产率更高。实时数字控制可以实现快速、灵活的控制设计，改善电路的瞬态响应性能，使之速度更快、精度更高、可靠性更强。

4 结束语

高频开关电源作为电子设备中不可或缺的组成部分也在不断地改进，高频化、模块、数字化、绿色化是其发展趋势。高频开关电源上述各技术的实现，将标志着开关电源技术的成熟。电力电子技术的不断创新，将使开关电源产业有着广阔的发展前景。

参考文献

[1] 莫慧芳. 高频开关电源发展概述. 电源世界, 2007（5）

[2] 贺益康, 潘再平. 电力电子技术. 科学出版社, 2010年第2版

[3]倪倩, 齐铂金, 赵晶等. 软开关全桥PWM主电路拓扑结构在逆变焊接电源中的应用. 自动化与仪表, 2002（1）

[4] 李龙文. 开关电源技术的最新进展. 电源应用技术,2006（8）

高频开关电源篇3

关键词：高频开关电源监控系统；控制器；传输方式

一、高频开关电源监控系统的组成

高频开关电源监控系统由交流配电部分、整流器、直流配电部分和控制器（又称监控模块）组成。

在大容量的高频开关电源系统中，有独立的交流配电屏、整流器机柜（插入整流模块）和独立的直流配电屏，监控器装在直流配电屏或整流器机柜上。

在组合式高频开关电源设备中，包含交流配电单元、整流模块、直流配电单元和监控器。

二、控制器

高频开关电源系统中的控制又称监控模块或监控单元，它与高频开关电源系统中的交流检测单元、直流检测单元和转接单元等组成本机监控系统，对开关电源系统及蓄电池组进行实时检测、控制和故障告警；并使开端电源能够远程监控，实现少人或无人值守。正是有了这种控制器，才使开关电源设备成为智能电源。

控制器的主要功能有： 

1)、检测：

可检测系统交流供电、电池状态、整流器状态、电池电流、主分路电流及故障内容。

2)、 控制：

系统开机/关机、均充开/关、整流器开机/关机、电池试验开/关。

3）、参数设置：

系统参数：整流器柜数。

电池参数：均充电压、浮充电压、 过压值、欠压值、充电限流值、转换电流等。

监控参数：设备编号、通讯接口、拨号方式、电话号码及故障回报开/关等。

通过通讯接口：RS232或RS485与监控中心连接实现“三遥”：

三、智能高频开关电源监控系统应用

智能高频开关电源监控系统是一个通信电源监控远程监控的集中监控系统。其主要功能是对监控范围内的电压环系统进行遥信、遥测、遥控，实时监视系统和设备的运行状态，记录和处理监控数据，及时检测故障并通知维护人员处理，从而实现通信站的无人或少人值守，以及电源的集中维护和优化管理，提高供电系统的可靠性和通信设备的安全性。

智能高频开关电源监控系统的基本机构：它一般是由集中监控中心（Supervision Center  SC）、区域监控中心（Supervision Station  SS）监控单元（Supervision Unit SU）和现场监控模块（Supervision Module SM）构成

根据用户及监控系统工程规范的要求，监控系统组网方案为三级结构：

1）、集中监控中心

--设在最高级监控中心机房内

--负责处理、存储、显示、管理各二级单位的监控站点

2)、区域监控中心

  --各二级单位监控中心机房内

  --负责查询、处理、存储、管理各自所辖的监控站

3)、现场监控单元

  --各单位所辖单个通信站等监控点

  --负责采集现场监控单元各个被监控设备的参数

1、 监控系统传输方式

任何一种监控系统都必须获取监控数据，传输方式则是达到这一目的不可缺少的手段。智能监控系统的组网、监控系统的规模及监控系统的监控量（内容）与传输方式具有密切的关系。

在监控系统中，不同的网络级别之间，可以采用不同的传输方式。

1）监控模块（SM）与监控单元（SU）之间的传输方式

监控模块（SM）与监控单元（SU）都处于监控现场，距离较近，一般采用专用数据总线，物理接口与传输速率有以下几种：

a. V.11/RS422

1.2-48kbit/s

b. V.10/RS432

1.2-48kbit/s

c. RS485

1.2-48kbit/s等。

2） 监控单元(SU)与上级监控中心之间的传输方式

监控单元(SU)与区域监控中心（SS）之间，宜采用两种传输手段，主辅备用，并能自动切换；而对于区域监控中心（SS）与监控中心（SC）之间的传输，可用的传输方式很多，一般应以专线为主，计算机公网或拨号公网电话网为辅，专线和拨号线之间应能自动切换。用于监控的传输网络有以下几种：

a. 数字数据网（DDN）

b. 分组交换网（PSDN）

c. 帧中继（Frame Relay）

d. 异步传输模式（ATM）

e. 话音专线（采用Modem）

f. 拨号电话线（采用Modem）

2、监控系统特点

  1)系统结构扩展性强

  --可根据用户需求进行多级组网

  --升级平滑无需收取任何软件费用

  2)现场监控单元采集设备模块化扩展性强

  --现场采集设备模块化设计有多种形态组合

  --采集设备有充分扩展接口作为预留

3、应用

目前这套智能高频开关电源监控系统已成功应用于中石油西气东输通信网中。

四、结论

高频智能开关电源监控系统的监控对象一般是电源设备，监控目的是完成三遥量的监控。随着维护需求的不断发展，对监控系统提出了更高更全面的要求。

要求监控对象更加全面，监控对象不仅要包括常规的电源设备和环境量，还应增加进出门识别、电池及电缆防盗等监控项目，现场安装警铃、警灯等警示设备，视频设备，空调设备运行状态等。

在增加监控对象的同时，监控系统的功能也要不断完善。除了完成三遥量的监控，监控系统还需增加新的功能，比如对现场环境温度的监控，节约电能。

参考文献：

[1] 中华人民共和国通信行业标准YD/T 1051-2000通信局（站）电源系统总技术要求

高频开关电源篇4

【关键词】高压直流电;通信电源;高频开关

一、引言

数据通讯的业务发展里程比较短，发展速度比较快，前几年，通信数据设备供电的UPS不间断电源系统配置多为200 KVA以下的1+1 并机冗余系统。但是现在，信息技术的快速发展，带动了通信数据技术质的飞跃，尤其是快速发展IDC业务，使不间断大容量UPS电源系统大幅增加，400KVA 2+1并机冗余系统成为了主要的UPS 不间断电源系，其电池配备多为6V和12V。以下就是对高压直流电的可行性和优势进行分析，并且阐述通信电源中的高频开关整流模块设计。

二、高压直流电的供电可行性及优势

我国目前几乎都使用交流电220v的服务器接入UPS用电业务的电源之中，AC/DC 整流电路和AC/DC 整流电路着两部分组成了服务器的内部电源。其中，服务器的滤波器、全桥整流电路和平滑滤波等电路组成了服务器，高频逆变电路、隔离变压器和整流滤波电路等构成了DC/DC 变换电路。一般情况下，服务器允许的交流输入电压为 220 V±25%的范围内，即是165- 275V，也就是说，电容的平均电压的范围198- 330 V是整流后滤波，389 V为最高峰值电压。直流母线满足服务器工作电源要求的波动范围是在216-282V之间。此外，高压直流电源技术已经成熟的广泛地应用于通信设备中，并且已经有几十年的运行经验了，通信用高压直流电源其电压等级与电力用直流操作电源相同。因此，电力用直流操作电源系统对于通信用高压直流电源的系统设计来说，有很多可以借鉴的优点。另外，高频开关式整流器的成功运行和维护经验也有几十余年了。

高压直流电的供电优势有：

1）高压直流电在供电备份冗余上与直流-48V开关整流模块的配置几乎相同，减轻了供电系统的配置负担，只需要整流模块 N+1的并份即可（N为主用模块数量）。

2）在高压直流供电系统中，整流机柜并机比较方便，可以提高系统扩容效率，节约投资成本。

3）该模式的控制系统与UPS相比较，供电模式并机简单，不存在交流电源振幅、频率、相位等参数，减少了系统的故障点。

4）直流开关整流器模块为该系统的核心部位，维护起来比较方便。

5）该系统在整组后，备电池单体只数相应的减少了很多，也减少了系统中的故障发生，确保了系统供电安全的可靠性。

6）系统中不存在单瓶颈故障隐患，因为没有设置自动静态旁路开关。

7）不需要反复变换，系统变换效率与UPS比较，其供电性能稍高，有利于电能的节约。240v高压直流电供电模式在国内的电信运营商中的应用，已经有十几年的经验了，经过运营事实证明了高压直流供电模式对于电信数据业务来说是比较安全可靠的。

三、高频开关电源系统中的的整流模式设计

高频开关电源系统中的重要部分就是整流模块，因为整流模式的稳定性直接关系到系统的直流电压输出和工作时电压输出的正常。本文所阐述的整流模式设计，主要是利用无源PFC和DC/DC变换器的原理，在模块整流原理上进行的改进和完善，以实现使模块能够有效完成整流作用的目的。其工作原理框图如图1所示：

图1 整理模式的工作原理图

在工作过程中，想要保证模块后级电路的安全，就应该使其先通过防雷处理和滤波对输入的三相交流进行处理。经过处理后，把三相交流转换成高压直流的时候要经过整流和无源PFC，高压直流要电压要经过DC/DC变换器再次转换才能输出。此外，模块控制部分还发挥着保证输出电压的稳定的作用以及保护各模块部件的作用，例如负责过压、过流以及短路保护等作用。模块还在远程监控中提供了遥控、遥调、遥测、遥信等四遥接口。有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值就是即功率因数校正，简称PFC，它用来表示有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系。无源PFC般情况下由二极管、电阻、电容和电感等无源器材组成，是指不使用一些有源器件，例如晶体管等组成的校正电路。本文中的PFC组成就是利用电感上的电流不能突变的特性来平滑电容充电强脉冲的波动，以实现改善电路中电流的畸变的目的，就是在整流桥堆和滤波电容之间加1个电感，改善功率因数和电磁干扰，并利用电感上的电压超前于电流的特性，来补偿滤波电容电流超前电压的特性。但是这种方式对于校正电流畸变和补偿功率因数的效果有限，只能实现抑制电流突变的目的，是一种简单的补偿措施。

固定的直流电压借助DC/DC变换器就可以变换为可变的直流电压，这种控制的优点就是能够节约电能、提高平稳性和响应的速度。一般情况下，把变阻器换成直流斩波器，可以节约20%～30%的电能。直流斩波器的优势有：调压、抑制电网侧谐波电流噪声等作用。本文所说的DC/DC变换器，采用的是双管正激式DC/DC变换器，变压器T1发挥着隔离和变压的效果，如果想要实现能量的储存及传递只需要在输出端要加一个电感器Lo（续流电感）即可。由于VD1、VD2的导通限制了两个调整管关断时所承受的电压，因此，变压器初级无再有复位绕组。整流二极VD3和一个续流二极管VD4既可以构成一个输出回路，也可以选用回复时间比较快的VD3、VD4。为了实现降低文波电压的效果，应该选择大容量的滤波电容。双管正激式DC/DC变换器的工作特点有以下几点：

1）VD1、VD2应该选择快恢复管，使它们在其实际设计和调试中只许很短的时间就可以恢复，满足两个开关在任何工作状态下可以承受的电压都不会超过UIN和Ud的条件;

2）双管正激式DC/DC变换器不需要复位电路，与单端正激式DC/DC变换器相比，其电路和变压器的设计比较简化，即使使用耐压值较低功率器件，它也会有很大的功率等级;

3）工作状态比较一致的两个开关管，会出现同时通态或断态的状况，因此，可以选择智能高频开关电源，整流电路将交流电变为脉动直流电的时候，会含有大量的交流成分（称为纹波电压）。

想要获得平滑的直流电压，可以加接滤波电路在整流电路的后面，达到滤去交流部分的目的。缩短二极管得到时间，应该留有足够的电流裕量，可以在桥式整流电路输出端与负载之间并联一个大电容，电容CO充电的瞬时电流较大，会导致二极管损坏。

四、总结

综上所述，本文主要针对高压直流通信电源中的高频开关整流模块设计的阐述，可以发现利用无源PFC电路，能够实现改善电路中电流畸变的目的。该系统可以准确的将进行交流变换，缺点就是成本比较高，同时对于备用电源充电时的均匀性比较弱，防雷滤波的效果也不是太好，因此，需要在这些方面进行提高。

参考文献

[1]李稳孙.高压直流供电模式的探讨[J].现代电信科技，2011，03：66-67.

[2]潘亚培.基于DSP的高频开关电源设计与实现[D].南京理工大学，2013.

高频开关电源篇5

当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。

1.电力电子技术的发展

现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

1.1整流器时代

大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

1.2逆变器时代

七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。

1.3变频器时代

进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

2.现代电力电子的应用领域

2.1计算机高效率绿色电源

高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。

计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。

2.2通信用高频开关电源

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。

2.3直流-直流(DC/DC)变换器

DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。

2.4不间断电源(UPS)

不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。

现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。

目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

2.5变频器电源

变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。

国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。

2.6高频逆变式整流焊机电源

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。

逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。

2.7大功率开关型高压直流电源

大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。

自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。

国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。

2.8电力有源滤波器

传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。

电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。

2.9分布式开关电源供电系统

分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。

八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。

分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。

3.高频开关电源的发展趋势

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

3.1高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。

3.2模块化

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。

3.3数字化

在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。

3.4绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。

现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。

高频开关电源篇6

关键词：电力电子技术；开关电源

现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用,是现代电力电子技术的具 体应用。

当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经 济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。

1. 电力电子技术的发展

现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率mosfet和igbt为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

1.1 整流器时代

大功率的工业用电由工频(50hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

1.2 逆变器时代

七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(gtr)和门极可关断晶闸管(gt0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。

1.3 变频器时代

进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率m0sfet的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(igbt)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。mosfet和igbt的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率m0sfet和gtr在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用igbt代替gtr在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

2. 现代电力电子的应用领域

2.1 计算机高效率绿色电源

高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。

计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日"能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。

2.2 通信用高频开关电源

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(dc/dc)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48v的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器smr)通过mosfet或igbt的高频工作,开关频率一般控制在50-100khz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48v/12.5a、48v/20a扩大到48v/200a、48v/400a。

因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频dc-dc隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48v直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。

2.3 直流-直流(dc/dc)变换器

dc/dc变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源dc/dc变换器已商品化,模块采用高频pwm技术,开关频率在500khz左右,功率密度为5w~20w/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。

2.4 不间断电源(ups)

不间断电源(ups)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。

现代ups普遍了采用脉宽调制技术和功率m0sfet、igbt等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对ups的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。

目前在线式ups的最大容量已可作到600kva。超小型ups发展也很迅速,已经有0.5kva、lkva、2kva、3kva等多种规格的产品。

2.5 变频器电源

变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或igbt组成的pwm高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。

国际上400kva以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。

2.6 高频逆变式整流焊机电源

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于igbt大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。

逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(ac-dc-ac-dc)变换的方法。50hz交流电经全桥整流变成直流,igbt组成的pwm高频变换部分将直流电逆变成20khz的高频矩形波,经高频变压器耦合, 整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(pwm)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率igbt逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300a,负载持续率60%,全载电压60~75v,电流调节范围5~300a,重量29kg。

2.7 大功率开关型高压直流电源

大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用x光机和ct机等大型设备。电压高达50~l59kv,电流达到0.5a以上,功率可达100kw。

自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3khz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20khz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。

国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kv,电流达到15ma,工作频率为25.6khz。

2.8 电力有源滤波器

传统的交流-直流(ac-dc)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓"电力公害",例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。

电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统lc滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流; (2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。

2.9 分布式开关电源供电系统

分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。

八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。

分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3v)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。

3. 高频开关电源的发展趋势

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

3.1 高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50hz提高到20khz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统"整流行业"的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合 闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造, 成为"开关变换类电源",其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。

3.2 模块化

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于"标准"功率模块(spm)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了"智能化"功率模块(ipm),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了"用户专用"功率模块(aspm),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(asic)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。这样,不但提高了功率容量, 在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求, 而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。

3.3 数字化

在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术 拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(emc) 问题以及功率因数修正(pfc)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。

3.4 绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电, 这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(iec)对此制定了一系列标准,如iec555、iec917、iecl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。

总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。

参考文献：

[1]林渭勋:浅谈半导体高频电力电子技术,电力电子技术选编,浙江大学,384-390,1992。

[2]季幼章:迎接知识经济时代,发展电源技术应用, 电源技术应用,n0.2,l998。

高频开关电源篇7

【关键词】变频器；AN8026

1.前言

变频器在能源节约、电力环保方面意义重大，电动机驱动是电能消耗大户，约消耗全国65%发电量，近三十多年来变频调速已在钢铁、冶金、石油、化工、电力等工作中得到广泛运用，其他家用电器例如变频冰箱，变频洗衣机、变频微波炉等也已相继出现[1]，因此设计可靠高性能的变频器电源尤为重要。本文设计的电源采用开关电源控制集成电路AN8026，AN8026为松下公司开发的反激式单端输出开关驱动控制器，其内部采用RC充放电控制的RS触发器作为驱动信号源，其输出脉冲可直接驱动MOSFET开关管，而不必外设灌流电路[2]。

变频技术目前得到了广泛的应用，而变频器的可靠稳定运行决定了变频器性能指标，作为基础硬件，变频器电源的高效可靠运行至关重要[3]。如图1所示为变频器的拓扑结构，主要由整流单元、预充电电路、制动单元和逆变单元组成，从图中可知，变频器电源为驱动电路和控制电路提供直流电源，驱动电路则为逆变单元提供驱动能力强响应速度快的驱动脉冲，因而设计高效可靠变频器电源硬件显得尤为重要。

2.电源软开关技术及电路原理

AN8026为松下公司开发的反激式单端输出RCC型准谐振软开关驱动控制器，封装为SIP 9脚封装，各个脚号的定义如表1所示，内部框图如图2所示，其特点如下[4]：

·供电电压为下限8.6V到上限34V；

·输出脉冲为单端图腾柱式驱动脉冲；

·输出驱动电流为+1A，直接驱动M0SFET管；

·启动电流为8uA，减小启动电阻功耗；

·内置逐周控制过流保护电路；

·内置滞回特性的输入欠压8.6V保护电路；

·外置稳压管的过压保护电路。

AN8026的极限参数如表2所示，图3为AN8026的电路原理图。软开关电源主要由控制芯片AN8026、MOSFET K2225、TL431、脉冲变压器TR1等组成。VCC通过启动电阻R1、R3、R5、R6限流分压由直流母线供电，输入直流母线电压等级不同可以调节启动电阻的阻值，当达到启动电压时，变换器开始工作，此后控制芯片由副边+18V辅助绕组供电。

R8将TR1辅助绕组的感应脉冲限流，二极管D6负向箝位，将2.8V的正脉冲送入第①脚用作TR1的磁通复位检测，可以避免TR1磁能未释放完毕时开关管导通产生的冲击电流，同时保证输出电压的稳定；第②脚外接C10、R14设定最小关断时间，C10设定最小导通时间；第④脚以R15作为开关管源极电流传感器，正比于开关电流峰值电压；第⑧脚的过压保护由稳压管ZD4从Vcc端取样，使启动工作电压不超出上限值34V，DZ选用22V稳压管，同时可以实现驱动脉冲失控时输出过压保护；为了防止AN8026启动前启动电压瞬间超过28V产生误动作使电路不能启动，电路中由C13对瞬间超压尖蜂进行吸收。

开关电源的软开关主要是通过C5、C6、C7和初级绕组电感Lp组成的准谐振电路来实现，具体的器件参数需根据开关电源的开关频率来计算；同时第④脚电流检测实现过流保护；第⑧脚通过R16和C18进行启动时的过压锁定，实现开关电源软启动；通过TL431组成的反馈回路实现输出电压的稳定。

3.实验验证

根据电路原理图设计，利用软件Altium Designer Summer 09绘制PCB，并调试样机，图4所示为软开关电源实验波形。

从开关电源实验波形可知开关电源的MOSFET开关管开通和关断时电压应力几乎为零，开关管损耗近似为零，这样大大提高了开关电源效率，同时增加了开关管的寿命，提高了电源的可靠性，进而提高了变频器的可靠稳定性。

4.结论

本文设计的变频器电源板具有高效稳定的工作性能，基于AN8026控制芯片设计的软开关电源效率高、稳定可靠，能够驱动板和控制板的供电需求，从实验结果可知，MOSFET开关管开通和关断时电压应力几乎为零，开关管损耗近似为零，这样大大提高了开关电源效率，同时增加了开关管的寿命，进而提高了变频器的可靠稳定性。

参考文献

[1]张树国，李栋，胡竞.变频调速技术的原理及应用[J].节能技术，2009（1）：83-86.

[2]郑国川.RCC型准谐振式AC/DC开关电源控制集成电路AN8026[J].家庭电子（爱好者），2005（22）：12-14.

[3]孙丰涛，张承慧，崔纳新，杜春水.变频器故障诊断技术研究与分析[J].电机与控制学报，2005（3）：73-75+80.

高频开关电源篇8

关键词：　电力电子；电源技术；发展

现代电力电子技术经过不断的发展以后，已经实现了多种功能，如节能、自动化和智能化、机电一体化等，电力电子正在朝更高端的技术、绿色化的性能方向发展。电源技术则是充分利用用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机（微处理器）技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。电源技术是电力电子技术内容的具体延伸，在电源中起到了关键作用，为电源的质量、效率和可靠性提供了良好的保障。

1　电力电子技术的发展

电力电子技术起始于上个世纪50年代末，80年代末则逐步向现代电力电子技术发展。电力电子的发展是从低频技术处理到高频技术处理问题的逐步转变，实现了从传统电力电子学到现代电力电子学的过渡。无论是最初的硅整流器件，还是如今的大功率半导体复合器件，都充分表明了现代电力电子技术正在以蓬勃向上的姿态发展。

1.1　整流器时代

20世纪60年代至70年代，电解、牵引、直流传动是整流器时代衍生的领域。大功率硅整流器把工频电流转为直流电，这三大领域就是通过直流电进行消费的。大功率硅整流管和晶闸管在当时非常流行，备受重视，电力电子技术已经开始受到人们的关注。

1.2　逆变器时代

由于能源危机，整流器时代逐渐不再适合20世纪70年代的发展现状，此时变频调速技术开始进入人们的视线，人们利用此技术来进一步缓解当年的能源危机。80年代以后，变频调速装置开始普及，各种电力电子器件成为当时非常普遍的器件，如大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管等。此时的电力电子技术还并没有达到先进的状态，可以实现整流和逆变。

1.3　变频器时代

80年代以后，大规模和超大规模集成电路技术闪亮登场，这些技术与高压大电流技术经过有效的融合后，就诞生了各种全控型功率器件，从功率M0SFET到绝缘门极双极晶体管的相继问世，颠覆了传统电力电子技术的领域，为现代电力电子技术的发展奠定了良好的基础，实现并推动了高频化的发展。

2　现代电力电子的应用领域

2.1　计算机高效率绿色电源

计算机技术的发展促进了电源技术的发展，也促使这个时代转变为信息化时代。计算机完成电源换代以后，对于开关电源又有了新的要求。绿色电脑和绿色开关是针对保护环境而提出的，绿色电源与绿色电脑搭配，成为一种高效节能、对环境无污染的绿色产品。绿色电源可以有效减少电能损耗，提高工作效率。

2.2　通信用高频开关电源

目前，高频小型化的开关电源技术正在不断的发展，高频开关电源广泛地应用在通讯领域中，其代替了相控式稳压电源，通过开关的控制和高频化工作，体现了高频小型化开关电源的优势。由于通讯设备的电源电压不同，通常采取高频高密度的隔离电源模块经母线电压转化成直流电压，这种方式操作方便、灵活，还可以减少能源的损耗。

2.3　直流-直流（DC/DC）变换器

直流-直流（DC/DC）变换器主要应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制，其工作原理就是将直流电压从固定变为可以变换的电压，起到节省电能的作用。直流斩波器具备调压和抑制噪声的作用，而且同样能起到节省电能的效果。

2.4　不间断电源（UPS）

不间断电源（UPS）是计算机和通信系统中的一种重要的电源，这种可靠性极强、性能极高的电源普遍采用了脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件，大大减少了电源的噪声，并提高了其可靠性和安全性。不间断电源的容量最大可以达到600kVA，并通过微处理器软硬件技术的管理，实现UPS智能化管理和维护。UPS也正在朝小型和超小型发展，功能更加强大。

2.5　变频器电源

这种电源主要应用于交流电机的变频调速，并具备超强的节能效果。变频器电源已经受到国际的关注，如日本将变频调速技术应用到空调中，这种空调不仅舒适，而且还充分节能。

2.6　高频逆变式整流焊机电源

这种电源有着非常广阔的应用前景，焊机电源通常处于极其恶劣的环境中开展工作，因此对于高频逆变式整流焊机电源的工作是否能够可靠也是人们最为关心的问题。利用微处理器来处理信息，这样就可以提前知晓系统工作状态，根据状态及时调整，提高了高频逆变式整流焊机电源的可靠性和安全性。

除此之外，还有大功率开关型高压直流电源、电力有源滤波器、分布式开关电源供电系统等相关电源，这些电源不断推动着现代电力电子技术的发展，在不同的领域中具备广泛的应用前景。

3　高频开关电源的发展趋势

高频开关电源与传统电源相比，更加精致，还可以提高电源的利用率。

3.1　高频化

高频可以用于减少电气设备的体积和重量，调快频率进行工作对于用电设备而言均可以利用这一原理进行自身的改造，从而达到节省材料和节省电能的目的。对电镀、电解、电加工等各种直流电源也可以改造成类似这样的电源，会受到良好的效果。

3.2　模块化

模块化分为功率器件和电源单元的模块化。一些智能化的功率模块应运而生，节省了许多制作材料。模块化可以进一步提高系统的可靠性，利用多个模块并联工作，可以有效分担电流，提高器件容量。这样即使模块发生故障，也不会影响整个系统的正常运行，保持了系统的可靠性。

3.3　数字化

随着现代电力电子技术的不断发展，数字化成为这个时代的标志之一。在计算机的处理过程中，数字信号处理技术主要可以增强抗干扰性、避免信号失真等功效。

3.4　绿色化

绿色化主要体现在节电和节能上。环境污染日益严重，尤其是各大发电站对环境的影响危害极大，绿色化电源系统可以减少发电对环境造成的影响。而一些节电设备却很容易污染电网，使电网不能正常运行。

4　结束语

综上所述，现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础，而现代电源技术更需要与时俱进，按照技术的发展和社会的需要不断更新换代，并应用到更多的领域当中。

随着开关电源技术的不断更新，这一技术已经充分体现了高效率和高性能，其高频化、模块化、数字化、绿色化等特征，是对现代电力电子技术最好的证明。在国内通信行业中，开关电源技术吸引了大批人士的目光，并对其进行深入开发和研究，开关电源技术存在着巨大的市场潜力和需求，因此只有不断的发展和研究，才能摸索出更多、更先进的技术。

参考文献：

[1]张新文、张杰飞，论现代电子技术在汽车智能管理系统中的应用研究[J].才智，2010年，03期.

[2]柳超、白志中、李广志，军用车载通信电源关键技术及发展趋势[J].四川兵工学报，2010年，02期.

[3]吴洁雯，现代电子技术在汽车智能管理系统中的应用研究[J].硅谷，2008年，05期.