高频开关电源范文

导语：如何才能写好一篇高频开关电源，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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摘要：介绍了高频开关电源的控制电路和并联均流系统。控制电路采用TL494脉宽调制控制器来产生PWM脉冲，用软件的方式实现多电源并联运行时达到均流的方法。

关键词：开关电源；脉宽调制；均流

引言

模块化是开关电源的发展趋势，并联运行是电源产品大容量化的一个有效方案，可以通过设计N＋l冗余电源系统，实现容量扩展。本系统是多台高频开关电源（1000A/15V）智能模块并联，电源单元和监控单元均以AT89C51单片机为核心，电源单元的均流由监控单元来协调，监控单元既可以与各电源单元通信，也可以与PC通信，实现远程监控。

1PWM控制电路

TL494是一种性能优良的脉宽调制控制器，TL494由5V基准电压、振荡器、误差放大器、比较器、触发器、输出控制电路、输出晶体管、空载时间电路构成。其主要引脚的功能为：

脚1和脚2分别为误差比较放大器的同相输入端和反相输入端；

脚15和脚16分别为控制比较放大器的反相输入端和同相输入端；

脚3为控制比较放大器和误差比较放大器的公共输出端，输出时表现为或输出控制特性，也就是说在两个放大器中，输出幅度大者起作用；当脚3的电平变高时，TL494送出的驱动脉冲宽度变窄，当脚3电平变低时,驱动脉冲宽度变宽；

脚4为死区电平控制端，从脚4加入死区控制电压可对驱动脉冲的最大宽度进行控制，使其不超过180°，这样可以保护开关电源电路中的三极管。

振荡器产生的锯齿波送到PWM比较器的反相输入端，脉冲调宽电压送到PWM比较器的同相输入端，通过PWM比较器进行比较，输出一定宽度的脉冲波。当调宽电压变化时，TL494输出的脉冲宽度也随之改变，从而改变开关管的导通时间ton，达到调节、稳定输出电压的目的。脉冲调宽电压可由脚3直接送入的电压来控制,也可分别从两个误差放大器的输入端送入,通过比较、放大,经隔离二极管输出到PWM比较器的正相输入端。两个放大器可独立使用,如分别用于反馈稳压和过流保护等，此时脚3应接RC网络，提高整个电路的稳定性。

如图1所示，PWM脉冲的占空比有内部误差放大器EA1来调制，而内部误差?大器EA2则用来打开和关断TL494，用于保护控制。脚2和脚15相连，并与公共输出端脚3相连通，因脚3电位固定，所以，TL494驱动脉冲宽度主要由脚1（PWM调整控制端）来控制；脚16是系统保护输入端，系统的过流、过压、欠压、过温等故障以及稳压或稳流切换时关断信号都是通过脚16来控制。锯齿波发生器定时电容CT=0.01μF，定时电阻RT=3kΩ，其晶振频率fosc==36.6kHz。内部两个输出晶体管集电极（脚8和脚11）接＋12V高电平，其发射极（脚9和脚10）分别驱动V1和V2，从而控制S1和S2,S3和S4管轮流导通和关闭。

2软件介绍

2.1电源单元和监控单元的软件

高频开关电源单元主要有数据采集，电压电流输出给定，键盘和LED显示，故障处理以及与监控单元RS485通信等子程序组成。监控单元主要有键盘和液晶显示，EEPROM以及与电源单元和PC机RS485通信等子程序组成。EEPROM用于存放工作参数和其他不能丢失的信息，它采用X5045芯片，X5045有512字节，内涵看门狗电路，电源VCC检测和复位电路。

如果出现故障，电源单元立即做出相应处理，并主动向监控单元申请中断，将故障数据传送给监控单元，监控单元立即调用故障处理程序，如果故障严重将切除故障电源，并启动备份电源，而且将故障情况传送给PC机。

2.2均流处理程序

高频开关电源单元将各自的电压和电流发送给监控单元，监控单元接收到各电源单元的电压和电流信息后，马上进入均流判定处理程序。本程序将根据均流精度的要求，计算出该由哪个电源单元进行怎样的调节以达到均流要求。该程序主要包括下面两个模块：第一个模块主要完成电压的检查工作，发现电源单元电压偏移超过要求，马上进行相应调节，保证其电压为要求值；第二个模块用于进行均流计算，该模块将找出电流偏移平均值超过规定要求的电源单元，并进行相应的调节。均流流程图如图2所示。

由于在实际运用中，各电源单元的电压值并非完全一致，所以本系统对多电源单元并联后的电压有两条要求。

1）多电源单元并联时，若各电源单元之间的最大电压偏差>0.5％，那么并联后的输出电压要求在各电源单元的电压之间；若各电源单元之间的电压偏差均<0.5％，那么并联后的输出电压应为各电源单元电压的中间值加0.25％误差。本要求同时兼顾了尽量提高稳压精度和防止电压调节过于频繁的要求。

2）并联后的输出电压与任一电源单元工作时的电压之差≤1％（本电源要求稳压精度<1％）。

若找不到符合要求的电压点，则程序认为相互并联的电源的电压偏差过大，将停止均流调节，并按要求提出警告。

第二个模块用于对各模块的电流进行均流计算，在本系统中，软件的均流精度定在5％。程序找出大于或小于平均电流的模块，如果超过了精度范围，程序将设置相应标志位，然后启动通信程序，通知相应电源模块启动调节程序。

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关键词：硬开关； 软开关； 零电流； 零电压； 准谐振

中图分类号：TN710-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0006-02

High-frquency Switching Power Supply Converter Based on Quasi-resonance Soft-switch

LIANG Tao

(Department of Electrical Engineering, Guangxi Mechanical and Electrical College, Nanning 530007, China)

Abstract： The tradition high-frequency switching power supply transfer circuit uses the hard-switch technology, whose the circuit power consumption is great, the withstanding voltage and the current stress are high. In order to overcome the hard switch technology negative factors caused by the forced shutoff when electric current goes through the switching valve and the forced breakover when the switching valve has voltage, the quasi-resonance soft switch technology is adopted, namely zero current switch (ZCS) quasi-resonant converter and zero voltage switch (ZVS) quasi-resonance converter. The resonant loop is composed of the inductance and electric capacity. It allows the breakover when the switching valve is at zero voltage or the shutoff when the the switching valve is at zero current by the aid of the energy exchange between the inductance, electric capacity to achieve the reduction of switching power consumption and the electromagnetic interference. The soft switch technology is widely used in new switching power supply.

Keywords： hard-switch; soft-switch; zero current; zero voltage; quasi-resonance

在高频开关电源的DC-DC变换电路中，功率开关管在控制信号强制控制下，有电压时被开通，有电流时被关断，这种工作方式称为硬开关。传统的PWM开关方式属于硬开关技术，它的缺点显而易见。

(1) 开关管无论在导通或截止时，电压和电流均不为零，功率器件承受的电压、电流应力大，开关管存在功耗，且开关频率越高，功耗愈大。

(2) 开关管关断时，电路中的感性元件和容性元件会产生幅值很高的尖峰电压和尖峰电流，对开关器件造成危害，且开关频率越高，损害越大。

(3) 随着工作频率的增高，会产生严重的电磁干扰，对自身电路及电网和周边电子设备造成影响。

理想的关断过程是电流先降到零，电压再缓慢上升到断态值，关断损耗近似为零。因为功率开关管关断之前，电流已下降到零，这就解决了感性关断尖峰电压问题，而理想的导通过程是电压已先降到零，电流再缓慢升到断态值，导通损耗近似为零。功率开关管结电容上的电压也为零，解决了容性导通尖峰电流问题。为了解决硬开关方式带来的各种不利因素，采用了多种措施。其中，准谐振型开关方式属于软开关方式，利用谐振技术，使功率开关管实现了零电压或零电流的导通和截止，基本消除开关损耗。谐振型开关方式可分为零电流开关型（ZCS）和零电压开关型(ZVS)；按控制方式分为脉冲宽度调制(PWM)和脉冲相移控制（PS）。实际应用中，PWM软开关变换器多用于小功率DC-DC开关稳压电源，PS软开关变换器则用于中大功率DC-DC开关稳压电源中。

下面介绍几种常见的软开关变换器。

1 零电流开关准谐振变换器

图1是零电流开关准谐振变换器（ZCS-QRC）基本电路。谐振电容C与整流二极管D并联，谐振电感与有源开关（晶体管或MOS管）S串联。S在零电流时接通和关断，而D在零电压时接通和关断。由于L和C谐振，通过S的电流发生振荡并归零，这就导致了自然换向。该电路特点是减少了关断时的损耗，但存在电容在接通时的损耗，电容储存的能量在S管导通时消耗在S管内，且与S管开关频率成正比。

2 零电压开关准谐振变换器

图2是零电压开关准谐振变换器（ZVS-QRC）基本电路。谐振电容C与有源开关器件S并联，谐振电感L与D串联，S刚关断时，电容C上的电压逐渐上升，并与电感L产生谐振，因此S是在零电压时接通和关断，而整流二极管D是在零电流时接通和关断。该电路特点是开关器件的电压被整形成准正弦波，为开关接通创造零电压条件，减少了接通时的损耗。存在的问题是开关管还存在过剩的电压应力，这种应力与负载大小成正比，此外整流二极管结电容与谐振电感引起的谐振会产生电磁干扰。

3 零电压开关多谐振变换器

图3是零电压开关多谐振变换器基本电路。谐振电容C同时与开关管和二极管并联，这样S和D都可以在零电压进行转换，这个电路的好处是多谐振电路把开关管输出电容、二极管结电容、变压器漏感等寄生参量吸收到谐振电路中，极大降低了开关损耗和噪声。该电路的缺点是开关管、整流二极管承受较大的电压和电流。

4 软开关脉冲宽度调制器

软开关脉冲宽度调制器是由软开关脉冲宽度调制器ZVS（或ZCS）-QRC与PWM控制的无隔离变压器式功率变换器组合而成的。图4中，当有源开关器件S与有源辅助开关器件S1同时接通时，C和L构成准谐振，当S接通，S1关断时，电感L续流。这样，在一个周期内，一段时间工作在准谐振状态，另一段时间工作在PWM状态。该电路特点是主开关S承受电流（或电压）应力小，所以使用性能较上述电路好。

5 PS软开关变换器

PS软开关变换器也称脉冲移相控制变换器，常用在大、中功率开关电源中，是实现高频化的理想拓扑之一。大功率移相控制桥式变换器由4个功率开关器件组成全桥电路的桥臂，每个开关管导通时间固定不变，同一桥臂的两只开关管相位相差180°，这样只有相对的2只开关管都导通，变换器才有功率输出。该电路利用功率开关管输出电容（C1～C4）和输出变压器的漏电感（L）作为谐振元件，使变换器的4个开关管依次在零电压下导通，实现软开关控制。

6 结 语

高频开关电源大量应用于各种用电设备，传统的功率变换器采用硬开关技术，其缺点显而易见。软开关变换器技术有多种设计方式，目的是最大程度地解决硬开关技术缺陷，它是一种行之有效的电路。

参 考 文 献

［1］ 曲学基，王增福，曲敬铠．新编高频开关稳压电源［M］．北京：电子工业出版社，2005．

［2］ 沙占友．开关电源优化设计［M］．北京：中国电力出版社，2009．

［3］ 张兴柱．开关电源功率变换器拓扑与设计［M］．北京：中国电力出版社，2010．

［4］ 刘凤君．现代高频开关电影技术及应用［M］．北京：电子工业出版社，2008．

［5］ 刘胜利．高频开关电源新技术应用［M］．北京：电力电子出版社，2008．

［6］ 陈庭勋．非线性滤波电感在开关电源中的作用［J］．电源技术应用，2006（6）：6-10．

［7］ 李定宣．开关稳压电源设计与应用［M］．北京：中国电力出版社，2006．

［8］ PRESSMAN A I, BILINGS K, MOREY T．开关电源设计［M］．北京：电子工业出版社，2010．

［9］ 钱振宇．开关电源的电磁兼容性设计与测试［M］．北京：电子工业出版社，2006．

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关键词：高频开关电源监控系统 高频开关控制器 传输方式

1 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，如图1所示：

2 控制器

2.1 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。

2.2 控制器的主要功能有：

a) 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。

b) 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。参数设置 如下：

――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”。

3 智能高频开关电源监控系统应用

3.1 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。

3.2 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：

a) 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；

b) 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；

c) 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。

3.3 监控系统传输方式

3.3.1 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。

3.3.2 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。

a) 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：

――V.11/RS422 1.2-48kbit/s

――V.10/RS432 1.2-48kbit/s

――RS485 1.2-48kbit/s

――RS-232 1.2-19.2kbit/s等。

b) 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：

――数字数据网（DDN）；

――分组交换网（PSDN）；

――帧中继（Frame Relay）；

――异步传输模式（ATM）；

――话音专线（采用Modem）；

――拨号电话线（采用Modem）。

3.4 监控系统特点

a) 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。

b) 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。

4 结论

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【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.

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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。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。

篇6

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着而迅速发展。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。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,带来显着节能、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,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。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:首先是显着节电, 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。

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（北京中唐科华电力设备有限公司河北分公司 河北 邯郸 056003）

【摘要】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。

关键词 电力电子技术；发展

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。

2.现代电力电子的应用领域?

2.1计算机高效率绿色电源。?

（1）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。?

（2）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外围设备，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。?

（1）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。?

（2）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。?

（1）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。?

（2）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)。?

（1）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。?

（2）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。?

（3）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。?

（1）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。?

（2）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。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。?

（1）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。?

（2）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。?

（3）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。?

（4）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。?

（1）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。?

（2）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。?

（3）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。?

（1）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。?

（2）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。?

（1）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。?

（2）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。?

（3）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。?

（1）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。?

（2）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。?

（1）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。?

（2）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。

4.总而言之?

篇8

刘志坤 王军辉 孔亮 李可可 李子豪

（河南理工大学 河南・焦作 454000）

摘 要 高频变压器是作为开关电源最主要的组成部分。开关电源一般采用半桥式功率转换电路，工作时两个开关三极管轮流导通来产生100kHz的高频脉冲波，然后通过高频变压器进行降压，输出低电压的交流电，高频变压器各个绕组线圈的匝数比例则决定了输出电压的多少，本文就单端反激式开关电源变换器等问题作了相应的分析。

关键词 高频变压器 单端反激式 开关电源

中图分类号：TM4 文献标识码：A

1单端反激式开关电源变换器

单端反激式变压器又称电感储能式变压器，当高压开关管VT1 被脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）脉冲信号激励而导通时，直流输入电压施加到高频变压器T 的原边绕组上，在变压器次级绕组上感应出的电压使整流管VD1 反向偏置而阻断，此时电源能量以磁能形式存储在初级电感中；当开关管VT1 截止时，原边绕组两端电压极性反向，副边绕组上的电压极性颠倒，使D1 导通，储存在变压器中的能量释放给负载。

2变压器磁芯的选择

开关电源输出功率为120w，磁芯磁导率为：

u=uxu0=2000-7=8 -4（N/A2）…… （1）

其中开关管最大占空比：

D max = 0% （2）

其中， Vor是副边折射到原边的反射电压大小为135v；Vdcmin为最小输入直流电压，大小为120v；Vds是开关管漏源极电压，大小为10v；将以上数据代入后，得到输入占空比为50%；开关电源效率=80%；则所需要变压器面积乘积为1.3 cm^2这里取窗口面积利用系数Kw=0.4；

电流密度J=400A/cm^2；磁感应强度Bm=0.25；脉动电流和峰值电流比例系数为Krp=0.7；由于骨架需要，这里选择EI40磁芯，EI40参数：A=40mm ，B=26.8mm ，C=11.8mm，D=11.8mm， E=20.3mm， F=27.3mm；

其磁芯截面积为：Ac=1.2*1.2=1.44cm^2；

窗口面积为：Am=0.8*2.03=1.62cm^2；

磁路长度为：L=9.2*10^-2m

磁芯面积乘积：App=Ac*Am=1.44*1.62=2.33cm^2；

综合以上计算，EI40型铁芯满足设计要求。

2.1原边绕组匝数Np的计算

根据公式 ， （3）

代入计算可得Np=48.4匝，实际取值为50匝；

2.2输出绕组匝数的计算

公式 （4）

其中，Uf是整流管的电压，大小取0.4V；代入公式可得：N2=9.76匝，这里取10匝。

2.3反馈绕组匝数的计算

根据公式（4）可得，反馈绕组匝数N2’=8.5匝，这里取N2’=9匝。

2.4磁芯气隙宽度的计算

在单端反激式开关电源中，高频变压器磁芯的气隙对电源性能影响较大。为防止变压器磁芯发生磁饱和现象，要在磁芯中留有气隙。

原边电感计算公式为：， （5）

其中Emin这里取300v，Pin=150w，Dmax=0.5；代入公式可得，Lp=750uH；

原边电流最大值为： （6）

将Lp，代入公式可得，Ip=2A；

根据公式： （7）

其中，Ae是有效磁芯面积，大小为1.44cm^2，将Lp代入得， =0.06cm。

2.5绕组线径的计算：

经相关运算；初级线径大小为：d=0.94mm；二次侧线径大小为：d=1.68mm。

根据以上数据分析可得：原边绕组 N1 用 0.5mm 线径绕 50 匝；输出绕组 N2 用0.8mm 线径双线，并绕10 匝；反馈绕组N3用0.5 线径绕9 匝。

3结束语

本文针对变压器的相关指标做了简单的分析计算，希望能够给从事相关工作的人员提供以下参考。

参考文献

篇9

1　电磁干扰的产生与传输

电磁干扰传输有两种方式：一种是传导传输方式，另一种则是辐射传输方式。传导传输是在干扰源和敏感设备之间有完整的电路连接，干扰信号沿着连接电路传递到接收器而发生电磁干扰现象。

辐射传输是干扰信号通过介质以电磁波的形式向外传播的干扰形式。常见的辐射耦合有三种：1)一个天线发射的电磁波被另一个天线意外地接收，称为天线对天线的耦合，2)空间电磁场经导线感应而耦合，称为场对线的耦合。3)两根平等导线之间的高频信号相互感应而形成的耦合，称为线对线的感应耦合。

2　电磁干扰的产生机理

从扰的敏感设备角度来说，干扰耦合又可分为传导耦合和辐射耦合两类。

传导耦合模型

传导耦合按其原理可分为电阻性耦合、电容性耦合和电感性耦合三种基本耦合方式。

辐射耦合模型

辐射耦合是干扰耦合的另一种方式，除了从干扰源发出的有意辐射外，还有大量的无意辐射。同时，PCB板上的走线无论是电源线、信号线、时钟线、数据线或者控制线等，都能起到天线的效果，即可辐射出干扰波，又可起到接收作用。

3　电磁干扰控制技术

①传输通道抑制

滤波：在设计和选用滤波器时应注意频率特性、耐压性能、额定电流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。滤波器的安装正确与否对其插入损耗特性影响很大，只有安装位置恰当，安装方法正确，才能对干扰起到预期的滤波作用。在安装滤波器时应考虑安装位置，输入输出侧的配线必须屏蔽隔离，以及高频接地和搭接方法。

屏蔽：电磁屏蔽按原理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种。电场屏蔽包含静电屏蔽和交变电场屏蔽，磁场屏蔽包含低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽。不同类型的电磁屏蔽对屏蔽体的要求不同。在实际的屏蔽中，电磁屏蔽效能更大程度上依赖于屏蔽体的结构，即导电的连续性。实际的屏蔽体由于制造、装配、维修、散热、观察及接口连接要求，其上面一般都开有形状各异、尺寸不同的孔缝，这些孔缝对于屏蔽体的屏蔽效能起着重要的影响作用，因此必须采取措施来抑制孔缝的电磁泄漏。

接地：接地有安全接地和信号接地两种。同时，接地也会引入接地阻抗及地回路干扰。接地技术包括接地点的选择、电路组合、接地的设计和抑制接地干扰措施的合理应用等。

搭接：搭接是指导体间低阻抗连接，只有良好的搭接才能使电路完成其设计功能，使干扰的各种抑制措施得以发挥作用。搭接方法可分为永久性搭接和半永久性搭接两种，而搭接类型分为直接搭接和间接搭接。

布线：布线是印刷电路板电磁兼容性设计的关键，应选择合理的导线宽度，采取正确的布线策略，如加粗地线，将地线闭合成环路，减少导线不连续性，采用多层板等。

②空间分离

空间分离是抑制空间辐射骚扰和感应耦合骚扰的有效方法，通过加大骚扰源和接受器敏感设备之间的空间距离，使骚扰电磁场到达敏感设备时的强度已衰减到低于接受设备敏感度门限，从而达到抑制电磁干扰的目的。由电磁场理论可知，场强在近区感应场中以l/r3的方式衰减，远区辐射场的场强分布按1/r方式减小。因此，为了满足系统的电磁兼容性要求，尽量将组成系统的各个设备间的空间距离增大。在设备、系统布线中，限制平行线缆的最小间距，以减少串扰。在PCB设计中，规定引线条间的最小间隔。另外，空间分离也包括在空间有限的情况下，对骚扰源辐射方向的方位调整、骚扰源电场矢量与磁场矢量的空间取向的控制。

③时间分离

当骚扰源非常强，不易采用其他方法可靠抑制时，通常采用时间分隔的方法，使有用信号在骚扰信号停止发射的时间内传输，或者当强骚扰信号发射时，使易受骚扰的敏感设备短时关闭，以避免遭受损害。时间分隔控制有两种形式，一种是主动时间分隔，适用于有用信号出现时间与干扰信号出现时间有确定先后关系的情况，另一种是被动时间分隔，按照干扰信号与有用信号出现的特征使其中某一信号迅速关闭，从而达到时间上不重合、不覆盖的控制要求。

④频谱管理

频谱的规划划分是把各频段划分给各种无线电业务，为特定用户制定频段。制定国家标准规范是防止干扰以及在某些情况下确保通信系统达到所需通信性能的基础。这包括无线电设备的核准程序，无线电发射机、接收机和其他设备型号核准所要求的最低性能标准文件。

⑤电气隔离

电气隔离是避免电路中传导干扰的可靠方法，同时还能使有用信号正常耦合传输。常见的电气隔离耦合形式有机械耦合、电磁耦合、光电耦合等。DC/DC变换器是一种应用广泛的电器隔离器件，它将一种直流电压变换成另一种直流电压，为了防止多个设备共用一个电源引起共电源内阻干扰，应用DC/DC变换器单独对各路供电，以保证电路不受电源中的信号干扰。

开关电源中的EMC技术应用

1　开关电源产生干扰的原因

开关电源首先将工频交流整流为直流，再逆变为高频，最后经过整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压，因此自身含有大量的谐波干扰。同时，由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，都形成了潜在的电磁干扰。开关电源中的干扰源主要集中在电压、电流变化大的元器件上，突出表现在开关管、二极管、高频变压器等上。

①开关电路产生的电磁干扰

开关电路是开关电源的主要干扰源之一。开关电路是开关电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。它产生的du/dt具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。这种脉冲干扰产生的主要原因是：开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压；在开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。电源电压中断会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这种瞬变是一种传导型电磁干扰，既影响变压器初级，还会使传导干扰返回配电系统，造成电网谐波电磁干扰，从而影响其他设备的安全和经济运行。

②整流电路产生的电磁干扰

整流电路中，在输出整流二极管截止时有一个反向电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。其中，能将反向电流迅速恢复到零的二极管称为硬恢复特性二极管，这种二极管在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强的高频干扰，其频率可达几十MHz。高频整流回路中的整流二极管正向导通

时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。

③高频变压器

高频变压器的初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射干扰。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导干扰。需要注意的是，在二极管整流电路产生的电磁干扰中，整流二极管反向恢复电流的di/dt远比续流二极管反向恢复电流的di/dt大得多。作为电磁干扰源来研究，整流二极管反向恢复电流形成的干扰强度大、频带宽。但是，整流二极管产生的电压跳变远小于功率开关管导通和关断时产生的电压跳变。因此，也可不计整流二极管产生的|dr/dt|影响，把整流电路当成电磁干扰耦合通道的一部分来研究。

④分布电容引起的干扰

开关电源工作在高频状态，因而其分布电容不可忽略。一方面，散热片与开关管集电极间的绝缘片接触面积较大，且绝缘片较薄，因此两者间的分布电容在高频时不能忽略。高频电流会通过分布电容流到散热片上，再流到机壳地，产生共模干扰，另一方面，脉冲变压器的初次级之间存在着分布电容，可将原边电压直接耦合到副边上，在副边作直流输出的两条电源线上产生共模干扰。

⑤杂散参数影响耦合通道的特性

在传导干扰频段(＜30MHz)，多数开关电源干扰的耦合通道是可以用电路网络来描述的。但是，开关电源中的任何一个实际元器件，如电阻、电容、电感乃至开关管、二极管都包含有杂散参数，且研究的频带愈宽，等值电路的阶次愈高。因此，包括各元器件杂散参数和元器件间的耦合在内的开关电源的等效电路将复杂得多。在高频时，杂散参数对耦合通道的特性影响很大，分布电容的存在成为电磁干扰的通道。另外，在开关管功率较大时，集电极一般都需加上散热片，散热片与开关管之间的分布电容在高频时不能忽略，它能形成面向空间的辐射干扰和电源线传导的共模干扰。

2　开关电源电磁干扰的控制技术

要解决开关电源的电磁干扰问题，可从3个方面入手：1)减小干扰源产生的干扰信号；2)切断干扰信号的传播途径；3)增强受干扰体的抗干扰能力。因此，开关电源电磁电磁干扰要控制技术主要有：电路措施、EMI滤波、元器件选择、屏蔽和印制电路板抗干扰设计等。

①减少开关电源本身的干扰

软开关技术：在原有的硬开关电路中增加电感和电容元件，利用电感和电容的谐振，降低开关过程中的du/dt和di/dt，使开关器件开通时电压的下降先于电流的上升，或关断时电流的下降先于电压的上升，来消除电压和电流的重叠。

开关频率调制技术：通过调制开关频率fc，把集中在fc及其谐波2fc、3fc…上的能量分散到它们周围的频带上，以降低各个频点上的EMI幅值。该方法不能降低干扰总量，但能量被分散到频点的基带上，从而使各个频点都不超过EMI规定的限值。为了达到降低噪声频谱峰值的目的，通常有两种处理方法：随机频率法和调制频率法。

共模干扰的有源抑制技术：设法从主回路中取出一个与导致电磁干扰的主要开关电压波形完全反相的补偿EMI噪声电压，并用它去平衡原开关电压。

减小电磁干扰的缓冲电路：其由线性阻抗稳定网络组成，作用是消除在供电电力线内潜在的干扰，包括电力线干扰、电快速瞬变，电涌，电压高低变化和电力线谐波等。这些干扰对一般稳压电源来说，影响不是很大，但对高频开关电源的影响显著。

滤波：EMI滤波器的主要目的之一，就是要在150kHz～30MHz的频段范围获得较高的插入损耗，但对频率为50Hz工频信号不产生衰减，使额定电压、电流顺利通过，同时还必须满足一定的尺寸要求。任何电源线上的传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。在一般情况下，差模干扰幅度小，频率低，所造成的干扰较小；共模干扰幅度大，频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。因此，欲削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装电磁干扰滤波器。

PCB设计：PCB抗干扰设计主要包括PCB布局、布线及接地，其目的是减小PCB的电磁辐射和PCB上电路之间的串扰。开关电源布局的最佳方法与其电气设计类似。在确定PCB的尺寸形状后，再确定特殊元器件(如各种发生器、晶振等)的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。

元器件的选择：选择不易产生噪声、不易传导和辐射噪声的元器件。通常特别值得注意的是，二极管和变压器等绕组类元器件的选用。反向恢复电流小、恢复时间短的快速恢复二极管是开关电源高频整流部分的理想器件。

②切断干扰信号的传播途径一共模、差模电源线滤波器设计

电源线干扰可以使用电源线滤波器滤除。一个合理有效的开关电源EMI滤波器应该对电源线上差模和共模干扰都有较强的抑制作用。

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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。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。

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

(l)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

(3)叶治正,叶靖国:开关稳压电源。高等教育出版社,1998