開關電源歷程與高頻開關電源的組成及分類
1. 電力電子技術的發(fā)展
現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。
1.1 整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產(chǎn)物。
1.2 逆變器時代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)�。這時的電力電子技術已經(jīng)能夠實現(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3 變頻器時代
進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉化的標志。據(jù)統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2. 現(xiàn)代電力電子的應用領域
2.1 計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的外圍設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2 通信用高頻開關電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3 直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源), 同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4 不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
2.5 變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器, 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現(xiàn)無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發(fā)生產(chǎn)熱點。預計到2000年左右將形成高潮。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6 高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合, 整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7 大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8 電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網(wǎng)側三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;
(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9 分布式開關電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)�？刂萍呻娐纷骰静考�,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結構相繼出現(xiàn),結合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數(shù)量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3. 高頻開關電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1 高頻化
理論分析和實踐經(jīng)驗表明,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。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造, 成為“開關變換類電源”,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)高頻設備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益,更可體現(xiàn)技術含量的價值。
3.2 模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七元,包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實質上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有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)過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。另外,大功率的開關電源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮,一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術,所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量, 在有限的器件容量的情況下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,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復提供充分的時間。
3.3 數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數(shù)字化技術就離不開了。
3.4 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)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(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)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設備,往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀批量生產(chǎn)各種綠色開關電源產(chǎn)品奠定了基礎。
現(xiàn)代電力電子技術是開關電源技術發(fā)展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現(xiàn),現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應用技術下,由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓撲和新型的控制技術,可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態(tài),從而可大大的提高工作頻率,提高開關電源工作效率,設計出性能優(yōu)良的開關電源。
總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展,新技術的出現(xiàn)又會使許多應用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn),將標志著這些技術的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們去開發(fā)。
高頻開關電源的組成與分類
開關電源具有體積小、效率高等一系列優(yōu)點，在各類電子產(chǎn)品中得到廣泛的應用。但由于開關電源的控制電路比較復雜、輸出紋波電壓較高，所以開關電源的應用也受到一定的限制。
電子裝置小型輕量化的關鍵是供電電源的小型化，因此需要盡可能地降低電源電路中的損耗。開關電源中的調整管工作于開關狀態(tài)，必然存在開關損耗，而且損耗的大小隨開關頻率的提高而增加。另一方面，開關電源中的變壓器、電抗器等磁性元件及電容元件的損耗，也隨頻率的提高而增加。
目前市場上開關電源中功率管多采用雙極型晶體管，開關頻率可達幾十kHz;采用MOSFET的開關電源轉換頻率可達幾百kHz。為提高開關頻率必須采用高速開關器件。對于兆赫以上開關頻率的電源可利用諧振電路，這種工作方式稱為諧振開關方式。它可以極大地提高開關速度，原理上開關損耗為零，噪聲也很小，這是提高開關電源工作頻率的一種方式。采用諧振開關方式的兆赫級變換器已經(jīng)實用化。
開關電源的集成化與小型化已成為現(xiàn)實。然而，把功率開關管與控制電路都集成在同一芯片上，必須解決電隔離和熱絕緣的問題。
1開關電源的基本構成
開關電源采用功率半導體器件作為開關器件，通過周期性間斷工作，控制開關器件的占空比來調整輸出電壓。開關電源的基本構成如圖1所示，其中DC/DC變換器進行功率轉換，它是開關電源的核心部分，此外還有起動、過流與過壓保護、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路(R1、R2)檢測輸出電壓變化，與基準電壓Ur比較，誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調制(PWM)電路，再經(jīng)過驅動電路控制功率器件的占空比，從而達到調整輸出電壓大小的目的。圖2是一種電路實現(xiàn)形式。
DC/DC變換器有多種電路形式，常用的有工作波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準正弦波的諧振型變換器。
對于串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源，輸出對輸入的瞬態(tài)響應特性主要由調整管的頻率特性決定。但對于開關型穩(wěn)壓電源，輸入的瞬態(tài)變化比較多地表現(xiàn)在輸出端。提高開關頻率的同時，由于反饋放大器的頻率特性得到改善，開關電源的瞬態(tài)響應問題也能得到改善。負載變化瞬態(tài)響應主要由輸出端LC濾波器特性決定，所以可以利用提高開關頻率、降低輸出濾波器LC乘積的方法來改善瞬態(tài)響應特性。
2開關型穩(wěn)壓電源的分類
開關型穩(wěn)壓電源的電路結構有多種：
(1)按驅動方式分，有自勵式和他勵式。
(2)按DC/DC變換器的工作方式分：①單端正勵式和反勵式、推挽式、半橋式、全橋式等;②降壓型、升壓型和升降壓型等。
(3)按電路組成分，有諧振型和非諧振型。
(4)按控制方式分：①脈沖寬度調制(PWM)式;②脈沖頻率調制(PFM)式;③PWM與PFM混合式。
(5)按電源是否隔離和反饋控制信號耦合方式分，有隔離式、非隔離式和變壓器耦合式、光電耦合式等。
以上這些方式的組合可構成多種方式的開關型穩(wěn)壓電源。因此設計者需根據(jù)各種方式的特征進行有效地組合，制作出滿足需要的高質量開關型穩(wěn)壓電源。
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