高頻開(kāi)關(guān)電源,高頻開(kāi)關(guān)電源是什么意思
高頻開(kāi)關(guān)電源,高頻開(kāi)關(guān)電源是什么意思
1．直流電鍍電源的發(fā)展回顧
電鍍是電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程，在這一過(guò)程中，金屬離子獲得電子被還原成金屬原子，金屬原子按一定規(guī)則排列形成晶體成為鍍層。直流電鍍電源正是提供電子的“源泉”和使金屬原子結(jié)晶的動(dòng)力。因此電源在電鍍過(guò)程中的作用是十分重要的。
上世紀(jì)60年代中期以前，人們采用交流——直流發(fā)電機(jī)組為電鍍提供直流電。在調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的輸出時(shí)，要把直流發(fā)電機(jī)的輸出作為采樣信號(hào)，調(diào)節(jié)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速以改變直流輸出，即所謂“交—直—交組”。這種系統(tǒng)由于具有較高的可靠性，曾一度在電鍍領(lǐng)域占統(tǒng)治地位(與之同期的還有貢弧整流器，但較早被淘汰。)至今人們?nèi)钥稍谀承﹪?guó)內(nèi)大廠中看到它們的影子。然而這種系統(tǒng)效率極低，因此在電力電子技術(shù)誕生后不久便退出了歷史舞臺(tái)。我們把以交一直發(fā)電機(jī)組為代表的直流供電系統(tǒng)稱之為第一代直流電鍍電源。
在電力電子學(xué)還未從電工技術(shù)中分化出來(lái)之前，大功率硅整流管已被大量地工業(yè)化使用，于是，在電鍍領(lǐng)域出現(xiàn)了所謂“自耦+硅整流”式直流電鍍電源，即使用自耦變壓器調(diào)節(jié)交流電壓，再以大功率硅管(堆)進(jìn)行整流。該系統(tǒng)雖然在技術(shù)上比起“交—直流發(fā)電機(jī)組”有了一定的進(jìn)步，但由于在控制上需要用電機(jī)或人力去拖動(dòng)自耦變壓器的調(diào)壓端，很不方便。同時(shí)，其效率沒(méi)有任何改善，精密、紋波也較差。這即是所謂的第二代直流電鍍電源。
50年代中后期，晶閘管在美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生。從而給包括電鍍電源在內(nèi)的電力電子行業(yè)帶來(lái)革命性的福音。以可控硅為核心的直流電鍍電源便是在這樣的背景下產(chǎn)生的。
可控硅電鍍電源，在電路結(jié)構(gòu)上主要有兩種形式：一是利用可控硅在工頻變壓器原邊進(jìn)行調(diào)壓，然后在副邊用硅管多相整流；二是直接用可控硅在工頻變壓器的副邊進(jìn)行調(diào)壓整流。不論哪種形式，都把成熟的調(diào)節(jié)控制原理通過(guò)電子電路，運(yùn)用到對(duì)可控硅導(dǎo)通角的控制中，使得可控硅電鍍電源的輸出特性大大地優(yōu)于以往的產(chǎn)品。在額定負(fù)載情況下，往往能獲得令人滿意的精度、紋波和效率，特別是在效率上，比過(guò)去的產(chǎn)品有了顯著的提高，功率范圍也很寬。這些優(yōu)良的特性使得它一經(jīng)出現(xiàn)，便成為直流電鍍電源的主流。至今國(guó)內(nèi)大量使用的仍以這種電源為主，國(guó)外工業(yè)化國(guó)家在大功率電源領(lǐng)域也在使用這種電源。我們稱之為第三代直流電鍍電源。
第三代電鍍產(chǎn)品比以往的產(chǎn)品有著明顯的優(yōu)勢(shì)，但隨著人們對(duì)鍍層質(zhì)量和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化以及近十幾年來(lái)人類(lèi)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的節(jié)約能耗，減小污染的要求的不斷提高，可控硅電源的缺點(diǎn)越來(lái)越明顯。首先，它只能在一定的負(fù)載范圍內(nèi)保證額定精度，而實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，大多數(shù)情況是非額定的，因此，往往難以滿足實(shí)際精度需要。紋波也是如此，只在一定范圍(一般是在滿負(fù)載附近)滿足額定值，這些，都給人們利用它來(lái)進(jìn)一步提高工藝質(zhì)量帶來(lái)困難。其次，由于采用模擬電子線路完成移相控制，當(dāng)它與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)聯(lián)接時(shí)，需要的接口電路較繁瑣，很不方便。另外，由于擺脫不了工頻變壓器，使其整機(jī)體積大，重量大，耗費(fèi)銅材，而且對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾也很?chē)?yán)重。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高頻功率變換技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。第四代直流電鍍電源——高頻開(kāi)關(guān)電源正是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。
２．高頻開(kāi)關(guān)電源工作原理概述
高頻開(kāi)關(guān)電源的工作原理是功率變換。
當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，電流流過(guò)電感L，在負(fù)載RL兩端產(chǎn)生輸出電壓。由于輸入電壓的極性關(guān)系，二級(jí)管VD1處于反向配置，此時(shí)L儲(chǔ)存能量。當(dāng)開(kāi)關(guān)S打開(kāi)時(shí)，電感L的磁場(chǎng)極性發(fā)生變化，儲(chǔ)存在L中的能量通過(guò)負(fù)載RL釋放，二極管VD1正向?qū)�，�?fù)載兩端的電壓極性仍保持不變。二級(jí)管VD1因其在電路中的作用而被稱為續(xù)流二極管。
當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，輸入回路有電流輸入，而當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，則電流突然終止。但由于電感L和續(xù)流二級(jí)管VD1的作用，輸出電流是連續(xù)的。電感L和電容C同時(shí)還起到濾波的作用，從而使RL上的電壓更加平滑。
在實(shí)際應(yīng)用中，起到開(kāi)關(guān)使用的是開(kāi)關(guān)晶體管。同時(shí)在圖—1的電路中，輸入和輸出回路之間缺少安全隔離措施，因而一般采用高頻變壓器作為隔離器件 。
VT1是一開(kāi)關(guān)晶體管，其基極用一方波S1控制。S1為高電平時(shí)，VT1導(dǎo)通，在變壓器T的初級(jí)產(chǎn)生電源，并儲(chǔ)存了能量。由于變壓器的次級(jí)與初級(jí)同相，所有數(shù)量也傳遞到了變壓器次級(jí)。電流流過(guò)正向偏置的二級(jí)管VD2和電感L，能量傳遞給負(fù)載RL，同時(shí)電感L中儲(chǔ)存了能力。此時(shí)二極管VD1處于反向偏置。
當(dāng)S1為低電平時(shí)，VT1截止，變壓器T繞組中的電壓反向，二極管VD2截止，續(xù)流二極管VD1導(dǎo)通，存儲(chǔ)在電感L中的能量繼續(xù)傳遞給負(fù)載RL。
顯然，輸出電壓VRL=V2×Ton/T＝V2×X 其中X＝Ton/T為占空比；Ton為VT1的導(dǎo)通時(shí)間，改變脈沖占空比δ，即可改變輸出電壓(或電流)。
由此可以看出，開(kāi)關(guān)電源是一種功率轉(zhuǎn)換裝置 。
以上簡(jiǎn)單介紹了高頻開(kāi)關(guān)電源的工作原理、讀者不難看出它是集功率轉(zhuǎn)移技術(shù)與脈寬調(diào)制技術(shù)于“—體的高技術(shù)產(chǎn)物，是當(dāng)代電力電子學(xué)理論發(fā)展的最新體現(xiàn)。一經(jīng)問(wèn)世，即受到廣泛關(guān)注并得到空前迅速的發(fā)展。在國(guó)際上，高頻開(kāi)關(guān)電源已在直流電源領(lǐng)域無(wú)可爭(zhēng)議地居于首要地位。在國(guó)內(nèi)，以北京浩源電源設(shè)備有限公司為代表的HY系列高頻開(kāi)關(guān)電源也異軍突起，以優(yōu)異的性能、可靠的品質(zhì)和完善的服務(wù)與各種國(guó)際名牌共舞于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的舞臺(tái)。
電網(wǎng)供電經(jīng)EMI濾波后。再經(jīng)硅橋整流和濾波電路濾波，成為直流電。這里，濾波電路只用一個(gè)電路C1代表。輔助電源將交流電通過(guò)整流濾波后，變成低壓的直流電，并給控制電路供電。功率MOS管V1和V2作為開(kāi)關(guān)元件�？刂齐娐樊a(chǎn)生一固定頻率的脈沖寬度可調(diào)的方波(PWM)。該方波控制V1和V2的導(dǎo)通與關(guān)斷。
3. 高頻開(kāi)關(guān)電源與可控硅電源的比較
作為第四代直流電鍍電源，高頻開(kāi)關(guān)電源較之可控硅電源有著許多無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，這里筆者借助幾張表格將其作一簡(jiǎn)單對(duì)比。
3.1 電路結(jié)構(gòu)的比較
可控硅電源 高頻開(kāi)關(guān)電源
工頻變壓器 有 無(wú)
被控制器件 可控硅 場(chǎng)效應(yīng)管
控制方式 移相觸發(fā) 脈寬調(diào)制
輸入濾波 有 有
輸出濾波 無(wú)/有 有
3.2 功率因數(shù)比較
Cos控制角 可控硅整流器 高頻開(kāi)關(guān)電源 不加校正 加校正
0° 1.0 全量程 0.70 全量程 0.90~0.95
30° 0.95 60° 0.89 90° 0.70 120° 0.42 150° 0.17 180° 0
3. 3 輸出紋波比較
輸出電壓脈沖系數(shù)＝整流電壓基波最大值/整流電壓的直流分量
可控硅電源的輸出脈動(dòng)較大，并且隨負(fù)載的大小和整流相數(shù)的變化而變化。它的工作頻率低，在大電流時(shí)往往不加濾波電路。高頻開(kāi)關(guān)電源的輸出脈沖較小。由于輸出脈沖的頻率很高，所以低通濾波器的體積大幅度減小，這樣就十分有利于提高電源的輸出紋波特性。
有關(guān)這兩種電源脈動(dòng)系數(shù)的比較見(jiàn)下表：
可控硅電源 高頻開(kāi)關(guān)電源
相數(shù)m ym% 相數(shù)m ym%
2相 66.7 單相 1.0 3相 25.0
6相 5.7 3相 1.0
12相 1.4 0
3. 4 效率比較
可控硅電源中的工頻變壓器的轉(zhuǎn)換效率通常為85%再加上整流部分的各種損耗，使其在最理想狀態(tài)下效率也只能在75%左右。高頻開(kāi)關(guān)電源的效率隨著電路的不同而略有文化，一般在80%~90%左右。如果采用先進(jìn)的諧振型開(kāi)關(guān)電路，則其效率會(huì)更高
3．5 精密比較
可控硅電源在控制角很大時(shí)，調(diào)整能力很差，輸出電壓、電流的精度在半載到滿載時(shí)的理想情況下，方可達(dá)到3%~5%。而且電壓、電流的線性不好，這是由于可控硅電源本身電路的體制造成的。高頻開(kāi)關(guān)電源在全量程范圍內(nèi)精度均可達(dá)到1%以上。甚至可以達(dá)到0．1%。
3．6 總的比較與結(jié)構(gòu)
性能 分類(lèi) 體積 重量 效率 功率因數(shù) 精度 控制電路 工作頻率 保護(hù) 功率 帶載啟停 對(duì)電網(wǎng)干擾 節(jié)能節(jié)材
可控硅整流器 較大 笨重 75%左右 0~1可變 半載到滿載范圍3% 復(fù)雜、有同步要求，不宜集成 低50~600Hz 繼電器時(shí)間長(zhǎng)100ms，快速熔斷器10ms 大 不允許 大，頻率低不利于消除 效果差
高頻開(kāi)關(guān)電源 小，只有同功率可控硅整流器的1/3~1/5 輕，只有同功率可控硅整流器的1/4 85%左右 （1）不加校正全范圍0.7 （2）加校正全范圍可達(dá)0.9以上 全范圍內(nèi)小于%或更高 簡(jiǎn)單，有專(zhuān)用集成控制器 高，一般20KHZ~200KHZ或更高 快速，1ms且有自恢復(fù)功能 小 允許 較小，頻率高易消除 消除明顯
4．發(fā)展前景
高頻開(kāi)關(guān)電源作為新一代產(chǎn)品，已經(jīng)在中小功率方面形成規(guī)模產(chǎn)品，其市場(chǎng)覆蓋率日益擴(kuò)大。大功率方面，高頻開(kāi)關(guān)電源還受到一定的限制。但這并不意味著高頻開(kāi)關(guān)電源沒(méi)有進(jìn)入大功率范圍的可能，相反，這很可能是它的發(fā)展方向。雖然高頻開(kāi)關(guān)電源單機(jī)容量目前還受到器件、材料的限制，但是，隨著電源并聯(lián)技術(shù)的提高，電子器件的發(fā)展，多組并聯(lián)的大功率高頻開(kāi)關(guān)電源已不是夢(mèng)想。在這方面，北京浩源電源設(shè)備有限公司做了十分有益的嘗試，據(jù)了解，該公司已經(jīng)可以生產(chǎn)七萬(wàn)二千瓦的高頻開(kāi)關(guān)電源。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單機(jī)大的功率高頻開(kāi)關(guān)電源一定會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)進(jìn)入市場(chǎng)，走近我們。
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