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高頻開(kāi)關(guān)電源

來(lái)源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2025年06月02日 17:32

20世紀(jì)60年代大量應(yīng)用的線(xiàn)性調(diào)節(jié)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(chǎng)合應(yīng)用等，已開(kāi)始被開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源所取代。

1964年，日本NEO雜志發(fā)表了兩篇具有指導(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”。這兩篇文章指明了開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源小型化的研究方向，即一是高頻化，二是采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。經(jīng)過(guò)將近10 年的研究、開(kāi)發(fā)取得了良好的結(jié)果。

1973年，美國(guó)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，從此在世界范圍內(nèi)就掀起了高頻開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)發(fā)熱潮，并將DC/DC轉(zhuǎn)換器作為開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器用于開(kāi)關(guān)電源，使電源的功率密度由1～4 W/in3增加到40～50W/in3。首先被采用的是Buck轉(zhuǎn)換器。

到20世紀(jì)80年代中期，Buck、Boost和Buck￣Boost轉(zhuǎn)換器也應(yīng)用到開(kāi)關(guān)電源中。20世紀(jì)70年代中期，美國(guó)加州理工學(xué)院研制出一種新型開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，稱(chēng)為Cuk轉(zhuǎn)換器（是以發(fā)明人S1obodan Cuk的姓來(lái)命名的）。Cuk轉(zhuǎn)換器與Buck-Boost轉(zhuǎn)換器互為對(duì)偶，也是一種升降壓轉(zhuǎn)換器。20世紀(jì)80年代中期以后逐漸被應(yīng)用到開(kāi)關(guān)電源中。

1976年，美國(guó)P.W，Clarke研制出一種有變壓器的“原邊電感式轉(zhuǎn)換器”（Primary Inductance Converter）簡(jiǎn)稱(chēng)PIC，獲得專(zhuān)利，并且也應(yīng)用到開(kāi)關(guān)電源中。

1977年，Bell實(shí)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-Ended Primary Inductance Converter），簡(jiǎn)稱(chēng)（有變壓器的）SEPIC電路，這是一種新的DC/DC單端PWM開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，其對(duì)偶電路稱(chēng)為DualSEPIC，或Zeta轉(zhuǎn)換器。

到1989年，人們將SEPIC和Zeta也應(yīng)用到了開(kāi)關(guān)電源中，使開(kāi)關(guān)電源所采用的DC/DC轉(zhuǎn)換器，增加到6種。通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器的演化與級(jí)聯(lián)，開(kāi)關(guān)電源所采用的DC/DC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)增加到了14種。用這14種DC/DC轉(zhuǎn)換器作為開(kāi)關(guān)電源的主要組成部分，就可以設(shè)計(jì)出使用于不同場(chǎng)所、滿(mǎn)足于不同性能要求和用途的、高性能、高功率密度的各種功率的開(kāi)關(guān)電源。

1 本產(chǎn)品采用進(jìn)口名牌元器件和國(guó)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)量更加可靠。

2 整機(jī)具有過(guò)壓，過(guò)流，超溫，短路，缺相等自動(dòng)保護(hù)報(bào)警功能和軟啟動(dòng)功能。并可加裝時(shí)間控制和計(jì)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，增強(qiáng)鍍層表面的光澤度和鍍件暗角的鉆芯度。并可減少原材料的損耗，達(dá)到電鍍行業(yè)的各種特殊要求。

4 高頻開(kāi)關(guān)電源采用風(fēng)冷式設(shè)計(jì)，安裝方便。并配有遠(yuǎn)控裝置，操作簡(jiǎn)單。可以帶負(fù)載開(kāi)關(guān)機(jī)，減少調(diào)節(jié)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，增強(qiáng)了產(chǎn)品的防腐蝕能力，延長(zhǎng)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(xiàn)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。

(1)按驅(qū)動(dòng)方式分，有自勵(lì)式和他勵(lì)式。

(2)按DC/DC變換器的工作方式分：①單端正勵(lì)式和反勵(lì)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(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控制信號(hào)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(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源。因此設(shè)計(jì)者需根據(jù)各種方式的特征進(jìn)行有效地組合，制作出滿(mǎn)足需要的高質(zhì)量開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源。 [1]

主電路

從交流電網(wǎng)輸入、直流輸出的全過(guò)程，包括：

1、輸入濾波器：其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過(guò)濾掉，同時(shí)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(jí)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(kāi)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：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

控制電路

一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達(dá)到輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測(cè)試電路提供的資料，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對(duì)整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)措施。

檢測(cè)電路

除了提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀表資料。

輔助電源

提供所有單一電路的不同要求電源。

開(kāi)關(guān)K以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開(kāi)，在開(kāi)關(guān)K接通時(shí)，輸入電源E通過(guò)開(kāi)關(guān)K和濾波電路提供給負(fù)載RL，在整個(gè)開(kāi)關(guān)接通期間，電源E向負(fù)載提供能量；當(dāng)開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)時(shí)，輸入電源E便中斷了能量的提供?？梢?jiàn)，輸入電源向負(fù)載提供能量是斷續(xù)的，為使負(fù)載能得到連續(xù)的能量提供，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源必須要有一套儲(chǔ)能裝置，在開(kāi)關(guān)接通時(shí)將一部份能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，向負(fù)載釋放。由電感L、電容C2和二極管D組成的電路，就具有這種功能。電感L用以?xún)?chǔ)存能量，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，儲(chǔ)存在電感L中的能量通過(guò)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(chēng)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(kāi)關(guān)每次接通的時(shí)間，T為開(kāi)關(guān)通斷的工作周期（即開(kāi)關(guān)接通時(shí)間TON和關(guān)斷時(shí)間TOFF之和）。

由式可知，改變開(kāi)關(guān)接通時(shí)間和工作周期的比例，AB間電壓的平均值也隨之改變，因此，隨著負(fù)載及輸入電源電壓的變化自動(dòng)調(diào)整TON和T的比例便能使輸出電壓V0維持不變。改變接通時(shí)間TON和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱(chēng)為“時(shí)間比率控制”（Time Ratio Control,縮寫(xiě)為T(mén)RC）。

一、脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation,縮寫(xiě)為PWM）

開(kāi)關(guān)周期恒定，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變占空比的方式。

二、脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation,縮寫(xiě)為PFM）

導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)工作頻率來(lái)改變占空比的方式。

三、脈沖密度調(diào)制（Pulse Density Modulation，縮寫(xiě)為PDM）

導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過(guò)改變脈沖數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方式。

四、混合調(diào)制

導(dǎo)通脈沖寬度和開(kāi)關(guān)工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的混合。

高頻開(kāi)關(guān)電源不需要大幅度提高開(kāi)關(guān)速度就可以在理論上把開(kāi)關(guān)損耗降到零，而且噪聲也小。

（1）通過(guò)MODEM和電話(huà)網(wǎng)與監(jiān)控中心通信，從通信口讀取高頻開(kāi)關(guān)電源的信息；

（2）測(cè)量模塊的輸出電流和電壓、直流母線(xiàn)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）控制電源的輸出電流和穩(wěn)流，控制電源的開(kāi)關(guān)機(jī)等；

（4）控制高頻開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池浮充、均充方式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；

（5）控制硅鏈的自動(dòng)或手動(dòng)投切，保證控制母線(xiàn)的穩(wěn)壓精度，進(jìn)而保證微機(jī)和晶體管保護(hù)用電的可靠性，防止造成保護(hù)誤動(dòng)；

（6）調(diào)節(jié)充電限流值和總輸出電流穩(wěn)流值；

（7）具有本地和遠(yuǎn)程控制方式，采用密碼允許或禁止方式操作，以增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對(duì)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(kāi)關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會(huì)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(dòng)汽車(chē)和變頻傳動(dòng)中,更是離不開(kāi)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源改變用電頻率,從而達(dá)到近于理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)控制。高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù),更是各種大功率開(kāi)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)踐經(jīng)驗(yàn)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(huà),用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的5~l0%。無(wú)論是逆變式整流焊機(jī),還是通訊電源用的開(kāi)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根據(jù)這一原理進(jìn)行改造, 成為“開(kāi)關(guān)變換類(lèi)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(lái)采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化,帶來(lái)顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟(jì)效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)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(jiàn)的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七元,包括開(kāi)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(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)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,更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。實(shí)際上,由于頻率的不斷提高,致使引線(xiàn)寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重,對(duì)器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過(guò)電壓、過(guò)電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開(kāi)發(fā)了“用戶(hù)專(zhuān)用”功率模塊(ASPM),它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線(xiàn)連接,這樣的模塊經(jīng)過(guò)嚴(yán)格、合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì),達(dá)到優(yōu)化完美的境地。它類(lèi)似于微電子中的用戶(hù)專(zhuān)用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫(xiě)入該模塊中的微處理器芯片,再把整個(gè)模塊固定在相應(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺(tái)新型的開(kāi)關(guān)電源裝置。由此可見(jiàn),模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機(jī)體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線(xiàn),把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。另外,大功率的開(kāi)關(guān)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(gè)獨(dú)立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術(shù),所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流,一旦其中某個(gè)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滿(mǎn)足了大電流輸出的要求, 而且通過(guò)增加相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(wàn)一出現(xiàn)單模塊故障,也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復(fù)提供充分的時(shí)間。

數(shù)字化

在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)和工作的。在六、七十年代,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(hào)、數(shù)字電路顯得越來(lái)越重要,數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn):便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小雜散信號(hào)的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測(cè)遙調(diào),也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。所以,在八、九十年代,對(duì)于各類(lèi)電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),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(wèn)題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問(wèn)題的解決,離不開(kāi)模擬技術(shù)的知識(shí),但是對(duì)于智能化的開(kāi)關(guān)電源,需要用計(jì)算機(jī)控制時(shí),數(shù)字化技術(shù)就離不開(kāi)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)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(duì)環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn),如IEC555、IEC917、IECl000等。事實(shí)上,許多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會(huì)變成對(duì)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)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(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(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。

現(xiàn)代電力電子技術(shù)是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著新型電力電子器件和適于更高開(kāi)關(guān)頻率的電路拓?fù)涞牟粩喑霈F(xiàn),現(xiàn)代電源技術(shù)將在實(shí)際需要的推動(dòng)下快速發(fā)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(kāi)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(duì)開(kāi)關(guān)電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓?fù)浜托滦偷目刂萍夹g(shù),可使功率開(kāi)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(kāi)關(guān)電源工作效率,設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源。

總而言之,電力電子及開(kāi)關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現(xiàn)又會(huì)使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會(huì)開(kāi)拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開(kāi)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)的發(fā)展,以開(kāi)關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開(kāi)關(guān)電源,僅國(guó)內(nèi)有20多億人民幣的市場(chǎng)需求,吸引了國(guó)內(nèi)外一大批科技人員對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。開(kāi)關(guān)電源代替線(xiàn)性電源和相控電源是大勢(shì)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)正在啟動(dòng),并將很快發(fā)展起來(lái)。還有其它許多以開(kāi)關(guān)電源技術(shù)為核心的專(zhuān)用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)。

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