春天來了?開關(guān)電源全解釋
開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比,二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長,但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上,反而高于開關(guān)電源,這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新,使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新,這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動,這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。
開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向,高頻化使開關(guān)電源小型化,并使開關(guān)電源進入更廣泛的應用領域,特別是在高新技術(shù)領域的應用,推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。
開關(guān)電源的分類
人們在開關(guān)電源技術(shù)領域是邊開發(fā)相關(guān)電力電子器件,邊開發(fā)開關(guān)變頻技術(shù),兩者相互促進推動著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類,DC/DC變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化,且設計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標準化,并已得到用戶的認可,但AC/DC的模塊化,因其自身的特性使得在模塊化的進程中,遇到較為復雜的技術(shù)和工藝制造問題。以下分別對兩類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述。
2.1 DC/DC變換
DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓,也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種,一是脈寬調(diào)制方式Ts不變,改變ton(通用),二是頻率調(diào)制方式,ton不變,改變Ts(易產(chǎn)生干擾)。其具體的電路由以下幾類:
。1)Buck電路——降壓斬波器,其輸出平均電壓U0小于輸入電壓Ui,極性相同。
。2)Boost電路——升壓斬波器,其輸出平均電壓U0大于輸入電壓Ui,極性相同。
。3)Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器,其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,電感傳輸。
(4)Cuk電路——降壓或升壓斬波器,其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,電容傳輸。
當今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍,美國VICOR公司設計制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器,其最大輸出功率有300W、600W、800W等,相應的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3,效率為(80~90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列,其開關(guān)頻率為(200~300)kHz,功率密度已達到27W/cm3,采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二極管),使整個電路效率提高到90%。
2.2 AC/DC變換
AC/DC變換是將交流變換為直流,其功率流向可以是雙向的,功率流由電源流向負載的稱為“整流”,功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電,因必須經(jīng)整流、濾波,因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的,同時因遇到安全標準(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、、FCC、CSA),交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件,這樣就限制AC/DC電源體積的小型化,另外,由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動作,使得解決EMC電磁兼容問題難度加大,也就對內(nèi)部高密度安裝電路設計提出了很高的要求,由于同樣的原因,高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作損耗增大,限制了AC/DC變換器模塊化的進程,因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。
AC/DC變換按電路的接線方式可分為,半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為,單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。
開關(guān)電源的選用
開關(guān)電源在輸入抗干擾性能上,由于其自身電路結(jié)構(gòu)的特點(多級串聯(lián)),一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過,在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術(shù)指標上與線性電源相比具有較大的優(yōu)勢,其輸出電壓穩(wěn)定度可達(0.5~1)%。開關(guān)電源模塊作為一種電力電子集成器件,在選用中應注意以下幾點:
3.1 輸出電流的選擇
因開關(guān)電源工作效率高,一般可達到80%以上,故在其輸出電流的選擇上,應準確測量或計算用電設備的最大吸收電流,以使被選用的開關(guān)電源具有高的性能價格比,通常輸出計算公式為:
Is = K If 式中:Is—開關(guān)電源的額定輸出電流;
If—用電設備的最大吸收電流;
K—裕量系數(shù),一般取1.5~1.8;
3.2 接地
開關(guān)電源比線性電源會產(chǎn)生更多的干擾,對共模干擾敏感的用電設備,應采取接地和屏蔽措施,按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制,開關(guān)電源均采取EMC電磁兼容措施,因此開關(guān)電源一般應帶有EMC電磁兼容濾波器。
3.3 保護電路
開關(guān)電源在設計中必須具有過流、過熱、短路等保護功能,故在設計時應首選保護功能齊備的開關(guān)電源模塊,并且其保護電路的技術(shù)參數(shù)應與用電設備的工作特性相匹配,以避免損壞用電設備或開關(guān)電源。
開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動向
開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化,因此國外各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件,特別是改善二次整流器件的損耗,并在功率鐵氧體材料上加大科技創(chuàng)新,以提高在高頻率和較大磁通密度(Bs)下獲得高的磁性能,而電容器的小型化也是一項關(guān)鍵技術(shù)。
SMT技術(shù)的應用使得開關(guān)電源取得了長足的進展,在電路板兩面布置元器件,以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。開關(guān)電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)進行創(chuàng)新,實現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù),并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率。對于高可靠性指標,美國的開關(guān)電源生產(chǎn)商通過降低運行電流,降低結(jié)溫等措施以減少器件的應力,使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。
模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢,可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng),可以設計成N+1冗余電源系統(tǒng),并實現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴展。針對開關(guān)電源運行噪聲大這一缺點,若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著增大,而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù),在理論上即可實現(xiàn)高頻化又可降低噪聲,但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實際應用仍存在著技術(shù)問題,故仍需在這一領域開展大量的工作,以使得該項技術(shù)得以實用化。
電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新,使開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度,就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路,走出有中國特色的產(chǎn)學研聯(lián)合發(fā)展之路,為我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展做出貢獻。
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