開(kāi)關(guān)電源歷程與高頻開(kāi)關(guān)電源的組成及分類(lèi)
1. 電力電子技術(shù)的發(fā)展
現代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的傳統電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的現代電力電子學(xué)方向轉變。電力電子技術(shù)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(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代,并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來(lái)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,表明傳統電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現代電力電子時(shí)代。
1.1 整流器時(shí)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(chē)、電傳動(dòng)的內燃機車(chē)、地鐵機車(chē)、城市無(wú)軌電車(chē)等)和直流傳動(dòng)(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)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(kāi)發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時(shí)國內曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠(chǎng)的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠(chǎng)家就是那時(shí)的產(chǎn)物。
1.2 逆變器時(shí)代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著(zhù)而迅速發(fā)展。變頻調速的關(guān)鍵技術(shù)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(zhù)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(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當時(shí)電力電子器件的主角。類(lèi)似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補償等。這時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠實(shí)現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3 變頻器時(shí)代
進(jìn)入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術(shù)的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問(wèn)世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門(mén)極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來(lái)機遇。MOSFET和IGBT的相繼問(wèn)世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場(chǎng)上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)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,而且使現代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節材節能,實(shí)現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎。
2. 現代電力電子的應用領(lǐng)域
2.1 計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術(shù)帶領(lǐng)人類(lèi)進(jìn)入了信息社會(huì ),同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開(kāi)關(guān)電源,率先完成計算機電源換代。接著(zhù)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設備領(lǐng)域。
計算機技術(shù)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(wú)害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規定,桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)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(kāi)關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2 通信用高頻開(kāi)關(guān)電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開(kāi)關(guān)電源及其技術(shù)已成為現代通信供電系統的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱(chēng)為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱(chēng)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(chēng)值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開(kāi)關(guān)電源取代,高頻開(kāi)關(guān)電源(也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)型整流器SMR)通過(guò)MOSFET或IGBT的高頻工作,開(kāi)關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實(shí)現高效率和小型化。近幾年,開(kāi)關(guān)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(lèi)繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線(xiàn)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(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應用于無(wú)軌電車(chē)、地鐵列車(chē)、電動(dòng)車(chē)的無(wú)級變速和控制,同時(shí)使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時(shí)收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開(kāi)關(guān)電源), 同時(shí)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(shù),開(kāi)關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著(zhù)大規模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現小型化,因此就要不斷提高開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)和零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)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、通信系統以及要求提供不能中斷場(chǎng)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(kāi)關(guān)送到負載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過(guò)電源轉換開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,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(shù)的引入,可以實(shí)現對UPS的智能化管理,進(jìn)行遠程維護和遠程診斷。
目前在線(xiàn)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(dòng)系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。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(guò)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(dòng)交流異步電動(dòng)機實(shí)現無(wú)級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術(shù)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、節能等優(yōu)點(diǎn)。國內于90年代初期開(kāi)始研究變頻空調,96年引進(jìn)生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)變頻空調器,逐漸形成變頻空調開(kāi)發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。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(jìn)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(zhù)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(kāi)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(wèn)題成為最關(guān)鍵的問(wèn)題,也是用戶(hù)最關(guān)心的問(wèn)題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關(guān)控制器,通過(guò)對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態(tài)的目的,進(jìn)而提前對系統做出調整和處理,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,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍5~300A,重量29kg。
2.7 大功率開(kāi)關(guān)型高壓直流電源
大功率開(kāi)關(guān)型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫用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(kāi)始,日本的一些公司開(kāi)始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進(jìn)入80年代,高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門(mén)子公司采用功率晶體管做主開(kāi)關(guān)元件,將電源的開(kāi)關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進(jìn)一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開(kāi)關(guān)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
傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時(shí),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(shí)還出現裝置網(wǎng)側功率因數惡化的現象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時(shí),網(wǎng)側三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統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(kāi)關(guān)功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開(kāi)關(guān)電源的區別是:(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(kāi)關(guān)電源供電系統
分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規�？刂萍呻娐纷骰静考�,利用最新理論和技術(shù)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(kāi)關(guān)電源系統的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著(zhù)高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模集成電路和功率元器件技術(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動(dòng)了分布式高頻開(kāi)關(guān)電源系統研究的展開(kāi)。自八十年代后期開(kāi)始,這一方向已成為國際電力電子學(xué)界的研究熱點(diǎn),論文數量逐年增加，應用領(lǐng)域不斷擴大。
分布供電方式具有節能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點(diǎn)。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統逐漸采納,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(chǎng)合,如電鍍、電解電源、電力機車(chē)牽引電源、中頻感應加熱電源、電動(dòng)機驅動(dòng)電源等領(lǐng)域也有廣闊的應用前景。
3. 高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術(shù)的應用及各種電源系統中，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統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,從而達到近于理想的負載匹配和驅動(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、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)。
3.1 高頻化
理論分析和實(shí)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(huà),用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無(wú)論是逆變式整流焊機,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“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”,其主要材料可以節約90%或更高,還可節電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)采用電子管的傳統高頻設備固態(tài)化,帶來(lái)顯著(zhù)節能、節水、節約材料的經(jīng)濟效益,更可體現技術(shù)含量的價(jià)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(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)的續流二極管,實(shí)質(zhì)上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開(kāi)關(guān)器件的驅動(dòng)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(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重,對器件造成更大的電應力(表現為過(guò)電壓、過(guò)電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開(kāi)發(fā)了“用戶(hù)專(zhuān)用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機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的引線(xiàn)連接,這樣的模塊經(jīng)過(guò)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(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)模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開(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,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線(xiàn),把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。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),所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個(gè)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(mǎn)足了大電流輸出的要求, 而且通過(guò)增加相對整個(gè)系統來(lái)說(shuō)功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬(wàn)一出現單模塊故障,也不會(huì )影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時(shí)間。
3.3 數字化
在傳統功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號來(lái)設計和工作的。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上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來(lái)越重要,數字信號處理技術(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(shù)的植入。所以,在八、九十年代,對于各類(lèi)電路和系統的設計來(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)題以及功率因數修正(PFC)等問(wèn)題的解決,離不開(kāi)模擬技術(shù)的知識,但是對于智能化的開(kāi)關(guān)電源,需要用計算機控制時(shí),數字化技術(shù)就離不開(kāi)了。
3.4 綠色化
電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著(zhù)節電, 這意味著(zhù)發(fā)電容量的節約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節電就可以減少對環(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(huì )(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實(shí)上,許多功率電子節電設備,往往會(huì )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,使總功率因數下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。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的方法。這些為2l世紀批量生產(chǎn)各種綠色開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品奠定了基礎。
現代電力電子技術(shù)是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的基礎。隨著(zhù)新型電力電子器件和適于更高開(kāi)關(guān)頻率的電路拓撲的不斷出現,現代電源技術(shù)將在實(shí)際需要的推動(dòng)下快速發(fā)展。在傳統的應用技術(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,使器件性能對開(kāi)關(guān)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(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,設計出性能優(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)因應用需求不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現又會(huì )使許多應用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會(huì )開(kāi)拓更多更新的應用領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實(shí)現,將標志著(zhù)這些技術(shù)的成熟,實(shí)現高效率用電和高品質(zhì)用電相結合。這幾年,隨著(zhù)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,僅國內有20多億人民幣的市場(chǎng)需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進(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的國內市場(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(zhù)人們去開(kāi)發(fā)。
高頻開(kāi)關(guān)電源的組成與分類(lèi)
開(kāi)關(guān)電源具有體積小、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在各類(lèi)電子產(chǎn)品中得到廣泛的應用。但由于開(kāi)關(guān)電源的控制電路比較復雜、輸出紋波電壓較高，所以開(kāi)關(guān)電源的應用也受到一定的限制。
電子裝置小型輕量化的關(guān)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(kāi)關(guān)電源中的調整管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，必然存在開(kāi)關(guān)損耗，而且損耗的大小隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而增加。另一方面，開(kāi)關(guān)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(chǎng)上開(kāi)關(guān)電源中功率管多采用雙極型晶體管，開(kāi)關(guān)頻率可達幾十kHz;采用MOSFET的開(kāi)關(guān)電源轉換頻率可達幾百kHz。為提高開(kāi)關(guān)頻率必須采用高速開(kāi)關(guān)器件。對于兆赫以上開(kāi)關(guān)頻率的電源可利用諧振電路，這種工作方式稱(chēng)為諧振開(kāi)關(guān)方式。它可以極大地提高開(kāi)關(guān)速度，原理上開(kāi)關(guān)損耗為零，噪聲也很小，這是提高開(kāi)關(guān)電源工作頻率的一種方式。采用諧振開(kāi)關(guān)方式的兆赫級變換器已經(jīng)實(shí)用化。
開(kāi)關(guān)電源的集成化與小型化已成為現實(shí)。然而，把功率開(kāi)關(guān)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(wèn)題。
1開(kāi)關(guān)電源的基本構成
開(kāi)關(guān)電源采用功率半導體器件作為開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)周期性間斷工作，控制開(kāi)關(guān)器件的占空比來(lái)調整輸出電壓。開(kāi)關(guān)電源的基本構成如圖1所示，其中DC/DC變換器進(jìn)行功率轉換，它是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，此外還有起動(dòng)、過(guò)流與過(guò)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(guò)放大及脈寬調制(PWM)電路，再經(jīng)過(guò)驅動(dòng)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(shí)現形式。
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(xiàn)性穩壓電源，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(kāi)關(guān)型穩壓電源，輸入的瞬態(tài)變化比較多地表現在輸出端。提高開(kāi)關(guān)頻率的同時(shí)，由于反饋放大器的頻率特性得到改善，開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài)響應問(wèn)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(kāi)關(guān)頻率、降低輸出濾波器LC乘積的方法來(lái)改善瞬態(tài)響應特性。
2開(kāi)關(guān)型穩壓電源的分類(lèi)
開(kāi)關(guān)型穩壓電源的電路結構有多種：
(1)按驅動(dòng)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(kāi)關(guān)型穩壓電源。因此設計者需根據各種方式的特征進(jìn)行有效地組合，制作出滿(mǎn)足需要的高質(zhì)量開(kāi)關(guān)型穩壓電源。
| 【上一個(gè)】 通信開(kāi)關(guān)電源整流器幾種常用散熱方式 | 【下一個(gè)】 LED走入尋常百姓家 替換潮將達頂峰 |
| ^ 開(kāi)關(guān)電源歷程與高頻開(kāi)關(guān)電源的組成及分類(lèi) |