- 開關(guān)電源的分類
- 開關(guān)電源的選擇要素
- 開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動向
- DC/DC變換
- AC/DC變換
根據(jù)開關(guān)電源的發(fā)展及分類,對DO/DO、AC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特性作了闡述,結(jié)合國內(nèi)外開關(guān)的兩大類變換器新技術(shù)動向進(jìn)行探討,敘述了開關(guān)電源的選擇。
1引言
隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展,電力電子設(shè)備與人的工作、生活的關(guān)系日益密切,電力電子設(shè)備都離不開可靠的電源。進(jìn)入20世紀(jì)8O年代,計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化,率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代;進(jìn)入20世紀(jì)9O年代,開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域或程控交換機(jī)、通訊、電力檢測設(shè)備,控制設(shè)備電源都已廣泛地使用了開關(guān)電源,更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子技術(shù)控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開關(guān)電一般由脈沖寬度調(diào)制(pwm)控制IC和MOSFET構(gòu)成。
開關(guān)電源和線性電源相比,二者都隨著輸出率關(guān)上,反而高于開關(guān)電源,這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。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,成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低翰出電力端移動,這為開關(guān)電源提供了廣闊發(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)電源小犁化,拜使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)用,在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。
2開關(guān)電源的分類
人們在開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)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(jìn)推動著。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(shí)現(xiàn)模塊化,且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)、外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化并得到用戶的認(rèn)可;但AC/DC的模塊化,因其自身的特性,使得在模塊化的進(jìn)程中遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。
2.1DC/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,也稱為直流暫波。暫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),具體的電路有以下幾類:
(1)BUCK電路一降壓暫波器,其輸出平均電壓Vo小于輸入電壓Vt,極性相同。
(2)BUCK電路一壓暫波器,其輸出平均電壓v0大于或小于輸入電壓,極性相同。
(3)BUCK電路一壓或升壓暫波器,其輸出平均電壓Vo大于或小于輸入電壓v0,極性相反,電感傳輸。
(4)BUCK電路一降壓或升壓變壓器,其輸出平均電壓v0大于或小于輸入電壓U極性相反,電容傳輸。
當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍,美國V~COR公司設(shè)計(jì)制造多種EC~軟開關(guān)DO/DO變換器,其最大輸出功率有300W、6OOW、800W等,相應(yīng)的功率密度為6、2、10、17瓦每立方厘米,效率為200300kHz,功率密度已達(dá)到27瓦每立方厘米,采用同整流器(M0SFET代替肖特基二極管),使整個電路功率提高90%。
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2.2AC/DC變換
AC/DC變換是將交流變換為直流,其功率流向是可以雙向的,功率流由電源流向,負(fù)載的稱為“整流”。功率由負(fù)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是必不可少的,同時(shí)因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)(如UI、CCE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA),交流輸入側(cè)必須加EMC率波電及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)提出了很高的要求。由于同樣的原因,高電壓、大電流開關(guān)使很多電源損耗增大,限制了很高的要求。由于同樣的原因,高電壓、大電流開關(guān)使很多電源工作損耗增大,限制了AC/DC變換器模塊化的進(jìn)程,因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化方法,才能使其工作效率達(dá)到一定滿意程度。
AC/DC變換按電路的接線方式可分為半波電路和全波電路,按電源相數(shù)可分為單相、三相和多相,按電路T作象限分為一象限、二象限、三象限、四象限。
3開關(guān)電源的選用
開關(guān)電源在輸入抗干擾性能上,由于其自身電路的特點(diǎn)(多極串聯(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(biāo)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(dá)0.5~1%。
3.1輸出電流的選擇
因開關(guān)電源工作效率高,一般可達(dá)到80%以上,故在其輸出電流的選擇上,應(yīng)準(zhǔn)確測量或計(jì)算用電設(shè)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(jià)格比。
通常輸出計(jì)算公式為:
3.2接地
開關(guān)電源比、線性電源會產(chǎn)生更多的干擾,對共膜干繞敏感的用電設(shè)備,應(yīng)采取接地和屏蔽措施。按ICEIO00、FCC等EMC限制,開關(guān)電源均采用EMC電磁兼容措施,因此開關(guān)電源一般帶有EMC電磁兼容濾器。如利華技術(shù)的HA系列開關(guān)電源將其FG端子接大地或接用戶機(jī)殼,方能滿足上述電磁兼容的要求。
3.3保護(hù)電路
開關(guān)電源在設(shè)計(jì)中需具有過流過熱短路等保護(hù)功能,故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先保護(hù)功能齊備的電源模塊,并且其保護(hù)電路的技術(shù)參數(shù)應(yīng)與用電設(shè)備的工作特性相匹配,以避免損壞用電設(shè)備或開關(guān)電源。
4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、簿的關(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)新型智能化的元器件,特別是該變二次整流器件的損耗,并在功率鐵氧體(Mn.Zn)材料上加大科技創(chuàng)新,以提高在高頻和較大磁通密度(Bs)下獲得高磁性能,而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
SMT技術(shù)應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長足的進(jìn)展,在電路板兩面布星,元器件以確保開關(guān)的輕、小、簿。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(jìn)行創(chuàng)新。實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)。并大幅度提高了開關(guān)電源的工作效率。對于可靠性指標(biāo),美國的開關(guān)電源生產(chǎn)商通過降低運(yùn)行電流和溫度等措施以減少器件的應(yīng)力,使得開關(guān)可靠性大大提高。
模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨式,可以采用模塊化電源組分布式電元源系統(tǒng),可以設(shè)計(jì)成NI亢余電源系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)聯(lián)系方式的容量擴(kuò)展。而采用部分諧板轉(zhuǎn)換電路技術(shù),在理論上既可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲,但部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù),在理論上既可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲,但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)應(yīng)用問題,故仍需在理論上既可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲,但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問題,故仍需在這一領(lǐng)域開展大量工作,以使得該項(xiàng)技術(shù)得以應(yīng)用。