产品类别

  • 蓄电池
  • 开关电源
  • EPS应急电源
  • 不间断电源
  • 不间断供电电源
  • 联系我们
    电话:0710-588693
    邮箱:auatammmoj@aquariusscotland.com
    新闻详情

    聊聊现今高频开关电源的发展趋势

    1.高频开关电源的背景和基本概念

    线性电源、开关电源和相控电源是当下应用最广泛的直流电源,而在开关电源出现之前,线性电源应用于各种电子装置和电气控制设备中,由于直流电源与线性稳压电源相比在性能指标上具有很大的优势,逐步将线性电源取代(除一些对直流输出电压波纹高要求的场合外)。

    对于相控电源具有电路简单方便控制的优点,但是存在着体积大、输出滤波电感大、频率低导致控制的响应速度慢的缺点,所以相控电路只在很大功率的应用场合采用。

    随着电子技术的发展,电源系统的应用领域也在不断的扩大,电子设备的正常运行不能没有电源供应稳定的电能。各式各样的电子设备种类增多,趋于小型化成本化的同时,对电源的要求也不断增多,如电源的灵活性、体积轻、效率高等。为了缩小开关变换器的体积、提高其功率、改善响应,开关频率大幅提高,高频化成为一种趋势。

    首先我们知道开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新。目前,开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

    高频开关电源是交流输入直流整流,然后经过功率开关器件(功率晶体管、MOS 管、IGBT 等)构成放入逆变电路,将高压直流(单相整流约300V,三相整流约500V)变换成方波(频率为20kHz)。高频方波经高频变压器降压得到低压的高频方波,再经整流滤波得到稳定电压的直流输出。作为实现电能变换和功率传递的重要设备与应用领域,是一种技术含量高、知识面宽、更新换代快的产品。它已经广泛用于国民经济的各个范围:通信微机、电力控制、工业生产、能源交通、航空航天舰船机车、照明医疗、家用电器、彩电音响和VCD、显示器等领域。

    2.高频开关电源的优点

    (1)、重量轻,体积小

    由于采用高频技术,去掉了工频(50Hz)变压器,与相控整流器相比较,

    在输出同等功率的情况下,开关电源的体积只是相控整流器的1/10,重量也接近

    1/10。

    (2)、功率因数高

    相控整流器的功率因数随可控硅导通角的变化而变化,一般在全导通时,可

    接近0.7,以上,而小负裁时,但为0.3左右。经过校正的开关电源功率因数一般

    在0.93以上,并且基本不受负载变化的影响。

    (3)、可闻噪声低

    在相控整流设备中,工频变压器及滤波电感作时产生的可闻噪声大,一般大

    于60db,而开关电源在无风扇的情况下可闻噪声仅为45db左右。

    (4)、效率高

    开关电源采用的功率器件一般功耗较小,带功率因数补偿的开关电源其整机

    效率可达88%以上,较好的可以做到92%以上。

    (5)、冲击电流小

    开机冲击电流可限制在额定输入电流的水平。

    (6)、模块式结构

    由于体积小,重量轻,可设计为模块式结构。

    3.高频开关电源的发展应用研究

    (1)、模块化及其并联均流技术

    模块化包括功率器件的模块化和电源单元的模块化。模块化的整机因缩小了体积而方便使用,同时取消传统连接降低寄生参数,降低器件承受的电应力,从而提高了系统的可靠性。大功率的开关电源中,一般采用多个独立的模块并联,采用均流技术,使得所有模块共同分担负载电流,保证某一模块失效时,其他模块仍能继续平均分担负载电流,不影响系统的正常工作。

    作为高频开关电源的发展方向之一,对于并联运行的模块,最关键的问题是单个模块根据各自的功率等级平均负担负载电流,也就是并联模块之间的均流问题。

    为了提高系统的稳定性和实用性,并联电源必须具有下列特性:各模块承受的电流能动平衡,实现均流;当输入电压或负载电流变化时,应保持输出电压稳定,并且均流的瞬态响应好;采用冗余供电系统保证任一电源模块故障时,负载

    可以获得足够的功率,并且能实现故障模块自动隔离和热更换。

    输出阻抗法、主从设置法、平均值均流法和最大电流自动均流法是常用的并联均流法,不同方法各有各自的优点和缺点。其中输出阻抗法和最大电流自动均流法应用非常广泛,并且已有现成的集成控制芯片,比较常用的负载

    均衡器有UC3907、UC3902等。

    (2)、控制技术发展

    开关变换器具有强非线性、离散性、变结构的特点,负载性质也是多变的,

    因此,主电路的性能必须满足负载大范围的变化,这使开关电源的控制方法和控制

    器的设计变得比较复杂。

    电流型控制及多环控制在开关电源中得到了较广泛的应用;电荷控制、单周

    期控制等技术使开关电源的动态性能有了很大的提高。一些新的方法,如自适应

    控制、模糊控制、神经网络控制及各种调制方式在开关电源中的应用,已经引起

    关注。

    随着微电子技术的发展,微控制器的处理速度越来越快,集成度越来越高,

    将微控制器或者DSP 应用到大功率开关电源的数字控制模块已经成为现实。开

    关电源的高性能数字控制芯片的出现,推动了电源数字化的进程。

    数字控制可以实现精细的非线性算法,监控多部件的分布电源系统,减少产

    品测试的调整时间,使产品生产率更高。实时数字控制可以实现快速、灵活的控

    制设计,改善电路的瞬态响应性能,使之速度更快、精度更高、可靠性更强。

    (3)、软开关技术

    传统大功率开关电源逆变主电路结构多采用PWM 硬开关控制的全桥电路

    结构,功率开关器件在开关瞬间承受很大的电流和电压应力,产生很大的开关损

    耗,且随着频率的提高而损耗增大。工作频率在20kHz,采用IGBT 功率器件的

    PWM 硬开关控制的电源,功率器件开关损耗占总损耗的60%~70%,甚至更大。为了消除或抑制电路的电压尖峰和浪涌电流,一般增加缓冲电路,不仅使电路更

    加复杂,还将功率器件的开关损耗转移到缓冲电路,而且缓冲电路的损耗随着工

    作频率的提高而增大。

    软开关技术利用谐振原理,使开关器件两端的电压或流过的电流呈区间性正

    弦变化,而且电压、电流波形错开,使开关器件实现接近零损耗。谐振参数中吸

    收了高频变压器的漏抗、电路中寄生电感和功率器件的寄生电容,可以消除高频

    条件下的电压尖峰和浪涌电流,极大地降低器件的开关应力,从而大大提高开关

    电源的效率和可靠性。

    (4)、专用集成电路

    作为高频开关电源的控制系统和指挥中心,其专用集成电路产要完成多项功能:脉宽调制、检测传感、自动保护、变频调节、智能管理等。由于Ic的半导体工艺不断优化变革,从双极管结构发展到BCDMOS混合型,使耗电更少、污染更低、可靠性增高,更加集成化、小型化、智能化、绿色化。

    高频开关电源专用集成电路包括了模拟和数宇电路,其常见电路脉冲宽度调制PWM比较器、RC高频振荡器、误差电流放大器、精密基电压参考电路、光电耦台电路、各类直流偏置电路,以及过压保护电路、过流限制比较器、欠压锁定比较器等。它们的基本单元电路结构为差分放大器、双差分模拟乘法器、运算放大器、电压比较器、恒流源、恒压镜像恒流源、VOC压控振荡器、直流电平位移电路等。

    UNITRODE公司的各类Ic产品,是国际上高频开关电源专用集成电路的主流产品.有相当一些品种被选作国际标准。它们大致分为八、九类:电流型控制器Ic(约70种)、电压型控制器Ic(近40种)、谐振型控制器IC(约20种)、功率因数校正器PFCtc(十几种)、MOSFET驱动器Ic(近20种)、线性调节器(20多种)、直流电机控制和电池充电保护管理Ic(约十几种)、接口电路和特殊功能Ic(几十种)。

    ……

    4.总结高频开关电源的发展趋势

    (1) 模块化

    模块化包括功率器件的模块化和电源单元的模块化。模块化的整机因缩小了体积而方便使用,同时取消传统连接降低寄生参数,降低器件承受的电应力,从而提高了系统的可靠性。大功率的开关电源中,一般采用多个独立的模块并联,采用均流技术,使得所有模块共同分担负载电流,保证某一模块失效时,其他模块仍能继续平均分担负载电流,不影响系统的正常工作。

    (2) 使用稳定化

    决定电源使用时间的长短和稳定性的因素包括电解电容、光耦合器和排风扇,因此,当下的设计正是尽力改善器件的使用,利用模块化技术可以提升开关电源的稳定性。

    (3) 低噪化

    在传统的开关电源中频率和噪声成正比,频率越高噪声越大。采用部分谐振转换技术,可以提高效率的同时降低噪声。所以低噪化也是开关电源发展的一个趋势。

    (4)  数字化

    在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。

    (5) 节能绿色化

    现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。

    总之,在电力电子技术的应用及各种电源系统中,开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术,通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

    BACK

    版权所有湖北省复中蓄电池有限公司, All rights reserved.