高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展現(xiàn)狀

牛人總結(jié)的開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展現(xiàn)狀

高頻開(kāi)關(guān)電源從產(chǎn)生發(fā)展至今，其各方面性能有了普遍提高。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的高新技術(shù)被成功應(yīng)用到高頻開(kāi)關(guān)電源中，極大地提高了高頻開(kāi)關(guān)電源的各方面性能。

1 逐漸淘汰線性電源

高頻開(kāi)關(guān)電源在技術(shù)上較線性電源具有很大優(yōu)勢(shì)，節(jié)省了用來(lái)制造工頻變壓器的材料和空間，體積小、質(zhì)量輕、可靠性高且性價(jià)比好，易于實(shí)現(xiàn)各種不同功率的輸出。隨著高頻開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)頻率的不斷提高及高頻濾波技術(shù)的同步發(fā)展，原來(lái)困擾開(kāi)關(guān)電源的輸出紋波大等問(wèn)題得以克服，開(kāi)關(guān)電源的輸出紋波可與線性電源相媲美，促使在各行業(yè)逐漸淘汰線性電源。

2 開(kāi)關(guān)頻率已達(dá)MHz級(jí)

高頻開(kāi)關(guān)電源自20世紀(jì)70年代突破20kHz以來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，其產(chǎn)品的頻率一路飆升到500kHz～1MHz。世界上很多國(guó)家都在致力于MHz級(jí)的高頻開(kāi)關(guān)電源的研究。我國(guó)在這方面的研究較為滯后，但是已經(jīng)取得了一定的成果。

3 小型化發(fā)展迅速

通過(guò)對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源原理的分析和實(shí)際應(yīng)用證明，電源使用的電容、電感、變壓器的體積和質(zhì)量與電源工作頻率的平方根成反比。依據(jù)這個(gè)原理，高頻開(kāi)關(guān)電源的頻率提高必然促成了體積的減小。電源小型化能使產(chǎn)品輕便、節(jié)省材料消耗和降低成本，具有很重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 效率得到較大提高

由于各種新技術(shù)的運(yùn)用，世界上高頻開(kāi)關(guān)電源的效率達(dá)到95%以上，國(guó)內(nèi)應(yīng)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)制造的6kW通信開(kāi)關(guān)電源的效率已達(dá)到了93%。

5 提高頻率和減少體積不可避免面臨許多難題

隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，必將帶來(lái)很多負(fù)面影響，包括開(kāi)關(guān)元件和無(wú)源元件損耗的增加、元件高頻寄生參數(shù)和電磁干擾EMI等，都必須兼顧考慮。

6 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用日趨成熟

由于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在理論上可以將開(kāi)關(guān)損耗降低為零，因此該技術(shù)始終是研究的熱點(diǎn)。其電路可分為:準(zhǔn)諧振電路、零開(kāi)關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。目前發(fā)展應(yīng)用成熟的技術(shù)包括:有源鉗位ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和全橋移相ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，效率可達(dá)90%以上。

7 軟開(kāi)關(guān)與硬開(kāi)關(guān)結(jié)合技術(shù)取得較好效果

開(kāi)關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)并沒(méi)有使硬開(kāi)關(guān)技術(shù)逐漸沒(méi)落，相反通過(guò)與軟開(kāi)關(guān)技術(shù)結(jié)合，煥發(fā)出新的活力。如零電流變換(ZCT)和零電壓變換(ZVT)技術(shù)，兼有軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗小、EMI低、頻率高、效率高、節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)和硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)管電壓、電流容量定額小和易于實(shí)現(xiàn)濾波等優(yōu)點(diǎn)。

8 同步整流技術(shù)極大提高了開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率

同步整流技術(shù)通過(guò)使用導(dǎo)通電阻極低(不大于3mΩ)的MOSFET，替代傳統(tǒng)的二極管作為逆變后的整流器件，通過(guò)控制器產(chǎn)生與整流電壓相位同步的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制同步整流器正常工作，這種方法可以極大降低整流損耗，主要應(yīng)用于低壓大電流功率變換器中。

9 高頻有源功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)有效提高功率因數(shù)

高頻開(kāi)關(guān)電源就像是交流電網(wǎng)上的非線性負(fù)載，所產(chǎn)生的高次諧波電流從輸電線輻射出去而污染電網(wǎng)，造成很大危害。PFC技術(shù)能有效地減少高頻開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的污染，主要運(yùn)用的是有源PFC技術(shù)。高頻有源PFC技術(shù)使電源輸入電流實(shí)現(xiàn)正弦化，且與輸入電源保持同相位，達(dá)到諧波抑制的目的。目前，主要的有源PFC技術(shù)包括兩級(jí)PFC技術(shù)和單級(jí)PFC技術(shù)兩種。

10 電磁兼容性(EMC)的設(shè)計(jì)技術(shù)有效降

低高頻開(kāi)關(guān)電磁干擾由于高頻開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，伴隨著開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)操作時(shí)急劇的電壓和電流變化而產(chǎn)生的浪涌和噪聲，將作為傳導(dǎo)噪聲或輻射噪聲傳遞至設(shè)備的外部，從而引發(fā)電磁干擾(EMI)問(wèn)題。EMC設(shè)計(jì)技術(shù)可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題。目前抑制電源EMI的三種重要的新技術(shù)包括周期擴(kuò)頻、隨機(jī)擴(kuò)頻和混沌擴(kuò)頻。周期調(diào)頻已應(yīng)用于商品電源中，而后兩種調(diào)頻技術(shù)正在發(fā)展之中。

11 電源電路、電源系統(tǒng)的模塊化提升了電源品質(zhì)

目前，為了便于設(shè)計(jì)人員靈活使用各功能模塊，提高制造效率、降低成本、減小體積和提高可靠性，制造商將PFC、ZVS、ZCS、PWM控制、并聯(lián)均流控制和移相全橋控制等控制功能集成在專(zhuān)用芯片內(nèi)，把功率開(kāi)關(guān)器件同控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、檢測(cè)等電路封裝在一個(gè)模塊內(nèi)構(gòu)成電力電子器件模塊。此外，制造商將控制、功率半導(dǎo)體器件和信息傳輸?shù)裙δ苋考稍谝粋€(gè)模塊中，通過(guò)取消傳統(tǒng)連線和電、熱、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到縮小體積、降低寄生參數(shù)和提高產(chǎn)品可靠性的目的。

12 單臺(tái)功率輸出不高限制國(guó)內(nèi)大功率電源領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)的大功率高頻開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品稀少且性能欠佳，而且單機(jī)容量大于20kW的大功率高頻開(kāi)關(guān)電源在國(guó)內(nèi)外極為少見(jiàn)，單機(jī)輸出電流一般在1000A以下。這些問(wèn)題造成高頻開(kāi)關(guān)電源在國(guó)內(nèi)電化學(xué)和冶金等需要大功率(幾百千瓦或幾兆瓦以上)電源的領(lǐng)域還未得到應(yīng)用。構(gòu)成高頻開(kāi)關(guān)電源主功率電路的最基本、最重要的兩大要素:電力電子器件和磁性器件的輸出功率不高，是目前阻礙功率提升的主要瓶頸。

13 分布式電源系統(tǒng)極大提升電源輸出功率

分布式高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)通過(guò)電源模塊并聯(lián)運(yùn)行的方式，采用系統(tǒng)均流、N+M冗余設(shè)計(jì)和熱插拔技術(shù)，使得每個(gè)變換器處理較小的功率以降低電應(yīng)力，突破了單臺(tái)輸出功率不夠大的瓶頸，將輸出功率提升到幾十千瓦甚至幾百千瓦，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。此外，這種系統(tǒng)能擴(kuò)展出多種功率輸出，降低了開(kāi)發(fā)成本。

14 PWM反饋回路的數(shù)字控制技術(shù)得到實(shí)際應(yīng)用

基于電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)技術(shù)等數(shù)字技術(shù)開(kāi)發(fā)的數(shù)字電源通過(guò)軟件和硬件設(shè)計(jì)，可以替代模擬電路，實(shí)現(xiàn)PWM反饋回路的數(shù)字控制。DSP可通過(guò)內(nèi)置PID算法生成數(shù)字PWM波形控制主 功率變換器;配合A/D轉(zhuǎn)換和CPLD等芯片檢測(cè)系統(tǒng)電流、電壓和溫度參數(shù)，經(jīng)內(nèi)部處理調(diào)整PWM信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電源輸出和各種保護(hù)功能，還可以對(duì)同步整流電路進(jìn)行精確的同步控制。

15 基于數(shù)字技術(shù)開(kāi)發(fā)的電源管理與通信功能提高產(chǎn)品性能

數(shù)字高頻開(kāi)關(guān)電源能通過(guò)接口電路，外接鍵盤(pán)和液晶顯示器，進(jìn)行人機(jī)交互操作;通過(guò)串口RS485、RS232或CAN總線等接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。數(shù)字電源的網(wǎng)絡(luò)接口，便于實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)、自檢和升級(jí)，極大提高了產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。

16 數(shù)字技術(shù)方便產(chǎn)品設(shè)計(jì)

各種功能的集成數(shù)字電路、數(shù)字控制芯片以及先進(jìn)的EDA技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和DSP技術(shù)使得設(shè)計(jì)人員能夠擺脫以往繁復(fù)的模擬電路設(shè)計(jì)，專(zhuān)注于電源產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和功能的完善。通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)手段，包括TOPs-witch(PROTEL)、DXP等電路設(shè)計(jì)軟件，可以提高電源產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率，縮短研發(fā)周期。目前流行的Pspice和Matleb等仿真軟件不能完全仿真高頻開(kāi)關(guān)電源的高頻寄生參數(shù)，只能在前期研究中提供參考，無(wú)法做到完全的仿真設(shè)計(jì)。

審核編輯：湯梓紅