高頻開關(guān)電源的應(yīng)用與發(fā)展

On Application and Development of High－ frequency SMPS

1高頻電源系統(tǒng)方框圖

　　高頻開關(guān)整流器一般是先將交流電直接經(jīng)二極管整流、濾波成直流電，再經(jīng)過(guò)開關(guān)電源變換成高頻交流電，通過(guò)高頻變壓器變壓隔離后，由快速恢復(fù)二極管高頻整流、電感電容濾波后輸出，見圖1。

圖1

2采用高頻化有較高技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

　　理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電器產(chǎn)品的體積重量與其供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz時(shí)，用電設(shè)備的體積重量大體上降至工頻設(shè)計(jì)的（5～10）％。這正是開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)變頻帶來(lái)明顯效益的基本原因。逆變或整流焊機(jī)、通訊電源用浮充電源的開關(guān)式整流器，都是基于這一原理。

　　那么，以同樣的原理對(duì)傳統(tǒng)的電鍍、電解、電加工、浮充、電力合閘等各種直流電源加以類似的改造，使之更新?lián)Q代為“開關(guān)變換類電源”，其主要材料可以節(jié)約90％或更高，還可節(jié)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(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化，既可帶來(lái)顯著節(jié)能、節(jié)材的經(jīng)濟(jì)效益，更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)值。

3設(shè)計(jì)模塊化——自由組合擴(kuò)容互為備用

提高安全系數(shù)

　　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。實(shí)際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重，對(duì)器件造成更大的應(yīng)力（表現(xiàn)為過(guò)電壓、過(guò)電流毛刺）。為了提高系統(tǒng)的可靠性，而把相關(guān)的部分做成模塊。

　　把開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路也裝到功率模塊中去，構(gòu)成了“智能化”功率模塊（IPM），這既縮小了整機(jī)的體積，又方便了整機(jī)設(shè)計(jì)和制造。

　　多個(gè)獨(dú)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(dān)負(fù)載電流，一旦其中某個(gè)模塊失效，其它模塊再平均分擔(dān)負(fù)載電流。這樣，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過(guò)增加相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)功率很小的冗余電源模塊，便極大地提高了系統(tǒng)可靠性，即使萬(wàn)一出現(xiàn)單模塊故障，也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復(fù)提供了充分的時(shí)間。

4高頻開關(guān)電源產(chǎn)品規(guī)格

　　(見表1、表2)

表1功率500W～3000W

表2功率5000W～20000W

　　以上產(chǎn)品重量?jī)H為傳統(tǒng)產(chǎn)品重量的1/5～1/8。

5國(guó)內(nèi)外IGBT逆變焊機(jī)的發(fā)展情況

　　IGBT逆變焊機(jī)具有動(dòng)態(tài)特性好、體積小、重量輕、高效節(jié)能、節(jié)材、有利于焊接自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。從70年代起，就受到國(guó)內(nèi)外焊機(jī)界的高度重視。當(dāng)今，許多工業(yè)國(guó)家，如美國(guó)、西歐等把“絕緣柵雙極型晶體管”（IGBT）運(yùn)用到焊機(jī)上，其各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于其他類型焊機(jī)，已形成規(guī)模，并占領(lǐng)了市場(chǎng)，成為焊機(jī)的發(fā)展方向。目前，我國(guó)進(jìn)口的焊機(jī)，大多是這種焊機(jī)。

　　根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)我國(guó)每年的焊機(jī)銷量以大約40％的速度遞增，同時(shí)有關(guān)部門已決定淘汰老式焊機(jī)，IGBT逆變焊機(jī)以其優(yōu)點(diǎn)，成為用戶更新?lián)Q代的首選產(chǎn)品。

5．1原理框圖

　　見圖2

圖2

5．2原理說(shuō)明

　　380（220）V交流電，經(jīng)全橋整流成直流電源；通過(guò)IGBT逆變器，形成20kHz的高頻矩形波；再由高頻變壓器降壓到幾十伏通過(guò)快速恢復(fù)二極管整流、濾波成為直流焊接電源。

5．3IGBT焊機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)：

　　·動(dòng)態(tài)特性好，焊接質(zhì)量高

　　·體積小，重量輕

　　·噪音低

　　·效率高，節(jié)能

　　近幾年來(lái)，我國(guó)也有許多廠家從事IGBT焊機(jī)的開發(fā)和生產(chǎn)。國(guó)產(chǎn)焊機(jī)與進(jìn)口產(chǎn)品相比有價(jià)格較低的優(yōu)勢(shì)。但由于多方面的原因，目前國(guó)產(chǎn)的IGBT逆變焊機(jī)，在設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝、元器件可靠性等方面都有不同程度的問(wèn)題，使得故障率較高。到目前為止，還沒有一個(gè)廠家的產(chǎn)品在廣大用戶心目中建立可靠的產(chǎn)品形象。可以這樣說(shuō)，“誰(shuí)能有突破，掌握高品質(zhì)的產(chǎn)品，解決了國(guó)產(chǎn)IGBT焊機(jī)的可靠性問(wèn)題，誰(shuí)就可以占領(lǐng)這個(gè)市場(chǎng)”。

6電力智能高頻開關(guān)整流器

　　目前我國(guó)各地的發(fā)電廠、水電站及500kV、220kV、110kV、35kV等各類變電站所使用的直流電源設(shè)備（包括供給斷路器分合閘用，后備電池充電以及二次回路的儀器儀表，繼電保護(hù)，控制應(yīng)急燈照明等各類低壓設(shè)備用電），大部分采用的是相控電源或磁飽和式電源，由于受工藝水平和器件特性的限制，上述電源長(zhǎng)期以來(lái)處于低技術(shù)指標(biāo)、維護(hù)保養(yǎng)難的狀況。由于受變壓器或晶閘管自身參數(shù)的限制，上述電源存在很多不足之處，諸如：初充電流、浮充電流不穩(wěn)，系統(tǒng)紋波電壓過(guò)高，控制特性不佳，不便于同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配接實(shí)現(xiàn)監(jiān)控等。同時(shí)，目前充電設(shè)備與蓄電池并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)電源紋波系數(shù)較大，浮充電壓波動(dòng)或偏低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)蓄電池脈動(dòng)充電、放電現(xiàn)象，造成蓄電池組或單體的過(guò)早損壞。除了很多技術(shù)指標(biāo)方面的缺陷外，上述電源還存在體積龐大，效率不高，1＋1冗余投資大等不足之處，應(yīng)該說(shuō)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足飛速發(fā)展的電力工程的需要，而以體積小、重量輕、效率高、輸出紋波低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、模塊可疊加輸出、N＋1冗余等為特點(diǎn)的高頻開關(guān)電源逐步取代相控電源或磁飽和式電源已是大勢(shì)所趨，特別是近十年來(lái)電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及功率器件制造技術(shù)的提高，更使高頻開關(guān)電源的可靠性及適用面大大優(yōu)于相控電源和磁飽和式電源，所以90年代以后，美國(guó)、德國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家新建電廠和變電站的相關(guān)設(shè)備已全部采用高頻開關(guān)電源，并完成了對(duì)舊有電源設(shè)備的改造。模塊采用三相三線制380V平衡輸入，無(wú)

表4高頻電力模塊特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)

表5高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)與常規(guī)電源直流系統(tǒng)的比較

電力高頻開關(guān)整流領(lǐng)域又添新力軍——深圳新能力科技有限公司

國(guó)家電力事業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，取得了舉世矚目的成就。其中直流操作電源也經(jīng)歷了從磁飽和電源至晶閘管電源，到目前的高頻開關(guān)電源，在發(fā)展過(guò)程中每一次的進(jìn)步都是電力應(yīng)用領(lǐng)域的一次革命。

高頻開關(guān)整流技術(shù)是國(guó)家頒布優(yōu)先發(fā)展的高科技項(xiàng)目。新能力科技公司始終走在高頻開關(guān)技術(shù)前沿，與國(guó)情相結(jié)合，開發(fā)高頻開關(guān)整流系列產(chǎn)品，最大限度地滿足市場(chǎng)的需要，被列為國(guó)家科技部重點(diǎn)扶持企業(yè)。

新能力公司提供的不僅僅是性能可靠和品種、規(guī)格豐富的產(chǎn)品，而且其中蘊(yùn)含著卓越的服務(wù)理念，并以實(shí)現(xiàn)民族產(chǎn)業(yè)為已任，成為電力高頻開關(guān)整流領(lǐng)域的新力軍，體現(xiàn)了中國(guó)人的新能力！

中線電流損耗，在交流輸入端，采用先進(jìn)的尖峰抑制器件及EMI濾波電路，由全橋整流電路將三相交流電整流為直流，再由DC/DC高頻變換電路（300kHz）把所得的直流電逆變成穩(wěn)定可調(diào)的直流電輸出。脈寬調(diào)制電路（PWM）及軟開關(guān)諧振電路根據(jù)電網(wǎng)和負(fù)載的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)高頻開關(guān)的脈沖寬度和移相角，使輸出電壓電流在任何允許的情況下都能保持穩(wěn)定。

7開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)

　　在功率電子技術(shù)的應(yīng)用及基本電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。傳統(tǒng)的相控型電源非常龐大而笨重，例如逆變焊機(jī)、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源。如果采用高頻開關(guān)電源技術(shù)，其體積和重量都會(huì)大幅度下降，而且可較大地提高電能利用率、節(jié)省材料、降低成本。在電動(dòng)汽車和交流傳動(dòng)中，更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過(guò)開關(guān)電源改變用電頻率，從而達(dá)到近乎理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)控制。

　　現(xiàn)在，開關(guān)電源技術(shù)方興未艾，而近年來(lái)又被大的市場(chǎng)需求所推動(dòng)，必將帶來(lái)開關(guān)電源技術(shù)的大發(fā)展。這幾年，隨著通信行業(yè)的發(fā)展，以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信電源，國(guó)內(nèi)將有較大的市場(chǎng)需求。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢(shì)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(tǒng)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)正在起動(dòng)，并將很快發(fā)展起來(lái)。還有其他許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源，也將得到迅速發(fā)展。