高频开关电源

 高频开关电源诞生过程

20世纪60年代大量应用的线性调节器式直流稳压电源，由于它存在着以下诸多的缺点，如体积重量大，很难实现小型化、损耗大、效率低、输出与输入之间有公共端，不易实现隔离，只能降压，不能升压，很难在输出大于5A的场合应用等，已开始被开关调节器式直流稳压电源所取代。

1964年，日本NEO杂志发表了两篇具有指导性的文章：一篇为“用高频技术使AC变DC电源小型化”；另一篇为“脉冲调制用 于电源小型化”。这两篇文章指明了开关调节器式直流稳压电源小型化的研究方向，即一是高频化，二是采用脉冲宽度调制技术。经过将近10 年的研究、开发取得了良好的结果。

1973年，美国摩托罗拉公司发表了一篇题为“触发起20kHz的革命”的文章，从此在世界范围内就掀起了高频开关电源的开发热潮，并将DC/DC转换器作为开关调节器用于开关电源，使电源的功率密度由1～4 W/in3增加到40～50W/in3。首先被采用 的是Buck转换器。

到20世纪80年代中期，Buck、Boost和Buck￣Boost转换器也应用到开关电源中。20世纪70年代中期，美国加州理工学院研制 出一种新型开关转换器，称为Cuk转换器（是以发明人S1obodan Cuk的姓来命名的）。Cuk转换器与Buck-Boost转换器互为对偶，也是一种升降压 转换器。20世纪80年代中期以后逐渐被应用到开关电源中。

1976年，美国P。W，Clarke研制出一种有变压器的“原边电感式转换器”（Primary Inductance Converter）简称PIC，获得专利，并且也应用到开关电源中。

1977年，Bell实验室在PIC的基础上，研制出有变压器的“单端原边电感式转换器”（Single-Ended Primary Inductance Converter），简称（有变压器的）SEPIC电路，这是一种新的DC/DC单端PWM开关转换器，其对偶电路称为DualSEPIC，或Zeta转换器。

到1989年，人们将SEPIC和Zeta也应用到了开关电源中，使开关电源所采用的DC/DC转换器，增加到6种 。到目前为止，通过DC/DC转换器的演化与级联，开关电源所采用的DC/DC转换器已经增加到了14种。用这14种DC/DC转换器作为开关电源的主要 组成部分，就可以设计出使用于不同场所、满足于不同性能要求和用途的、高性能、高功率密度的各种功率的开关电源。

高频开关电源产品特点

1 本产品采用进口名牌元器件和国际先进的全桥逆变换流技术精密加工而成，使整机的性能稳定，质量更加可靠。

2 整机具有过压，过流，超温，短路，缺相等自动保护报警功能和软启动功能。并可加装时间控制和计算机接口。

3 直流输出波形为高频方波，纹波系数《1%，可提高镀数，拒绝钝化，增强镀层表面的光泽度和镀件暗角的钻芯度。并可减少原材料的损耗，达到电镀行业的各种特殊要求。

4 高频开关电源采用风冷式设计，安装方便。并配有远控装置，操作简单。可以带负载开关机，减少调节的繁琐程序。

5 体积小、重量轻，整机运用了全方位的防腐工艺制作，增强了产品的防腐蚀能力，延长了使用寿命。

6 高效，节能，工作效率达到90%以上，任意电压电流比始终成线性匹配。省去了传统整流器的调压器和主变的损耗，节能在35%以上，大大的减轻了电镀成本，实为表面处理行业最理智的选择。

高频开关电源分类

开关型稳压电源的电路结构有多种：

(1)按驱动方式分，有自励式和他励式。

(2)按DC/DC变换器的工作方式分：①单端正励式和反励式、推挽式、半桥式、全桥式等;②降压型、升压型和升降压型等。

(3)按电路组成分，有谐振型和非谐振型。

(4)按控制方式分：①脉冲宽度调制(PWM)式;②脉冲频率调制(PFM)式;③PWM与PFM混合式。

(5)按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光电耦合式等。

以上这些方式的组合可构成多种方式的开关型稳压电源。因此设计者需根据各种方式的特征进行有效地组合，制作出满足需要的高质量开关型稳压电源。

高频开关电源电源原理

高频开关电源主电路

从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：

1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤掉，同时也防止本机产生的杂波反馈到公共电网。

2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。

3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。

4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

高频开关电源控制电路

一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。

高频开关电源检测电路

除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表资料。

高频开关电源辅助电源

提供所有单一电路的不同要求电源。

高频开关电源稳压原理

开关控制稳压原理

开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。图中，由电感L、电容C2和二极管D组成的电路，就具有这种功能。电感L用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L中的能量通过二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管D使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。在AB间的电压平均值EAB可用下式表示：

EAB=TON/T*E

式中TON为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期（即开关接通时间TON和关断时间TOFF之和）。

由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，AB间电压的平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便能使输出电压V0维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（Time Ratio Control,缩写为TRC）。

高频开关电源控制方式

按TRC控制原理，有三种方式：

一、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,缩写为PWM）

开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。

二、脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,缩写为PFM）

导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。

三、混合调制

导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。

高频开关电源不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小。

高频开关电源主要功能

（1）通过MODEM和电话网与监控中心通信，从通信口读取高频开关电源的信息；

（2）测量模块的输出电流和电压、直流母线电流和电压、电源的输出电流和电压、电池充放电电流和电压等；

（3）控制电源的输出电流和稳流，控制电源的开关机等；

（4）控制高频开关电源实现对蓄电池浮充、均充方式的自动转换；

（5）控制硅链的自动或手动投切，保证控制母线的稳压精度，进而保证微机和晶体管保护用电的可靠性，防止造成保护误动；

（6）调节充电限流值和总输出电流稳流值；

（7）具有本地和远程控制方式，采用密码允许或禁止方式操作，以增强系统运行可靠性。

高频开关电源发展趋势

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。

高频开关电源高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造, 成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。

高频开关电源模块化

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量, 在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求, 而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。

高频开关电源数字化

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,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。

高频开关电源绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电, 这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。

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。

总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。