開關(guān)電源的分類及應(yīng)用

摘要:根據(jù)開關(guān)電源的發(fā)展及分類,對DC/DC、AC/AC變化器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特性做以闡述,結(jié)合國內(nèi)外開關(guān)電源的兩
大類變換器新技術(shù)的動(dòng)向做以探討,并敘述了開關(guān)電源的選擇。
關(guān)鍵詞:開關(guān)電源技術(shù)動(dòng)向應(yīng)用選型
Classification and Application of SMPS
Abstract: According to the development and classification of SMPS the topologic construction
  characteristic of DC/DC and AC/DC converters is explained, the developmental
  tendency and application of above-mentioned converters is also discussed.
  Keywords: SMPS, Technical tendency, Applied selection
1 引言
 
  隨著電力電子技術(shù)的告訴發(fā)展,電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切,而電子設(shè)備都離不開可靠的電
源,進(jìn)入80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90年代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電
子、電器設(shè)備領(lǐng)域,程控交換機(jī)、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等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)代電力電子技術(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)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比,二者的成本都
隨著輸出功率的增加而增長,但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上,反而高于開關(guān)電源,這一成本
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)在不斷地創(chuàng)新,這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移
動(dòng),這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(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)電源小型化,并使開關(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(dòng)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
 
  人們的開關(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(dòng)著開關(guān)電源每年以超
過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。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,并已得到用戶的認(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。以下分別對兩類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)
和特性作以闡述。
 
  2.1 DC/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,也稱為直流斬波。斬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)。其具體的電路由以下幾類:
  (1) Buck電路——降壓斬波器,其輸出平均電壓Uo小于輸入電壓Ui,極性相同。
  (2) Boost電路——升壓斬波器,其輸出平均電壓Uo大于輸入電壓Ui,極性相同。
  (3) Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器,其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,電感傳輸。
  (4) Cuk電路——降壓或升壓斬波器,其輸出平均電壓Uo 大于或小于輸入電壓UI,
  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VICOR公司設(shè)計(jì)制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器,其最大輸出功
率有300W、600W、800W等,相應(yīng)的功率密度為(6、2、10、17)W/cm3,效率為(80-90)%。日本NemicLambda公司
最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列,其開關(guān)頻率為(200~300)kHz,功率密度已達(dá)到27
W/cm3,采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二極管),是整個(gè)電路效率提高到90%。
 
  2.2 AC/DC變換
 
  AC/DC變換是將交流變換為直流,其功率流向可以是雙向的,功率流由電源流向負(fù)載的稱為“整流”,功率流由負(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
電容器是必不可少的,同時(shí)因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA),交流輸入側(cè)必
須加EMC濾波及使用符合安全標(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(dòng)作,使得解決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)使得電源工作消耗增大,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)化設(shè)計(jì)方法才
能使其工作效率達(dá)到一定的滿意程度。
  AC/DC變換按電路的接線方式可分為,半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為,單項(xiàng)、三相、多相。按電路工作象
限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。
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限又可分為一象限、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,由于其自身電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)(多級串聯(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)%。開關(guān)電源模塊作
為一種電力電子集成器件,在選用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
 
  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:
  Is=KIf
  式中:Is—開關(guān)電源的額定輸出電流;
  If—用電設(shè)備的最大吸收電流;
  K—裕量系數(shù),一般取1.5~1.8;
 
  3.2 接地
 
  開關(guān)電源比線性電源會產(chǎn)生更多的干擾,對共模干擾敏感的用電設(shè)備,應(yīng)采取接地和屏蔽措施,按ICE1000.
EN61000.FCC等EMC限制,形狀開關(guān)電源均采取EMC電磁兼容措施,因此開關(guān)電源一般應(yīng)帶有EMC電磁兼容濾波器。如利
德華福技術(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)中必須具有過流、過熱、短路等保護(hù)功能,故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首選保護(hù)功能齊備的開關(guān)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(dòng)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、薄的關(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)新型高智能化的元器件,特別是改善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,以提高在高頻率和較大磁通密度(Bs)下獲得高的磁性能,而電容器的小型
化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長足的進(jìn)展,在電路板兩面布置元器件,以確保開關(guān)電源
輕、小、薄。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的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源
主流技術(shù),并大幅提高了開關(guān)電源工作效率。對于高可靠性指標(biāo),美國的開關(guān)電源生產(chǎn)商通過降低運(yùn)行電流,降低結(jié)溫
等措施以減少器件的應(yīng)力,使得產(chǎn)品的的可靠性大大提高。
  模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢,可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng),可以設(shè)計(jì)成N+1冗余電源系統(tǒng),并實(shí)
現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展。針對開關(guān)電源運(yùn)行噪聲大這一缺點(diǎn),若單獨(dú)追求高頻化其噪聲也必將隨著增大,而采用部分諧
振轉(zhuǎn)換電路技術(shù),在理論上即可實(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)域開展大量的工作,以使得該項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)用化。
  電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新,使開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度,就必須走技
術(shù)創(chuàng)新之路,走出有中國特色的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合發(fā)展之路,為我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。 

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