高頻開關電源

20世紀60年代大量應用的線性調節器式直流穩壓電源，由於它存在着以下諸多的缺點，如體積重量大，很難實現小型化、損耗大、效率低、輸出與輸入之間有公共端，不易實現隔離，只能降壓，不能升壓，很難在輸出大於5A的場合應用等，已開始被開關調節器式直流穩壓電源所取代。

1964年，日本NEO雜誌發表了兩篇具有指導性的文章：一篇為“用高頻技術使AC變DC電源小型化”；另一篇為“脈衝調製用 於電源小型化”。這兩篇文章指明瞭開關調節器式直流穩壓電源小型化的研究方向，即一是高頻化，二是採用脈衝寬度調製技術。經過將近10 年的研究、開發取得了良好的結果。

1973年，美國摩托羅拉公司發表了一篇題為“觸發起20kHz的革命”的文章，從此在世界範圍內就掀起了高頻開關電源的開發熱潮，並將DC/DC轉換器作為開關調節器用於開關電源，使電源的功率密度由1～4 W/in3增加到40～50W/in3。首先被採用 的是Buck轉換器。

到20世紀80年代中期，Buck、Boost和Buck￣Boost轉換器也應用到開關電源中。20世紀70年代中期，美國加州理工學院研製 出一種新型開關轉換器，稱為Cuk轉換器（是以發明人S1obodan Cuk的姓來命名的）。Cuk轉換器與Buck-Boost轉換器互為對偶，也是一種升降壓 轉換器。20世紀80年代中期以後逐漸被應用到開關電源中。

1976年，美國P.W，Clarke研製出一種有變壓器的“原邊電感式轉換器”（Primary Inductance Converter）簡稱PIC，獲得專利，並且也應用到開關電源中。

1977年，Bell實驗室在PIC的基礎上，研製出有變壓器的“單端原邊電感式轉換器”（Single-Ended Primary Inductance Converter），簡稱（有變壓器的）SEPIC電路，這是一種新的DC/DC單端PWM開關轉換器，其對偶電路稱為DualSEPIC，或Zeta轉換器。

到1989年，人們將SEPIC和Zeta也應用到了開關電源中，使開關電源所採用的DC/DC轉換器，增加到6種 。通過DC/DC轉換器的演化與級聯，開關電源所採用的DC/DC轉換器已經增加到了14種。用這14種DC/DC轉換器作為開關電源的主要 組成部分，就可以設計出使用於不同場所、滿足於不同性能要求和用途的、高性能、高功率密度的各種功率的開關電源。

1 本產品採用進口名牌元器件和國際先進的全橋逆變換流技術精密加工而成，使整機的性能穩定，質量更加可靠。

2 整機具有過壓，過流，超温，短路，缺相等自動保護報警功能和軟啓動功能。並可加裝時間控制和計算機接口。

3 直流輸出波形為高頻方波，紋波係數＜1%，可提高鍍數，拒絕鈍化，增強鍍層表面的光澤度和鍍件暗角的鑽芯度。並可減少原材料的損耗，達到電鍍行業的各種特殊要求。

4 高頻開關電源採用風冷式設計，安裝方便。並配有遠控裝置，操作簡單。可以帶負載開關機，減少調節的繁瑣程序。

5 體積小、重量輕，整機運用了全方位的防腐工藝製作，增強了產品的防腐蝕能力，延長了使用壽命。

6 高效，節能，工作效率達到90%以上，任意電壓電流比始終成線性匹配。省去了傳統整流器的調壓器和主變的損耗，節能在35%以上，大大的減輕了電鍍成本，實為表面處理行業最理智的選擇。

開關型穩壓電源的電路結構有多種：

(1)按驅動方式分，有自勵式和他勵式。

(2)按DC/DC變換器的工作方式分：①單端正勵式和反勵式、推輓式、半橋式、全橋式等;②降壓型、升壓型和升降壓型等。

(3)按電路組成分，有諧振型和非諧振型。

(4)按控制方式分：①脈衝寬度調製(PWM)式;②脈衝頻率調製(PFM)式;③PWM與PFM混合式。

(5)按電源是否隔離和反饋控制信號耦合方式分，有隔離式、非隔離式和變壓器耦合式、光電耦合式等。

以上這些方式的組合可構成多種方式的開關型穩壓電源。因此設計者需根據各種方式的特徵進行有效地組合，製作出滿足需要的高質量開關型穩壓電源。 ^[1] 

從交流電網輸入、直流輸出的全過程，包括：

1、輸入濾波器：其作用是將電網存在的雜波過濾掉，同時也防止本機產生的雜波反饋到公共電網。

2、整流與濾波：將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級變換。

3、逆變：將整流後的直流電變為高頻交流電，這是高頻開關電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。

4、輸出整流與濾波：根據負載需要，提供穩定可靠的直流電源。

一方面從輸出端取樣，經與設定標準進行比較，然後去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達到輸出穩定，另一方面，根據測試電路提供的資料，經保護電路鑑別，提供控制電路對整機進行各種保護措施。

除了提供保護電路中正在運行中各種參數外，還提供各種顯示儀表資料。

提供所有單一電路的不同要求電源。

開關控制穩壓原理

開關K以一定的時間間隔重複地接通和斷開，在開關K接通時，輸入電源E通過開關K和濾波電路提供給負載RL，在整個開關接通期間，電源E向負載提供能量；當開關K斷開時，輸入電源E便中斷了能量的提供。可見，輸入電源向負載提供能量是斷續的，為使負載能得到連續的能量提供，開關穩壓電源必須要有一套儲能裝置，在開關接通時將一部份能量儲存起來，在開關斷開時，向負載釋放。由電感L、電容C2和二極管D組成的電路，就具有這種功能。電感L用以儲存能量，在開關斷開時，儲存在電感L中的能量通過二極管D釋放給負載，使負載得到連續而穩定的能量，因二極管D使負載電流連續不斷，所以稱為續流二極管。在AB間的電壓平均值EAB可用下式表示：

EAB=TON/T*E

式中TON為開關每次接通的時間，T為開關通斷的工作週期（即開關接通時間TON和關斷時間TOFF之和）。

由式可知，改變開關接通時間和工作週期的比例，AB間電壓的平均值也隨之改變，因此，隨着負載及輸入電源電壓的變化自動調整TON和T的比例便能使輸出電壓V0維持不變。改變接通時間TON和工作週期比例亦即改變脈衝的佔空比，這種方法稱為“時間比率控制”（Time Ratio Control,縮寫為TRC）。

按TRC控制原理，有四種方式：

一、脈衝寬度調製（Pulse Width Modulation,縮寫為PWM）

開關週期恆定，通過改變脈衝寬度來改變佔空比的方式。

二、脈衝頻率調製（Pulse Frequency Modulation,縮寫為PFM）

導通脈衝寬度恆定，通過改變開關工作頻率來改變佔空比的方式。

三、脈衝密度調製（Pulse Density Modulation，縮寫為PDM）

導通脈衝寬度恆定，通過改變脈衝數量來實現穩壓的方式。

四、混合調製

導通脈衝寬度和開關工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的混合。

高頻開關電源不需要大幅度提高開關速度就可以在理論上把開關損耗降到零，而且噪聲也小。

（1）通過MODEM和電話網與監控中心通信，從通信口讀取高頻開關電源的信息；

（2）測量模塊的輸出電流和電壓、直流母線電流和電壓、電源的輸出電流和電壓、電池充放電電流和電壓等；

（3）控制電源的輸出電流和穩流，控制電源的開關機等；

（4）控制高頻開關電源實現對蓄電池浮充、均充方式的自動轉換；

（5）控制硅鏈的自動或手動投切，保證控制母線的穩壓精度，進而保證微機和晶體管保護用電的可靠性，防止造成保護誤動；

（6）調節充電限流值和總輸出電流穩流值；

（7）具有本地和遠程控制方式，採用密碼允許或禁止方式操作，以增強系統運行可靠性。

在電力電子技術的應用及各種電源系統中，開關電源技術均處於核心地位。對於大型電解電鍍電源,傳統的電路非常龐大而笨重,如果採用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近於理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。

理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基於這一原理。同樣,傳統“整流行業”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造, 成為“開關變換類電源”,其主要材料可以節約90%或更高,還可節電30%或更多。由於功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來採用電子管的傳統高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。

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。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七元,包括開關器件和與之反並聯的續流二極管,實質上都屬於“標準”功率模塊(SPM)。有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計製造。實際上,由於頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些製造商開發了“用户專用”功率模塊(ASPM),它把一台整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優化完美的境地。它類似於微電子中的用户專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一台新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在於使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。另外,大功率的開關電源,由於器件容量的限制和增加冗餘提高可靠性方面的考慮,一般採用多個獨立的模塊單元並聯工作,採用均流技術,所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量, 在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求, 而且通過增加相對整個系統來説功率很小的冗餘電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時間。

在傳統功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是,數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點:便於計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便於軟件包調試和遙感遙測遙調,也便於自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對於各類電路和系統的設計來説,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印製版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對於智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。

電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著節電, 這意味着發電容量的節約,而發電是造成環境污染的重要原因,所以節電就可以減少對環境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峯,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。這些為2l世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。

現代電力電子技術是開關電源技術發展的基礎。隨着新型電力電子器件和適於更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現,現代電源技術將在實際需要的推動下快速發展。在傳統的應用技術下,由於功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓撲和新型的控制技術,可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態,從而可大大的提高工作頻率,提高開關電源工作效率,設計出性能優良的開關電源。

總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標誌着這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨着通信行業的發展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啓動,並將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待着人們去開發。