高頻開關電源,高頻開關電源是什么意思
1．直流電鍍電源的發展回顧
電鍍是電能轉化為化學能的過程，在這一過程中，金屬離子獲得電子被還原成金屬原子，金屬原子按一定規則排列形成晶體成為鍍層。直流電鍍電源正是提供電子的“源泉”和使金屬原子結晶的動力。因此電源在電鍍過程中的作用是十分重要的。
高頻開關電源
上世紀60年代中期以前，人們采用交流——直流發電機組為電鍍提供直流電。在調節直流發電機的輸出時，要把直流發電機的輸出作為采樣信號，調節交流電機的轉速以改變直流輸出，即所謂“交—直—交組”。這種系統由于具有較高的可靠性，曾一度在電鍍領域占統治地位(與之同期的還有貢弧整流器，但較早被淘汰。)至今人們仍可在某些國內大廠中看到它們的影子。然而這種系統效率極低，因此在電力電子技術誕生后不久便退出了歷史舞臺。我們把以交一直發電機組為代表的直流供電系統稱之為第一代直流電鍍電源。
在電力電子學還未從電工技術中分化出來之前，大功率硅整流管已被大量地工業化使用，于是，在電鍍領域出現了所謂“自耦+硅整流”式直流電鍍電源，即使用自耦變壓器調節交流電壓，再以大功率硅管(堆)進行整流。該系統雖然在技術上比起“交—直流發電機組”有了一定的進步，但由于在控制上需要用電機或人力去拖動自耦變壓器的調壓端，很不方便。同時，其效率沒有任何改善，精密、紋波也較差。這即是所謂的第二代直流電鍍電源。
50年代中后期，晶閘管在美國的貝爾實驗室誕生。從而給包括電鍍電源在內的電力電子行業帶來革命性的福音。以可控硅為核心的直流電鍍電源便是在這樣的背景下產生的。
可控硅電鍍電源，在電路結構上主要有兩種形式：一是利用可控硅在工頻變壓器原邊進行調壓，然后在副邊用硅管多相整流；二是直接用可控硅在工頻變壓器的副邊進行調壓整流。不論哪種形式，都把成熟的調節控制原理通過電子電路，運用到對可控硅導通角的控制中，使得可控硅電鍍電源的輸出特性大大地優于以往的產品。在額定負載情況下，往往能獲得令人滿意的精度、紋波和效率，特別是在效率上，比過去的產品有了顯著的提高，功率范圍也很寬。這些優良的特性使得它一經出現，便成為直流電鍍電源的主流。至今國內大量使用的仍以這種電源為主，國外工業化國家在大功率電源領域也在使用這種電源。我們稱之為第三代直流電鍍電源。
第三代電鍍產品比以往的產品有著明顯的優勢，但隨著人們對鍍層質量和工業生產過程自動化以及近十幾年來人類對工業生產領域的節約能耗，減小污染的要求的不斷提高，可控硅電源的缺點越來越明顯。首先，它只能在一定的負載范圍內保證額定精度，而實際生產時，大多數情況是非額定的，因此，往往難以滿足實際精度需要。紋波也是如此，只在一定范圍(一般是在滿負載附近)滿足額定值，這些，都給人們利用它來進一步提高工藝質量帶來困難。其次，由于采用模擬電子線路完成移相控制，當它與計算機控制系統聯接時，需要的接口電路較繁瑣，很不方便。另外，由于擺脫不了工頻變壓器，使其整機體積大，重量大，耗費銅材，而且對電網的諧波干擾也很嚴重。隨著電力電子技術的發展，高頻功率變換技術得到了越來越廣泛的應用。第四代直流電鍍電源——高頻開關電源正是在這樣的背景下應運而生的。
２．高頻開關電源工作原理概述
高頻開關電源的工作原理是功率變換。
當開關S閉合時，電流流過電感L，在負載RL兩端產生輸出電壓。由于輸入電壓的極性關系，二級管VD1處于反向配置，此時L儲存能量。當開關S打開時，電感L的磁場極性發生變化，儲存在L中的能量通過負載RL釋放，二極管VD1正向導通，負載兩端的電壓極性仍保持不變。二級管VD1因其在電路中的作用而被稱為續流二極管。
當開關S閉合時，輸入回路有電流輸入，而當開關打開時，則電流突然終止。但由于電感L和續流二級管VD1的作用，輸出電流是連續的。電感L和電容C同時還起到濾波的作用，從而使RL上的電壓更加平滑。
在實際應用中，起到開關使用的是開關晶體管。同時在圖—1的電路中，輸入和輸出回路之間缺少安全隔離措施，因而一般采用高頻變壓器作為隔離器件 。
VT1是一開關晶體管，其基極用一方波S1控制。S1為高電平時，VT1導通，在變壓器T的初級產生電源，并儲存了能量。由于變壓器的次級與初級同相，所有數量也傳遞到了變壓器次級。電流流過正向偏置的二級管VD2和電感L，能量傳遞給負載RL，同時電感L中儲存了能力。此時二極管VD1處于反向偏置。
當S1為低電平時，VT1截止，變壓器T繞組中的電壓反向，二極管VD2截止，續流二極管VD1導通，存儲在電感L中的能量繼續傳遞給負載RL。
顯然，輸出電壓VRL=V2×Ton/T＝V2×X 其中X＝Ton/T為占空比；Ton為VT1的導通時間，改變脈沖占空比δ，即可改變輸出電壓(或電流)。
由此可以看出，開關電源是一種功率轉換裝置 。
以上簡單介紹了高頻開關電源的工作原理、讀者不難看出它是集功率轉移技術與脈寬調制技術于“—體的高技術產物，是當代電力電子學理論發展的最新體現。一經問世，即受到廣泛關注并得到空前迅速的發展。在國際上，高頻開關電源已在直流電源領域無可爭議地居于首要地位。在國內，以北京浩源電源設備有限公司為代表的HY系列高頻開關電源也異軍突起，以優異的性能、可靠的品質和完善的服務與各種國際名牌共舞于市場經濟的舞臺。
電網供電經EMI濾波后。再經硅橋整流和濾波電路濾波，成為直流電。這里，濾波電路只用一個電路C1代表。輔助電源將交流電通過整流濾波后，變成低壓的直流電，并給控制電路供電。功率MOS管V1和V2作為開關元件。控制電路產生一固定頻率的脈沖寬度可調的方波(PWM)。該方波控制V1和V2的導通與關斷。
3. 高頻開關電源與可控硅電源的比較
作為第四代直流電鍍電源，高頻開關電源較之可控硅電源有著許多無可比擬的優勢，這里筆者借助幾張表格將其作一簡單對比。
3.1 電路結構的比較
可控硅電源 高頻開關電源
工頻變壓器 有 無
被控制器件 可控硅 場效應管
控制方式 移相觸發 脈寬調制
輸入濾波 有 有
輸出濾波 無/有 有
3.2 功率因數比較
Cos控制角 可控硅整流器 高頻開關電源 不加校正 加校正
0° 1.0 全量程 0.70 全量程 0.90~0.95
30° 0.95 60° 0.89 90° 0.70 120° 0.42 150° 0.17 180° 0
3. 3 輸出紋波比較
輸出電壓脈沖系數＝整流電壓基波最大值/整流電壓的直流分量
可控硅電源的輸出脈動較大，并且隨負載的大小和整流相數的變化而變化。它的工作頻率低，在大電流時往往不加濾波電路。高頻開關電源的輸出脈沖較小。由于輸出脈沖的頻率很高，所以低通濾波器的體積大幅度減小，這樣就十分有利于提高電源的輸出紋波特性。
有關這兩種電源脈動系數的比較見下表：
可控硅電源 高頻開關電源
相數m ym% 相數m ym%
2相 66.7 單相 1.0 3相 25.0
6相 5.7 3相 1.0
12相 1.4 0
3. 4 效率比較
可控硅電源中的工頻變壓器的轉換效率通常為85%再加上整流部分的各種損耗，使其在最理想狀態下效率也只能在75%左右。高頻開關電源的效率隨著電路的不同而略有文化，一般在80%~90%左右。如果采用先進的諧振型開關電路，則其效率會更高
3．5 精密比較
可控硅電源在控制角很大時，調整能力很差，輸出電壓、電流的精度在半載到滿載時的理想情況下，方可達到3%~5%。而且電壓、電流的線性不好，這是由于可控硅電源本身電路的體制造成的。高頻開關電源在全量程范圍內精度均可達到1%以上。甚至可以達到0．1%。
3．6 總的比較與結構
性能 分類 體積 重量 效率 功率因數 精度 控制電路 工作頻率 保護 功率 帶載啟停 對電網干擾 節能節材
可控硅整流器 較大 笨重 75%左右 0~1可變 半載到滿載范圍3% 復雜、有同步要求，不宜集成 低50~600Hz 繼電器時間長100ms，快速熔斷器10ms 大 不允許 大，頻率低不利于消除 效果差
高頻開關電源 小，只有同功率可控硅整流器的1/3~1/5 輕，只有同功率可控硅整流器的1/4 85%左右 （1）不加校正全范圍0.7 （2）加校正全范圍可達0.9以上 全范圍內小于%或更高 簡單，有專用集成控制器 高，一般20KHZ~200KHZ或更高 快速，1ms且有自恢復功能 小 允許 較小，頻率高易消除 消除明顯
4．發展前景
高頻開關電源作為新一代產品，已經在中小功率方面形成規模產品，其市場覆蓋率日益擴大。大功率方面，高頻開關電源還受到一定的限制。但這并不意味著高頻開關電源沒有進入大功率范圍的可能，相反，這很可能是它的發展方向。雖然高頻開關電源單機容量目前還受到器件、材料的限制，但是，隨著電源并聯技術的提高，電子器件的發展，多組并聯的大功率高頻開關電源已不是夢想。在這方面，北京浩源電源設備有限公司做了十分有益的嘗試，據了解，該公司已經可以生產七萬二千瓦的高頻開關電源。隨著科學技術的發展，單機大的功率高頻開關電源一定會在不遠的將來進入市場，走近我們。
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| 【上一個】 直流開關電源的拓撲結構 | 【下一個】 利用廢節能燈改制開關電源的設計 |