开关电源的发展与应用.doc

高频开关电源的应用与发展On Application and Development of High frequency SMPS 上海轻工业设计院周德贤（上海200031）1高频电源系统方框图高频开关整流器一般是先将交流电直接经二极管整流、滤波成直流电，再经过开关电源变换成高频交流电，通过高频变压器变压隔离后，由快速恢复二极管高频整流、电感电容滤波后输出，见图1。图12采用高频化有较高技术经济指标理论分析和实践经验表明，电器产品的体积重量与其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时，用电设备的体积重量大体上降至工频设计的（510）。这正是开关电源实现变频带来明显效益的基本原因。逆变或整流焊机、通讯电源用浮充电源的开关式整流器，都是基于这一原理。那么，以同样的原理对传统的电镀、电解、电加工、浮充、电力合闸等各种直流电源加以类似的改造，使之更新换代为“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，既可带来显著节能、节材的经济效益，更可体现技术含量的价值。3设计模块化自由组合扩容互为备用提高安全系数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。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，对器件造成更大的应力（表现为过电压、过电流毛刺）。为了提高系统的可靠性，而把相关的部分做成模块。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），这既缩小了整机的体积，又方便了整机设计和制造。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，在器件容量有限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，便极大地提高了系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为修复提供了充分的时间。4高频开关电源产品规格(见表1、表2)表1功率500W3000W型号SZ500SZ1000SZ2000SZ3000输出电压5100V10100V25100V2436V电流5100A10100A880A85125A稳定度（）1111输入电压（V）AC220AC220AC220AC220模块重量（kg）1.524.58表2功率5000W20000W型号SZ5000SZ10000SZ20000输出电压2436V2448V2448V电流140210A208360A420850A稳定度（）111输入电压（V）AC380AC380AC380模块重量（kg）142040以上产品重量仅为传统产品重量的1/51/8。5国内外IGBT逆变焊机的发展情况IGBT逆变焊机具有动态特性好、体积小、重量轻、高效节能、节材、有利于焊接自动化等优点。从70年代起，就受到国内外焊机界的高度重视。当今，许多工业国家，如美国、西欧等把“绝缘栅双极型晶体管”（IGBT）运用到焊机上，其各项指标均优于其他类型焊机，已形成规模，并占领了市场，成为焊机的发展方向。目前，我国进口的焊机，大多是这种焊机。根据有关统计，近年来我国每年的焊机销量以大约40的速度递增，同时有关部门已决定淘汰老式焊机，IGBT逆变焊机以其优点，成为用户更新换代的首选产品。51原理框图见图2图252原理说明380（220）V交流电，经全桥整流成直流电源；通过IGBT逆变器，形成20kHz的高频矩形波；再由高频变压器降压到几十伏通过快速恢复二极管整流、滤波成为直流焊接电源。53IGBT焊机主要优点：动态特性好，焊接质量高体积小，重量轻噪音低效率高，节能近几年来，我国也有许多厂家从事IGBT焊机的开发和生产。国产焊机与进口产品相比有价格较低的优势。但由于多方面的原因，目前国产的IGBT逆变焊机，在设计技术、制造工艺、元器件可靠性等方面都有不同程度的问题，使得故障率较高。到目前为止，还没有一个厂家的产品在广大用户心目中建立可靠的产品形象。可以这样说，“谁能有突破，掌握高品质的产品，解决了国产IGBT焊机的可靠性问题，谁就可以占领这个市场”。ZX7400逆变弧焊整流器AT7400直流弧焊发电机ZXG140硅整流弧焊机ZXG400磁放大器整流器ZX5400晶闸管整流器额定输出电流（A）400400400400400额定负载持续率6060606060输出空载电压（V）7080609071.58063输入电压（V）33803380338033803380效率（）855376.57574COS0.98(=0.79)0.90.680.550.75重量（kg）44370238310220外型尺寸长（mm）560950685690594宽（mm）254590570490495高（mm）415890107595210006电力智能高频开关整流器目前我国各地的发电厂、水电站及500kV、220kV、110kV、35kV等各类变电站所使用的直流电源设备（包括供给断路器分合闸用，后备电池充电以及二次回路的仪器仪表，继电保护，控制应急灯照明等各类低压设备用电），大部分采用的是相控电源或磁饱和式电源，由于受工艺水平和器件特性的限制，上述电源长期以来处于低技术指标、维护保养难的状况。由于受变压器或晶闸管自身参数的限制，上述电源存在很多不足之处，诸如：初充电流、浮充电流不稳，系统纹波电压过高，控制特性不佳，不便于同计算机系统配接实现监控等。同时，目前充电设备与蓄电池并联运行，当电源纹波系数较大，浮充电压波动或偏低时，会出现蓄电池脉动充电、放电现象，造成蓄电池组或单体的过早损坏。除了很多技术指标方面的缺陷外，上述电源还存在体积庞大，效率不高，11冗余投资大等不足之处，应该说已远远不能满足飞速发展的电力工程的需要，而以体积小、重量轻、效率高、输出纹波低、动态响应快、控制精度高、模块可叠加输出、N1冗余等为特点的高频开关电源逐步取代相控电源或磁饱和式电源已是大势所趋，特别是近十年来电力电子技术的迅猛发展以及功率器件制造技术的提高，更使高频开关电源的可靠性及适用面大大优于相控电源和磁饱和式电源，所以90年代以后，美国、德国等西方发达国家新建电厂和变电站的相关设备已全部采用高频开关电源，并完成了对旧有电源设备的改造。模块采用三相三线制380V平衡输入，无表4高频电力模块特点及技术参数项目指标测试条件最小标称值最大输入电压范围（VAC）260380456输出240VDC，满载输出可调范围（VDC）180230300输入380VAC，满载稳压精度0.010.5输出198296VDC,(20100)负载，输入260456VAC稳流精度0.080.5输出198286VDC，（20100）负载，输入260456VAC动态响应100s150s400s额定输出2075负载跃变充电机效率889091输出300V，5A最大可闻噪声（dB）5060满载，环境噪音40dB表5高频开关电源直流系统与常规电源直流系统的比较技术指标内容开关电源直流系统SCR直流系统常规直流系统稳压稳流精度0.10.52纹波系数0.10.52源效应0.050.62负载效应0.10.53效率908575功率因数75，可校正0.70.6开机浪涌电子控制，无无感性负载，有可靠性高，N1冗余较高，11冗余低，11冗余系统结构模块化并联结构柜屏柜（屏）式结构监控功能完善较完善备有系统操作管理功能体积重量小，轻中等大，重电池管理功能完善较好一般电力高频开关整流领域又添新力军深圳新能力科技有限公司国家电力事业经过几十年的发展，取得了举世瞩目的成就。其中直流操作电源也经历了从磁饱和电源至晶闸管电源，到目前的高频开关电源，在发展过程中每一次的进步都是电力应用领域的一次革命。高频开关整流技术是国家颁布优先发展的高科技项目。新能力科技公司始终走在高频开关技术前沿，与国情相结合，开发高频开关整流系列产品，最大限度地满足市场的需要，被列为国家科技部重点扶持企业。新能力公司提供的不仅仅是性能可靠和品种、规格丰富的产品，而且其中蕴含着卓越的服务理念，并以实现民族产业为已任，成为电力高频开关整流领域的新力军，体现了中国人的新能力！中线电流损耗，在交流输入端，采用先进的尖峰抑制器件及EMI滤波电路，由全桥整流电路将三相交流电整流为直流，再由DC/DC高频变换电路（300kHz）把所得的直流电逆变成稳定可调的直流电输出。脉宽调制电路（PWM）及软开关谐振电路根据电网和负载的变化，自动调节高频开关的脉冲宽度和移相角，使输出电压电流在任何允许的情况下都能保持稳定。7开关电源的发展趋势在功率电子技术的应用及基本电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。传统的相控型电源非常庞大而笨重，例如逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源。如果采用高频开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可较大地提高电能利用率、节省材料、降低成本。在电动汽车和交流传动中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近乎理想的负载匹配和驱动控制。现在，开关电源技术方兴未艾，而近年来又被大的市场需求所推动，必将带来开关电源技术的大发展。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电源，国内将有较大的市场需求。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起动，并将很快发展起来。还有其他许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源，也将得到迅速发展。电磁兼容是指在有限的空间、时间和频谱范围内，各种电气设备共存而不引起性能的下降，它包括电磁骚扰（EMD）和电磁敏感（EMS）两方面的内容。EMD是指电气产品向外发出噪声，EMS则是指电气产品抵抗外来电磁骚扰的能力。一台具备良好电磁兼容性能的设备，应该既不受周围电磁环境的影响也不对周围造成电磁骚扰。 开关电源中的功率开关管在高频下的通、断过程产生大幅度的电压和电流跳变，因而产生强大的电磁骚扰，但骚扰的频率范围（50V，连续输出的负载电流IL=1.4A，最大峰值电流ILIMIT=25A，导通电阻RON=0.25。 使用两片BTS412B作高端开关，另用两只BUZ71L型50V、14A、40W的N沟道场效应管作低端开关，可构成如图4所示的H桥双向直流电动机驱动电路。BUZ71L的导通电阻仅为0.1。当发生故障时，从ST端输出的状态信号就通过晶体管JE9013驱动LED发光，作为报警指示。 图4 H桥 双 向 直 流 电 动 机 驱 动 电 路 3 智能功率模块的原理与应用 由日本三菱电机公司开发出的IPM系列产品，属于第三代智能功率模块。它采用第三代IGBT来代替传统的功率MOSFET和双极型达林顿管，并配以功能完善的控制及保护电路，构成了一种理想的高频软开关模块。这类模块特别适用于正弦波输出的变压变频（VVVF）式变频器中。 IPM系列产品的内部框图如图5所示。模块内部主要包括欠压保护电路、驱动IGBT的电路、过流保护电路、短路保护电路、温度传感器及过热保护电路、门电路和IGBT。该系列产品配16位单片机后构成的通用VVVF变频器的原理图，如图6所示。图5 IPM系列产品的内部框图 图6 通用VVVF变频器的原理图 自耦式Boost DC/DC变换 1 引言 BoostDC/DC变换在通信、电子、计算机等领域有着广泛的应用前景。现广泛采用的Boost变换电路拓扑可分为两类，一类是变压器耦合式，典型的电路是FlyBoost和BackBoost；另一类是非隔离的LC耦合式和开关电容式。常见的是单管Boost、Cuk以及SPIC等电路，前者由于双绕组变压器的存在，限制了电路体积的进一步减小，同时分布参数也制约了效率的提高；后者受寄生参数的影响，升压比的提高受到了限制，不得不采用级联的方式提高输出电压，这势必使电路结构复杂化。本文研究了一种新型的BoostDC/DC变换，具有体积小、结构简单、效率高、升压比大等特点。 2 电路与工作原理图1 Boost DC/DC变 换 电 路 拓 扑 图 （ a） 模 态 1（ S导 通 ） （ b） 模 态 2（ S关 断 ） 自耦正激式Boost变换的电路拓扑如图1所示。U1为输入电压，Uo为输出电压，L1、L2为同芯电感。电路的工作过程可分为两个模态，如图2所示。 图1 Boost DC/DC变 换 电 路 拓 扑 图 输出部分的等效电路，如图3所示，R为线路电阻。 （a） 模 态1（S导 通 ） （b） 模 态2（S关 断 ） （c） 输 出 电 压 波 形 图 3 输 出 等 效 电 路 与 输 出 电 压 波 形 图2 电 路 的 工 作 模 态 模态1 S导通图2(a)，U1通过开关S给L1充电。同时，由于L1、L2的互感作用，产生一个U2加到输出端。U2由式（1）决定。 U2=(L1L2)=U1 (1)式中：N1、N2分别是L1，L2的匝数。 输入、输出电流由式（2）决定。 I1I2=IL （2）式中：IL为电感的激磁电流。 模态2 S关断图2（b），若忽略漏感，则储存在L2内的磁场能量以IL的形式，通过U1、Uo和D2续流放电，IL衰减到零时，磁芯复位。 磁芯复位的条件为 U1ton= （3）式中：ton、toff分别为S的导通时间与关断时间。 根据式（3）可以求出满足磁芯复位条件的最大占空比为 DM=1 （4） 式中：K=为升压比