【文章內(nèi)容簡介】 90%，大功率電源可達到 95%左右。開關頻率以 20KHz 為下限，幾十、幾百倍的提高。體積設備、重量越來越顯著下降。外形也可以做成輕、薄、短、小?？傊?，電源再不是大、粗、笨的設備，而是精致、靈巧可設計成兼有 ―智慧 ‖的裝置了。二十世紀九十年代以來，美國、德國等西方國家新建電 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 2 頁 廠和變電站已全部采用高頻開關電源，近幾年來，國內(nèi)開關電源技術已經(jīng)有了長足的進展，理論、研究、生產(chǎn)、應用等已有相當?shù)某晒蛞?guī)模，采用了有效的均流技術和軟開關技術，如大家所熟悉的朝陽電源就是一種較為完善的開關電源，但是，現(xiàn)在的開關 電源都是為郵電通訊系統(tǒng)設計的低電壓的模塊，象電力系統(tǒng)的操作電源所用的220V/110V 的電源則研究較少，深圳華為公司的電源模塊有用于電力系統(tǒng)的智能型高頻開關電源，質(zhì)量不錯，但是，它的三次和五次諧波較大，我們知道諧波對電網(wǎng)有危害作用，大量的諧波分量倒流入電網(wǎng)，造成對電網(wǎng)的諧波 ―污染 ‖，一方面產(chǎn)生 ―二次效應 ‖，即電流流過線路阻抗造成諧波電壓降，反過來使電網(wǎng)電壓也發(fā)生畸變 。另一方面，會造成電路故障，使用電設備損壞。例如線路和配電變壓器過熱 。諧波電流會引起電網(wǎng) LC 諧振，或高次諧波電流流過電網(wǎng)的高壓電容，使之過流、過 熱而爆炸 。在三相電路中，中線流過三相三次諧波電流的疊加，使中線過流而損壞。另外，因為它沒有采用有源功率因數(shù)校正，功率因數(shù)較低，只達到 ，如果采用有效的功率因數(shù)校正，功率因數(shù)可以達到 以上。 開關電源國內(nèi)外發(fā)展狀況與趨勢 1955 年美國羅耶發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實現(xiàn)高頻轉換控制電路的開端， 1957 年美國查賽發(fā)明了自激式推挽雙變壓器， 1964 年美國科學家提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開關電源的設想，這對電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了 1969 年由于大功率硅晶體管 的耐壓提高，二極管反向恢復時間的縮短等元器件改善，終于做成了 25 千赫茲的開關電源。 現(xiàn)代電子設備使用的電源大致有線性穩(wěn)壓電源和開關電源兩大類。所謂線性穩(wěn)壓電源，就是其調(diào)整工作在線性放大區(qū)。這種穩(wěn)壓電源的主要缺點是變換效率低，一般只有 35%60%；開關穩(wěn)壓電源的調(diào)整工作在開關狀態(tài)，主要的優(yōu)越性就是變換效率高，可達 70%95%。因此目前空間技術、計算機、通信、雷達、電視及家用電器中的穩(wěn)壓 電源逐步被開關電源所取代。 開關電源被譽為高效節(jié)能電源，它代表著當今穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主導產(chǎn)品 [1]。 高頻開關電源自問世至今，已經(jīng)歷了近四十年的發(fā)展。高頻化、小型化、模塊化、智能化、環(huán)?；允?21 世紀開關電源的發(fā)展方向。低壓大電流和高壓大電流是開關電源發(fā)展的兩大支路 [2][3]。 目前，國內(nèi)開關電源自主研發(fā)及生產(chǎn)廠家有 300 多家，形成規(guī)模的有十多家。國產(chǎn)開關電源已占據(jù)了相當市場，一些大公司如中興通訊自主開發(fā)的電源系列產(chǎn)品已獲得廣泛認同，在電源市場競爭中頗具優(yōu)勢，并有少量開始出口。他們已經(jīng)逐步做到功能齊全，質(zhì)量穩(wěn)定，并能實行全智能，無人值守，基本上接近國際先進水平的產(chǎn)品。但由于我國配套工業(yè)落后，有些元 器件還得依賴進口。目前國外電信電源中實際應用最多的開關整流器是采用 PWM 技術的 MOSFET 開關整流器，開關整流器的發(fā)展趨勢是向高頻大功率智能化發(fā)展，現(xiàn)在澳大利亞，加拿大，日本等國家可生產(chǎn) 200A 的 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 3 頁 MOSFET 開關整流器（模塊）。此外采用諧振變換技術的 48V/200A 開關整流器也是目前典型的新一代大功率開關整流器產(chǎn)品 [4][5]。 開關電源的小型化、高頻化受開關損耗的制約。開關頻率越高，損耗越大，不僅使電源的效率降低，而且因溫升增加，需要龐大的散熱系統(tǒng)。以保證器件在規(guī)定的允許溫度下可靠工作。功率開關器件工作頻 率的提高，只是為開關電源的高頻化提供基礎。要實現(xiàn)電源的高頻化還必須改進變換器的控制技術，以使開關損耗近似為零，即開關損耗與開關頻率無關。軟開關變換技術可以實現(xiàn)這一目的。軟開關變換器控制技術是實現(xiàn)開關電源裝置高頻化、高效率最有發(fā)展和應用前景的變換器。它是在硬開關PWM 變換器的基礎上，附加一個諧振網(wǎng)絡。諧振網(wǎng)絡通常由電感器、電容器和功率開關管等元器件組成。諧振網(wǎng)絡諧振工作使功率開關器件在零電壓或零電流條件下開關。開通或關斷時刻不出現(xiàn)電壓、電流重疊現(xiàn)象，減小了開關器件的應力和損耗，同時也降低了開關過程中產(chǎn)生的 di/dt 、 dv/dt 和電磁干擾噪聲。 模塊化、智能化、集成化一直是電力電子專家和工程師所追求并為之奮斗的目標。電源實現(xiàn)模塊化、集成化是提高可靠性、降低制造成本、縮短生產(chǎn)周期、提高使用性和可維修性的重要條件。集智能化、驅(qū)動控制、保護于一體的智能 IGBT 功率模塊2021V/600A 已成為商品。 開關電源向集成化化方向發(fā)展將是未來的主要趨勢，功率密度將越來越大，對工藝的要求也會越來越高。在半導體器件和磁性材料沒有新的突破之前，重大的技術進展可能很難實現(xiàn)，技術創(chuàng)新的重點將集中在如何提高效率和減小重量。因此，工藝水平將會在電源制造中占的地位越來越高。另外，數(shù)字控制集成電路的應用也是將來開關電源發(fā)展的一個方向。這依附于 DSP 運行速度和抗干擾技術的不斷提高。至于先進的控制方法，目前已經(jīng)有模糊控制、嵌入式 MCU 等只能控制方式移植到開關電源的控制，相信隨著數(shù)字控制的普及，今后還會有一些新的控制理論運用到開關電源中來。 開關電源的工作原理 開關穩(wěn)壓電源按控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種。在目前開發(fā)和使用的開關電源電路中，絕大多數(shù)為脈寬調(diào)制型。調(diào)寬式開關穩(wěn)壓電源的控制原理如圖 所示。對于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓 Uo 取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓 Uo 可由式 ()計算： 1mO UTU T?? () 式中 Um—矩形脈沖最大電壓值； T—矩形脈沖周期； T1—矩形脈沖寬度。 當 Um與 T 不變時，直流平均電壓 Uo 將與脈沖寬度 T1成正比。這樣，只要設法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可達到穩(wěn)定電壓的目的。 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 4 頁 圖 脈 寬調(diào)制式開關電源控制原理圖 開關穩(wěn)壓電源的電路原理框圖如圖 所示。交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓通過功率轉換電路進入高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。反饋控制電路為脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關電源專用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關元件的開關時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 圖 開關電源電路原理框圖 開關電源的分類 開關穩(wěn)壓電源的構成方法很多，其分類方法也多得使人無所適從，下面介紹其中 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 5 頁 的幾種分類方法 [6]。 一、按輸出能量的形式分類 （ 1）直流開關電源 其輸出是高質(zhì)量的直流電能。 （ 2）交流開關電源 其輸出是高質(zhì)量的交流電能。 二、按驅(qū)動方式分類 （ 1）自激式開關電源 其借助于變換器自身的正反饋控制信號，實現(xiàn)開關自持周期性開關。開關管起著振蕩器件和功率開關的作用。如單管振鈴扼流圈變換器，即稱RCC 變換器； 雙管單變壓器 Royer 電路；雙管雙變壓器 Jensen 變換器電路 。 （ 2）它激式開關電 源 其電源內(nèi)部備有專門獨立的振蕩電路，與振蕩器同步的控制信號驅(qū)動開關管。 三、按能量轉換過程的類型分類 （ 1）直流 直流（ DCDC）變換器 它是將一種直流電轉換成另一種或幾種直流電。DCDC 變換器是直流開關電源的核心部件，也是非隔離式或隔離式變換器直流電源的重要組成部分。 （ 2）逆變器（ DCAC） 它是將直流電轉換成交流電的開關變換器，有的稱其為變流器，是交流輸出開關電源和不間斷電源的主要部件。 （ 3）開關整流器（ ACDC） 它是將交流電轉換成直流電能的一種電源裝置，這種變換器其變換過程 應該理解為交流 直流 交流 直流（ ACDCACDC）。 （ 4）交流 交流變頻器（ ACAC） 它是將一種頻率的交流電直接轉換成另一種恒頻或可變頻率的交流電，或是將變頻交流電直接轉換成恒頻交流電的變換裝置。 四、按輸入與輸出是否隔離分類 （ 1）隔離式開關變換器 它是高頻變壓器將變換器的一次側與二次側隔離。這種變換器結構主要有單端正激式變換器、單端反激式變換器、推挽變換器、半橋式變換器、全橋式變換器。 （ 2） 非隔離式開關變換器 它是在電氣上輸入輸出不隔離的。輸入與輸出共用一個公共端。這種變換器結 構主要有降壓型變換器、升壓型變換器、降壓 升壓變換器以及它們的組合變形電路，如 Cuk 變換器、 Zeta 變換器、 Sepic 變換器等。 五、按功率開關管關斷和開通工作條件分類 （ 1）硬開關變換器 功率開關器件是在承受電壓或電流應力的情況下接通或關斷的。這樣不但產(chǎn)生開關損耗，而且形成開關尖峰干擾噪聲，需要附加屏蔽、濾波等抗噪聲技術，才能滿足高精度、高性能用電設備的要求。 （ 2）軟開關變換器 功率開關器件是在不承受電壓或電流應力的情況下接通或關斷的；或是加于開關管上的電壓為零，稱零電壓開關；或是流過開關管 的電流為零，稱零電流開關。因開關過程中無電壓、電流重疊，開關損耗大大降低，而且開關噪聲電壓小，有利于開關變換器的高頻化、小型化。 六、開關電源按控制方式分類 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 6 頁 （ 1）脈沖寬度調(diào)制（ PWM）式 它用調(diào)整脈沖寬度和控制占空比的方法來達到輸出電壓的穩(wěn)定。 （ 2）脈沖頻率調(diào)制（ PFM）式 它采用脈沖頻率來改變脈沖占空比來控制輸出電壓的穩(wěn)定。 （ 3） PWM 與 PFM 混合式 即前二者兼而有之的方式，既控制脈沖寬度，又改變脈沖頻率，用綜合技術來改變脈沖占空比和脈沖周期來控制輸出電壓的穩(wěn)定。 開關電源變換器的基 本電路 直流開關電源變換器按其輸入與輸出是否進行電氣上隔離，可分為非隔離式變換器電路和隔離式變換器電路。兩者除了均有變壓功能外，后者還有輸入電量和輸出電量在電氣上的隔離，以滿足某些場合的需要。在非隔離式變換器中，本節(jié)將重點介紹降壓型變換器、升壓型變換器、電壓極性反轉型變換器。在隔離式變換器中，將敘述應用雙極型晶體管作為開關且開關管自身起著振蕩元器件作用的自激式變換器和他激式 PWM 變換器。 1．單端反激式變換器 單端反激式變換器的典型電路如圖 所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一 側。所謂的反激，是指當開關管 VT1 導通時，高頻變壓器 T 初級繞組的感應電壓為上正下負，整流二極管 VD1 處于截止狀態(tài)，副邊上沒有電流通過，能量儲存在高頻變壓器的初級繞組中。當開關管 VT1 截止時，變壓器T 副邊上的電壓極性顛倒，使初級繞組中存儲的能量通過 VD1 整流和電容 C 濾波后向負載輸出。 iU T 1VDC LR OU??1VT 圖 單端反激式變換器電路 單端反激式開關變換器電路簡單、所用元件少，輸出與輸入間有電氣隔離，能方便的實現(xiàn)多路輸出，開關管驅(qū)動簡單，可通過改變高頻變壓器的原、副邊繞 組匝比使占空比保持在最佳范圍內(nèi)，且有較好的電壓調(diào)整率。其輸出功率為 20～ 100W。它也有其一定的缺點，如開關管截止期間所受反向電壓較高，導通期間流過開關管的峰值電流較大。但這可以通過選用高耐壓、大電流的高速功率器件，在輸入和輸出端加濾 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 7 頁 波電路等措施加以解決。單端反激式開關電源使用的開關管 VT1 承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在 20～ 200kHz 之間。 2．單端正激式變換器 單端正激式變換器的典型電路如圖 所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當開關管 VT1 導通時， VD2 也導通，這時電網(wǎng)向負載傳送能量，濾波電感 L 儲存能量；