【文章內容簡介】 產品性能發(fā)展到一定階段后，人性化設計顯得最為重要，怎樣能讓用戶更加輕松、更自如的應用產品越來越受到電力電源廠商的重視。近年來，一些電力電子廠商的設計研發(fā)人員直接的與用戶接觸，了解他們的不同需要，針對需求來研發(fā)不同的電源，這就推動了開關電源的發(fā)展，使得開關電源的發(fā)展更加的成熟。 價格：電力電源產品因為它行業(yè) 的特殊型，客戶對產品安全性，穩(wěn)定型有了更高的要求，但是對價格的敏感性卻很低，因此廠商對價格有一定的定價能力。同時，電力電源的成本中最大的比重是來自原材料，原材料的價格對電力電源的 常州工學院畢業(yè)設計論文 3 價格具有比較大的影響。所以，未在來幾年內電力電源的價格主要是隨著原材料價格的波動而波動，但是技術因素的發(fā)展也會在很大程度上影響開關電源的價格。 渠道：近年來，隨著互聯(lián)網的迅速發(fā)展，電子商務的發(fā)展也呈現(xiàn)出迅猛式地增長，這使得電力設備的制造商有了更加便利的條件來進行產品的直銷，拓展電源的銷售手段和渠道。電力設備行業(yè)的特殊性給渠道 銷售商提出了更加苛刻的要求。全國性的渠道架構、完善的服務售后體系、強大的市場推廣能力、豐富的市場營銷經驗和完整的配套解決方案提供能力，這些都是一個優(yōu)秀的渠道商應該具備的要件。 服務：在電力電源市場中，服務競爭力的核心在于服務趨于規(guī)范化、標準化與規(guī)?；ｋ娏﹄娫吹木S護是比較復雜的，只經過專業(yè)培訓的技術人員才能擔任售后服務的工作，以及能夠對產品的保養(yǎng)及維修、元件的更換等。因此，對于價格相同，質量類似的電力電源產品來說，優(yōu)質、專業(yè)的服務將成為各大廠商差異化戰(zhàn)略中最重要的部分之一。電力電源廠商在日益激烈的競 爭中脫穎而出的關鍵是降低服務成本，提高服務的專業(yè)化水平。 20 世紀 90 年代初《通信用高頻開關整流器》和《通信局（站）電源系統(tǒng)總技術要求》等標準對指導生產、服務用戶起到了重要作用，對高頻開關電源在電信行業(yè)的循序推廣也起到了積極的作用。隨著市場的擴大，用戶對電源智能化的程度的要求越來越高，有關電源繼續(xù)紅監(jiān)控的標準相繼被推出，使得中國的電源業(yè)的發(fā)展得到了很好的維護。 國外開關電源的發(fā)展 開關電源的發(fā)展取決于各反面的因素。 功率半導體器件的發(fā)展是開關電源發(fā)展的首要條件。而半導體 材料是半導體器件的材料，性能最優(yōu)越的碳化硅材料由于制造困難，成為阻礙半導體器件發(fā)展的最主要的原因，而利用省話費直接從氣態(tài)狀態(tài)生長晶體，使得碳化硅得到的發(fā)展，從而推動了半導體器件的發(fā)展。 變壓器是開關電源中重要的必不可少的部件，平面表壓器是近兩年才面試的一種全新產品。平面變壓器沒有銅導線，代之以單層或多層印刷電路板，因而厚 常州工學院畢業(yè)設計論文 4 度遠低于常規(guī)變壓器，能夠直接制作在印刷電路板上。其突出優(yōu)點是能量密度高，因而體積大大縮小，相當于常規(guī)變壓器的 20%；效率高，通常為 97%～ 99%；工作頻率高，從 50kHz 到 2MHz； 低漏感 (小于 %)；低電磁干擾 (EMI)等。 電力電子產品或電路的發(fā)展方向是模塊化、集成化。具有各種控制功能的專用芯片，近幾年發(fā)展很迅速，如功率因數(shù)校正 (PFC)電路用的控制芯片；軟開關控制用的 ZVS、 ZCS 芯片；移相全橋用的控制芯片； ZVT、 ZCT PWM 專用控制芯片；并聯(lián)均流控制芯片；電流反饋控制芯片等。功率半導體器件則有功率集成電路 (Power IC)和 IPM。 IPM 以 IGBT 作功率開關，將控制、驅動、保護、檢測電路一起封裝在一個模塊內。由于外部接線、焊點減少，可靠性顯著提高。集成化、模塊 化使電源產品體積小、可靠性高，給應用帶來極大方便。 開關電源發(fā)展的整體趨勢 小型化、薄型化、輕量化、高頻化：開關電源的重量、體積主要是由儲能元件（即磁性元件和電容）決定的，所以開關電源的小型化實質上就是盡可能減小其中儲能元件的體積；在一定范圍內，開關頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，高頻化是開關電源的主要發(fā)展方向。 高可靠性：開關電源使用的元器件相比較比連續(xù)工作電源要少數(shù)十倍，所以可靠性得到了提高。而從壽命角度 出發(fā)，電解電容、光耦合器及排風扇等器件的壽命決定著通信電源的壽命，所以，要從設計方面著眼，盡可能使用較少的器件，提高集成度。這樣不但解決了電路復雜、可靠性差的問題，也增加了保護等功能，簡化了電路，提高了平均無故障時間。 低噪聲：開關電源的缺點之一是噪聲很大。簡單地追求高頻化，噪聲也會隨之增大。采用部分諧振轉換回路技術，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲。所以，盡可能地降低噪聲影響是開關電源的又一發(fā)展方向。 采用計算機輔助設計和控制：采用 CAA 和 CDD 技術設計最新變換拓撲和最佳參數(shù)，使開關電 源具有最簡結構和最佳工況。在電路中引入微機檢測和控制，可構成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時檢測、記錄并自動報警等。 常州工學院畢業(yè)設計論文 5 開關電源的現(xiàn)狀 今年來年中國電力電源市場呈現(xiàn)如下特征： 大容量電力電源產品的需求迅速提升，開關電源市場穩(wěn)步增長。因為國家對能源和環(huán)保問題日益重視，電力行業(yè)結構調整勢在必行；隨著電力電子技術的進步，開關電源在節(jié)能降耗環(huán)保問題上的作用日益顯著；高效、大容量機組漸成市場主力，有效拉動電源市場需求，所以中國電力電源市場的這種變化與我國宏觀政策導向和電力行業(yè)的影響密不可分。受國 家宏觀政策的影響，我國電力行業(yè)結構有所調整，小火電機組相繼叫停，大型、高效機組陸續(xù)投產。這種電力行業(yè)結構的轉變顯著拉動了大容量電源的市場需求，從而有效帶動開關電源市場穩(wěn)步增長。 市場集中度較低，廠商競爭相對激烈。中國電力電源廠商有近 1000 家，分布地域廣而分散，市場規(guī)模亦較為均衡，廠商市場占有率均在 10%以下。開關電源市場集中度相對較低，廠商間競爭較為激烈成為開關電源市場的主要特征之一。隨著競爭的加劇，電力電源廠商在市場規(guī)模效應和技術研發(fā)能力上充分重視起來，以提高品牌影響力和市場競爭力。 技 術進步驅動產品創(chuàng)新。電力電源產品與電子技術的進步發(fā)展密切相關。近年來，隨著我國電力電子技術的快速發(fā)展，開關電源產品也朝著高頻化、高功率密度、高功率因素、高效率、高可靠性和高智能化方向發(fā)展。這種由于技術進步帶動的產品創(chuàng)新同時受到市場的認可。“綠色”電源，模塊化電源的問世在節(jié)能、降耗、環(huán)保方面發(fā)揮了重要的作用，對于緩解我國的能源和環(huán)境問題大有裨益。 本章小結 開關電源是電力電子發(fā)展的必然產物，順應了時代的發(fā)展，它的出現(xiàn)已經帶來了技術的革新?，F(xiàn)在無論是國內還是國外都在發(fā)展開關電源，所以其前景是美好的，開關 電源在一定程度上取代傳統(tǒng)電源已經是必然的趨勢了。 常州工學院畢業(yè)設計論文 6 第二章 開關電源的幾種結構 boost 電路 電路圖 圖 21 boost電路 boost 電路的工作原理 Boost 電路（圖 21）即為升壓斬波電路，當 V1 導通時，能量從輸入電源流入，并儲存于電感 L1 中，由于 Q1 導通期間正向飽和管壓降很小，故這時二極管 D1 反偏，負載由濾波電容 C 供給能量，將 C1 中儲存的電能（ CV0*V0/2）釋放給負載 R。當 V1 截止時，電感 L1 中電流不能突變，它所產生的感應電勢阻止電流減小，感應電勢的極性為下正上負，二極管 D1 導通，電感中儲存的能量（ L1I*I/2）經二極管 D1，流入電容 C1，并供給負載 R。 在 Q1 導通的 Ton 期間，能量儲存于電感 L1 中，在 Q1 截止的 Toff 期間，電感 L1 釋放的能量補充在 Ton 期間給電容 C1 上損失的能量。 Q1 截止時，電感L1 上電壓跳變的幅值時與占空比有關的， Ton 愈大， L1 中峰值電流大，儲存的磁能愈大。所以，如果在 Ton 期間吃內存的能量要在 Toff 期間釋放出來，那么，L1 上的脈沖必定比較高的。假定開關管沒有損耗，并聯(lián)變換器電路在輸入電壓V1 和輸入電流 I1，能在較低的輸出電流 I0 下，輸出較高的電壓 V0。 穩(wěn)壓電源達到穩(wěn)態(tài)后，輸出電壓穩(wěn)定在所需的恒定值 V0，只要適當選擇電 常州工學院畢業(yè)設計論文 7 容 C1，輸出紋波可做得足夠小，當要求紋波為Δ V0，直流輸出電流為 I0 是，由于在管子導通期間全部負載都由 C1 供電，因此選擇 C1 取決于下式： C1=V0Ton0I? 當 Q1 導通時，忽略管子導通壓降，電感 L1 上的電壓為輸入電壓 V1,并且電流按 t??I = L1V1 速率線性上升，周期 Ton 期間 V1 導通時， L1 中的電流增量為 Δ I（ +） =（ L1V1 ） Ton。當 V1 截止時，假定 L1 右端的電感反沖電壓等于輸出電壓 V0，則 L1 上的電壓為 V0V1， L1 中的電流以Δ I（ ） =（ V0V1） Toff/L1，而在穩(wěn)態(tài)， Ton 期間 L1 中電流的增量應等于 Toff 期間電流的減量，Δ I（ +） =Δ I（ ），故有 L1V1Ton = L1V1)Toff(V0 V0=V1 ToffToffTon? =V1ToffT =V1 TonTT =V1 D11 其中 D= TTon 由上式可知，當改變占空比 D 時，就能獲得所需的上升的電壓值。由于占空比 D總是小于 1， V0 總是 大于 V1。 Boost電路能將電壓升高的原因是電感 L1 儲能之后具有使電壓泵升的作用，而電容 C 能將輸出電壓保持住。 boost 電路特點 boost 電路的電路相比較其他電路來的簡單，所以成本比較低，另外 boost電路的輸出電壓高于輸入電壓，能夠起到升壓作用。 boost 電路的轉換效率比較低，所以電源電壓的利用率比較低，輸出的功率較小。由 boost 電路最為顯著的特點可以知道， boost 電路只適用于升壓電路。 常州工學院畢業(yè)設計論文 8 buck 電路 buck 電路圖 圖 22 buck電路 buck 電路的工作原理 Buck 電路（圖 22）即為降壓斬波電路。當控制脈沖使 Q1 導通之后， C 開始充電，輸出電壓 V0 加到負載 R 兩端，在 C 充電過程中，電感 L1 內的電流逐漸增加，儲存的磁場能量也逐漸增加。此時續(xù)流二極管 D1 因反向偏置而截止。經過 Ton 時間以后，控制信號使 Q1 截止， L1 中的電流減小， L1 中儲存的磁場能量便通過續(xù)流二極管 D1 傳遞給負載。當負載電壓低于電容 C 兩端的電壓時，C 便向負載放電。經過時間 Toff 后，控制脈沖又使 Q1 導通，上述過程重復發(fā)生。 當控制信號使 Q1 導通時，電感 L1 中的電流從最小值 Ilmin 增加到最大值Ilmax ，當控制信號使 V 截止時， L1 中的電流又從最大值 Ilmax 下降到 Ilmin 。建設Q1 具有理想的開關特性，其正向飽和管壓降 可以忽略，所以可以列出以下的方程： VL =V1V0=LdtdiL 由此可得出： 常州工學院畢業(yè)設計論文 9 iL =L1 ? V0)(V1 dt iL = LV0V1 t+Ilmin Q1 導通狀態(tài)終止時， T=Ton 時， L1 中的電流達到最大值，得： Ilmax = LV0V1 Ton+Ilmin 在 Q1 截止期間， L1 中的電流經續(xù)流二極管 D1 向負載釋放能量，假若忽略 D1的正向壓降，則可得出下列方程： V0=LdtdiL 由此可得出： iL =L1 ?V0 dt iL = LV0 t+Ilmax Q1 截止狀態(tài)終止時，即 T=Toff 時， L1 中的電流下降到最小值，得： Ilmin = LV0 Toff+Ilmax 由上面的公式可得： V0=V1 ToffTonTon? =V1 TTon =DV1 式中 Ton 是開關導通時間， Toff 是開關截止時間； T 時開關管工作周期， D 是占空比， D=Ton/T。 由上式可知，輸出電壓 V0 越開關管的占空比 D=Ton/T 成正比，所以通過改變開關管的占空比可以控制輸出平均電壓的大小。由于占空比 D=To