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高频开关电源简介

时间:2016-12-26 | 浏览次数:136

高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)经过MOSFET或IGBT的高频作业,开关频率通常操控在50-100kHz范围内,完成高功率和小型化。


诞生进程
20世纪60年代很多使用的线性调理器式直流稳压电源,因为它存在着以下很多的缺陷,如体积分量大,很难完成小型化、损耗大、功率低、输出与输入之间有公共端,不易完成阻隔,只能降压,不能升压,很难在输出大于5A的场合使用等,已开端被开关调理器式直流稳压电源所替代。
1964年,日本NEO杂志宣布了两篇具有指导性的文章:一篇为“用高频技能使AC变DC电源小型化”;另一篇为“脉冲调制用 于电源小型化”。这两篇文章指明晰开关调理器式直流稳压电源小型化的研讨方向,即一是高频化,二是选用脉冲宽度调制技能。经过快到10 年的研讨、开发取得了杰出的成果。
1973年,美国摩托罗拉公司宣布了一篇题为“触建议20kHz的革新”的文章,从此在世界范围内就掀起了高频开关电源的开发热潮,并将DC/DC改换器作为开关调理器用于开关电源,使电源的功率密度由1~4 W/in3添加到40~50W/in3。首要被选用 的是Buck改换器。
到20世纪80年代中期,Buck、Boost和Buck ̄Boost改换器也使用到开关电源中。20世纪70年代中期,美国加州理工学院研发 出一种新式开关改换器,称为Cuk改换器(是以发明S1obodan Cuk的姓来命名的)。Cuk改换器与Buck-Boost改换器互为对偶,也是一种升降压 改换器。20世纪80年代中期今后逐步被使用到开关电源中。
1976年,美国P。W,Clarke研发出一种有变压器的“原边电感式改换器”(Primary Inductance Converter)简称PIC,取得专利,并且也使用到开关电源中。
1977年,Bell实验室在PIC的根底上,研发出有变压器的“单端原边电感式改换器”(Single-Ended Primary Inductance Converter),简称(有变压器的)SEPIC电路,这是一种新的DC/DC单端PWM开关改换器,其对偶电路称为DualSEPIC,或Zeta改换器。
到1989年,大家将SEPIC和Zeta也使用到了开关电源中,使开关电源所选用的DC/DC改换器,添加到6种 。到目前为止,经过DC/DC改换器的演化与级联,开关电源所选用的DC/DC改换器现已增
加到了14种。用这14种DC/DC改换器作为开关电源的首要 组成有些,就能够规划出使用于不一样场所、满意于不一样功用请求和用处的、高功用、高功率密度的各种功率的开关电源。

商品特色
1 本商品选用进口名牌元器材和世界领先的全桥逆改换流技能精密加工而成,使整机的功用安稳,质量愈加牢靠。
2 整机具有过压,过流,超温,短路,缺相等主动维护报警功用和软启动功用。并可加装时刻操控和计算机接口。
3 直流输出波形为高频方波,纹波系数《1%,可进步镀数,回绝钝化,增强镀层外表的光泽度和镀件暗角的钻芯度。并可削减原资料的损耗,到达电镀职业的各种特殊请求。
高频开关电源选用风冷式规划,设备便利。并配有远控设备,操作简略。能够带负载开关机,削减调理的繁琐程序。
5 体积小、分量轻,整机运用了全方位的防腐技能制作,增强了商品的防腐蚀才能,延长了使用寿命。
6 高效,节能,作业功率到达90%以上,任意电压电流比一直成线性匹配。省去了传统整流器的调压器和主变的损耗,节能在35%以上,大大的减轻了电镀成本,实为外表处理职业最沉着的选择。

分类
开关型稳压电源的电路结构有多种:
(1)按驱动办法分,有自励式和他励式。
(2)按DC/DC改换器的作业办法分:①单规矩励式和反励式、推挽式、半桥式、全桥式等;②降压型、升压型和升降压型等。
(3)按电路组成分,有谐振型和非谐振型。
(4)按操控办法分:①脉冲宽度调制(PWM)式;②脉冲频率调制(PFM)式;③PWM与PFM混合式。
(5)按电源是不是阻隔和反应操控信号耦合办法分,有阻隔式、非阻隔式和变压器耦合式、光电耦合式等。
以上这些办法的组合可构成多种办法的开关型稳压电源。因而规划者需依据各种办法的特征进行有效地组合,制作出满意需求的高质量开关型稳压电源。

电源原理
主电路
从沟通电网输入、直流输出的全进程,包含:
1、输入滤波器:其作用是将电网存在的杂波过滤掉,同时也防止本机发生的杂波反应到公共电网。
2、整流与滤波:将电网沟通电源直接整流为较平滑的直流电,以供下一级改换。
3、逆变:将整流后的直流电变为高频沟通电,这是高频开关电源的基地有些,频率越高,体积、分量与输出功率之比越小。
4、输出整流与滤波:依据负载需求,供给安稳牢靠的直流电源。
操控电路
一方面从输出端取样,经与设定规范进行对比,然后去操控逆变器,改动其频率或脉宽,到达输出安稳,另一方面,依据测验电路供给的资料,经维护电路鉴别,供给操控电路对整机进行各种维护措施。
检查电路
除了供给维护电路中正在运转中各种参数外,还供给各种显现仪表资料。
辅助电源
供给一切单一电路的不一样请求电源。

稳压原理
开关操控稳压原理
开关K以必定的时刻距离重复地接通和断开,在开关K接通时,输入电源E经过开关K和滤波电路供给给负载RL,在全部开关接通时期,电源E向负载供给能量;当开关K断开时,输入电源E便中止
了能量的供给。可见,输入电源向负载供给能量是断续的,为使负载能得到接连的能量供给,开关稳压电源有必要要有一套储能设备,在开关接通时将一部份能量储存起来,在开关断开时,向负载开释。图中,由电感L、电容C2和二极管D组成的电路,就具有这种功用。电感L用以储存能量,在开关断开时,储存在电感L中的能量经过二极管D开释给负载,使负载得到接连而安稳的能量,因二极管D使负载电流接连不断,所以称为续流二极管。在AB间的电压平均值EAB可用下式表示:
EAB=TON/T*E
式中TON为开关每次接通的时刻,T为开关通断的作业周期(即开关接通时刻TON和关断时刻TOFF之和)。
由式可知,改动开关接通时刻和作业周期的份额,AB间电压的平均值也随之改动,因而,跟着负载及输入电源电压的变化主动调整TON和T的份额便能使输出电压V0保持不变。改动接通时刻TON
和作业周期份额亦即改动脉冲的占空比,这种办法称为“时刻比率操控”(Time Ratio Control,缩写为TRC)。

操控办法
按TRC操控原理,有三种办法:
一、脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,缩写为PWM)
开关周期稳定,经过改动脉冲宽度来改动占空比的办法。
二、脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,缩写为PFM)
导通脉冲宽度稳定,经过改动开关作业频率来改动占空比的办法。
三、混合调制
导通脉冲宽度和开关作业频率均不固定,彼此都能改动的办法,它是以上二种办法的混合。
高频开关电源不需求大幅度进步开关速度就能够在理论上把开关损耗降到零,并且噪声也小。

首要功用
(1)经过MODEM和电话网与监控基地通讯,从通讯口读取高频开关电源的信息;
(2)丈量模块的输出电流和电压、直流母线电流和电压、电源的输出电流和电压、电池充放电电流和电压等;
(3)操控电源的输出电流和稳流,操控电源的开关机等;
(4)操控高频开关电源完成对蓄电池浮充、均充办法的主动改换;
(5)操控硅链的主动或手动投切,确保操控母线的稳压精度,进而确保微机和晶体管维护用电的牢靠性,防止形成维护误动;
(6)调理充电限流值和总输出电流稳流值;
(7)具有本地和长途操控办法,选用密码答应或制止办法操作,以增强体系运转牢靠性。

开展趋势
在电力电子技能的使用及各种电源体系中,开关电源技能均处于基地位置。关于大型电解电镀电源,传统的电路十分庞大而笨重,假如选用高顿开关电源技能,其体积和分量都会大幅度降低,而且可极大进步电源利用功率、节省资料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技能,经过开关电源改动用电频率,然后到达近于理想的负载匹配和驱动操控。高频开关电源技能,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的基地技能。
高频化
理论分析和实践经验标明,电气商品的变压器、电感和电容的体积分量与供电频率的平方根成反比。所以当咱们把频率从工频50Hz进步到20kHz,进步400倍的话,用电设备的体积分量大体降低至工频规划的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,仍是通讯电源用的开关式整流器,都是根据这一原理。相同,传统“整流职业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也能够依据这一原理进行改造, 变成“开关改换类电源”,其首要资料能够节省90%或更高,还可节约用电30%或更多。因为功率电子器材作业频率上限的逐步进步,促进很多原来选用电子管的传统高频设备固态化,带来明显节能、节省用水、节省资料的经济效益,更可表现技能含量的价值。
模块化
模块化有两方面的意义,其一是指功率器材的模块化,其二是指电源单元的模块化。咱们常见的器材模块,富含一单元、两单元、六单元直至七元,包含开关器材和与之反并联的续流二极管,本质上都归于“规范”功率模块(SPM)。有些公司把开关器材的驱动维护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不光减小了整机的体积,更便利了整机的规划制作。实际上,由于频率的不断进步,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严峻,对器材形成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了进步体系的牢靠性,有些制作商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎一切硬件都以芯片的方式设备到一个模块中,使元器材之间不再有传统的引线衔接,这么的模块经过严厉、合理的热、电、机械方面的规划,到达优化完美的地步。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把操控软件写入该模块中的微处理器芯片,再把全部模块固定在相应的散热器上,就构成一台新式的开关电源设备。由此可见,模块化的意图不仅在于使用便利,减小整机体积,更主要的是撤销传统连线,把寄生参数降到最小,然后把器材接受的电应力降至最低,进步体系的牢靠性。别的,大功率的开关电源,因为器材容量的约束和添加冗余进步牢靠性方面的思考,通常选用多个独立的模块单元并联作业,选用均流技能,一切模块一起分担负载电流,一旦其间某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这么,不光进步了功率容量, 在有限的器材容量的情况下满意了大电流输出的请求, 并且经过添加相对全部体系来说功率很小的冗余电源模块,极大的进步体系牢靠性,即便如果呈现单模块毛病,也不会影响体系的正常作业,并且为批改供给充分的时刻。
数字化
在传统功率电子技能中,操控有些是按模仿信号来规划和作业的。在六、七十年代,电力电子技能完全是建立在模仿电路根底上的。可是,数字式信号、数字电路显得越来越主要,数字信号处理技能日趋完善老练,显现出不断增加的优点:便于计算机处理操控、防止模仿信号的畸变失真、减小杂散信号的搅扰(进步抗搅扰才能)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自确诊、容错等技能的植入。所以,在八、九十年代,关于各类电路和体系的规划来说,模仿技能仍是有用的,特别是:比如印制版的布图、电磁兼容(EMC)疑问以及功率因数批改(PFC)等疑问的解决,离不开模仿技能的常识,可是关于智能化的开关电源,需求用计算机操控时,数字化技能就离不开了。
绿色化
        电源体系的绿色化有两层意义:首要是明显节约用电, 这意味着发电容量的节省,而发电是形成环境污染的主要原因,所以节约用电就能够削减对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网发生污染,国际电工委员会(IEC)对此拟定了一系列规范,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,很多功率电子节约用电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网写入严峻的高次谐波电流,使总功率因数降低,使电网电压耦合很多毛刺尖峰,乃至呈现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的计划诞生,有了多种批改功率因数的办法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源商品奠定了根底。
       现代电力电子技能是开关电源技能开展的根底。跟着新式电力电子器材和适于更高开关频率的电路拓扑的不断呈现,现代电源技能将在实际需求的推进下快速开展。在传统的使用技能下,因为功率器材功用的约束而使开关电源的功用受到影响。为了极大表现各种功率器材的特性,使器材功用对开关电源功用的影响减至最小,新式的电源电路拓扑和新式的操控技能,可使功率开关作业在零电压或零电流状态,然后可大大的进步作业频率,进步开关电源作业功率,规划出功用优良的开关电源。
       言而总之,电力电子及开关电源技能因使用需求不断向前开展,新技能的呈现又会使很多使用商品更新换代,还会开拓更多更新的使用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的完成,将标志着这些技能的老练,完成高功率用电和高品质用电相结合。这几年,跟着通讯职业的开展,以开关电源技能为基地的通讯用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,招引了国内外一大批科技人员对其进行开发研讨。开关电源替代线性电源和相控电源是大势所趋,因而,相同具有几十亿产量需求的电力操作电源体系的国内市场正在启动,并将很快开展起来。还有其它很多以开关电源技能为基地的专用电源、工业电源正在等待着大家去开发。

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