高頻開關電源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
2025-02-18
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高頻開關電源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
高頻化
理論分析和實踐經(jīng)驗表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍的話，用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機，還是通訊電源用的開關式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造，成為“開關變換類電源”，其主要材料可以節(jié)約90%或更高，還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化，帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益，更可體現(xiàn)技術含量的價值。
模塊化
模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實質(zhì)上都屬于“標準”功率模塊（SPM）。近年，有些公司把開關器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去，構(gòu)成了“智能化”功率模塊（IPM），不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的電應力（表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺）。為了提高高頻開關電源系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了“用戶”功率模塊（ASPM），它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計，達到優(yōu)化的境地。它類似于微電子中的用戶集成電路（ASIC）。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片，再把整個模塊固定在相應的散熱器上，就構(gòu)成一臺新型的開關電源裝置。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到zui小，從而把器件承受的電應力降至zui低，提高高頻開關電源系統(tǒng)的可靠性。
另外，大功率開關電源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術，所有模塊共同分擔負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔負載電流。這樣，不但提高了功率容量，在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過增加相對整個高頻開關電源系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，*的提高高頻開關電源系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復提供充分的時間。
數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術*是建立在模擬電路基礎上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾（提高抗*力）、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào)，也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以，在八、九十年代，對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說，模擬技術還是有用的，特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容（EMC）問題以及功率因數(shù)修正（PFC）等問題的解決，離不開模擬技術的知識，但是對于智能化的高頻開關電源系統(tǒng)，需要用計算機控制時，數(shù)字化技術就離不開了。
綠色化
高頻開關電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能（或少）對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，電工委員會（IEC）對此制定了一系列標準，如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上，許多功率電子節(jié)電設備，往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流，使總功率因數(shù)下降，使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀批量生產(chǎn)各種綠色高頻開關電源系統(tǒng)產(chǎn)品奠定了基礎。
現(xiàn)代電力電子技術是大功率開關電源技術發(fā)展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應用技術下，由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了*發(fā)揮各種功率器件的特性，使器件性能對開關電源性能的影響減至zui小，新型的電源電路拓撲和新型的控制技術，可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態(tài)，從而可大大的提高工作頻率，提高開關電源工作效率，設計出性能優(yōu)良的開關電源。
總而言之，電力電子及大功率開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展，新技術的出現(xiàn)又會使許多應用產(chǎn)品更新?lián)Q代，還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn)，將標志著這些技術的成熟，實現(xiàn)率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年，隨著通信行業(yè)的發(fā)展，以開關電源技術為核心的通信用開關電源，僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求，吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨，因此，同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作高頻開關電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動，并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。
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