開關(guān)電源發(fā)展概述

1發(fā)展概況

開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源,它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向,現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。對于不同的設(shè)備應(yīng)用,開關(guān)電源分2類:(1)中、小功率的開關(guān)電源;(2)大功率的開關(guān)電源。中、小功率的開關(guān)電源,一般采用開關(guān)電源模塊的形式;而大功率開關(guān)電源,一般采用分立元件或控制模塊一起制成。對于大功率開關(guān)電源的核心單元,1977年國外首先研制成脈寬調(diào)制(PWM)控制器集成電路,典型產(chǎn)品如MC3250、SG3524、UC3842:20世紀(jì)90年代以來,國外又研制出開關(guān)頻率達(dá)1MHz的高速PWM、PFM(脈沖頻率調(diào)制)芯片,典型產(chǎn)品如UC3842、UC1864等;對于對中、21、功率開關(guān)電源的單片集成化,大致分2個(gè)階段:20世紀(jì)80年代初意一法半導(dǎo)體有限公司(SCS-Thomson)首先推出的L4960系列單片開關(guān)式穩(wěn)壓器;20世紀(jì)90年代該公司又推出了L4970A系列。其特點(diǎn)是將脈寬調(diào)制器、功率輸出極、保護(hù)電路等集成在一個(gè)芯片上,使用時(shí)需配工頻變壓器與電網(wǎng)隔離,適用于制作低壓輸出(5.1-40V)、大中功率(400W以下)、大電流(1.5-10A)、高效率(可超過90%)的開關(guān)電源,但從本質(zhì)上講,它仍屬于DC用C電源變換器。1994年,美國動(dòng)力(POWER)公司在世界上首先研制成功三端隔離式脈寬調(diào)制型單片開關(guān)電源,被人們稱為“頂級開關(guān)電源”。其第1代產(chǎn)品是TOPSwitch系列,第2代產(chǎn)品是1997年的TOPSwitch-n系列。該公司于1995年又推出了高效、低功率、低價(jià)格的四端單片開關(guān)電源系列;1999年Motorola公司又推出MC33370系列五端單片開關(guān)電源,也稱為高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器(HighvoltagePowerSwitchRegulator)。目前,單片開關(guān)電源已形成4大系列、近70種型號(hào)的產(chǎn)品。

國內(nèi)開關(guān)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。一些公司如中電華星自主開發(fā)的電源系列產(chǎn)品已獲得廣泛認(rèn)同,在電源市場競爭中頗具優(yōu)勢,并有少量開始出口;高等院校開發(fā)的開關(guān)電源有西北工業(yè)大學(xué)等,都有一定的技術(shù)優(yōu)勢,其中西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)的高性能通信開關(guān)電源是比較好的產(chǎn)品。

2.開關(guān)電源的關(guān)鍵技術(shù)

2.1開關(guān)電源工作原理

開關(guān)電源主要是指利用各類新型自關(guān)斷器件并通過變換技術(shù)制成的高頻開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源。它的形式有很多種,其中尤以脈沖寬度調(diào)制型(PWM)最為盛行,現(xiàn)在就著重介紹一下此種形式的開關(guān)電源。

采用PWM技術(shù)的開關(guān)電源原理結(jié)構(gòu)如圖1所示,從電網(wǎng)將能量傳遞給負(fù)載工頻電網(wǎng)交流電壓經(jīng)過輸入整流濾波電路,得到高紋波未調(diào)直流電壓,再經(jīng)功率轉(zhuǎn)換電路,變換成符合要求的矩形波脈動(dòng)電壓,最后經(jīng)輸出整流濾波電路將其平滑成連續(xù)的低紋波直流電壓。

控制回路在提供高壓開關(guān)T管基極驅(qū)動(dòng)脈沖的同時(shí),需要完成輸出電壓穩(wěn)壓的控制,而且還必須能對電源或負(fù)載提供保護(hù)。它通常由檢測比較放大電路、電壓一脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路(V/W電路)、時(shí)鐘振蕩電路、基極驅(qū)動(dòng)電路、過壓過流保護(hù)電路,以及自用電壓源等基本電路構(gòu)成。

稱為時(shí)鐘振蕩器,這種電源利用檢測電路反映輸出電壓值,通過和給定參考電壓比較產(chǎn)生誤差信號(hào),再經(jīng)V/W電路調(diào)制脈沖寬度以調(diào)節(jié)輸出電壓。

2.2關(guān)鍵技術(shù)

1.高頻開關(guān)技術(shù)電源開關(guān)頻率越高，所需要的變壓器及濾波電容的容量就越小。這是減小開關(guān)電源的體積和重量的根本手段。但提高開關(guān)頻率會(huì)增加開關(guān)損耗及無源元件的損耗，還會(huì)產(chǎn)生電磁干擾問題，而且，開關(guān)頻率越高，對開關(guān)器件的要求就越高，這將會(huì)降低電源的可靠性，并增加電源的成本。

2.軟開關(guān)技術(shù)

為了解決提高開關(guān)頻率帶來的種種不利影響，目前通常采用軟開關(guān)技術(shù)，包括無源無損(吸收網(wǎng)絡(luò))軟開關(guān)技術(shù)，有源軟開關(guān)技術(shù)，如ZVS/ZCS諧振、準(zhǔn)諧振、恒頻軟開關(guān)技術(shù)(ZVS/ZCS-PWM)，以及零電壓、零電流轉(zhuǎn)換(ZVT/ZCT-PWM)技術(shù)等。由于軟開關(guān)技術(shù)可以有效的減少開關(guān)損耗及開關(guān)應(yīng)力，達(dá)到提高效率、增加可靠性的目的，因此，軟開關(guān)技術(shù)是最近幾年電力電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

3.功率因數(shù)校正技術(shù)

提高開關(guān)電源輸人端功率因數(shù)，可以降低電源的無功損耗，減少電源對電網(wǎng)的諧波污染。由于開關(guān)電源在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都得到廣泛應(yīng)用，大量的開關(guān)電源同時(shí)使用時(shí)，將會(huì)對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的影響。因此，采用功率因數(shù)校正技術(shù)是今后開關(guān)電源發(fā)展的趨勢，輸人端功率因數(shù)是衡量開關(guān)電源質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。

4.智能化技術(shù)

目前國外的通信系統(tǒng)普遍采用集中監(jiān)控分散供電方式(集散式戶)，國內(nèi)也在發(fā)展這種供電方式。集散式供電方式具有可靠性高、電纜損耗小、承受故障能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但相對集中式供電系統(tǒng)來說，日常維護(hù)不方便。因此，采用智能化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無人值守，可以充分發(fā)揮集散式供電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。高頻開關(guān)電源智能化技術(shù)包括通訊、故障診斷、控制等方面的技術(shù)，智能化是高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢。

3.開關(guān)電源的未來趨勢

3.1高頻化

高頻化是目前開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，也是高頻開關(guān)整流器發(fā)展的主要趨勢之一。但隨著開關(guān)頻率的提高，功率器件的開關(guān)損耗將成比例地增加。所以在開關(guān)頗率較高時(shí)，需采取非常有效的“軟化”措施，盡可能降低器件的開關(guān)損耗。目前比較流行的方法是采用有源軟開關(guān)技術(shù)，如諧振技術(shù)、準(zhǔn)諧振(或多諧振)技術(shù)、ZCS-PWM(或ZVS-PWM)技術(shù)及ZCT-PWM(或ZVT-PWM)技術(shù)等。另一種較實(shí)用的方法是采用無源無耗軟開關(guān)技術(shù)，即采用無源器件(L，C，D等)構(gòu)成獨(dú)特的(專利的)電路網(wǎng)絡(luò)，對功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)無損耗級沖。

3.2模塊化

模塊式結(jié)構(gòu)除了具有很強(qiáng)的適應(yīng)性外，還有一些很重要的優(yōu)點(diǎn)，如:系統(tǒng)初始投資少、擴(kuò)容非常方便、安裝運(yùn)輸方便、冗余方式工作額外投入很少、維護(hù)快捷方便等。目前絕大多數(shù)通信電源廠家均采用模塊化設(shè)計(jì)叫，并已形成系列化，其單體整流器模塊

電流多數(shù)為5A,10A, 30A, 50A,100A, 200A等。而在通信領(lǐng)域包括移動(dòng)通信等大量使用的整流器模塊為30A, 50A,lOOA，可組成150A, 300A, 600A,1000A等各類功率等級的直流系統(tǒng)，主要應(yīng)用于電子大型電話局、移動(dòng)通信基站等。

3.3智能化

智能化是現(xiàn)代通信系統(tǒng)對其基礎(chǔ)供電電源高標(biāo)準(zhǔn)要求的必然結(jié)果，是新型單片機(jī)技術(shù)在開關(guān)電源領(lǐng)域應(yīng)用的完美體現(xiàn)。目前多數(shù)通信電源廠家已成功地將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用于高頻開關(guān)整流器模塊及監(jiān)控模塊之中，并通過RS232，RS422等標(biāo)準(zhǔn)通信口及MODEM等與微型計(jì)算機(jī)連接起來，實(shí)現(xiàn)“三遙”功能，并最終通過公用電話網(wǎng)或通信專網(wǎng)將不同區(qū)域內(nèi)，甚至是世界范圍的電源系統(tǒng)連接起來，實(shí)施大面積集中監(jiān)控，滿足了現(xiàn)代通信系統(tǒng)的高標(biāo)準(zhǔn)、高可靠的要求，達(dá)到了智能化的目的。

3.4標(biāo)準(zhǔn)化

目前高頻開關(guān)整流器產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)需滿足的標(biāo)準(zhǔn)，除自身規(guī)范要求外，主要有電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和安全標(biāo)準(zhǔn)兩種。國際上有關(guān)組織及國內(nèi)相關(guān)部門都積極制定了各種電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，各電源廠家都已經(jīng)或正在為自己的產(chǎn)品滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的要求做準(zhǔn)備，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的“綠色化”。國內(nèi)外都制定了相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施了各種安全認(rèn)證，如歐洲有“CE”，標(biāo)志認(rèn)證，中國有“長城”標(biāo)志認(rèn)證等。標(biāo)準(zhǔn)化是產(chǎn)品質(zhì)量改善及國際化發(fā)展趨勢的需要。

4.結(jié)語

隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是功率器件的更新?lián)Q代，功率變換技術(shù)的不斷改進(jìn)，新型電磁材料的不斷使用，控制方法的不斷改進(jìn)，以及相關(guān)學(xué)科的技術(shù)不斷發(fā)展，開關(guān)電源已經(jīng)成為多學(xué)科技術(shù)相融合的產(chǎn)物。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的通信高頻開關(guān)電源在功能上已經(jīng)接近國外產(chǎn)品，但在性能上還存在差距，主要表現(xiàn)在可靠性、穩(wěn)定性不夠高。缺乏系統(tǒng)化、模塊化、工程化的設(shè)計(jì)方法和必要的仿真手段，是導(dǎo)致系統(tǒng)不能很好工作的原因。總之,開關(guān)電源的發(fā)展方向是:（1）頻率要高，這樣動(dòng)態(tài)響應(yīng)才快,也是配合高速微處理器必須的；（2）體積要減小，變壓器、電感、電容都要減小體積；（3）效率要高，產(chǎn)生的熱能減少，散熱容易,容易達(dá)到高功率密度，進(jìn)而制造出超大功率的高頻開關(guān)電源；（4）電源系統(tǒng)的高度集成化。