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开关电源的原理和发展趋势

发布日期:2017-6-9 16:54:36

       高频开关电源由以下几个部分组成:

       一、主电路

       从交流电网输入、直流输出的全过程,包括:

       1、输入滤波器:其作用是将电网存在的杂波过滤,同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。

       2、整流与滤波:将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电,以供下一级变换。

       3、逆变:将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分,频率越高,体积、重量与输出功率之比越小。

       4、输出整流与滤波:根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。

       二、控制电路

       一方面从输出端取样,经与设定标准进行比较,然后去控制逆变器,改变其频率或脉宽,达到输出稳定,另一方面,根据测试电路提供的数据,经保护电路鉴别,提供控制电路对整机进行各种保护措施。

       三、检测电路

       除了提供保护电路中正在运行中各种参数外,还提供各种显示仪表数据。

       四、辅助电源

       提供所有单一电路的不同要求电源。

       开关电源发展趋势

       随着电子产品轻、薄、小的发展趋势,要求电子元件体积更小,耗能更低。开关电源作为电子设备中不可或缺的组成部分也在不断的改进。高效率、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化,成了开关电源的发展方向。

       高效率。为了使开关电源轻、小、薄,高频化(开关频率达兆赫级)是必然发展趋势。而高频化又必然使传统的PWM开关(属硬开关)功耗加大,效率降低,噪声也提高了,达不到高频、高效的预期效益,因此实现零电压导通、本电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。采用软开关技术可使效率达到~%。

       高可靠。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍,因此降低了可靠性。从寿命角度出发,电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着眼,而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低给温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC/DC开关电源系列产品的可靠性大大提高,产品的MTBF高达00万小时以上。

       模块化。无论是AC/DC或是DC/DC或是变换器都是朝模块化方向发展。其特点是:可以用模块电源组成分布式电源系统;可以设计成N+冗余电源系统,从而提高可行性;可以做成插入式,实现热更换,从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件;多台模并联可实现大功率电源系统。此外,还可以在电源系统建成后,根据发展需要不断扩充容量。

       低噪声。开关电源的又一缺点是噪声大,单纯追求高频化,噪声也随之增大,采用部分谐振转换回路技术,在原理上既可以高频化,又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难点,如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。

       抗电磁干扰(EMI)。当开关电源在高频下开关时,其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰,世界各国已有抗EMI的规范或标准,如美国的FCC、德国的VDE等,研究开发抗EMI的开关电源日益显行生要。

       高频化,开关电源发展的方向

       开关电源成为现代电子设备中不可缺少的部分,要实现高效率、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化的发展,高频化是关键技术。要实现开关电源的高频化涉及到开关的损耗和电子兼容性以及材料性能等各方面的技术要求,目前在这些方面生产和应用控制并不是十分成熟。

       因此对于开关电源的高频化发展,业内存在不同的声音。有的认为开关电源高频化是发展的方向,也有的认为这一说法还需要商榷,更多的则认为开关电源高频化的程度应该根据电源种类而定。本刊记者就此采访了业内相关人士,收集了行业内不同的说法。

       肯定 :开关电源高频化不会受阻

       高频化是高频开关电源的发展方向并不会因为高频开关电源的“损耗大、材料性能要求高”等相关问题而受到阻碍。相反,这些相关的配套产业应该加快发展,适应开关电源高频化的要求。特别是模块电源的发展要求电路的集成化程度越来越高,电子产品轻、薄、小的发展趋势要求电子元件在体积上必须压缩、小型化。开关电源高频化就是顺应这一发展趋势技术要求,特别是在PC电源、笔记本电脑、通信产品、手机等电子产品开关电源是必不可少的。

       慎重 :开关电源高频化应根据实际而定

       开关电源高频化不是目的,只是过程。

       开关电源高频化要求增大相应的电容量,由于高频率转换给元件带来的损耗大,所以要求相关配套的器件生产设计要跟上,例如漆料、隔离技术等。开关电源实现高频化实现了开关电路的零电压,提高了电子产品的使用性能,但高频化只是开关电源技术发展的要求和过程,而不是目的,相关的技术还存在一定的缺陷,不能盲目的追求高频化。

       目前高频开关电源主要有这样一些缺陷:隔离困难,反应慢,损耗大,抗冲击性差等。另外在我国对于高频开关电源的科研工作大多限于高校,产、学、研脱节比较明显。

       高频电源的开发应用从上个世纪0年代就已开始,目前我国的生产厂家很多,并且有一定的规模。主要集中在珠三角地区。但进行技术研发的单位主要在南航、清华大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等部分高校,而国内厂家投入技术研究的基本没有。行业呼吁的“产、学、研一体化”在这一块脱了节。

       另外高频开关电源的应用还受到成本的制约。

       高频开关电源主目前主要应用在大功率电器电路中,大部分功率小的或者小型电子产品,还是用硬开关,一方面考虑技术因素,小功率电器没有必要使用高频开关电源,另外在成本上差距也很大。可以提供相等二次电源的开关产品,硬开关价格在—元/个,而应用高频开关电源的软开关价格要0元/个左右。

       不能为了高频化而高频化。

       开关电源高频化是技术手段而不是目的,开关电源高频化的程度应该根据客户的需求来定。“高频化是开关电源的发展方向”和,这个说法还需要商榷,因为频率拔高后电子兼容性能否达到要求,还涉及到材料科学方面,在国内能做到的只有几百K,还没有超过00K的。

       另外,开关电源高频化采用也应该根据电源种类是否需要来定的,比如在工业控制设备中,对电子元件的体积没有要求,电路设计也不一定要用到开关电源,就没有必要增加开关电源。

       尽管对开关电源的高频化发展存在不同的观点,但开关电源高频化已是不争的事实和趋势,在目前国内技术尚未达到成熟的水平,发展的过程也会有各种困难。困难一方面是国内企业在技术研发不成熟,另外近年国外企业纷纷到我国沿海地区投资建厂,给我国企业带来了更大的压力。压力和困难是客观所在,但我们也应该看到在竞争中国内企业同样也有自身的优势。


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