開關(guān)電源的分類及應(yīng)用

1.1按負(fù)載前連接方式分類
開關(guān)電源中開關(guān)管與負(fù)載串聯(lián)連接稱之為串聯(lián)型開關(guān)電源,開關(guān)管與負(fù)載并聯(lián)連接稱之為并聯(lián)型開關(guān)電源。串聯(lián)型開關(guān)電源的輸出端經(jīng)過開關(guān)調(diào)整管及整流二極管與電網(wǎng)直接連接,因電網(wǎng)隔離能力差,整個(gè)設(shè)備底板帶電,通常稱之為熱板,這種不方便外部接口,如音視頻接口、耳機(jī)接口等。并聯(lián)型自激式開關(guān)電源,其輸出端與電網(wǎng)有高頻變壓器進(jìn)行電的隔離。
1.2按穩(wěn)壓操縱方式分類
開關(guān)電源的調(diào)節(jié)穩(wěn)壓是經(jīng)過調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的占空比來完成的。設(shè)開關(guān)管的開關(guān)周期為T,在一個(gè)周期內(nèi),導(dǎo)通時(shí)間為ton,則占空比定義為D=tonT。在開關(guān)電源中,轉(zhuǎn)變占空比的操縱方式有2種:即脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖頻率調(diào)制(PWF)。在脈沖寬度操縱中,保持開關(guān)頻率(開關(guān)周期T)不變,經(jīng)過轉(zhuǎn)變ton來轉(zhuǎn)變占空比D,進(jìn)而達(dá)到轉(zhuǎn)變輸出電壓的目的。即D越大,濾波后輸出電壓也就越大;D越小,濾波后輸出電壓越小。在頻率操縱方式中,保持導(dǎo)通時(shí)間ton不變,經(jīng)過轉(zhuǎn)變頻率(即開關(guān)周期T)而轉(zhuǎn)變占空比。由于頻率操縱方式的工作頻率是變化的,導(dǎo)致后續(xù)電路濾波器的設(shè)計(jì)非常不便,所以,現(xiàn)階段大多數(shù)的開關(guān)電源均運(yùn)用PWM操縱。
1.3按激勵(lì)方式分類
開關(guān)調(diào)整管的運(yùn)行所需要的激勵(lì)信號(hào)來源于開關(guān)電源外的稱之為它激式,若由自激振蕩產(chǎn)生激勵(lì)的稱之為自激式。通常它激式都是由行逆程脈沖作為開關(guān)調(diào)整管導(dǎo)通的激勵(lì)信號(hào),部分自激式開關(guān)電源為了使振蕩頻率與行頻率同步,也運(yùn)用了行逆程脈沖作為觸發(fā)電平?，F(xiàn)階段運(yùn)用最多的是運(yùn)用PWM操縱的自激式并聯(lián)型開關(guān)電源。
開關(guān)電源的運(yùn)用
由于電力電子技術(shù)的發(fā)展壯大,尤其是大功率MOS管技術(shù)的快速發(fā)展壯大,將開關(guān)電源的工作頻率提高到150～200kHz,這導(dǎo)致功率損耗更小,電源的效率達(dá)到90%～95%。用高頻變壓器替代工頻變壓器可極大縮減體積,縮減重量;另外輸出電壓紋波縮減到0.05%之內(nèi),穩(wěn)定性達(dá)到0.5%～1%,抗干擾能力強(qiáng)并且智能化程度高,由于這些優(yōu)良的特性,高功率開關(guān)電源主要運(yùn)用于工業(yè)和軍事上。如粒子加速器、電磁發(fā)射、電磁推進(jìn)、微波武器等脈沖功率技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中,電源設(shè)備的平均功率通常在幾百千瓦乃至幾兆瓦以上,體積和重量僅有線性電源的幾十分之一。而小功率開關(guān)電源主要運(yùn)用于小家電、IT等領(lǐng)域,如計(jì)算機(jī)、彩色電視機(jī)、 智能家居、攝像機(jī)、機(jī)頂盒、VCD、電子游戲機(jī)等電子產(chǎn)品上。
2.1通信電源
   通訊業(yè)的快速發(fā)展極大地促進(jìn)了通信電源的發(fā)展。高頻率微型化的開關(guān)電源以及技術(shù)已變成近代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中,一般 將整流器叫做一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器叫做二次電源。一次電源是把單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。如在程控交換機(jī)用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源早已被高頻率開關(guān)電源取代,它借助MOSFET或IGBT的高頻率工作,開關(guān)頻率通常控制在50～100kHz范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)了高效率和微型化。近些年,一次電源的功率存儲(chǔ)量不斷擴(kuò)大,單機(jī)存儲(chǔ)量已從48V/12.5A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。
通訊設(shè)備處理速度的不斷提升,促使工作頻率不斷提升,選用集成電路的類型多種多樣,其電源電壓要求也各不相同,一般 大于10種,在通信供電系統(tǒng)中選用高功率密度的高頻率DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(通常為48V直流)轉(zhuǎn)換成所需的各種直流電壓,這樣可極大降低耗損、方便維護(hù)且組裝、增加非常方便。通常都可以直接裝在標(biāo)準(zhǔn)控制板上,對(duì)二次電源的要求是高功率密度。因通信存儲(chǔ)量的不斷增加,通信電源存儲(chǔ)量也將不斷增加。
2.2高頻率逆變式整流焊機(jī)電源
高頻率逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機(jī)電源,象征了當(dāng)今焊機(jī)電源的發(fā)展方向。因?yàn)?/font>IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。
逆變焊機(jī)電源大都選用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)轉(zhuǎn)換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻率轉(zhuǎn)換部分將直流電逆變成20kHz的高頻率矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后變成穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
因?yàn)楹笝C(jī)電源的工作條件惡劣,經(jīng)常地處在短路、燃弧、開路交替變化之中,所以高頻率逆變式整流焊機(jī)電源的工作可靠性變成最核心的問題,也是客戶最關(guān)心的問題。選用微處理器作為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器,借助對(duì)多參數(shù)、多信息的獲取與分析,達(dá)到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,從而提前對(duì)系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了現(xiàn)階段大功率IGBT逆變電源可靠性。國外逆變焊機(jī)已可做到額定焊接電流300A,負(fù)載持續(xù)率60%,全載電壓60～75V,電流調(diào)節(jié)范圍5～300A,凈重29kg。

2.3大功率開關(guān)型高壓直流電源
大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛運(yùn)用于靜電除塵、水質(zhì)改進(jìn)、醫(yī)療X光機(jī)和CT機(jī)等大型機(jī)器設(shè)備。工作電壓達(dá)到50～l59kV,電流達(dá)到0.5A以上,電功率可以達(dá)到100kW。
自從20世紀(jì)70年代逐漸開始,日本的一些企業(yè)逐漸開始使用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?/font>3kHz左右的中頻,隨后升壓。進(jìn)入80年代,高頻開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門子公司使用電功率晶體管做主開關(guān)元件,將電源的開關(guān)頻率提升到20kHz以上,并將干式變壓器技術(shù)成功地運(yùn)用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積更進(jìn)一步減小。國內(nèi)對(duì)靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?/font>,使用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l工作電壓,隨后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負(fù)載條件下,輸出直流電壓達(dá)到55kV,電流達(dá)到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.4電力操作電源
在20世紀(jì)90年代之前,電力操作電源幾乎全部選用相控電源,即使用可控硅整流充電機(jī)器設(shè)備,因?yàn)榭煽毓枵髟诩y波、效率、體積等方面不盡人意,監(jiān)控系統(tǒng)也不夠完善,尤其現(xiàn)在變電所逐步使用微機(jī)保護(hù)和監(jiān)控,對(duì)直流系統(tǒng)的性能和可靠性要求更高,因此90年代之后更新?lián)Q代為開關(guān)電源。
變電所中的電力操作電源是確保穩(wěn)定供電不可或缺的,它的首要任務(wù)是為繼電保護(hù)、開關(guān)分合閘及控制等帶來穩(wěn)定的直流操作電源。它的性能好壞直接影響到變電所的正常安全供電,從而影響到生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行。使用高頻開關(guān)后,輸出電壓精度高,其輸出紋波系數(shù)從2%提升到0.1%,電源穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度從2%減小到0.5%,可以確保對(duì)蓄電池的平穩(wěn)充放電,延長了電池使用期限。因?yàn)槭褂媚K化結(jié)構(gòu)和N+1備份方式,可依據(jù)具體負(fù)載存儲(chǔ)量的大小,挑選合適的整流模塊數(shù)量。當(dāng)1臺(tái)電源故障時(shí),只需將該模塊退出檢修,而其它模塊仍可繼續(xù)運(yùn)行,在確保系統(tǒng)充電存儲(chǔ)量的條件下,為負(fù)載的正常供電帶來了更為穩(wěn)定的保障。以往的可控硅整流相控電源系統(tǒng),其備件需要1個(gè)同樣大小的硅整流模塊,而改用高頻開關(guān)后,只需備1～2個(gè)高頻開關(guān)單元就可以了,減少了備件儲(chǔ)備成本。因?yàn)楦哳l開關(guān)電源的功率因數(shù)大于0.9,而常規(guī)整流功率因數(shù)僅為0.7左右,對(duì)同樣的負(fù)載,使用高頻開關(guān)模塊可節(jié)省輸入功率30%。
3結(jié)束語