高頻開關(guān)電源,高頻開關(guān)電源是什么意思
高頻開關(guān)電源,高頻開關(guān)電源是什么意思
1．直流電鍍電源的發(fā)展回顧
電鍍是電能轉(zhuǎn)化為化學能的過程，在這一過程中，金屬離子獲得電子被還原成金屬原子，金屬原子按一定規(guī)則排列形成晶體成為鍍層。直流電鍍電源正是提供電子的“源泉”和使金屬原子結(jié)晶的動力。因此電源在電鍍過程中的作用是十分重要的。
上世紀60年代中期以前，人們采用交流——直流發(fā)電機組為電鍍提供直流電。在調(diào)節(jié)直流發(fā)電機的輸出時，要把直流發(fā)電機的輸出作為采樣信號，調(diào)節(jié)交流電機的轉(zhuǎn)速以改變直流輸出，即所謂“交—直—交組”。這種系統(tǒng)由于具有較高的可靠性，曾一度在電鍍領域占統(tǒng)治地位(與之同期的還有貢弧整流器，但較早被淘汰。)至今人們?nèi)钥稍谀承﹪鴥?nèi)大廠中看到它們的影子。然而這種系統(tǒng)效率極低，因此在電力電子技術(shù)誕生后不久便退出了歷史舞臺。我們把以交一直發(fā)電機組為代表的直流供電系統(tǒng)稱之為第一代直流電鍍電源。
在電力電子學還未從電工技術(shù)中分化出來之前，大功率硅整流管已被大量地工業(yè)化使用，于是，在電鍍領域出現(xiàn)了所謂“自耦+硅整流”式直流電鍍電源，即使用自耦變壓器調(diào)節(jié)交流電壓，再以大功率硅管(堆)進行整流。該系統(tǒng)雖然在技術(shù)上比起“交—直流發(fā)電機組”有了一定的進步，但由于在控制上需要用電機或人力去拖動自耦變壓器的調(diào)壓端，很不方便。同時，其效率沒有任何改善，精密、紋波也較差。這即是所謂的第二代直流電鍍電源。
50年代中后期，晶閘管在美國的貝爾實驗室誕生。從而給包括電鍍電源在內(nèi)的電力電子行業(yè)帶來革命性的福音。以可控硅為核心的直流電鍍電源便是在這樣的背景下產(chǎn)生的。
可控硅電鍍電源，在電路結(jié)構(gòu)上主要有兩種形式：一是利用可控硅在工頻變壓器原邊進行調(diào)壓，然后在副邊用硅管多相整流；二是直接用可控硅在工頻變壓器的副邊進行調(diào)壓整流。不論哪種形式，都把成熟的調(diào)節(jié)控制原理通過電子電路，運用到對可控硅導通角的控制中，使得可控硅電鍍電源的輸出特性大大地優(yōu)于以往的產(chǎn)品。在額定負載情況下，往往能獲得令人滿意的精度、紋波和效率，特別是在效率上，比過去的產(chǎn)品有了顯著的提高，功率范圍也很寬。這些優(yōu)良的特性使得它一經(jīng)出現(xiàn)，便成為直流電鍍電源的主流。至今國內(nèi)大量使用的仍以這種電源為主，國外工業(yè)化國家在大功率電源領域也在使用這種電源。我們稱之為第三代直流電鍍電源。
第三代電鍍產(chǎn)品比以往的產(chǎn)品有著明顯的優(yōu)勢，但隨著人們對鍍層質(zhì)量和工業(yè)生產(chǎn)過程自動化以及近十幾年來人類對工業(yè)生產(chǎn)領域的節(jié)約能耗，減小污染的要求的不斷提高，可控硅電源的缺點越來越明顯。首先，它只能在一定的負載范圍內(nèi)保證額定精度，而實際生產(chǎn)時，大多數(shù)情況是非額定的，因此，往往難以滿足實際精度需要。紋波也是如此，只在一定范圍(一般是在滿負載附近)滿足額定值，這些，都給人們利用它來進一步提高工藝質(zhì)量帶來困難。其次，由于采用模擬電子線路完成移相控制，當它與計算機控制系統(tǒng)聯(lián)接時，需要的接口電路較繁瑣，很不方便。另外，由于擺脫不了工頻變壓器，使其整機體積大，重量大，耗費銅材，而且對電網(wǎng)的諧波干擾也很嚴重。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高頻功率變換技術(shù)得到了越來越廣泛的應用。第四代直流電鍍電源——高頻開關(guān)電源正是在這樣的背景下應運而生的。
２．高頻開關(guān)電源工作原理概述
高頻開關(guān)電源的工作原理是功率變換。
當開關(guān)S閉合時，電流流過電感L，在負載RL兩端產(chǎn)生輸出電壓。由于輸入電壓的極性關(guān)系，二級管VD1處于反向配置，此時L儲存能量。當開關(guān)S打開時，電感L的磁場極性發(fā)生變化，儲存在L中的能量通過負載RL釋放，二極管VD1正向?qū)ǎ撦d兩端的電壓極性仍保持不變。二級管VD1因其在電路中的作用而被稱為續(xù)流二極管。
當開關(guān)S閉合時，輸入回路有電流輸入，而當開關(guān)打開時，則電流突然終止。但由于電感L和續(xù)流二級管VD1的作用，輸出電流是連續(xù)的。電感L和電容C同時還起到濾波的作用，從而使RL上的電壓更加平滑。
在實際應用中，起到開關(guān)使用的是開關(guān)晶體管。同時在圖—1的電路中，輸入和輸出回路之間缺少安全隔離措施，因而一般采用高頻變壓器作為隔離器件 。
VT1是一開關(guān)晶體管，其基極用一方波S1控制。S1為高電平時，VT1導通，在變壓器T的初級產(chǎn)生電源，并儲存了能量。由于變壓器的次級與初級同相，所有數(shù)量也傳遞到了變壓器次級。電流流過正向偏置的二級管VD2和電感L，能量傳遞給負載RL，同時電感L中儲存了能力。此時二極管VD1處于反向偏置。
當S1為低電平時，VT1截止，變壓器T繞組中的電壓反向，二極管VD2截止，續(xù)流二極管VD1導通，存儲在電感L中的能量繼續(xù)傳遞給負載RL。
顯然，輸出電壓VRL=V2×Ton/T＝V2×X 其中X＝Ton/T為占空比；Ton為VT1的導通時間，改變脈沖占空比δ，即可改變輸出電壓(或電流)。
由此可以看出，開關(guān)電源是一種功率轉(zhuǎn)換裝置 。
以上簡單介紹了高頻開關(guān)電源的工作原理、讀者不難看出它是集功率轉(zhuǎn)移技術(shù)與脈寬調(diào)制技術(shù)于“—體的高技術(shù)產(chǎn)物，是當代電力電子學理論發(fā)展的最新體現(xiàn)。一經(jīng)問世，即受到廣泛關(guān)注并得到空前迅速的發(fā)展。在國際上，高頻開關(guān)電源已在直流電源領域無可爭議地居于首要地位。在國內(nèi)，以北京浩源電源設備有限公司為代表的HY系列高頻開關(guān)電源也異軍突起，以優(yōu)異的性能、可靠的品質(zhì)和完善的服務與各種國際名牌共舞于市場經(jīng)濟的舞臺。
電網(wǎng)供電經(jīng)EMI濾波后。再經(jīng)硅橋整流和濾波電路濾波，成為直流電。這里，濾波電路只用一個電路C1代表。輔助電源將交流電通過整流濾波后，變成低壓的直流電，并給控制電路供電。功率MOS管V1和V2作為開關(guān)元件。控制電路產(chǎn)生一固定頻率的脈沖寬度可調(diào)的方波(PWM)。該方波控制V1和V2的導通與關(guān)斷。
3. 高頻開關(guān)電源與可控硅電源的比較
作為第四代直流電鍍電源，高頻開關(guān)電源較之可控硅電源有著許多無可比擬的優(yōu)勢，這里筆者借助幾張表格將其作一簡單對比。
3.1 電路結(jié)構(gòu)的比較
可控硅電源 高頻開關(guān)電源
工頻變壓器 有 無
被控制器件 可控硅 場效應管
控制方式 移相觸發(fā) 脈寬調(diào)制
輸入濾波 有 有
輸出濾波 無/有 有
3.2 功率因數(shù)比較
Cos控制角 可控硅整流器 高頻開關(guān)電源 不加校正 加校正
0° 1.0 全量程 0.70 全量程 0.90~0.95
30° 0.95 60° 0.89 90° 0.70 120° 0.42 150° 0.17 180° 0
3. 3 輸出紋波比較
輸出電壓脈沖系數(shù)＝整流電壓基波最大值/整流電壓的直流分量
可控硅電源的輸出脈動較大，并且隨負載的大小和整流相數(shù)的變化而變化。它的工作頻率低，在大電流時往往不加濾波電路。高頻開關(guān)電源的輸出脈沖較小。由于輸出脈沖的頻率很高，所以低通濾波器的體積大幅度減小，這樣就十分有利于提高電源的輸出紋波特性。
有關(guān)這兩種電源脈動系數(shù)的比較見下表：
可控硅電源 高頻開關(guān)電源
相數(shù)m ym% 相數(shù)m ym%
2相 66.7 單相 1.0 3相 25.0
6相 5.7 3相 1.0
12相 1.4 0
3. 4 效率比較
可控硅電源中的工頻變壓器的轉(zhuǎn)換效率通常為85%再加上整流部分的各種損耗，使其在最理想狀態(tài)下效率也只能在75%左右。高頻開關(guān)電源的效率隨著電路的不同而略有文化，一般在80%~90%左右。如果采用先進的諧振型開關(guān)電路，則其效率會更高
3．5 精密比較
可控硅電源在控制角很大時，調(diào)整能力很差，輸出電壓、電流的精度在半載到滿載時的理想情況下，方可達到3%~5%。而且電壓、電流的線性不好，這是由于可控硅電源本身電路的體制造成的。高頻開關(guān)電源在全量程范圍內(nèi)精度均可達到1%以上。甚至可以達到0．1%。
3．6 總的比較與結(jié)構(gòu)
性能 分類 體積 重量 效率 功率因數(shù) 精度 控制電路 工作頻率 保護 功率 帶載啟停 對電網(wǎng)干擾 節(jié)能節(jié)材
可控硅整流器 較大 笨重 75%左右 0~1可變 半載到滿載范圍3% 復雜、有同步要求，不宜集成 低50~600Hz 繼電器時間長100ms，快速熔斷器10ms 大 不允許 大，頻率低不利于消除 效果差
高頻開關(guān)電源 小，只有同功率可控硅整流器的1/3~1/5 輕，只有同功率可控硅整流器的1/4 85%左右 （1）不加校正全范圍0.7 （2）加校正全范圍可達0.9以上 全范圍內(nèi)小于%或更高 簡單，有專用集成控制器 高，一般20KHZ~200KHZ或更高 快速，1ms且有自恢復功能 小 允許 較小，頻率高易消除 消除明顯
4．發(fā)展前景
高頻開關(guān)電源作為新一代產(chǎn)品，已經(jīng)在中小功率方面形成規(guī)模產(chǎn)品，其市場覆蓋率日益擴大。大功率方面，高頻開關(guān)電源還受到一定的限制。但這并不意味著高頻開關(guān)電源沒有進入大功率范圍的可能，相反，這很可能是它的發(fā)展方向。雖然高頻開關(guān)電源單機容量目前還受到器件、材料的限制，但是，隨著電源并聯(lián)技術(shù)的提高，電子器件的發(fā)展，多組并聯(lián)的大功率高頻開關(guān)電源已不是夢想。在這方面，北京浩源電源設備有限公司做了十分有益的嘗試，據(jù)了解，該公司已經(jīng)可以生產(chǎn)七萬二千瓦的高頻開關(guān)電源。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，單機大的功率高頻開關(guān)電源一定會在不遠的將來進入市場，走近我們。
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