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1、逐漸淘汰線性電源
高頻開關(guān)電源在技術(shù)上較線性電源具有很大優(yōu)勢(shì),節(jié)省了用來制造工頻變壓器的材料和空間,體積小、質(zhì)量輕、可靠性高且性價(jià)比好,易于實(shí)現(xiàn)各種不同功率的輸出。隨著高頻開關(guān)電源開關(guān)頻率的不斷提高及高頻濾波技術(shù)的同步發(fā)展,原來困擾開關(guān)電源的輸出紋波大等問題得以克服,開關(guān)電源的輸出紋波可與線性電源相媲美,促使在各行業(yè)逐漸淘汰線性電源。
2、開關(guān)頻率已達(dá)MHz級(jí)
頻開關(guān)電源自20世紀(jì)70年代突破20 kHz以來,隨著技術(shù)的進(jìn)步,其產(chǎn)品的頻率一路飆升到500kHz~1MHz。世界上很多國(guó)家都在致力于MHz級(jí)的高頻開關(guān)電源的研究。我國(guó)在這方面的研究較為滯后,但是已經(jīng)取得了一定的成果。
3、小型化發(fā)展迅速
通過對(duì)高頻開關(guān)電源原理的分析和實(shí)際應(yīng)用證明,電源使用的電容、電感、變壓器的體積和質(zhì)量與電源工作頻率的平方根成反比。依據(jù)這個(gè)原理,高頻開關(guān)電源的頻率提高必然促成了體積的減小。電源小型化能使產(chǎn)品輕便、節(jié)省材料消耗和降低成本,具有很重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
4、效率得到較大提高
由于各種新技術(shù)的運(yùn)用,世界上高頻開關(guān)電源的效率達(dá)到95%以上,國(guó)內(nèi)應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)制造的6kW通信開關(guān)電源的效率已達(dá)到了93%。
5、提高頻率和減少體積不可避免面臨許多難題
隨著開關(guān)頻率的提高,必將帶來很多負(fù)面影響,包括開關(guān)元件和無源元件損耗的增加、元件高頻寄生參數(shù)和電磁干擾EMI等,都必須兼顧考慮。
6、軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用日趨成熟
由于軟開關(guān)技術(shù)在理論上可以將開關(guān)損耗降 低為零,因此該技術(shù)始終是研究的熱點(diǎn)。其電路 可分為:準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。目前發(fā)展應(yīng)用成熟的技術(shù)包括:有源鉗位ZVS軟開關(guān)技術(shù)和全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù),效率可達(dá)90%以上。
7、軟開關(guān)與硬開關(guān)結(jié)合技術(shù)取得較好效果
開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)并沒有使硬開關(guān)技術(shù)逐漸沒落,相反通過與軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合,煥發(fā)出新的活力。如零電流變換(ZCT)和零電壓變換(ZVT)技術(shù),兼有軟開關(guān)的開關(guān)損耗小、EMI低、頻率高、效率高、節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)和硬開關(guān)的開關(guān)管電壓、電流容量定額小和易于實(shí)現(xiàn)濾波等優(yōu)點(diǎn)。
8、同步整流技術(shù)極大提高了開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率
同步整流技術(shù)通過使用導(dǎo)通電阻極低(不大于3mΩ)的MOSFET,替代傳統(tǒng)的二極管作為逆變后的整流器件,通過控制器產(chǎn)生與整流電壓相位同步的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制同步整流器正常工作,這種方法可以極大降低整流損耗,主要應(yīng)用于低壓大電流功率變換器中。
9、高頻有源功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)有效提高功率因數(shù)
高頻開關(guān)電源就像是交流電網(wǎng)上的非線性負(fù)載,所產(chǎn)生的高次諧波電流從輸電線輻射出去而污染電網(wǎng),造成很大危害。PFC技術(shù)能有效地減少高頻開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的污染,主要運(yùn)用的是有源PFC技術(shù)。高頻有源PFC技術(shù)使電源輸入電流實(shí)現(xiàn)正弦化,且與輸入電源保持同相位,達(dá)到諧波抑制的目的。目前,主要的有源PFC技術(shù)包括兩級(jí)PFC技術(shù)和單級(jí)PFC技術(shù)兩種。
10、電磁兼容性(EMC)的設(shè)計(jì)技術(shù)有效降低高頻開關(guān)電磁干擾
由于高頻開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),伴隨著開關(guān)電源開關(guān)操作時(shí)急劇的電壓和電流變化而產(chǎn)生的浪涌和噪聲,將作為傳導(dǎo)噪聲或輻射噪聲傳遞至設(shè)備的外部,從而引發(fā)電磁干擾(EMI)問題。EMC設(shè)計(jì)技術(shù)可以有效地解決這個(gè)問題。目前抑制電源EMI的三種重要的新技術(shù)包括周期擴(kuò)頻、隨機(jī)擴(kuò)頻和混沌擴(kuò)頻。周期調(diào)頻已應(yīng)用于商品電源中,而后兩種調(diào)頻技術(shù)正在發(fā)展之中。
11、電源電路、電源系統(tǒng)的模塊化提升了電源品質(zhì)
目前,為了便于設(shè)計(jì)人員靈活使用各功能模塊,提高制造效率、降低成本、減小體積和提高可靠性,制造商將PFC、ZVS、ZCS、PWM控制、并聯(lián)均流控制和移相全橋控制等控制功能集成在專用芯片內(nèi),把功率開關(guān)器件同控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、檢測(cè)等電路封裝在一個(gè)模塊內(nèi)構(gòu)成電力電子器件模塊。此外,制造商將控制、功率半導(dǎo)體器件和信息傳輸?shù)裙δ苋考稍谝粋€(gè)模塊中,通過取消傳統(tǒng)連線和電、熱、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),達(dá)到縮小體積、降低寄生參數(shù)和提高產(chǎn)品可靠性的目的。
12、單臺(tái)功率輸出不高限制國(guó)內(nèi)大功率電源領(lǐng)域的應(yīng)用
目前,國(guó)內(nèi)的大功率高頻開關(guān)電源產(chǎn)品稀少且性能欠佳,而且單機(jī)容量大于20 kW的大功率高頻開關(guān)電源在國(guó)內(nèi)外極為少見,單機(jī)輸出電流一般在1000A以下。這些問題造成高頻開關(guān)電源在國(guó)內(nèi)電化學(xué)和冶金等需要大功率(幾百千瓦或幾兆瓦以上)電源的領(lǐng)域還未得到應(yīng)用。構(gòu)成高頻開關(guān)電源主功率電路的最基本、最重要的兩大要素:電力電子器件和磁性器件的輸出功率不高,是目前阻礙功率提升的主要瓶頸。
13、分布式電源系統(tǒng)極大提升電源輸出功率
分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)通過電源模塊并聯(lián)運(yùn)行的方式,采用系統(tǒng)均流、N+M冗余設(shè)計(jì)和熱插拔技術(shù),使得每個(gè)變換器處理較小的功率以降低電應(yīng)力,突破了單臺(tái)輸出功率不夠大的瓶頸,將輸出功率提升到幾十千瓦甚至幾百千瓦,大大提高了系統(tǒng)的可靠性。此外,這種系統(tǒng)能擴(kuò)展出多種功率輸出,降低了開發(fā)成本。
14、PWM反饋回路的數(shù)字控制技術(shù)得到實(shí)際應(yīng)用
基于電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)技術(shù)等數(shù)字技術(shù)開發(fā)的數(shù)字電源通過軟件和硬件設(shè)計(jì),可以替代模擬電路,實(shí)現(xiàn)PWM反饋回路的數(shù)字控制。DSP可通過內(nèi)置PID算法生成數(shù)字PWM波形控制主 功率變換器;配合A/D轉(zhuǎn)換和CPLD等芯片檢測(cè)系統(tǒng)電流、電壓和溫度參數(shù),經(jīng)內(nèi)部處理調(diào)整PWM信號(hào)輸出,實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電源輸出和各種保護(hù)功能,還可以對(duì)同步整流電路進(jìn)行精確的同步控制。
15、基于數(shù)字技術(shù)開發(fā)的電源管理與通信功能提高產(chǎn)品性能
數(shù)字高頻開關(guān)電源能通過接口電路,外接鍵盤和液晶顯示器,進(jìn)行人機(jī)交互操作;通過串口RS485、RS232或CAN總線等接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信,實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。數(shù)字電源的網(wǎng)絡(luò)接口,便于實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)、自檢和升級(jí),極大提高了產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。
16、數(shù)字技術(shù)方便產(chǎn)品設(shè)計(jì)
各種功能的集成數(shù)字電路、數(shù)字控制芯片以及先進(jìn)的EDA技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和DSP技術(shù)使得設(shè)計(jì)人員能夠擺脫以往繁復(fù)的模擬電路設(shè)計(jì),專注于電源產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和功能的完善。通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)手段,包括TOPs-witch(PROTEL)、DXP等電路設(shè)計(jì)軟件,可以提高電源產(chǎn)品的開發(fā)效率,縮短研發(fā)周期。目前流行的Pspice和Matleb等仿真軟件不能完全仿真高頻開關(guān)電源的高頻寄生參數(shù),只能在前期研究中提供參考,無法做到完全的仿真設(shè)計(jì)。