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1、甘肃电力技术 新型电源开关的原理和应用 姚洪庆 ( 甘肃电力信息通信中心甘肃省兰州市7 3 0 0 5 0 ) 【 摘要】 根据开关电源的发展及分类， 对 D O D O 、 A C D C变换器的拓扑结构和特性作了阐述， 结合国内外 开关的两大类变换器新技术动向进行探讨，叙述了开关电源的选择。 【 关健词】 开关电源技术动向应用选型 1 引言 随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备 与人的工作 、生活的关系 日益密切 ，电力 电子设备 都离不开可靠的电源。进入 2 0世纪 8 O年代，计算 机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的 电源换代；进入 2 0世纪 9 O年代，开关电源相继进
2、 入各种 电子 、电器设备领域或程控交换机 、通讯、 电力检测设备 ，控制设备电源都 已广泛地使用 了开 关 电源 ，更促进 了开关 电源技术的迅速发展 。开关 电源是利用现代 电子技术控制开关晶体管开通和关 断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开 关电一般由脉冲宽度调制 ( p w m )控制 I C和 M O S F E T 构成。开关电源和线性电源相比，二者都随着输出 率关上 ，反而高于开关电源 ，这一点称为成本反转 点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电 源技术也在不断地创新，成本反转点日益向低翰出 电力端移动，这为开关电源提供了广 阔发展空间。 开关电源高频化 是其发展的
3、方 向，高频化使开 关电源小犁化，拜使开关电源进入更广泛的应用领 域。特别是在高新技术领域的应用 ，推动 了高新技 术产 品的小型化 、轻便化 。另外开关电源的发展与 应用，在节约能源、节约资源及保护环境方面都具 有重要 的意义 。 2 开关电源的分类 人们在开关电源技术领域是边开发相关 电力 电 子器件，边开发开关变频技术。两者相互促进推动 着。 开关电源可分为 A C D C 和 D C D C两大类。 D C D C 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在 国内、外均已成熟和标准化并得到用户的认可；但 A C D C的模块化，因其 自身的特性， 使得在模块化的 进程中遇到较为复杂的
4、技术和工艺制造问题。 2 1 D O D O变换 D C D C变换是将固定的直流电压变换成可变的 直流电压 ，也称为直流暂波。暂波器的工作方式有 两种，一是脉宽调制方式 T s不变 ，改变 t o n ( 通用) ； 二是频率调制方式， t o n不变。 改变T s( 易产生干扰) ， 具体的电路有以下几类： 1 )B U C K电路一降压暂波器，其输 出平均 电压 V o 小于输入电压V t，极性相同。 2 )B U C K电路一压暂波器，其输出平均电压 v 0 大于或小于输入 电压 ，极性相 同。 3 )B U C K电路一压或升压暂波器 ，其输 出平均 电压 V o 大于或小于输入电压
5、 v 0 ， 极性相反，电感传输。 4 )B U C K电路一降压或升压变压器，其输出平 均电压 v 0 大于或小于输入电压 U 极性相反 ，电容传 输。 当今软开关技术使得 D C D C发生了质的飞跃 ， 美国 V C O R公司设计制造多种 E C 软开关 D O D O变 换器，其最大输出功率有 3 0 0 W 、6 O O W 、8 0 0 W等，相 应的功率密度为 6 、2 、1 0 、1 7 W c m 3 ，效率为 2 0 0 3 0 0 k H z ，功率密度 已达到 2 7 W c m 3 ，采用 同整流器 ( M 0 S F E T代替肖 特基二极管) ，使整个电路功率提
6、 高 9 0 。 2 2 A C D C变换 3 0 新型电源开关的原理和应用 A C D C变换是将交流变换为直流， 其功率流向是 可以双 向的，功率流 由电源流向，负载的称为 “ 整 流” 。 功率由负载返回电源的称为“ 有源逆变” 。 A C D C 变换器输入为 5 0 6 0 H z的交流电，因必须经整流滤 波 ，因此体积相对较大 的滤波电容是必不可少的， 同时因遇到安全标准 ( 如 U I 、C C E等)及 E M C指令 的限制 ( 如 I E C 、 F C C 、C S A ) ，交流输入侧必须加 E M C 率波 电及使用符合安全标准 的元件 ，这样就 限制 A C D
7、C电源体积的小型化 。另外，由于内部的高频、 高压、大电流开关动作，使解决 E M C电磁兼容问题 难度加大 ，也就对内部高密度安装电路设计提 出了 很高的要求。由于同样的原因，高电压、大电流开 关使很多电源损耗增大，限制了很高的要求。由于 同样的原因，高电压 、大电流开关使很多电源工作 损耗增大，限制了 A C D C变换器模块化的进程，因 此必须采用电源系统优化方法，才能使其工作效率 达到一定满意程度。 A C D c变换按 电路的接线方式可分为半波电路 和全波电路，按电源相数可分为单相、三相和多相， 按电路T作象限分为一象限、二象 限、三象 限、四 象限。 3 开关 电源的选用 开关电源
8、在输入抗干扰性能上 ，由于其 自身电 路的特点 ( 多极串联) ，一般的输入干扰如浪涌电压 很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线 性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可 达 0 5 1 。 3 1 输出电流的选择 因开关电源工作效率高，一般可达到 8 0 以上， 故在其输 出电流 的选择上 ，应准确测量或计算用 电 设备的最大吸收 电流 ，以使被选用的开关电源具有 高的性能价格 比。 通常输出计算公式为： l s = K l f 式中： I 一开关电源的高额出电流； I 一用电设备的最大吸收电流； K 一裕量系数，一般取 1 5 1 8 。 3 2 接地 开关电源 比、线性 电源
9、会产生更多的干扰 ，对 共膜干绕敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施。 按 I C E I O 0 0 、F C C等 E M C限制，开关电源均采用 E M C 电磁兼容措施 ，因此开关电源一般带有 E M C电磁兼 容滤器 。如利华技术 的 H A系列开关电源将其 F G端 子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的 要求 。 3 3 保护电路 开关电源在设计 中需具有过流过热短路等保护 功能， 故在设计时应首先保护功能齐备的电源模块 ， 并且其保护电路的技术参数应与用 电设备的工作特 性相匹配，以避免损坏用 电设备或开关电源 。 4 开关电源技术的发展动向 开关电源的发展方向是高频、高
10、可靠、低耗、 低噪声、抗干扰和模块化 。由于开关电源轻、小、 簿的关键技术是高频化 ，因此 ，国外各大开关电源 制造商都致力于同步开发新型智能化的元器件，特 别是该变二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体 ( M n Z n )材料上加大科技创新，以提高在高频和较 大磁通密度 ( B s )下获得高磁性能，而电容器的小 型化也是一项关键技术。 S M T技术应用使得开关电源 取得了长足的进展，在电路板两面布星 ，元器件 以 确保开关的轻、小、簿。开关电源的高频化就必然 对传统的P W M 开关技术进行创新。实现 Z V S 、Z C S的 开关技术 已成为开关电源 的主流技术 。并大幅度提 高了开
11、关电源的工作效率。对于可靠性指标，美国 的开关电源生产商通过降低运行电流和温度等措施 以减少器件的应力，使得开关可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋式，可以采用 模块化电源组分布式电元源系统，可以设计成 N + I 亢余电源系统，并实现联系方式 的容量扩展。而采 用部分谐板转换电路技术，在理论上既可实现高频 化又可降低噪声，但部分谐振转换电路技术，在理 论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转 换技术的实际应用仍存在着技术应用问题，故仍需 在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐 振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需 在这一领域开展大量工作，以使得该项技术得以应 用 。 收稿日期：2 0 0 8 - 0 9 一 o l
