开关电源地发展与应用.docx
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开关电源地发展与应用
高频开关电源的应用与发展
OnApplicationandDevelopmentofHigh－frequencySMPS
上海轻工业设计院周德贤（上海200031）
1高频电源系统方框图
高频开关整流器一般是先将交流电直接经二极管整流、滤波成直流电，再经过开关电源变换成高频交流电，通过高频变压器变压隔离后，由快速恢复二极管高频整流、电感电容滤波后输出，见图1。
图1
2采用高频化有较高技术经济指标
理论分析和实践经验表明，电器产品的体积重量与其供电频率的平方根成反比。
所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz时，用电设备的体积重量大体上降至工频设计的（5～10）％。
这正是开关电源实现变频带来明显效益的基本原因。
逆变或整流焊机、通讯电源用浮充电源的开关式整流器，都是基于这一原理。
那么，以同样的原理对传统的电镀、电解、电加工、浮充、电力合闸等各种直流电源加以类似的改造，使之更新换代为“开关变换类电源”，其主要材料可以节约90％或更高，还可节电30％或更多。
由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，既可带来显著节能、节材的经济效益，更可体现技术含量的价值。
3设计模块化——自由组合扩容互为备用
提高安全系数
模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。
实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的应力（表现为过电压、过电流毛刺）。
为了提高系统的可靠性，而把相关的部分做成模块。
把开关器件的驱动、保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块（IPM），这既缩小了整机的体积，又方便了整机设计和制造。
多个独立的模块单元并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再平均分担负载电流。
这样，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情况下满足了大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，便极大地提高了系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为修复提供了充分的时间。
4高频开关电源产品规格
（见表1、表2）
表1功率500W～3000W
型号
SZ－500
SZ－1000
SZ－2000
SZ－3000
输出
电压
5～100V
10～100V
25～100V
24～36V
电流
5～100A
10～100A
8～80A
85～125A
稳定度（％）
1
1
1
1
输入电压（V）
AC220
AC220
AC220
AC220
模块重量（kg）
1.5
2
4.5
8
表2功率5000W～20000W
型号
SZ－5000
SZ－10000
SZ－20000
输出
电压
24～36V
24～48V
24～48V
电流
140～210A
208～360A
420～850A
稳定度（％）
1
1
1
输入电压（V）
AC380
AC380
AC380
模块重量（kg）
14
20
40
以上产品重量仅为传统产品重量的1/5～1/8。
5国内外IGBT逆变焊机的发展情况
IGBT逆变焊机具有动态特性好、体积小、重量轻、高效节能、节材、有利于焊接自动化等优点。
从70年代起，就受到国内外焊机界的高度重视。
当今，许多工业国家，如美国、西欧等把“绝缘栅双极型晶体管”（IGBT）运用到焊机上，其各项指标均优于其他类型焊机，已形成规模，并占领了市场，成为焊机的发展方向。
目前，我国进口的焊机，大多是这种焊机。
根据有关统计，近年来我国每年的焊机销量以大约40％的速度递增，同时有关部门已决定淘汰老式焊机，IGBT逆变焊机以其优点，成为用户更新换代的首选产品。
5．1原理框图
见图2
图2
5．2原理说明
380（220）V交流电，经全桥整流成直流电源；通过IGBT逆变器，形成20kHz的高频矩形波；再由高频变压器降压到几十伏通过快速恢复二极管整流、滤波成为直流焊接电源。
5．3IGBT焊机主要优点：
·动态特性好，焊接质量高
·体积小，重量轻
·噪音低
·效率高，节能
近几年来，我国也有许多厂家从事IGBT焊机的开发和生产。
国产焊机与进口产品相比有价格较低的优势。
但由于多方面的原因，目前国产的IGBT逆变焊机，在设计技术、制造工艺、元器件可靠性等方面都有不同程度的问题，使得故障率较高。
到目前为止，还没有一个厂家的产品在广大用户心目中建立可靠的产品形象。
可以这样说，“谁能有突破，掌握高品质的产品，解决了国产IGBT焊机的可靠性问题，谁就可以占领这个市场”。
ZX7－400逆变弧焊整流器
AT7－400直流弧焊发电机
ZXG1－40硅整流弧焊机
ZXG－400磁放大器整流器
ZX5－400晶闸管整流器
额定输出电流（A）
400
400
400
400
400
额定负载持续率
60％
60％
60％
60％
60％
输出空载电压（V）
70～80
60～90
71.5
80
63
输入电压（V）
3×380
3×380
3×380
3×380
3×380
效率（％）
85
53
76.5
75
74
COS
≥0.98（λ=0.79）
0.9
0.68
0.55
0.75
重量（kg）
44
370
238
310
220
外型尺寸
长（mm）
560
950
685
690
594
宽（mm）
254
590
570
490
495
高（mm）
415
890
1075
952
1000
6电力智能高频开关整流器
目前我国各地的发电厂、水电站及500kV、220kV、110kV、35kV等各类变电站所使用的直流电源设备（包括供给断路器分合闸用，后备电池充电以及二次回路的仪器仪表，继电保护，控制应急灯照明等各类低压设备用电），大部分采用的是相控电源或磁饱和式电源，由于受工艺水平和器件特性的限制，上述电源长期以来处于低技术指标、维护保养难的状况。
由于受变压器或晶闸管自身参数的限制，上述电源存在很多不足之处，诸如：
初充电流、浮充电流不稳，系统纹波电压过高，控制特性不佳，不便于同计算机系统配接实现监控等。
同时，目前充电设备与蓄电池并联运行，当电源纹波系数较大，浮充电压波动或偏低时，会出现蓄电池脉动充电、放电现象，造成蓄电池组或单体的过早损坏。
除了很多技术指标方面的缺陷外，上述电源还存在体积庞大，效率不高，1＋1冗余投资大等不足之处，应该说已远远不能满足飞速发展的电力工程的需要，而以体积小、重量轻、效率高、输出纹波低、动态响应快、控制精度高、模块可叠加输出、N＋1冗余等为特点的高频开关电源逐步取代相控电源或磁饱和式电源已是大势所趋，特别是近十年来电力电子技术的迅猛发展以及功率器件制造技术的提高，更使高频开关电源的可靠性及适用面大大优于相控电源和磁饱和式电源，所以90年代以后，美国、德国等西方发达国家新建电厂和变电站的相关设备已全部采用高频开关电源，并完成了对旧有电源设备的改造。
模块采用三相三线制380V平衡输入，无
表4高频电力模块特点及技术参数
项目
指标
测试条件
最小
标称值
最大
输入电压范围（VAC）
260
380
456
输出240VDC，满载
输出可调范围（VDC）
180
230
300
输入380VAC，满载
稳压精度
0.01％
0.5％
输出198～296VDC,（20～100）％负载，输入260～456VAC
稳流精度
0.08％
0.5％
输出198～286VDC，（20～100）％负载，输入260～456VAC
动态响应
100μs
150μs
400μs
额定输出20％～75％负载跃变
充电机效率
88％
90％
91％
输出300V，5A
最大可闻噪声（dB）
50
60
满载，环境噪音40dB
表5高频开关电源直流系统与常规电源直流系统的比较
技术指标内容
开关电源直流系统
SCR直流系统
常规直流系统
稳压稳流精度
≤0.1％
≤0.5％
≤2％
纹波系数
0.1％
0.5％
≤2％
源效应
0.05％
0.6％
≤2％
负载效应
0.1％
0.5％
≤3％
效率
≥90％
≥85％
≤75％
功率因数
≥75％，可校正
0.7
≤0.6
开机浪涌
电子控制，无
无
感性负载，有
可靠性
高，N＋1冗余
较高，1＋1冗余
低，1＋1冗余
系统结构
模块化并联结构
柜屏
柜（屏）式结构
监控功能
完善
较完善
备有系统操作管理功能
体积重量
小，轻
中等
大，重
电池管理功能
完善
较好
一般
电力高频开关整流领域又添新力军——深圳新能力科技有限公司
国家电力事业经过几十年的发展，取得了举世瞩目的成就。
其中直流操作电源也经历了从磁饱和电源至晶闸管电源，到目前的高频开关电源，在发展过程中每一次的进步都是电力应用领域的一次革命。
高频开关整流技术是国家颁布优先发展的高科技项目。
新能力科技公司始终走在高频开关技术前沿，与国情相结合，开发高频开关整流系列产品，最大限度地满足市场的需要，被列为国家科技部重点扶持企业。
新能力公司提供的不仅仅是性能可靠和品种、规格丰富的产品，而且其中蕴含着卓越的服务理念，并以实现民族产业为已任，成为电力高频开关整流领域的新力军，体现了中国人的新能力！
中线电流损耗，在交流输入端，采用先进的尖峰抑制器件及EMI滤波电路，由全桥整流电路将三相交流电整流为直流，再由DC/DC高频变换电路（300kHz）把所得的直流电逆变成稳定可调的直流电输出。
脉宽调制电路（PWM）及软开关谐振电路根据电网和负载的变化，自动调节高频开关的脉冲宽度和移相角，使输出电压电流在任何允许的情况下都能保持稳定。
7开关电源的发展趋势
在功率电子技术的应用及基本电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。
传统的相控型电源非常庞大而笨重，例如逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源。
如果采用高频开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可较大地提高电能利用率、节省材料、降低成本。
在电动汽车和交流传动中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近乎理想的负载匹配和驱动控制。
现在，开关电源技术方兴未艾，而近年来又被大的市场需求所推动，必将带来开关电源技术的大发展。
这几年，随着通信行业的发展，以开关电源技术为核心的通信电源，国内将有较大的市场需求。
开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋，因此同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在起动，并将很快发展起来。
还有其他许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源，也将得到迅速发展。
电磁兼容是指在有限的空间、时间和频谱范围内，各种电气设备共存而不引起性能的下降，它包括电磁骚扰（EMD）和电磁敏感（EMS）两方面的内容。
EMD是指电气产品向外发出噪声，EMS则是指电气产品抵抗外来电磁骚扰的能力。
一台具备良好电磁兼容性能的设备，应该既不受周围电磁环境的影响也不对周围造成电磁骚扰。
开关电源中的功率开关管在高频下的通、断过程产生大幅度的电压和电流跳变，因而产生强大的电磁骚扰，但骚扰的频率范围（<30MHz）是比较低的。
多数小功率开关电源的几何尺寸远小于30MHz电磁场对应的波长（空气介质中约为10m），开关电源系统研究的电磁骚扰现象属于似稳场的范围，研究它们的电磁骚扰问题时，主要考虑的是传导骚扰。
开关电源中的电磁骚扰源主要有开关器件、二极管和非线性无源元件；在开关电源中，印制板布线不当也是引起电磁骚扰的一个主要因素
开关电路产生的电磁骚扰
对开关电源来说，开关电路产生的电磁骚扰是开关电源的主要骚扰源之一。
开关电路是开关电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。
它产生的dv/dt是具有较大辐度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。
这种脉冲骚扰产生的主要原因是
1）开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。
在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压；在开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。
这种电源电压中断会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这个噪声会传导到输入输出端，形成传导骚扰，重者有可能击穿开关管。
2）脉冲变压器初级线圈，开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射骚扰。
如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导骚扰。
二极管整流电路产生的电磁骚扰
主电路中整流二极管产生的反向恢复电流的|di/dt|远比续流二极管反向恢复电流的|di/dt|小得多。
作为电磁骚扰源来研究，整流二极管反向恢复电流形成的骚扰强度大，频带宽。
整流二极管产生的电压跳变远小于电源中的功率开关管导通和关断时产生的电压跳变。
因此，不计整流二极管产生的|dv/dt|和|di/dt|的影响，而把整流电路当成电磁骚扰耦合通道的一部分来研究也是可以的。
2.1.3 dv/dt与负载大小的关系
功率开关管开通和关断时产生的dv/dt是开关电源的主要骚扰源。
经理论分析及实验表明，负载加大，关断产生的|dv/dt|值加大，而负载变化对开通的|dv/dt|影响不大。
由于开通和关断时产生的|dv/dt|不同，从而对外部产生的骚扰脉冲也是不同的。
开关电源电磁噪声的耦合通道
描述开关电源和系统传导骚扰的耦合通道有两种方法：
1）将耦合通道分为共模通道和差模通道；
2）采用系统函数来描述骚扰和受扰体之间的耦合通道的特性。
本文采用第一种方法进行论述。
2.2.1 共模和差模骚扰通道
开关电源在由电网供电时，它将从电网取得的电能变换成另一种特性的电能供给负载。
同时开关电源又是一噪声源，通过耦合通道对电网、开关电源本身和其它设备产生骚扰，通常多采用共模和差模骚扰加以分析。
“共模骚扰”是指骚扰大小和方向一致，其存在于电源任何一相对大地、或中线对大地间。
共模骚扰也称为纵模骚扰、不对称骚扰或接地骚扰。
是载流体与大地之间的骚扰。
“差模骚扰”是指大小相等，方向相反，其存在于电源相线与中线及相线与相线之间。
差模骚扰也称为常模骚扰、横模骚扰或对称骚扰。
是载流体之间的骚扰。
共模骚扰说明骚扰是由辐射或串扰耦合到电路中的，而差模骚扰则说明骚扰源于同一条电源电路的。
通常这两种骚扰是同时存在的，由于线路阻抗的不平衡，两种骚扰在传输中还会相互转化，情况十分复杂。
共模骚扰主要是由|dv/dt|产生的，|di/dt|也产生一定的共模骚扰。
但是，在低压大电流的开关电源中，共模骚扰主要是由|dv/dt|产生的还是由|di/dt|产生的，需要进一步研究。
在频率不是很高的情况下，开关电源的骚扰源、耦合通道和受扰体实质上构成一多输入多输出的电网络，而将其分解为共模和差模骚扰来研究是对上述复杂网络的一种处理方法，这种处理方法在某种场合还比较合适。
但是，将耦合通道分为共模和差模通道具有一定的局限性，虽然能测量出共模分量和差模分量，但共模分量和差模分量是由哪些元器件产生的，的确不易确定。
因此有人用系统函数的方法来描述开关电源骚扰的耦合通道，即研究耦合通道的系统函数与各元器件的关系，建立耦合通道的电路模型。
许多系统分析的结果，如灵敏度的分析、模态的分析等，都可用来研究开关电源的EMD的调试和预测。
但是，用系统函数的方法分析骚扰的耦合通道，还需要做很多工作。
2.2.2 杂散参数影响耦合通道的特性
在传导骚扰频段（小于30MHz）范围内，多数开关电源骚扰的耦合通道是可以用电路网络来描述的。
但是，在开关电源中的任何一个实际元器件，如电阻器、电容器、电感器乃至开关管、二极管都包含有杂散参数，且研究的频带愈宽，等值电路的阶次愈高，因此，包括各元器件杂散参数和元器件间的耦合在内的开关电源的等效电路将复杂得多。
在高频时，杂散参数对耦合通道的特性影响很大，分布电容的存在成为电磁骚扰的通道。
另外，在开关管功率较大时，集电极一般都需加上散热片，散热片与开关管之间的分布电容在高频时不能忽略，它能形成面向空间的辐射骚扰和电源线传导的共模骚扰。
3 电磁骚扰的抑制
对开关电源的EMD的抑制措施，主要是
1）减小骚扰源的骚扰强度；
2）切断骚扰传播途径。
为了达到这个目的，主要从选择合适的开关电源电路拓扑；采用正确的接地、屏蔽、滤波措施；设计合理的元器件布局及印制板布线等几个方面考虑。
3.1 减小开关电源本身的骚扰
减小开关电源本身的骚扰是抑制开关电源骚扰的根本，是使开关电源电磁骚扰低于规定极限值的有效方法。
1）减小功率管通、断过程中产生的骚扰
上面分析表明，开关电源的主要骚扰是来自功率开关管通、断的dv/dt。
因此减小功率开关管通、断的dv/dt是减小开关电源骚扰的重要方面。
人们通常认为软开关技术可以减小开关管通、断的dv/dt。
但是，目前的一些研究结果表明软开关并不像人们预料的那样，可以明显地减小开关电源的骚扰。
没有实验结果表明，软开关变换器在EMC性能方面明显地优于硬开关变换器。
有文献系统地研究了PWM反激式变换器、准谐振零电流变频开关正激变换器、多谐振零电压变频开关反激式变换器、多揩振零电压变频开关正激变换器、电压箝位多谐振零电压定频开关反激式变换器以及半桥式零电压变频串联谐振变换器的EMD特性，讨论了缓冲电路、箝位电路、变频与定频控制对骚扰水平的影响。
实验结果表明，具有电压箝位的零电压定频开关变换器的EMD电平最低。
因此，采用软开关电源技术，结合合理的元器件布置及合理的印制电路板布线，对开关电源的EMD水平有一定的改善。
2）开关频率调制技术
将频率不变的调制改变为随机调制，变频调制等。
频率固定不变的调制脉冲产生的骚扰在低频段主要是调制频率的谐波骚扰，低频段的骚扰主要集中在各谐波点上。
由F.Lin提出的开关频率调制方法[3]，其基本思想是通过调制开关频率fc的方法，把集中在开关频率fc及其谐波2fc，3fc……上的能量分散到它们周围的频带上，由此降低各个频点上的EMD幅值，以达到低于EMD标准规定的限值。
这种开关调频PWM的方法虽然不能降低总的骚扰能量，但它把能量分散到频点的基带上，以达到各个频点都不超过EMD规定的限值。
3.2 接地
“接地”有设备内部的信号接地和设备接大地，两者概念不同，目的也不同。
“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点或平面”。
3.2.1 设备的信号接地
设备的信号接地，可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点，它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。
在这里介绍浮地和混合接地，另外，还有单点接地和多点接地。
1）浮地
采用浮地的目的是将电路或设备与公共接地系统，或可能引起环流的公共导线隔离开来。
浮地还可以使不同电位间的电路配合变得容易。
实现电路或设备浮地的方法有变压器隔离和光电隔离。
浮地的最大优点是抗骚扰性能好。
浮地的缺点是由于设备不与公共地相连，容易在两者间造成静电积累，当电荷积累到一定程度后，在设备地与公共地之间的电位差可能引起剧烈的静电放电，而成为破环性很强的骚扰源。
一个折衷方案是在浮地与公共地之间跨接一个阻值很大的泄放电阻，用以释放所积累的电荷。
注意控制释放电阻的阻抗，太低的电阻会影响设备泄漏电流的合格性。
2）混合接地
混合接地使接地系统在低频和高频时呈现不同的特性，这在宽带敏感电路中是必要的。
电容对低频和直流有较高的阻抗，因此能够避免两模块之间的地环路形成。
当将直流地和射频地分开时，将每个子系统的直流地通过10～100nF的电容器接到射频地上，这两种地应在一点有低阻抗连接起来，连接点应选在最高翻转速度（di/dt）信号存在的点。
3.2.2 设备接大地
在工程实践中，除认真考虑设备内部的信号接地外，通常还将设备的信号地，机壳与大地连在一起，以大地作为设备的接地参考点。
设备接大地的目的是
1）保证设备操作人员人身的安全。
2）泄放机箱上所积累的电荷，避免电荷积累使机箱电位升高，造成电路工作的不稳定。
3）避免设备在外界电磁环境的作用下使设备对大地的电位发生变化，造成设备工作的不稳定。
由此可见，设备接大地除了是对人员安全、设备安全的考虑外，也是抑制骚扰发生的重要手段。
3.3 屏蔽
抑制开关电源产生的骚扰辐射的有效方法是屏蔽，即用电导率良好的材料对电场屏蔽，用磁导率高的材料对磁场屏蔽。
为了防止脉冲变压器的磁场泄露，可利用闭合环形成磁屏蔽，另外，还要对整个开关电源进行电场屏蔽。
屏蔽应考虑散热和通风问题，屏蔽外壳上的通风孔最好为圆形多孔，在满足通风的条件下，孔的数量可以多，每个孔的尺寸要尽可能小。
接缝处要焊接，以保证电磁的连续性，如果采用螺钉固定，注意螺钉间距要短。
屏蔽外壳的引入、引出线处要采取滤波措施，否则，这些会成为骚扰发射天线，严重降低屏蔽外壳的屏蔽效果。
若用电场屏蔽，屏蔽外壳一定要接地，否则，将起不到屏蔽效果；若用磁场屏蔽，屏蔽外壳则不需接地。
对非嵌入的外置式开关电源的外壳一定要进行电场屏蔽，否则，很难通过辐射骚扰测试。
滤波
电源滤波器安装在电源线与电子设备之间，用于抑制电源线引出的传导骚扰，又可以降低从电网引入的传导骚扰。
对提高设备的可靠性有重要的作用。
开关电源产生的电磁骚扰以传导骚扰为主，而传导骚扰又分差模骚扰和共模干扰两种。
通常共模骚扰要比差模骚扰产生更大的辐射型EMD。
目前抑制传导EMD最有效的方法是利用无源滤波技术。
作为一种双端口网络EMD滤波器，它对骚扰的抑制性能不仅取决于滤波器本身的拓扑，而且在很大程度上也受EMD滤波器输入、输出阻抗值的影响。
由于EMD滤波器阻抗和负载阻抗的可变动性以及它们可能直接与电网相连的特点，电源EMD滤波器的输入、输出阻抗不但不匹配而且常常是末知的。
这就造成了EMD滤波器设计不能完全应用成熟的通信用滤波器的设计方法和理论。
这是电源波波器设计面临的主要问题。
元器件布局及印制电路板布线
开关电源的辐射骚扰与电流通路中的电流大小，通路的环路面积，以及电流频率的平方等三者的乘积成正比，即辐射骚扰E∝I·A·f2。
运用这一关系的前提是通路尺寸远小于频率的波长。
上述关系式表明减小通路面积是减小辐射骚扰的关键，这是说开关电源的元器件要彼此紧密排列。
在初级电路中，要求输入端电容、晶体管和变压器彼此靠近，且布线紧凑；在次级电路中，要求二极管、变压器和输出端电容彼此贴近。
在印制板上，将正负载流导线分别布在印制板的两面，并设法使两个载流导体彼此间保持平行，因为平行紧靠的正负载流导体
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