高頻開關(guān)電源的應(yīng)用與發(fā)展

1高頻電源系統(tǒng)方框圖

　　高頻開關(guān)整流器一般是先將交流電直接經(jīng)二極管整流、濾波成直流電，再經(jīng)過開關(guān)電源變換成高頻交流電，通過高頻變壓器變壓隔離后，由快速恢復(fù)二極管高頻整流、電感電容濾波后輸出，見圖1。

圖1

2采用高頻化有較高技術(shù)經(jīng)濟指標

　　理論分析和實踐經(jīng)驗表明，電器產(chǎn)品的體積重量與其供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz時，用電設(shè)備的體積重量大體上降至工頻設(shè)計的（5～10）％。這正是開關(guān)電源實現(xiàn)變頻帶來明顯效益的基本原因。逆變或整流焊機、通訊電源用浮充電源的開關(guān)式整流器，都是基于這一原理。

　　那么，以同樣的原理對傳統(tǒng)的電鍍、電解、電加工、浮充、電力合閘等各種直流電源加以類似的改造，使之更新?lián)Q代為“開關(guān)變換類電源”，其主要材料可以節(jié)約90％或更高，還可節(jié)電30％或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化，既可帶來顯著節(jié)能、節(jié)材的經(jīng)濟效益，更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。

3設(shè)計模塊化——自由組合擴容互為備用

提高安全系數(shù)

　　模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。實際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的應(yīng)力（表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺）。為了提高系統(tǒng)的可靠性，而把相關(guān)的部分做成模塊。

　　把開關(guān)器件的驅(qū)動、保護電路也裝到功率模塊中去，構(gòu)成了“智能化”功率模塊（IPM），這既縮小了整機的體積，又方便了整機設(shè)計和制造。

　　多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術(shù)，所有模塊共同分擔負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔負載電流。這樣，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，便極大地提高了系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復(fù)提供了充分的時間。

4高頻開關(guān)電源產(chǎn)品規(guī)格

　　(見表1、表2)

表1功率500W～3000W

表2功率5000W～20000W

　　以上產(chǎn)品重量僅為傳統(tǒng)產(chǎn)品重量的1/5～1/8。

5國內(nèi)外IGBT逆變焊機的發(fā)展情況

　　IGBT逆變焊機具有動態(tài)特性好、體積小、重量輕、高效節(jié)能、節(jié)材、有利于焊接自動化等優(yōu)點。從70年代起，就受到國內(nèi)外焊機界的高度重視。當今，許多工業(yè)國家，如美國、西歐等把“絕緣柵雙極型晶體管”（IGBT）運用到焊機上，其各項指標均優(yōu)于其他類型焊機，已形成規(guī)模，并占領(lǐng)了市場，成為焊機的發(fā)展方向。目前，我國進口的焊機，大多是這種焊機。

　　根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，近年來我國每年的焊機銷量以大約40％的速度遞增，同時有關(guān)部門已決定淘汰老式焊機，IGBT逆變焊機以其優(yōu)點，成為用戶更新?lián)Q代的首選產(chǎn)品。

5．1原理框圖

　　見圖2

圖2

5．2原理說明

　　380（220）V交流電，經(jīng)全橋整流成直流電源；通過IGBT逆變器，形成20kHz的高頻矩形波；再由高頻變壓器降壓到幾十伏通過快速恢復(fù)二極管整流、濾波成為直流焊接電源。

5．3IGBT焊機主要優(yōu)點：

　　·動態(tài)特性好，焊接質(zhì)量高

　　·體積小，重量輕

　　·噪音低

　　·效率高，節(jié)能

　　近幾年來，我國也有許多廠家從事IGBT焊機的開發(fā)和生產(chǎn)。國產(chǎn)焊機與進口產(chǎn)品相比有價格較低的優(yōu)勢。但由于多方面的原因，目前國產(chǎn)的IGBT逆變焊機，在設(shè)計技術(shù)、制造工藝、元器件可靠性等方面都有不同程度的問題，使得故障率較高。到目前為止，還沒有一個廠家的產(chǎn)品在廣大用戶心目中建立可靠的產(chǎn)品形象?？梢赃@樣說，“誰能有突破，掌握高品質(zhì)的產(chǎn)品，解決了國產(chǎn)IGBT焊機的可靠性問題，誰就可以占領(lǐng)這個市場”。

6電力智能高頻開關(guān)整流器

　　目前我國各地的發(fā)電廠、水電站及500kV、220kV、110kV、35kV等各類變電站所使用的直流電源設(shè)備（包括供給斷路器分合閘用，后備電池充電以及二次回路的儀器儀表，繼電保護，控制應(yīng)急燈照明等各類低壓設(shè)備用電），大部分采用的是相控電源或磁飽和式電源，由于受工藝水平和器件特性的限制，上述電源長期以來處于低技術(shù)指標、維護保養(yǎng)難的狀況。由于受變壓器或晶閘管自身參數(shù)的限制，上述電源存在很多不足之處，諸如：初充電流、浮充電流不穩(wěn)，系統(tǒng)紋波電壓過高，控制特性不佳，不便于同計算機系統(tǒng)配接實現(xiàn)監(jiān)控等。同時，目前充電設(shè)備與蓄電池并聯(lián)運行，當電源紋波系數(shù)較大，浮充電壓波動或偏低時，會出現(xiàn)蓄電池脈動充電、放電現(xiàn)象，造成蓄電池組或單體的過早損壞。除了很多技術(shù)指標方面的缺陷外，上述電源還存在體積龐大，效率不高，1＋1冗余投資大等不足之處，應(yīng)該說已遠遠不能滿足飛速發(fā)展的電力工程的需要，而以體積小、重量輕、效率高、輸出紋波低、動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、模塊可疊加輸出、N＋1冗余等為特點的高頻開關(guān)電源逐步取代相控電源或磁飽和式電源已是大勢所趨，特別是近十年來電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及功率器件制造技術(shù)的提高，更使高頻開關(guān)電源的可靠性及適用面大大優(yōu)于相控電源和磁飽和式電源，所以90年代以后，美國、德國等西方發(fā)達國家新建電廠和變電站的相關(guān)設(shè)備已全部采用高頻開關(guān)電源，并完成了對舊有電源設(shè)備的改造。模塊采用三相三線制380V平衡輸入，無

表4高頻電力模塊特點及技術(shù)參數(shù)

表5高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)與常規(guī)電源直流系統(tǒng)的比較

電力高頻開關(guān)整流領(lǐng)域又添新力軍——深圳新能力科技有限公司

國家電力事業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了舉世矚目的成就。其中直流操作電源也經(jīng)歷了從磁飽和電源至晶閘管電源，到目前的高頻開關(guān)電源，在發(fā)展過程中每一次的進步都是電力應(yīng)用領(lǐng)域的一次革命。

高頻開關(guān)整流技術(shù)是國家頒布優(yōu)先發(fā)展的高科技項目。新能力科技公司始終走在高頻開關(guān)技術(shù)前沿，與國情相結(jié)合，開發(fā)高頻開關(guān)整流系列產(chǎn)品，最大限度地滿足市場的需要，被列為國家科技部重點扶持企業(yè)。

新能力公司提供的不僅僅是性能可靠和品種、規(guī)格豐富的產(chǎn)品，而且其中蘊含著卓越的服務(wù)理念，并以實現(xiàn)民族產(chǎn)業(yè)為已任，成為電力高頻開關(guān)整流領(lǐng)域的新力軍，體現(xiàn)了中國人的新能力！

中線電流損耗，在交流輸入端，采用先進的尖峰抑制器件及EMI濾波電路，由全橋整流電路將三相交流電整流為直流，再由DC/DC高頻變換電路（300kHz）把所得的直流電逆變成穩(wěn)定可調(diào)的直流電輸出。脈寬調(diào)制電路（PWM）及軟開關(guān)諧振電路根據(jù)電網(wǎng)和負載的變化，自動調(diào)節(jié)高頻開關(guān)的脈沖寬度和移相角，使輸出電壓電流在任何允許的情況下都能保持穩(wěn)定。

7開關(guān)電源的發(fā)展趨勢

　　在功率電子技術(shù)的應(yīng)用及基本電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。傳統(tǒng)的相控型電源非常龐大而笨重，例如逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源。如果采用高頻開關(guān)電源技術(shù)，其體積和重量都會大幅度下降，而且可較大地提高電能利用率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和交流傳動中，更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率，從而達到近乎理想的負載匹配和驅(qū)動控制。

　　現(xiàn)在，開關(guān)電源技術(shù)方興未艾，而近年來又被大的市場需求所推動，必將帶來開關(guān)電源技術(shù)的大發(fā)展。這幾年，隨著通信行業(yè)的發(fā)展，以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信電源，國內(nèi)將有較大的市場需求。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨，因此同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在起動，并將很快發(fā)展起來。還有其他許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源，也將得到迅速發(fā)展。