试论开关电源技术的发展

文章编号:100923664(2008)0420075203技术交流

试论开关电源技术的发展

雷媛媛1,吴胜益2

(1.江西工业职业技术学院,江西南昌330008;2.江西公安专科学校,江西南昌330103)

摘要:介绍了开关电源的工作原理和分类,对目前出现的几种典型的开关电源技术作了归纳总结和分析比较,在此基础上论述了开关电源的发展状况和趋势。

关键词:开关电源;功率因数;电流型;电压型中图分类号:TN86

文献标识码:A

BriefDisussiontheDevelopmentofSwitchingModePowerSupplyTechnologyLEIYuan2yuan,WUSheng2yi1

2

(1.JiangxiIndustrialTechnicalCollege,Nanchang330008,China;2.JiangxiPublicSecurityCollege,Nanchang330103,China)

Abstract:Thispaperintroducestheprincipleofoperationandclassificationofswitchingmodepowersupply,andsummarizesandcomparesseveralrepresentativetechnologiesofswitchingmodepowersupplywhichispopularatpresent.Itpointsoutthede2velopmentandtrendofswitchingmodepowersupply.

Keywords:switchingmodepowersupply;powerfactor;currentmode;voltagemode

1　开关电源概述

现实生活中常用的电源,可以分为发出电能的电

源和变换电能的电源两大类。自然界并没有可以直接利用的电源,人类所使用的电源都是通过机械能、热能、化学能等转化而来的。这种把其他能源通过转换而得到的电源称为发出电能的电源,像发电机、电池等。在很多情况下,发出电能的电源并不符合使用的要求,需进行再一次变换,这种变换是把一种形态的电能转换成另一种形态的电能,像变压器、变频器等。我们把输入和输出都是电能的电源称之为变换电能的电[1]

源。开关电源就是属于变换电能的电源,此种电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源。

开关电源的典型结构如图1所示,其工作原理是:市电进入电源首先经整流和滤波转为高压直流电,然后通过开关电路和高频开关变压器转为高频率低压脉冲,再经过整流和滤波电路,最终输出低电压的直流电源。同时在输出部分有一个电路反馈给控制电路,通过控制PWM占空比以达到输出电压稳定。

图1　开关电源的典型结构

2　开关电源的发展

开关电源的前身是线性稳压电源。在我们生活

中,大多数电子装置、电气控制设备的工作电源是直流电源。在开关电源出现之前,这些装置的工作电源都采用线性稳压电源。随着计算机等电子装置的集成度

收稿日期:2008204204

作者简介:雷媛媛(19792),江西进贤人,大学本科,助教,研究方向:电力电子技术应用。

不断增加,功率越来越大,体积却越来越小。因此,迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源来取代体积庞大的线性稳压电源,这就成了开关电源技术发展的动力。

新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。20世纪60年代末,高耐压、大电流的双极型电力晶体管(亦称巨型晶体管、BJT、GTR)的出现,使得采用高工作频率的开关电源得以问世。

开关频率的提高有利于开关电源的体积减小、重量减轻。早期的开关电源的频率仅为几千赫兹,随着电力电子器件及磁性材料性能的不断改进,开关频率渐渐地提高。但当频率达到10kHz左右时,变压器、电感等磁性元件发出很刺耳的噪声。为了降低噪声,并进一步减小体积,在20世纪70年代,开关频率终于突破了人耳听觉极限的20kHz,随着电力MOSFET的应用,开关电源和开关频率进一步提高,使得电源体积更小,重量更轻,功率密度进一步提高。IGBT可以看成是MOSFET和GTR复合而成的器件。IGBT的出现,使得开关电源的容量不断增大,在许多中等容量范围内,迅速取代了晶闸管相控电源。并且,IGBT的开

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　2008年7月25日第25卷第4期TelecomPowerTechnologyJul.25,2008,Vol.25No.4

[4]

关速度也很高,通态压降低。另外,开关频率的提高也

使得电源的电磁干扰问题变得突出起来。为了解决这些问题,20世纪80年代,出现了采用准谐振技术的零电压开关电路和零电流开关电路,也就是我们所说的软开关技术。这种电路利用以谐振为主的辅助换流手段,使开关开通或关断前的电压、电流分别为零,解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题,使开关频率可以大幅度提高,从而,使开关电源进一步向体积小、重量轻、效率高、功率密度大的方向发展。

MOSFET,转换效率可达到95%3.2　AC/DC变换

。

AC/DC变换是将交流变换为直流,其功率流向可

以是双向的。功率流由电流源流向负载的称为“无源逆变”,功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电,所以,整流

滤波时需要体积较大的滤波电容器。另外,整流器电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合。因此,虽然输入交流电压Ui为正弦波,但输入交流电流ii波形却严重畸变,呈脉冲状,如图2所示

[2]

3　开关电源的分类

开关电源技术就是随着电力电子器件、开关频率技术发展而发展的,两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻小、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源按其拓扑结构可分为AC/DC和DC/DC两大类。DC/DC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,已得到广大用户的认可;但AC/DC变换器因其自身特性,使得在模块化的进程中遇到较复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源作简要地介绍。3.1　DC/DC变换

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的

。交流输入

侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件,这样就限制AC/DC电源体积的小型化;同时,由于内部的高频、高压、大电流开关动作,使得解决EMC电磁兼容问题难度加大,也就对内部高密度电路设计提出了很高的要求,从而也限制了AC/DC变换的模块化。

直流电压,也称直流斩波。其工作方式有两种,一是脉宽调制(PWM)方式;二是频率调制(PFM)方式。具体电路有以下四类。

(1)BUCK电路———降压电路。其输出平均电压

Uo小于输入电压Ui,极性相同。

图2　输入电压电流波形图

4　电流型PWM开关电源

目前,开关电源普遍采用电压型脉宽调制(PWM)技术,即将输出电压反馈后用于控制功率开关脉宽的大小,如图3示。电流型PWM是近年兴起的新技术,它除保留了电压控制的输出电压反馈控制部分外,又增加了一个电流反馈环节,是一个电压、电流双闭环控制系统。与电压型PWM比较,电流型PWM开关电源具有更好的电压调整率和负载调整率,而且,系统的稳定性和动态特性会有明显改善,特别是其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路简单可靠,电流型控制应是未来开关电源较为理想的工作方式。

(2)BOOST———升压电路,其输出平均电压Uo大

于输入电压Ui,极性相同。

(3)BUCK—BOOST电路———升降压电路,其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui,极性相反,电感传输。

(4)CUK电路———升降压电路,其输出平均电压

Uo大于或小于输入电压Ui,极性相反,电容传输。

今天,软开关技术使得DC/DC变换有了质的飞跃,解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题,使开关频率可以大幅度提高。日本Nemiclambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为200～300kHz,采用同步整流器,使整个电路效率提高到90%;美国Vicor公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率

300W、600W、800W等,效率为90%以上

[3]

。最新

图3　电压控制型原理图

的科技成果应该是INTERSIL公司推出的PWM对称全桥的ZVS控制IC2ISL6752。它既能控制初级侧的四个MOS开关为ZVS工作状态,又能准确地给出控制二次侧的同步整流为ZVS工作状态的驱动信号。采用这种IC制作的400W的DC/DC再加上先进的功率・76・

　　电流型控制正是针对电压型控制的一些缺点而发展起来的,从图4可以看到,它除保留了电压型控制的输出电压反馈外,还增加了一个电流反馈环节。所谓电流型控制,就是在脉宽比较器的输入端将电流采样

2008年7月25日第25卷第4期雷媛媛等:　试论开关电源技术的发展

TelecomPowerTechnology

Jul.25,2008,Vol.25No.4

高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各

种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源。市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100

[5]

kHz、用MOSFET制成的500kHz电源,虽已实用化,但其频率有待进一步提高。开关电源作为电子设备中不可或缺的组成部分也在不断地改进,其高效率、高可

图4　电流控制型原理

靠、低损耗、低噪声、抗干扰和模块化,是开关电源行业的发展方向。参考文献:

[1]　杨　旭,裴云庆,王兆安.开关电源技术[M].北京:机械

信号与误差放大器的输出信号进行比较,以此来控制

输出脉冲的占空比,使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化。电流型控制的工作原理是采用恒频时钟脉冲置位锁存器,输出脉冲驱动功率管导通,电源回路中的电流脉冲就逐渐增大。当电流在采样电阻上的幅度达到Uc时,脉宽比较器的状态翻转,锁存器复位,驱动脉冲撤除,功率管从导通转为截止。这样,逐个检测和调节电流脉冲,就可达到控制电源输出的目的。

工业出版社,2004.

[2]　张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子

工业出版社,1999.[3]　周志敏.开关电源的分类及应用[J].电子质量,2001,

(11),36。

[4]　开关电源技术发展趋势[EB/OL].电子原件网,2007.11.

15.

5　开关电源的展望随着电子产品轻、薄、小的发展趋势,要求电子元

件体积更小,耗能更低。目前开关电源以小型、轻量和

[5]　开关电源的原理和发展趋势[EB/OL].www.xuedao.net,

2007.12.25.

(上接第74页)

以节约4台高压出线柜,市电引入费用也以节约较多费用。

从维护上分析,主备用配置采用三锁两钥匙的方式实现低压联络,维护人员一旦操作失误,将产生严重的后果,而且三锁两钥匙采用机械与电气互锁,无法实现远程自动化控制。模块化N+1配置ATS切换的方式实现低压联络,维护人员即使操作失误,也不会产生严重的后果,目前ATS均有智能化功能,可以实现远程自动化控制。从维护方面对比,模块化N+1配置比主备用配置具有极大的优势。

从机房占地面积分析,模块化N+1模式配置6台变压器及相应的低压配电系统,主备用模式配置10台变压器及相应的低压配电系统,模块化N+1配置比主备用配置节约40%的低压配电室面积。三种配置模式下的综合性能对比如表2。

从表2可以看出,模块化配置模式各项综合性能优胜于主备用模式和单路由模式,单路由模式由于供电可靠性较低,这种配电模式已不能适应当今通信领域中的使用需求,不建议在通信机房中使用。模式化模式由于供电安全的高靠性、智能化程度高,并具有投资成本低、节能效果好、系统维护操作简单、安全性高

表2　三种配置模式下的综合性能对比表

配置模式

供电可靠性系统扩展性投资成本设备利用率节能效果面积占用率维护操作性智能化程度操作安全性

主备用模式

高中高低低高复杂低低

模块化模式

高高中高高较低简单、安全

高高

单路由模式

低中低高高低简单中高

的多项优点,同时满足全业务背景下通信局房用电容量快速增长的需求,系统可扩展性较强的特点,建议在今后局房高低压配电建设中推广使用。

4　小　结

在全业务背景下,随着新建大楼的建设,以及较多局房动力供电能力不足的现状,正面临大规模的局房配电建设及优化建设工程。如何选择一种较为安全、节能、节省投资且能智能化控制的高低压配电系统配置模式,显得尤为重要。相信模块化电源配置模式将把通信局房电源设计与建设推上一个新的台阶。

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