高頻開關電源的應用與發展

1高頻電源系統方框圖

　　高頻開關整流器一般是先將交流電直接經二極管整流、濾波成直流電，再經過開關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經濟指標

　　理論分析和實踐經驗表明，電器產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，用電設備的體積重量大體上降至工頻設計的（5～10）％。這正是開關電源實現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式整流器，都是基于這一原理。

　　那么，以同樣的原理對傳統的電鍍、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，使之更新換代為“開關變換類電源”，其主要材料可以節約90％或更高，還可節電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高頻設備固態化，既可帶來顯著節能、節材的經濟效益，更可體現技術含量的價值。

3設計模塊化——自由組合擴容互為備用

提高安全系數

　　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力（表現為過電壓、過電流毛刺）。為了提高系統的可靠性，而把相關的部分做成模塊。

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

　　多個獨立的模塊單元并聯工作，采用均流技術，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來說功率很小的冗余電源模塊，便極大地提高了系統可靠性，即使萬一出現單模塊故障，也不會影響系統的正常工作，而且為修復提供了充分的時間。

4高頻開關電源產品規格

　　(見表1、表2)

表1功率500W～3000W

表2功率5000W～20000W

　　以上產品重量僅為傳統產品重量的1/5～1/8。

5國內外IGBT逆變焊機的發展情況

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

　　根據有關統計，近年來我國每年的焊機銷量以大約40％的速度遞增，同時有關部門已決定淘汰老式焊機，IGBT逆變焊機以其優點，成為用戶更新換代的首選產品。

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二極管整流、濾波成為直流焊接電源。

5．3IGBT焊機主要優點：

　　·動態特性好，焊接質量高

　　·體積小，重量輕

　　·噪音低

　　·效率高，節能

　　近幾年來，我國也有許多廠家從事IGBT焊機的開發和生產。國產焊機與進口產品相比有價格較低的優勢。但由于多方面的原因，目前國產的IGBT逆變焊機，在設計技術、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品在廣大用戶心目中建立可靠的產品形象。可以這樣說，“誰能有突破，掌握高品質的產品，解決了國產IGBT焊機的可靠性問題，誰就可以占領這個市場”。

6電力智能高頻開關整流器

　　目前我國各地的發電廠、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，控制應急燈照明等各類低壓設備用電），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指標、維護保養難的狀況。由于受變壓器或晶閘管自身參數的限制，上述電源存在很多不足之處，諸如：初充電流、浮充電流不穩，系統紋波電壓過高，控制特性不佳，不便于同計算機系統配接實現監控等。同時，目前充電設備與蓄電池并聯運行，當電源紋波系數較大，浮充電壓波動或偏低時，會出現蓄電池脈動充電、放電現象，造成蓄電池組或單體的過早損壞。除了很多技術指標方面的缺陷外，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，應該說已遠遠不能滿足飛速發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、動態響應快、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的迅猛發展以及功率器件制造技術的提高，更使高頻開關電源的可靠性及適用面大大優于相控電源和磁飽和式電源，所以90年代以后，美國、德國等西方發達國家新建電廠和變電站的相關設備已全部采用高頻開關電源，并完成了對舊有電源設備的改造。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參數

表5高頻開關電源直流系統與常規電源直流系統的比較

電力高頻開關整流領域又添新力軍——深圳新能力科技有限公司

國家電力事業經過幾十年的發展，取得了舉世矚目的成就。其中直流操作電源也經歷了從磁飽和電源至晶閘管電源，到目前的高頻開關電源，在發展過程中每一次的進步都是電力應用領域的一次革命。

高頻開關整流技術是國家頒布優先發展的高科技項目。新能力科技公司始終走在高頻開關技術前沿，與國情相結合，開發高頻開關整流系列產品，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。

新能力公司提供的不僅僅是性能可靠和品種、規格豐富的產品，而且其中蘊含著卓越的服務理念，并以實現民族產業為已任，成為電力高頻開關整流領域的新力軍，體現了中國人的新能力！

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定可調的直流電輸出。脈寬調制電路（PWM）及軟開關諧振電路根據電網和負載的變化，自動調節高頻開關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定。

7開關電源的發展趨勢

　　在功率電子技術的應用及基本電源系統中，開關電源技術均處于核心地位。傳統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。如果采用高頻開關電源技術，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，更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率，從而達到近乎理想的負載匹配和驅動控制。

　　現在，開關電源技術方興未艾，而近年來又被大的市場需求所推動，必將帶來開關電源技術的大發展。這幾年，隨著通信行業的發展，以開關電源技術為核心的通信電源，國內將有較大的市場需求。開關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值需求的電力操作電源系統的國內市場正在起動，并將很快發展起來。還有其他許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源，也將得到迅速發展。