高頻開關(guān)電源的應(yīng)用與發(fā)展
加入技術(shù)交流群
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(jì)指標(biāo)
理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz時(shí)，用電設(shè)備的體積重量大體上降至工頻設(shè)計(jì)的（5～10）％。這正是開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)變頻帶來明顯效益的基本原因。逆變或整流焊機(jī)、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(duì)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(jì)效益，更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)值。
3設(shè)計(jì)模塊化——自由組合擴(kuò)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(shí)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(yán)重，對(duì)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(dòng)、保護(hù)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(jī)的體積，又方便了整機(jī)設(shè)計(jì)和制造。
多個(gè)獨(dú)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(dān)負(fù)載電流，一旦其中某個(gè)模塊失效，其它模塊再平均分擔(dān)負(fù)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(duì)整個(gè)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(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復(fù)提供了充分的時(shí)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
| 型號(hào) | SZ－500 | SZ－1000 | SZ－2000 | SZ－3000 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 輸出 | 電壓 | 5～100V | 10～100V | 25～100V | 24～36V |
| 電流 | 5～100A | 10～100A | 8～80A | 85～125A | |
| 穩(wěn)定度（％） | 1 | 1 | 1 | 1 | |
| 輸入電壓（V） | AC220 | AC220 | AC220 | AC220 | |
| 模塊重量（kg） | 1.5 | 2 | 4.5 | 8 | |
表2功率5000W～20000W
| 型號(hào) | SZ－5000 | SZ－10000 | SZ－20000 | |
|---|---|---|---|---|
| 輸出 | 電壓 | 24～36V | 24～48V | 24～48V |
| 電流 | 140～210A | 208～360A | 420～850A | |
| 穩(wěn)定度（％） | 1 | 1 | 1 | |
| 輸入電壓（V） | AC380 | AC380 | AC380 | |
| 模塊重量（kg） | 14 | 20 | 40 | |
以上產(chǎn)品重量?jī)H為傳統(tǒng)產(chǎn)品重量的1/5～1/8。
5國(guó)內(nèi)外IGBT逆變焊機(jī)的發(fā)展情況
IGBT逆變焊機(jī)具有動(dòng)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(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。從70年代起，就受到國(guó)內(nèi)外焊機(jī)界的高度重視。當(dāng)今，許多工業(yè)國(guó)家，如美國(guó)、西歐等把“絕緣柵雙極型晶體管”（IGBT）運(yùn)用到焊機(jī)上，其各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于其他類型焊機(jī)，已形成規(guī)模，并占領(lǐng)了市場(chǎng)，成為焊機(jī)的發(fā)展方向。目前，我國(guó)進(jìn)口的焊機(jī)，大多是這種焊機(jī)。
根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，近年來我國(guó)每年的焊機(jī)銷量以大約40％的速度遞增，同時(shí)有關(guān)部門已決定淘汰老式焊機(jī)，IGBT逆變焊機(jī)以其優(yōu)點(diǎn)，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(jī)主要優(yōu)點(diǎn)：
·動(dòng)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(guó)也有許多廠家從事IGBT焊機(jī)的開發(fā)和生產(chǎn)。國(guó)產(chǎn)焊機(jī)與進(jìn)口產(chǎn)品相比有價(jià)格較低的優(yōu)勢(shì)。但由于多方面的原因，目前國(guó)產(chǎn)的IGBT逆變焊機(jī)，在設(shè)計(jì)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(gè)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(guó)產(chǎn)IGBT焊機(jī)的可靠性問題，誰就可以占領(lǐng)這個(gè)市場(chǎng)”。
| ZX7－400逆變弧焊整流器 | AT7－400直流弧焊發(fā)電機(jī) | ZXG1－40硅整流弧焊機(jī) | ZXG－400磁放大器整流器 | ZX5－400晶閘管整流器 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 額定輸出電流（A） | 400 | 400 | 400 | 400 | 400 | |
| 額定負(fù)載持續(xù)率 | 60％ | 60％ | 60％ | 60％ | 60％ | |
| 輸出空載電壓（V） | 70～80 | 60～90 | 71.5 | 80 | 63 | |
| 輸入電壓（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 | 長(zhǎng)（mm） | 560 | 950 | 685 | 690 | 594 |
| 寬（mm） | 254 | 590 | 570 | 490 | 495 | |
| 高（mm） | 415 | 890 | 1075 | 952 | 1000 | |
6電力智能高頻開關(guān)整流器
目前我國(guó)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(hù)，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(zhǎng)期以來處于低技術(shù)指標(biāo)、維護(hù)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)配接實(shí)現(xiàn)監(jiān)控等。同時(shí)，目前充電設(shè)備與蓄電池并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)電源紋波系數(shù)較大，浮充電壓波動(dòng)或偏低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)蓄電池脈動(dòng)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(biāo)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dòng)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(diǎn)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(shì)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(guó)、德國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)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(duì)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(diǎn)及技術(shù)參數(shù)
| 項(xiàng)目 | 指標(biāo) | 測(cè)試條件 | ||
|---|---|---|---|---|
| 最小 | 標(biāo)稱值 | 最大 | ||
| 輸入電壓范圍（VAC） | 260 | 380 | 456 | 輸出240VDC，滿載 |
| 輸出可調(diào)范圍（VDC） | 180 | 230 | 300 | 輸入380VAC，滿載 |
| 穩(wěn)壓精度 | 0.01％ | 0.5％ | 輸出198～296VDC,(20～100)％負(fù)載，輸入260～456VAC | |
| 穩(wěn)流精度 | 0.08％ | 0.5％ | 輸出198～286VDC，（20～100）％負(fù)載，輸入260～456VAC | |
| 動(dòng)態(tài)響應(yīng) | 100μs | 150μs | 400μs | 額定輸出20％～75％負(fù)載躍變 |
| 充電機(jī)效率 | 88％ | 90％ | 91％ | 輸出300V，5A |
| 最大可聞噪聲（dB） | 50 | 60 | 滿載，環(huán)境噪音40dB | |
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
| 技術(shù)指標(biāo)內(nèi)容 | 開關(guān)電源直流系統(tǒng) | SCR直流系統(tǒng) | 常規(guī)直流系統(tǒng) |
|---|---|---|---|
| 穩(wěn)壓穩(wěn)流精度 | ≤0.1％ | ≤0.5％ | ≤2％ |
| 紋波系數(shù) | 0.1％ | 0.5％ | ≤2％ |
| 源效應(yīng) | 0.05％ | 0.6％ | ≤2％ |
| 負(fù)載效應(yīng) | 0.1％ | 0.5％ | ≤3％ |
| 效率 | ≥90％ | ≥85％ | ≤75％ |
| 功率因數(shù) | ≥75％，可校正 | 0.7 | ≤0.6 |
| 開機(jī)浪涌 | 電子控制，無 | 無 | 感性負(fù)載，有 |
| 可靠性 | 高，N＋1冗余 | 較高，1＋1冗余 | 低，1＋1冗余 |
| 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) | 模塊化并聯(lián)結(jié)構(gòu) | 柜屏 | 柜（屏）式結(jié)構(gòu) |
| 監(jiān)控功能 | 完善 | 較完善 | 備有系統(tǒng)操作管理功能 |
| 體積重量 | 小，輕 | 中等 | 大，重 |
| 電池管理功能 | 完善 | 較好 | 一般 |
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(guó)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(jìn)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(guó)家頒布優(yōu)先發(fā)展的高科技項(xiàng)目。新能力科技公司始終走在高頻開關(guān)技術(shù)前沿，與國(guó)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(chǎng)的需要，被列為國(guó)家科技部重點(diǎn)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(yùn)含著卓越的服務(wù)理念，并以實(shí)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(guó)人的新能力！
中線電流損耗，在交流輸入端，采用先進(jìn)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(fù)載的變化，自動(dòng)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(shì)
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(jī)、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(huì)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(dòng)汽車和交流傳動(dòng)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(dá)到近乎理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)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(chǎng)需求所推動(dòng)，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(guó)內(nèi)將有較大的市場(chǎng)需求。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢(shì)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)正在起動(dòng)，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。
逆變器相關(guān)文章:逆變器原理
逆變器相關(guān)文章:逆變器工作原理
電子負(fù)載相關(guān)文章:電子負(fù)載原理 脈寬調(diào)制相關(guān)文章:脈寬調(diào)制原理 逆變電焊機(jī)相關(guān)文章:逆變電焊機(jī)原理 激光器相關(guān)文章:激光器原理 激光二極管相關(guān)文章:激光二極管原理 汽車防盜機(jī)相關(guān)文章:汽車防盜機(jī)原理
評(píng)論