高比能低碳经济下的高频开关电源

高比能低碳经济下的高频开关电源

近年来，随着世界经济全球化和我国经济快速发展，高频开关行业的需求不断增加。特别是2009年哥本哈根气候变化会议的召开,发展以低能耗、低污染和低排放为基础的经济模式———“低碳经济”已成为全球经济发展的主要趋势。降低能源消耗,发展节能环保的电源产品为电力电子行业的重要任务,高频开关电源因可节省原材料,减少占地面积,是当今特种电源行业研究的热门课题,本文回顾开关电源的发展历史,了解其发展现状,并探讨了其发展趋势。开关的开发过程1.20变压器脉冲调制控制开关电源的研究和应用开始于20世纪50年代。1955年美国罗耶(RogerGH)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器,首创脉冲宽度调制(PWM)控制,为研制开关电源打下理论基础。到20世纪60年代,开关电源的各种基本电路拓扑已逐渐成型,其体积小、重量轻和效率高(最高可达70%)的优势逐渐显现。2.20带噪声的开关20世纪70年代,以电力晶体管GTR为代表的高频电力开关的出现使开关电源的频率提高到20kHz,在开关变换时不会产生刺耳噪声。20世纪80年代,IG-BT的出现让仅适用于小功率场合的开关电源在中大功率直流电源中也得以发挥作用。20世纪80年代末期,采用PWM技术的MOSFET开关整流器,开关频率均在50kHz左右。3.20高频开关技术随着工作频率的提高,开关损耗不可避免地大大增加。软开关技术的出现将开关损耗几乎降为零。零电压变换、零电流变换、谐振变换、准谐振变换和移相谐振变换等软开关技术使高频开关电源在保持高效率的前提下工作频率越来越高,带来巨大的经济效益。20世纪90年代,高频开关电源的工作频率已提高至500kHz~1MHz。4.21数字电源产品进入21世纪,随着数字电路技术、计算机控制技术的发展以及在电力电子技术上的应用,高频开关电源进入数字电源时代,且发展迅猛。数字化电源从功能上定义为数字化控制的电源产品,提供控制、管理和检测功能,可以对整个电源回路进行控制。开始时,数字电源仅停留在概念和技术讨论层面,没有形成真正意义上的数字电源产品。直到2005年,美国德州仪器公司(TI)率先推出创新性的数字化电源产品,以“全数字控制回路”为特征的数字化电源控制芯片开始出现,实现数字化电源真正由概念走向运用。普遍提高的特点高频开关电源从产生发展至今,其各方面性能有了普遍提高。随着现代电力电子技术的飞速发展,越来越多的高新技术被成功应用到高频开关电源中,极大地提高了高频开关电源的各方面性能。1.高频开关技术高频开关电源在技术上较线性电源具有很大优势,节省了用来制造工频变压器的材料和空间,体积小、质量轻、可靠性高且性价比好,易于实现各种不同功率的输出,随着高频开关电源开关频率的不断提高及高频滤波技术的同步发展,原来困扰开关电源的输出纹波大等问题得以克服,开关电源的输出纹波可与线性电源相媲美,促使在各行业逐渐淘汰线性电源。2.产品的频率和频率高频开关电源自20世纪70年代突破20kHz以来,随着技术的进步,其产品的频率一路飙升到500kHz~1MHz。世界上很多国家都在致力于MHz级的高频开关电源的研究。我国在这方面的研究较为滞后,但是已经取得了一定的成果。3.高频变压器的频率对体积和质量的影响通过对高频开关电源原理的分析和实际应用证明,电源使用的电容、电感、变压器的体积和质量与电源工作频率的平方根成反比。依据这个原理,高频开关电源的频率提高必然促成了体积的减小。电源小型化能使产品轻便、节省材料消耗和降低成本,具有很重要的经济价值。4.通信开关效率由于各种新技术的运用,世界上高频开关电源的效率达到95%以上,国内应用软开关技术制造的6kW通信开关电源的效率已达到了93%。5.多负面影响的考虑随着开关频率的提高,必将带来很多负面影响,包括开关元件和无源元件损耗的增加、元件高频寄生参数和电磁干扰EMI等,都必须兼顾考虑。6.dm电路的研究由于软开关技术在理论上可以将开关损耗降低为零,因此该技术始终是研究的热点。其电路可分为:准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。目前发展应用成熟的技术包括:有源钳位ZVS软开关技术和全桥移相ZVS软开关技术,效率可达90%以上。7.激发新的活力软开关技术的出现并没有使硬开关技术逐渐没落,相反通过与软开关技术结合,焕发出新的活力。如零电流变换(ZCT)和零电压变换(ZVT)技术,兼有软开关的开关损耗小、EMI低、频率高、效率高、节能效果好等优点和硬开关的开关管电压、电流容量定额小和易于实现滤波等优点。8.采用fet的方法同步整流技术通过使用导通电阻极低(不大于3mΩ)的MOSFET,替代传统的二极管作为逆变后的整流器件,通过控制器产生与整流电压相位同步的栅极驱动信号控制同步整流器正常工作,这种方法可以极大降低整流损耗,主要应用于低压大电流功率变换器中。9.高频电源技术高频开关电源就像是交流电网上的非线性负载,所产生的高次谐波电流从输电线辐射出去而污染电网,造成很大危害。PFC技术能有效地减少高频开关电源对电网的污染,主要运用的是有源PFC技术。高频有源PFC技术使电源输入电流实现正弦化,且与输入电源保持同相位,达到谐波抑制的目的。目前,主要的有源PFC技术包括两级PFC技术和单级PFC技术两种。10.电源改变器im由于高频开关电源的结构特点,伴随着开关电源开关操作时急剧的电压和电流变化而产生的浪涌和噪声,将作为传导噪声或辐射噪声传递至设备的外部,从而引发电磁干扰(EMI)问题。EMC设计技术可以有效地解决这个问题。目前抑制电源EMI的三种重要的新技术包括周期扩频、随机扩频和混沌扩频。周期调频已应用于商品电源中,而后两种调频技术正在发展之中。11.电力机构封装目前,为了便于设计人员灵活使用各功能模块,提高制造效率、降低成本、减小体积和提高可靠性,制造商将PFC、ZVS、ZCS、PWM控制、并联均流控制和移相全桥控制等控制功能集成在专用芯片内,把功率开关器件同控制、驱动、保护、检测等电路封装在一个模块内构成电力电子器件模块。此外,制造商将控制、功率半导体器件和信息传输等功能全部集成在一个模块中,通过取消传统连线和电、热、结构的优化设计,达到缩小体积、降低寄生参数和提高产品可靠性的目的。12.高频电源问题目前,国内的大功率高频开关电源产品稀少且性能欠佳,而且单机容量大于20kW的大功率高频开关电源在国内外极为少见,单机输出电流一般在1000A以下。这些问题造成高频开关电源在国内电化学和冶金等需要大功率(几百千瓦或几兆瓦以上)电源的领域还未得到应用。构成高频开关电源主功率电路的最基本、最重要的两大要素:电力电子器件和磁性器件的输出功率不高,是目前阻碍功率提升的主要瓶颈。13.冗余设计和插装法分布式高频开关电源系统通过电源模块并联运行的方式,采用系统均流、N+M冗余设计和热插拔技术,使得每个变换器处理较小的功率以降低电应力,突破了单台输出功率不够大的瓶颈,将输出功率提升到几十千瓦甚至几百千瓦,大大提高了系统的可靠性。此外,这种系统能扩展出多种功率输出,降低了开发成本。14.电源及硬件设计基于电子设计自动化(EDA)技术、单片机技术和数字信号处理器(DSP)技术等数字技术开发的数字电源通过软件和硬件设计,可以替代模拟电路,实现PWM反馈回路的数字控制。DSP可通过内置PID算法生成数字PWM波形控制主功率变换器;配合A/D转换和CPLD等芯片检测系统电流、电压和温度参数,经内部处理调整PWM信号输出,实现调节电源输出和各种保护功能,还可以对同步整流电路进行精确的同步控制。15.实测优势及接口数字高频开关电源能通过接口电路,外接键盘和液晶显示器,进行人机交互操作;通过串口RS485、RS232或CAN总线等接口与上位机进行数据的通信,实现遥测遥控。数字电源的网络接口,便于实现在线维护、自检和升级,极大提高了产品的可靠性和使用寿命。16.利用计算机技术设计技术各种功能的集成数字电路、数字控制芯片以及先进的EDA技术、单片机技术和DSP技术使得设计人员能够摆脱以往繁复的模拟电路设计,专注于电源产品的质量、性能和功能的完善。通过运用计算机辅助设计(CAD)手段,包括TOPswitch(PROTEL)、DXP等电路设计软件,可以提高电源产品的开发效率,缩短研发周期。目前流行的Pspice和Matleb等仿真软件不能完全仿真高频开关电源的高频寄生参数,只能在前期研究中提供参考,无法做到完全的仿真设计。高频开关的发展趋势1.半导体器件用化目前碳化硅(SiC)材料制造的半导体器件导通电阻只有硅材料器件的1/200,必将成为人们研究的热点。一旦SiC半导体器件能够实用化,将带来翻天覆地的变化。随着制造技术的进步,MOSFET导通电阻降至5mΩ以下,开关时间已小于20ns,栅电荷仅20nc,在逻辑电平下即可驱动,大大降低高频开关电源的通态损耗。可以预见,作为高频开关电源主电路的基本要素之一的功率开关器件,其研发成果能从根本上改善电源品质。2.新型铁氧体磁心技术变压器是组成高频开关电源主电路的重要基本元件,是未来研究的热点之一。目前高频铁氧体磁心的运用已十分普遍,但是铁氧体固有的磁滞特性会在磁心复位时带来磁滞损耗,影响了效率的提高,因此磁心技术研究亟待突破;性能优异的新型平面变压器,能有效减小电源体积,提高电源效率;压电变压器则在电压较高而电流较小的高频开关电源的应用前景广阔。3.高频变压器需向高效率和绿色化发展当前全世界都在倡导节能减排,发展低碳经济成为世界经济发展的主要潮流。若要紧跟这股潮流,高频开关电源必须向高效率和绿色化发展。高效率使得高频开关电源减少热能的产生,达到高功率密度的目标,而且效率的提高也意味着耗电减少,有很高的经济和环境保护价值。4.高频开关性能将受到市场的认可随着高频开关电源频率的不断提高,它对电网环境的污染也随之增大,将造成额外的负担,影响供电质量,所以抑制谐波和提高功率因数也是今后高频开关电源顺应低碳经济潮流的发展重点。国外和国内都针对开关电源装置的输入谐波要求分别制定了严格的标准,普遍要求功率因数需大于0.95。所有不符合标准的产品必将遭到市场淘汰。目前有IEC555—2、IEC1000—3—2和GB/T14549—1993等标准。高频有源PFC技术的主要研究方向包括:两级PFC技术中降低功率级的损耗、两级PFC技术中PFC的控制技术和单级PFC技术的进一步完善。5.高频电源使用将达到400倍据2008年统计,世界开关电源的市场仍以百分之十几的年增长率发展。50年以后,高频开关电源的使用将达到现在的400倍。届时,各种电力电子设备所处的电磁环境将更为严峻。包含EMC规定的标准有多种,例如国内的GJB151—1986和国外的FCC等。高频开关电源产品必须认真研究EMC设计技术来满足这些标准。6.磁心复位显示技术现在的软开关电源具有控制电路结构复杂和可靠性不够高等缺点;有源钳位ZVS软开关技术存在磁心复位时白白消耗磁能的缺点;全桥移相ZVS软开关技术存在谐振电感增加损耗、占空比丢失造成二次侧整流损耗、调试时间长和二次侧同步整流控制技术不成熟等缺点。克服软开关技术的缺点是下一步技术解决的重点问题。7.高频电源系统同步整流技术与其他高频开关电源电路拓扑的结合运用是未来研究的热点。使用同步整流配合ZVS、ZCS技术制作的高频开关电源,最高能获得95%的转换效率,业界将其称为CoolSet,即冷装置,不再需要散热器和风扇了。此外,同步整流专用驱动芯片、控制技术以及与数字技术的结合应用也是未来研究的热点。8.新型电力器件为推广高频开关电源在大功率电源市场的应用,必须解决阻碍其功率提升的瓶颈问题。开发运用性能更好的新型大功率电力电子器件和磁性器件(包括大功率高频变压器和电感器)是提升单台输出功率的基本道路。利用目前现有功率等级的器件,通过小功率高频开关电源模块并联组成大功率电源系统或高频变压器串并联的方式提升输出功率等级,也是目前研究的一个主要方向,主要技术难点集中在均流控制上。9.远程测量控制智能数字电源较传统模拟电源具有以下优点:电路设计相对简单,调试周期短,便于计算机处理控制,便于实现智能化和网络控制,易于实现远程测量和控制,避免了模拟信号的畸变失真,抗电磁干扰能力强等。数字技术在高频开关电源领域的应用方向涵盖了PWM的逻辑部分时钟、放大器环路的模数转换、数模转换和数字处理、驱动、同步整流的检测和处理、均流控制、远程检测控制、设计、调试和维护等方面。10.打破国外垄断、打破我国垄断的原则当前我国在数字高频开关电源方面的研制与国外相比较为落后,而且国外的数字电源生产商在许多技术领域还保持着垄断,但是随着这些年我国科技水平的飞速发展和对数字高频开关电源研制的大力投入,必将打破国外垄断。例如:中国科学院上海应用物理研究所和成都大博电气责任有限公司联合开发的国产数字化电源控制器,与进口控制器相比,该控制器有较高的性价比。高频变