开关电源的分类及应用

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开关电源的分类及应用

1.1按负载前连接方式分类
开关电源中开关管与负载串联连接称之为串联型开关电源,开关管与负载并联连接称之为并联型开关电源。串联型开关电源的输出端经过开关调整管及整流二极管与电网直接连接,因电网隔离能力差,整个设备底板带电,通常称之为热板,这种不方便外部接口,如音视频接口、耳机接口等。并联型自激式开关电源,其输出端与电网有高频变压器进行电的隔离。
1.2按稳压操纵方式分类
开关电源的调节稳压是经过调节功率开关管的占空比来完成的。设开关管的开关周期为T,在一个周期内,导通时间为ton,则占空比定义为D=tonT。在开关电源中,转变占空比的操纵方式有2种:即脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PWF)。在脉冲宽度操纵中,保持开关频率(开关周期T)不变,经过转变ton来转变占空比D,进而达到转变输出电压的目的。即D越大,滤波后输出电压也就越大;D越小,滤波后输出电压越小。在频率操纵方式中,保持导通时间ton不变,经过转变频率(即开关周期T)而转变占空比。由于频率操纵方式的工作频率是变化的,导致后续电路滤波器的设计非常不便,所以,现阶段大多数的开关电源均运用PWM操纵。
1.3按激励方式分类
开关调整管的运行所需要的激励信号来源于开关电源外的称之为它激式,若由自激振荡产生激励的称之为自激式。通常它激式都是由行逆程脉冲作为开关调整管导通的激励信号,部分自激式开关电源为了使振荡频率与行频率同步,也运用了行逆程脉冲作为触发电平。现阶段运用最多的是运用PWM操纵的自激式并联型开关电源。
开关电源的运用
由于电力电子技术的发展壮大,尤其是大功率MOS管技术的快速发展壮大,将开关电源的工作频率提高到150～200kHz,这导致功率损耗更小,电源的效率达到90%～95%。用高频变压器替代工频变压器可极大缩减体积,缩减重量;另外输出电压纹波缩减到0.05%之内,稳定性达到0.5%～1%,抗干扰能力强并且智能化程度高,由于这些优良的特性,高功率开关电源主要运用于工业和军事上。如粒子加速器、电磁发射、电磁推进、微波武器等脉冲功率技术应用领域中,电源设备的平均功率通常在几百千瓦乃至几兆瓦以上,体积和重量仅有线性电源的几十分之一。而小功率开关电源主要运用于小家电、IT等领域,如计算机、彩色电视机、智能家居、摄像机、机顶盒、VCD、电子游戏机等电子产品上。
2.1通信电源
通讯业的快速发展极大地促进了通信电源的发展。高频率微型化的开关电源以及技术已变成近代通信供电系统的主流。在通信领域中,一般将整流器叫做一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器叫做二次电源。一次电源是把单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。如在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源早已被高频率开关电源取代,它借助MOSFET或IGBT的高频率工作,开关频率通常控制在50～100kHz范围内,实现了高效率和微型化。近些年,一次电源的功率存储量不断扩大,单机存储量已从48V/12.5A扩大到48V/200A、48V/400A。
通讯设备处理速度的不断提升,促使工作频率不断提升,选用集成电路的类型多种多样,其电源电压要求也各不相同,一般大于10种,在通信供电系统中选用高功率密度的高频率DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(通常为48V直流)转换成所需的各种直流电压,这样可极大降低耗损、方便维护且组装、增加非常方便。通常都可以直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信存储量的不断增加,通信电源存储量也将不断增加。
2.2高频率逆变式整流焊机电源
高频率逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,象征了当今焊机电源的发展方向。因为IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。
逆变焊机电源大都选用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)转换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频率转换部分将直流电逆变成20kHz的高频率矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后变成稳定的直流,供电弧使用。
因为焊机电源的工作条件恶劣,经常地处在短路、燃弧、开路交替变化之中,所以高频率逆变式整流焊机电源的工作可靠性变成最核心的问题,也是客户最关心的问题。选用微处理器作为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,借助对多参数、多信息的获取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,从而提前对系统做出调整和处理,解决了现阶段大功率IGBT逆变电源可靠性。国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60～75V,电流调节范围5～300A,净重29kg。

2.3大功率开关型高压直流电源
大功率开关型高压直流电源广泛运用于静电除尘、水质改进、医疗X光机和CT机等大型机器设备。工作电压达到50～l59kV,电流达到0.5A以上,电功率可以达到100kW。
自从20世纪70年代逐渐开始,日本的一些企业逐渐开始使用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,随后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司使用电功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提升到20kHz以上,并将干式变压器技术成功地运用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积更进一步减小。国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,使用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频工作电压,随后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。
2.4电力操作电源
在20世纪90年代之前,电力操作电源几乎全部选用相控电源,即使用可控硅整流充电机器设备,因为可控硅整流在纹波、效率、体积等方面不尽人意,监控系统也不够完善,尤其现在变电所逐步使用微机保护和监控,对直流系统的性能和可靠性要求更高,因此90年代之后更新换代为开关电源。
变电所中的电力操作电源是确保稳定供电不可或缺的,它的首要任务是为继电保护、开关分合闸及控制等带来稳定的直流操作电源。它的性能好坏直接影响到变电所的正常安全供电,从而影响到生产设备的正常运行。使用高频开关后,输出电压精度高,其输出纹波系数从2%提升到0.1%,电源稳压、稳流精度从2%减小到0.5%,可以确保对蓄电池的平稳充放电,延长了电池使用期限。因为使用模块化结构和N+1备份方式,可依据具体负载存储量的大小,挑选合适的整流模块数量。当1台电源故障时,只需将该模块退出检修,而其它模块仍可继续运行,在确保系统充电存储量的条件下,为负载的正常供电带来了更为稳定的保障。以往的可控硅整流相控电源系统,其备件需要1个同样大小的硅整流模块,而改用高频开关后,只需备1～2个高频开关单元就可以了,减少了备件储备成本。因为高频开关电源的功率因数大于0.9,而常规整流功率因数仅为0.7左右,对同样的负载,使用高频开关模块可节省输入功率30%。
3结束语

开关电源是电力电子技术发展的方向之一,早已成为电源技术的核心,伴随着电子元器件的升级,技术水平的提升及其对开关电源更进一步的研究,开关电源势必取得更进一步的开拓和运用。

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| 发布时间：2021.01.13 来源：电源适配器厂家

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