高頻開關(guān)電源的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

唐楚杰

（東南大學(xué)，江蘇 南京 210018）

0 引 言

在我國生態(tài)文明建設(shè)以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略背景下，社會上各個領(lǐng)域?qū)?jié)能環(huán)保、高效以及節(jié)能減排的產(chǎn)品需求量不斷增加。高頻開關(guān)電源相較于傳統(tǒng)電源，能夠有效節(jié)約原材料，大幅度減小體積，提高變換效率，是一種具備良好節(jié)能減排功效的新型產(chǎn)品，因此被廣泛應(yīng)用。本文分析了高頻開關(guān)電源技術(shù)的現(xiàn)狀，探討了其發(fā)展方向。

1 高頻開關(guān)電源概述

1.1 含 義

高頻開關(guān)電源是借助金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effeot Transistor，MOSFET）或者是絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT）開展高頻工作的電源，其實際開關(guān)頻率通常控制在50～100 kHz，可以有效實現(xiàn)高效率以及小型化。其工作原理是輸入交流電壓通過電網(wǎng)電磁濾波干擾器（Electromagnetic Interference，EMI）濾波以及整流濾波之后得到一個直流電壓，再通過高頻變換器快速地將直流電壓有效地轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的高頻交流脈沖電壓，之后借助高頻變壓器進行隔離變換，以此輸出所需的相應(yīng)高頻交流脈沖電壓，接著借助輸出整流濾波器實現(xiàn)直流電壓的有效轉(zhuǎn)變，最終輸出給相應(yīng)的負載[1]。

1.2 特 點

高頻開關(guān)電源市場需求推動了其技術(shù)的優(yōu)化。高頻開關(guān)電源的特點如下文所述。

（1）高效節(jié)能。高頻開關(guān)電源的實際工作效率達到90%以上，能夠保證任意電壓電流比一直成線性匹配，可以省去傳統(tǒng)整流器中調(diào)壓器以及主變的損耗，實際節(jié)能效果可以達到35%以上[2]。

（2）體積小、重量輕。高頻開關(guān)電源借助了風冷式設(shè)計，具備安裝方便的特點，同時配有遠控裝置，實際操作非常簡單便利。除此之外，還能夠帶負載開關(guān)機，從而有效減少調(diào)節(jié)方面的煩瑣程序。

（3）多重保護功能。高頻開關(guān)電源具備過壓、過流、超溫、短路等多個方面的自動保護報警功能以及軟啟動功能，同時還能夠加裝時間控制以及計算機接口。

（4）可靠性強。高頻開關(guān)電源一般平均無故障工作時間可以達到10 000 h以上。

（5）模塊化結(jié)構(gòu)，一旦模塊出現(xiàn)故障，能夠迅速進行更換，維護便利，部分產(chǎn)品可以在供電系統(tǒng)下實現(xiàn)整流模塊的有效更換，實際平均修復(fù)時間能夠達到5 min以內(nèi)。

（6）智能化。大多數(shù)高頻開關(guān)電源產(chǎn)品內(nèi)部都裝有監(jiān)控模塊，其可以賦予產(chǎn)品較強的智能化特征，如實現(xiàn)測量、處理、控制、存儲等一切系統(tǒng)事件的自動化管控。除此之外，監(jiān)控模塊還可以對蓄電池開展放電以及溫度補償方面的自動運行管理。借助串行口配置調(diào)節(jié)器還能夠達到遠程集中監(jiān)控的目的，從而有效記錄以及處理有關(guān)數(shù)據(jù)信息，保證及時發(fā)現(xiàn)故障，這樣可以提高供電系統(tǒng)自身的可靠性以及安全性，達到無人值守的目的。

2 高頻開關(guān)電源技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用分析

線性電源在以往的傳統(tǒng)供電行業(yè)中始終占據(jù)著主要地位。隨著高頻開關(guān)電源技術(shù)的快速發(fā)展和進步，高頻開關(guān)電源逐漸地取代了線性電源，已經(jīng)成為市場的主導(dǎo)。相較于線性電源，高頻開關(guān)電源用料少、體積小、重量輕、可靠性高、性價比高，能夠完全滿足現(xiàn)階段節(jié)能減排以及高效率的要求。變頻技術(shù)是高頻開關(guān)電源技術(shù)最為核心的內(nèi)容，有著極為廣泛的應(yīng)用[3]。

（1）通信機房的應(yīng)用。通信機房中合理有效地運用高頻開關(guān)電源技術(shù)可以保證正常運行，提高其實際運行效率，促使通信電源系統(tǒng)的性能以及可靠性不斷提高，有效降低機房運行過程中形成的一系列外界干擾。整流模塊具備熱插拔以及多種通信接口功能，可以進一步提高通信方面的網(wǎng)絡(luò)化水平，保證通信機房安全運行[4]。

（2）火電廠的應(yīng)用。高頻開關(guān)電源以及節(jié)能技術(shù)逐漸成為影響火電廠實際發(fā)展情況以及經(jīng)濟效益的重要因素。通過兩種技術(shù)的有機結(jié)合，能夠促進火電廠除塵效率的不斷提高，進一步減輕火電廠實際運營過程中對區(qū)域環(huán)境造成的污染和破壞。

3 高頻開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展探究

3.1 模塊化發(fā)展

模塊化發(fā)展首先指的是功率器件方面的模塊化發(fā)展，其次指的是電源單元方面的模塊化發(fā)展。現(xiàn)階段較為常見的器件模塊主要涉及到了開關(guān)器件以及與之反并聯(lián)的相應(yīng)續(xù)流二極管，而本質(zhì)上來看都屬于“標準”功率模塊，也就是智能功率模塊（Smart Power Module，SPM）。因為頻率的持續(xù)提高，使得引線寄生電感以及寄生電容產(chǎn)生的影響逐漸加重，這容易對器件產(chǎn)生更大的電應(yīng)力，一般表現(xiàn)為過電壓或者是過電流毛刺等。因此為了能夠進一步提高系統(tǒng)方面的可靠性，部分生產(chǎn)制造商有效地開發(fā)出了一種“用戶專用”功率模塊，也就是ASPM，這種模塊能夠?qū)⒁慌_整機的大部分硬件都借助芯片的形式有效地安裝到同一個模塊內(nèi)，從而使得元器件之間徹底擺脫了傳統(tǒng)的引線連接方式。對于這種模塊來說，其通過嚴格且科學(xué)的熱、電，還有機械方面的設(shè)計，達到了完美優(yōu)化的目的，更像是微電子中的相應(yīng)用戶專用集成電路（Application Specific Integrated Gircuit，ASIC）。這樣一來只要將控制軟件有效地寫入到該模塊內(nèi)部的微處理器芯片，然后將整個模塊有效地固定在一個相應(yīng)的散熱器上，便可以打造出一臺較為新穎的開關(guān)電源裝置。模塊化發(fā)展的目的不僅局限于使用方面足夠方便以及縮小整機體積，最為關(guān)鍵的是取消傳統(tǒng)連線，切實將寄生參數(shù)真正地降到最小，將器件承受的相應(yīng)電應(yīng)力控制在相對較低的狀態(tài)，使系統(tǒng)的可靠性大大增強。

另外，對于大功率的開關(guān)電源來講，因為受到器件容量的限制以及出于增加冗余進一步提高可靠性方面的考慮，通常情況下會采用多個獨立的模塊進行并聯(lián)工作，同時利用均流技術(shù)來促使所有模塊共同有效分擔負載電流，如果其中一個模塊出現(xiàn)了失效問題，那么其他模塊需要重新再對負載電流進行平均分擔。如此一來即便某個模塊產(chǎn)生了故障問題，也不會對整個系統(tǒng)的正常運行造成任何影響，同時還能夠為修復(fù)工作提供充足的時間[5]。

3.2 高頻化發(fā)展

理論分析以及實踐研究表明，對于電氣產(chǎn)品來講，其變壓器、電感以及電容的實際體積重量往往與供電頻率的平方根成反比關(guān)系。因此，如果將頻率有效地從工頻50 Hz持續(xù)提高到20 kHz，也就是400倍，那么用電設(shè)備的實際體積重量整體能夠下降到工頻設(shè)計的5%～10%。在實際運用中，對于逆變式整流焊機以及通信電源等使用的開關(guān)式整流器來講，都是在這一原理的基礎(chǔ)上設(shè)計制造的。同樣，對于傳統(tǒng)整流行業(yè)中的一系列直流電源，如電鍍電源、電解電源以及電加工電源還有充電電源等，都能夠結(jié)合這一原理做出有效改造，最終轉(zhuǎn)變?yōu)椤伴_關(guān)變換類電源”，這能夠促使其主要材料有效地節(jié)約90%及以上，同時能夠達到30%及以上的節(jié)電效果。高頻化發(fā)展將會成為此項技術(shù)今后的一個主要發(fā)展趨勢[6]。

3.3 數(shù)字化發(fā)展

對于傳統(tǒng)電力電子設(shè)備來講，模擬信號屬于其實際工作中非常重要的一個內(nèi)容，是主要的控制以及操作形式。近幾年，在數(shù)字信號以及數(shù)字電路快速發(fā)展的背景下，數(shù)字化技術(shù)開始在智能化開關(guān)電源中得到有效運用。此項技術(shù)最大的優(yōu)點是易于控制，可以有效解決傳統(tǒng)模擬信號在實際使用過程中存在的信息傳輸失真等相關(guān)問題，大幅度減少信號干擾，并且能夠更好地與軟件包調(diào)試、自診斷以及容錯等技術(shù)結(jié)合使用。另外，數(shù)字化發(fā)展還能夠有效達到對高頻開關(guān)電源實際運行狀態(tài)進行遠程監(jiān)測以及控制的目的，可以更好地滿足人們的操控需求，有助于節(jié)約大量的人力、物力以及財力消耗[7]。

3.4 低噪聲

對于以往的高頻電源開關(guān)技術(shù)而言，通常頻率越大噪聲越大，這屬于高頻開關(guān)電源技術(shù)需要面對的一大問題，也是其今后發(fā)展需要解決的一個重點問題。現(xiàn)階段有學(xué)者提出可以借助諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)來有效控制噪聲問題，這或許會成為高頻電源開關(guān)技術(shù)的一個主要研究和發(fā)展方向。

3.5 綠色化發(fā)展

現(xiàn)階段，在人們的生態(tài)環(huán)保意識不斷增強的背景下，高頻開關(guān)電源技術(shù)也開始不斷地向著綠色化方向發(fā)展。高頻開關(guān)電源技術(shù)的綠色化發(fā)展主要指的是節(jié)電以及減少電網(wǎng)產(chǎn)生的污染問題。其中節(jié)電主要強調(diào)的是發(fā)電容量的有效節(jié)約，由于發(fā)電本身也是造成環(huán)境污染的一個重要因素，因此綠色化發(fā)展的最終目的也是進一步減少污染。目前，高頻開關(guān)電源技術(shù)的綠色化發(fā)展已經(jīng)成為一個必然趨勢，以滿足社會以及時代發(fā)展的需要。

3.6 新型變壓器的應(yīng)用

變壓器是高頻開關(guān)電源中的一個關(guān)鍵器件，屬于一個重點研究內(nèi)容。現(xiàn)階段高頻開關(guān)電源當中變壓器一般使用高頻鐵氧體磁芯，其會產(chǎn)生一定的磁損耗，對高頻開關(guān)電源的實際使用性能會造成一定的影響。

目前新型平面變壓器的廣泛應(yīng)用，進一步減小了電源的實際體積，提高了電源效率，具有良好的開發(fā)應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

高頻開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)在社會各個領(lǐng)域廣泛運用，推動了各行各業(yè)的快速發(fā)展。文章對高頻開關(guān)電源技術(shù)進行了簡要分析，并基于此探討了未來發(fā)展趨勢。