高頻開關(guān)電源發(fā)展與應(yīng)用探析

賈國芳

【摘要】在所有的電子設(shè)備中，電源是非常重要的組成部分，尤其是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對于電子電源的需求越來越高，逐漸向著高頻化和節(jié)能的方向發(fā)展。此外，作為高效節(jié)能型電源，高頻開關(guān)電管的節(jié)能問題越來越受到各界人士的關(guān)注，也逐漸成為穩(wěn)壓電源的重要產(chǎn)品。本文就針對目前我國高頻開關(guān)電源發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了多角度探索，希望對高頻開關(guān)電源的有序健康發(fā)展有所幫助。

【關(guān)鍵詞】高頻開關(guān)電源;發(fā)展與;應(yīng)用探析

隨著國家綜合實(shí)力的提升，各行業(yè)也實(shí)現(xiàn)了飛速發(fā)展。目前，在電力電子、電源系統(tǒng)應(yīng)用方面，開關(guān)電源技術(shù)變得越來越重要，利用高頻開關(guān)電源技術(shù)，能夠有效降低大型電解電鍍電源的重量和體積，使電源的利用效率得到有效提升，降低電力成本，也為實(shí)現(xiàn)節(jié)能化發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

一、開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展方向

（一）高頻化

有相關(guān)實(shí)踐和理論證明，將電源頻率從工頻50Hz提高到20kHz的時(shí)候，用電設(shè)備的體積重量會下降到設(shè)計(jì)工頻時(shí)的5%-10%，比如電容、電感和變壓器等，比較主要的材料能夠節(jié)約90%以上，實(shí)現(xiàn)節(jié)電30%以上。傳統(tǒng)的高頻設(shè)備采用的主要是電子管，因?yàn)椴捎玫墓?jié)能材料和固態(tài)化材料，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

（二）模塊化

模塊化指的就是功率器件的模塊化，還有是針對電源單元的模塊化。近些年，部分公司在功率模塊中安裝了驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)了“用戶專用”功率模塊（ASPM）、“智能化”功率模塊。在同一個(gè)模塊中基本將所有的硬件通過芯片的方式組裝到了一起。實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，使傳統(tǒng)的引線連接的弊端徹底消除，能夠減少頻率提高對各個(gè)器件造成的影響。并且，通過優(yōu)化機(jī)械、熱電的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的可靠性和安全性大大提升。

（三）數(shù)字化

隨著數(shù)字電路和數(shù)字化信號的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)變得越來越完善，相比較模擬信號來說，有更大的應(yīng)用優(yōu)勢。例如，能夠有效減少雜散信號的干擾、防止模擬信號出現(xiàn)失真畸變、有效控制計(jì)算機(jī)處理質(zhì)量、更加高效地自診斷、容錯(cuò)等。因此，在智能化高頻開關(guān)電源中應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)非常重要。

（四）綠色化

電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綠色化發(fā)展，首先就是有明顯的節(jié)電效果，其次就是不會對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。目前，部分多功率電子節(jié)電設(shè)備會注入高次諧波電流，這對電網(wǎng)的污染有較大的影響。但應(yīng)用新的電源電路控制技術(shù)和拓?fù)浼夹g(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)功率開關(guān)工作的零電流和零電壓狀態(tài)，使開關(guān)電源的工作頻率得到有效提高。

二、高頻開關(guān)電源技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)及功能

（一）工作原理

高頻電源能夠得到530v的直流電壓，并通過全橋逆變形成20 kHz左右的交變電流，通過高頻變壓器形成高頻高壓脈動(dòng)直流，下圖1為詳細(xì)的原理圖。電除塵器高頻電源通過高頻開關(guān)技術(shù)形成逆變式電源，控制方式更加多樣、靈活，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇最為合適的電壓波形，有效節(jié)約了電能，提高了供電效率。

（二）結(jié)構(gòu)及功能

高頻電源主要的組成部件有控制電路、高頻高壓變壓器、全橋逆變器、低壓配電系統(tǒng)、主機(jī)外殼等。通常情況下，低壓配電系統(tǒng)設(shè)置在高頻電源配電盤電氣箱內(nèi)，集成了加熱各個(gè)單元供電、電源風(fēng)機(jī)，如果設(shè)備在運(yùn)行的時(shí)候出現(xiàn)故障，也可以自行停止供電，起到保護(hù)設(shè)備的作用。大功率高頻高壓變壓器設(shè)計(jì)的方式是油浸式，也是高頻電源最為重要的組成部分，主要作用是把逆變電路產(chǎn)生的高頻交流電進(jìn)行升壓整流，從而形成高頻高壓脈動(dòng)直流送電。控制電路主要的組成部分為二次電流電壓采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路、DSP控制電路、信號調(diào)理電路、電源電路等。在高頻電源底部的風(fēng)機(jī)中安裝高頻電源，確保大功率開關(guān)元件和變壓器的溫度始終保持在正常范圍內(nèi)。

三、高頻開關(guān)電源的應(yīng)用

現(xiàn)階段，高頻開關(guān)電源基本實(shí)現(xiàn)了各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，并發(fā)揮了巨大的作用，比如在新能源行業(yè)、儀器儀表制造、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、航空航天、工業(yè)自動(dòng)化控制等領(lǐng)域，都有非常深入的應(yīng)用。首先，在通信行業(yè)的應(yīng)用。高頻開關(guān)電源在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，一般在信號設(shè)備和信號基站提供充足的電能。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中應(yīng)用的高頻小型化開關(guān)電源，一般把整流器稱為一次電源，直流一直流變換器稱為二次電源。一次電源可以將三相交流電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)稱值為48V的直流電源，實(shí)現(xiàn)了小型化和高效率。通信設(shè)備性能的進(jìn)步，使時(shí)鐘頻率有了很大提高，集成電路也變得越來越復(fù)雜，需要的電源電壓要求也大不相同。因此，在通信系統(tǒng)中應(yīng)用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊，轉(zhuǎn)變成需要的直流電壓，能夠有效降低產(chǎn)生的損耗，而且安裝便捷、易于維護(hù)。其次，高頻開關(guān)電源在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的應(yīng)用。高頻開關(guān)電源能為自動(dòng)化設(shè)備提供充足的動(dòng)力電能，確保系統(tǒng)的有序正常運(yùn)行。再次，在航空航天的領(lǐng)域。應(yīng)用高頻開關(guān)電源能夠在發(fā)射前整箭系統(tǒng)及載荷的熱調(diào)試中起到非常重要的作用。第四，在表面處理行業(yè)的應(yīng)用。高頻開關(guān)電源能夠?qū)崿F(xiàn)離子交換，可以對裝飾性表面處理和保護(hù)性表面處理提供電場。第五，在新能源行業(yè)的應(yīng)用。隨著近些年新能源行業(yè)的快速發(fā)展，高頻開關(guān)電源可以在充電樁和充電機(jī)中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)換。

隨著高頻開關(guān)電源應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，應(yīng)用要求也有了很大提升，未來的高頻開關(guān)電行業(yè)行業(yè)必然向著智能化、超高頻化、輕量化和小型化的方向發(fā)展。其中，對于設(shè)備儀器行業(yè)來說，主要的發(fā)展方向是小型化。而智能化也未來智能制造的必然要求，也是未來發(fā)展的重中之重。

四、結(jié)束語

總而言之，近年來雖然國家的綜合實(shí)力有了很大提升，在國際上的地位也越來越高，但由于發(fā)展時(shí)間較短，很多技術(shù)、理念還需要努力優(yōu)化完善，將可持續(xù)發(fā)展理念貫徹落實(shí)下去。要加強(qiáng)重視高頻開關(guān)電源技術(shù)的重要價(jià)值，合理應(yīng)用該技術(shù)，在降低生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，提高節(jié)能效益。目前，在電力、電加工、電解和電鍍方面應(yīng)用的高頻開關(guān)電源技術(shù)的范圍越來越廣泛，希望在后期能夠?qū)⒏哳l開關(guān)電源的作用充分發(fā)揮出來，在各個(gè)領(lǐng)域體現(xiàn)出最大價(jià)值。

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