開關電源的分類及應用

1.1按負載前連接方式分類
開關電源中開關管與負載串聯連接稱之為串聯型開關電源,開關管與負載并聯連接稱之為并聯型開關電源。串聯型開關電源的輸出端經過開關調整管及整流二極管與電網直接連接,因電網隔離能力差,整個設備底板帶電,通常稱之為熱板,這種不方便外部接口,如音視頻接口、耳機接口等。并聯型自激式開關電源,其輸出端與電網有高頻變壓器進行電的隔離。
1.2按穩壓操縱方式分類
開關電源的調節穩壓是經過調節功率開關管的占空比來完成的。設開關管的開關周期為T,在一個周期內,導通時間為ton,則占空比定義為D=tonT。在開關電源中,轉變占空比的操縱方式有2種:即脈沖寬度調制(PWM)和脈沖頻率調制(PWF)。在脈沖寬度操縱中,保持開關頻率(開關周期T)不變,經過轉變ton來轉變占空比D,進而達到轉變輸出電壓的目的。即D越大,濾波后輸出電壓也就越大;D越小,濾波后輸出電壓越小。在頻率操縱方式中,保持導通時間ton不變,經過轉變頻率(即開關周期T)而轉變占空比。由于頻率操縱方式的工作頻率是變化的,導致后續電路濾波器的設計非常不便,所以,現階段大多數的開關電源均運用PWM操縱。
1.3按激勵方式分類
開關調整管的運行所需要的激勵信號來源于開關電源外的稱之為它激式,若由自激振蕩產生激勵的稱之為自激式。通常它激式都是由行逆程脈沖作為開關調整管導通的激勵信號,部分自激式開關電源為了使振蕩頻率與行頻率同步,也運用了行逆程脈沖作為觸發電平。現階段運用最多的是運用PWM操縱的自激式并聯型開關電源。
開關電源的運用
由于電力電子技術的發展壯大,尤其是大功率MOS管技術的快速發展壯大,將開關電源的工作頻率提高到150～200kHz,這導致功率損耗更小,電源的效率達到90%～95%。用高頻變壓器替代工頻變壓器可極大縮減體積,縮減重量;另外輸出電壓紋波縮減到0.05%之內,穩定性達到0.5%～1%,抗干擾能力強并且智能化程度高,由于這些優良的特性,高功率開關電源主要運用于工業和軍事上。如粒子加速器、電磁發射、電磁推進、微波武器等脈沖功率技術應用領域中,電源設備的平均功率通常在幾百千瓦乃至幾兆瓦以上,體積和重量僅有線性電源的幾十分之一。而小功率開關電源主要運用于小家電、IT等領域,如計算機、彩色電視機、 智能家居、攝像機、機頂盒、VCD、電子游戲機等電子產品上。
2.1通信電源
   通訊業的快速發展極大地促進了通信電源的發展。高頻率微型化的開關電源以及技術已變成近代通信供電系統的主流。在通信領域中,一般 將整流器叫做一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器叫做二次電源。一次電源是把單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。如在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源早已被高頻率開關電源取代,它借助MOSFET或IGBT的高頻率工作,開關頻率通常控制在50～100kHz范圍內,實現了高效率和微型化。近些年,一次電源的功率存儲量不斷擴大,單機存儲量已從48V/12.5A擴大到48V/200A、48V/400A。
通訊設備處理速度的不斷提升,促使工作頻率不斷提升,選用集成電路的類型多種多樣,其電源電壓要求也各不相同,一般 大于10種,在通信供電系統中選用高功率密度的高頻率DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(通常為48V直流)轉換成所需的各種直流電壓,這樣可極大降低耗損、方便維護且組裝、增加非常方便。通常都可以直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信存儲量的不斷增加,通信電源存儲量也將不斷增加。
2.2高頻率逆變式整流焊機電源
高頻率逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,象征了當今焊機電源的發展方向。因為IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都選用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)轉換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻率轉換部分將直流電逆變成20kHz的高頻率矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后變成穩定的直流,供電弧使用。
因為焊機電源的工作條件惡劣,經常地處在短路、燃弧、開路交替變化之中,所以高頻率逆變式整流焊機電源的工作可靠性變成最核心的問題,也是客戶最關心的問題。選用微處理器作為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,借助對多參數、多信息的獲取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,從而提前對系統做出調整和處理,解決了現階段大功率IGBT逆變電源可靠性。國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60～75V,電流調節范圍5～300A,凈重29kg。

2.3大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛運用于靜電除塵、水質改進、醫療X光機和CT機等大型機器設備。工作電壓達到50～l59kV,電流達到0.5A以上,電功率可以達到100kW。
自從20世紀70年代逐漸開始,日本的一些企業逐漸開始使用逆變技術,將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻,隨后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司使用電功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提升到20kHz以上,并將干式變壓器技術成功地運用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積更進一步減小。國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,使用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻工作電壓,隨后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.4電力操作電源
在20世紀90年代之前,電力操作電源幾乎全部選用相控電源,即使用可控硅整流充電機器設備,因為可控硅整流在紋波、效率、體積等方面不盡人意,監控系統也不夠完善,尤其現在變電所逐步使用微機保護和監控,對直流系統的性能和可靠性要求更高,因此90年代之后更新換代為開關電源。
變電所中的電力操作電源是確保穩定供電不可或缺的,它的首要任務是為繼電保護、開關分合閘及控制等帶來穩定的直流操作電源。它的性能好壞直接影響到變電所的正常安全供電,從而影響到生產設備的正常運行。使用高頻開關后,輸出電壓精度高,其輸出紋波系數從2%提升到0.1%,電源穩壓、穩流精度從2%減小到0.5%,可以確保對蓄電池的平穩充放電,延長了電池使用期限。因為使用模塊化結構和N+1備份方式,可依據具體負載存儲量的大小,挑選合適的整流模塊數量。當1臺電源故障時,只需將該模塊退出檢修,而其它模塊仍可繼續運行,在確保系統充電存儲量的條件下,為負載的正常供電帶來了更為穩定的保障。以往的可控硅整流相控電源系統,其備件需要1個同樣大小的硅整流模塊,而改用高頻開關后,只需備1～2個高頻開關單元就可以了,減少了備件儲備成本。因為高頻開關電源的功率因數大于0.9,而常規整流功率因數僅為0.7左右,對同樣的負載,使用高頻開關模塊可節省輸入功率30%。
3結束語

開關電源是電力電子技術發展的方向之一,早已成為電源技術的核心,伴隨著電子元器件的升級,技術水平的提升及其對開關電源更進一步的研究,開關電源勢必取得更進一步的開拓和運用。