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?？刂圃?0～100 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(jìn)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(fù)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(dá)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(dá)到35%以上[2]。

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

（3）多重保護(hù)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(hù)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(jī)接口。

（4）可靠性強(qiáng)。高頻開關(guān)電源一般平均無故障工作時間可以達(dá)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(jìn)行更換，維護(hù)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(dá)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(qiáng)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(bǔ)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(dá)到遠(yuǎn)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(dá)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(jìn)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(jī)房的應(yīng)用。通信機(jī)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(jī)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(jìn)一步提高通信方面的網(wǎng)絡(luò)化水平，保證通信機(jī)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(jì)效益的重要因素。通過兩種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，能夠促進(jìn)火電廠除塵效率的不斷提高，進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)”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(jìn)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(jī)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(yán)格且科學(xué)的熱、電，還有機(jī)械方面的設(shè)計，達(dá)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(jī)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(qiáng)。

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(jìn)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(jìn)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(dān)負(fù)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(fù)載電流進(jìn)行平均分擔(dān)。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(jī)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(dá)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(dá)到對高頻開關(guān)電源實際運行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)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?，F(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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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?，F(xiàn)階段高頻開關(guān)電源當(dāng)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(jìn)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(jìn)行了簡要分析，并基于此探討了未來發(fā)展趨勢。