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开关电源模块范文1
【关键词】单片机；反馈；DC/DC
1.引言
近一些年来，随着微电子技术和工艺、磁性材料科学以及烧结加工工艺与其它边沿技术科学的不断改进和快速发展，开关稳压技术，有了突破性进展，并且由此也产生了许多能提高人们生活水平和改善人们工作和学习条件的新工艺产品，如电动自行车，逆变焊机等设备。开关稳压电源以其独有的体积小、效率高、重量轻、输出形式多样化、功率因数大，稳压范围宽等优点已经涉及到了与电有关的所有领域。在这个领域之中，开关稳压电源已取代前级线性稳压电源和前级相控开关电源，此外，开关稳压电源技术和实用技术产品出现后，使得许多电子产品所采用的电池供电成为可能，是许多电子产品微型化和小型化后变为便携式产品成为可能。所以开关稳压电源成为各种电子设备和系统高效率、安全可靠运行、低功耗的关键，同时开关稳压电源技术已成为电子技术中备受人们关注的科技领域。
2.方案设计与比较
2.1 方案论证
方案一：题目要求设计并制作一个由两个额定输出功率均为16W的8VDC/DC模块构成的并联供电系统。由题目已知，采用TI公司的脉宽调制控制器UC3843作为BUCK型拓扑的PWM控制芯片。UC3843集成电路的一般特性及由它组成小功率开关电源的方法。它是通过高性能固定频率电流模式的控制器专为离线和直流变换器应用所设计的，只需要最少外部元件就能获得成本效益高的方案。电流工作频率能到500KHZ，能进行温度补偿的参考电流取样比较器，精确的占空比控制和大电流图腾柱式输出是驱动MOSET管得理想元器件，并且UC3843具有自动锁存脉宽调制的功能有利于电流比的设定。
优点：以MSP430单片机为主控制器和PWM信号发生器，能根据反馈信号对PWM信号做出调整，从而实现稳压输出。系统输出电压8.0+0.4V可调，可以通过键盘设定和步进调整，电压调整率和负载调整率低，DC/DC变换器能达到较高的效率。
方案二：利用单片机MSP430，以电压型PWM控制器TL494为核心，设计一种稳压输出开关电源，其回路控制器方框图如图1，2，这种方案虽然实现起来较为灵活，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化，但是系统调试比较复杂。鉴于此，我们选择方案一。
2.2 控制方法及实现方案
方案一：利用PWM专用芯片产生PWM控制信号。此法较易实现，工作较稳定，但不易实现输出电压的键盘设定和步进调整。
方案二：利用单片机产生PWM控制信号。让单片机根据反馈信号对PWM信号做出相应调整以实现稳压输出。这种方案控制系统软件编程工作量较小，难度不是很大，用脉宽调制型的控制器实现PWM控制，并且完全由硬件产生高频脉冲，实时性比较好，单片机控制的任务较轻，对单片机硬件资源要求不高，实现起来较为灵活，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化。但是此方案硬件电器设计难度较大，电路板布线工作量较大，系统调试比较复杂。
根据要求选择方案二。单片机和脉宽调制型控制器共同实现整个系统的控制。系统组成框图如图3所示，脉宽调制器产生高频脉冲直接DC/DC变换模块，单片机实现液晶显示、AD/DA转换、、处理电压反馈信号、过流保护、对脉宽调制器进行控制、显示等功能；过流保护电路负载电流不超过2.5A；负载电压负反馈电路进一步对负载电压进行精确控制。
3.理论分析与计算
DC/DC变换器稳压方法：
单端反激DC/DC变换器电路拓扑电路的原理：变压器T1所引起的隔离和传递存储能量的作用，即使在开关管VT开通的时候，Np会存储能量，当开关管VT关断时，NP会向NS释放出能量。当在输出端加电感器L0和电容C0构成低通滤波器时，变压器的初级会有由Cr、Rr和VDr构成的RCD漏感尖峰吸收电路，输出回路有一个整流的二极管VD1。若变压器使用有气隙的磁心，则其铜损耗会较大，变压器温升会相对较高，并且输出的纹波电压比较大；但是电路结构简单，适用于200W以下电源，并且多路输出交调特性相对比较好。
电流电压检测：(1)电压检测是采用电阻分压的方法取得的，通过两只大交流电路进行分压，二极管的正负钳位电压送入跟随器的电压在-5～+5之间，经过跟随器隔离之后再通过比例运算放大器等比例放大，然后送入采样保持器。这样就可以得到被测的信号。(2)电流的检测，一般使用互感器，分流器等将电流信号处理并放大，作为后面电路保护和检测用。
均流方法：工作框图：所采用的是自动均流方法，这种均流方法采用一个窄带电流放大器，输出端口通过阻值为阻值为R连到均流的母线上，n个单元使用n个这种结构。
当输出达到均流时，电流放大器输出电流的I1这时I01处于均流的工作状态。相反地，电阻R产生一个电压，由这个电压控制A1，然后A1再控制单元功率级输出电流，最终使之达到均流。采用这种方法，可以使均流效果比较好，从而比较容易实现准确均流。在具体使用过程中，如果出现均流母线短路或者接在母线上的一个单元不处于工作状态时，母线电压会下降，将会使得每个单元输出电压会下调，甚至有可能达到下限，从而造成故障。并且当某一个模块的电流上升至最大输出电流，电流放大器输出电流也会达到极限值，同时使得其他的单元输出电压自动下降。可以构成多余系统，均流模块在数理论上可以不限。但是此方法的缺点是为使系统在动态调节过程中始终保持稳定状态，通常要限制最大调节的范围，要将所有电压调节到电压捕捉的范围以内。如果有一个模块均流线意外短路，则使得系统无法均流。单个的模块限流可能引起系统的不稳定。在大系统中，系统稳定性与负载均流瞬间响应的矛盾很难解决。如果图5中的电阻R支路上串一只二极管，则构成所谓的最大电流自动均流法。
过流保护方法：如图6所示，利用电流互感器T2来监视负载的电流IT，IT在通过互感器的初级时，会把电流的变化耦合到它的次级，从而在电阻R1上会产生压降。二极管D3会对脉冲电流进行整流，经过整流后再由电阻R2和电容C1进行平滑滤波。如果发生过载现象的时候，电容器C1两端的电压会迅速地增加，会使得齐纳管D4处于导通状态，从而驱动晶体管S1的导通，然后S1集电极的信号可以用来作为电源变换器调节电路的信号驱动。
电流互感器也可以用铁氧体磁芯或MPP环形磁芯来绕制，但是要经过反复的试验，从而来确保磁芯不饱和。理想的电流互感器应该达到匝数比是电流比一般地，互感器的Np=1，Ns=NpIpR1/(Vs＋VD3)。具体绕制数据还要最后经过实验调整，使其性能达到最佳的状态。
4.设计实现
在设计中碰到的一些问题，比如，单片机产生的PWM好像驱动不了MOS管，我们得外加驱动;又控制信号不用单片机，只用一个电容电阻，或555定时器，再用一个三极管和滑动变阻器，反馈也可以。
5.测试
(1)测试使用的仪器：万用表，接触调压器，示波器。
(2)产生偏差的原因：a.对效率所进行的理论分析和理论计算时，采用的器件参数的典型值，但实际器件的参数有明显的离散性，电路性能可能因此而无法达到理论分析数值。b.电路的制作工艺并不是理想的，从而会增加电路中的损耗。
(3)改进方法：a.使用性能更好的器件，如换用导通电阻更小的电力MOS管，采用低阻电容；b.采用软开关技术，从而进一步减小电力MOS管的开关损耗；c.采用同步式开关电源的方案，用电力MOS管代替肖特基二极管以减小损耗；d.优化软件控制算法，进一步减小电压调整率和负载调整率。
参考文献
[1]沈建华,杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.
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[4]王水平等.开关稳压电源原理及设计[M].北京:人民邮电出版社,2008.
作者简介：
开关电源模块范文2
关键词：电源开关 并联 供电
中图分类号：TN710 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）09-0099-01
在诸如计算机服务器、通信基塔、空间站等要求大功率、高效安全可靠、不间断供电的电源系统场合，假如使用单个开关电源模块供电，那么开关电源模块主电路需要处理非常大的功率，所承受的电应力大，这给主电路功率器件的选择、开关频率和功率密度的提供造成了不便，并且一旦开关电源模块发生故障，则将可能造成整个电源系统崩溃。采用多个开关电源模块并联运行，来提高输出功率，以减轻单个电源模块的负担，是目前开关电源系统发展的一个方向。
多个开关电源模块并联运行虽然提高了可靠性，并能实现电路模块标准化等优点，但是并联工作的各个电源模块特性不可能完全一样，若不采取处理可能会影响其中的模块承受较大的输出电流，引起分配电流不均，导致该模块甚至整个电源系统的故障。因此，在多模块并联运行系统中必须引入有效的均流控制策略，从而使各模块均匀地承担负载功率，提高系统的可靠性。
1 DC-DC模块设计方法及实现方案
本系统实验电路采用TI公司的开关降压转换集成芯片TPS5430构成DC-DC主电路，TPS5430内部集成PWM产生电路、高位场效应管驱动电路以及110m欧低导通电阻的NMOS开关管，效率高达95%，输出电流最高可达到3A，有较宽的输出电压范围。TPS5430固定500KHz开关频率，因此可采用较小的滤波电容、电感消除纹波。同时，TPS5430集成度高，只需要配合少量元器件（自举电容、起储能与滤波作用的电感与电容、反馈电阻），构成BUCK电路，即可高效、精确、稳定地得到输出电压，单电源模块应用原理图如图1所示。
（1）二极管的选取。为了达到高效率，要使用压降小并且恢复速度快的续流二极管D1。普通的二极管，正向压降比较大，同时，由于开关管高速地在导通与截止状态之间转换，普通二极管反应速度不够快，二极管会大量发热并且使TPS5430的输出波形也会受到影响，整个系统的效率很低。
（2）输出滤波器的选择。电感L1和电容C1是DC-DC输出滤波器的关键，它们共同担负着储能与滤波的作用。在设计输出滤波器时，可以选择一阶LC滤波器或二阶甚至更高阶LC滤波器，但兼顾到对效率及纹波的要求，可选择低阶滤波，以降低滤波器的消耗。由于TPS5430开关管的工作频率为500KHz，频率较高，故对电容电感的选择已经较为苛刻。
2 均流控制方法及实现方案
主从均流法、输出阻抗法、最大电流自动均流法、平均电流自动均流法和外加均流控制器法等是目前开关电源并联供电系统常用的均流方法，其中最大电流自动均流法具有均流精度高、负载调整率高、动态响应好、易于实现冗余的特点而得到广泛应用。负载共享控制器UCC39002设计原理是根据最大电流自动均流法设计，它控制多个独立电源或者DC/DC模块并联供电自动均流的理想选择。
在本系统实验电路中，使用两片UCC39002实现均流控制。在DC-DC模块正常工作时，将两路UCC39002的均流母线LS连接，根据UCC39002均流原理，UCC39002将会自动选出电流最大的一路，并将最大的一路电源作为主电源，此路UCC29002内部的三极管截止，即没有电流流入其ADJ脚，故该路中只是反馈线上比无UCC39002时多了一个小电阻R4。而电流较小的另一路电源成为从电源，均流母线上的电压将由主电源的输出电流决定，从电源的UCC39002接收到母线上的信号后，会控制从电源DC-DC模块稍稍提高输出电压，具体工作原理是，从电源UCC29002内部三极管导通，此三极管发射极有一个500Ω电阻到地，此时通过该三极管的电流即为/500，有此附加电流流过R4后，A点电压下降，从而B点基准电压也下降，而不再是1.22V，此时为了使恢复到1.22V，TPS5430将增加PWM脉冲宽度，增加V从而提高该路电流输出，减小与主电源的电压差，通过减小从电源与主电源的电压差来提高该路输出电流，从而达到均流。
3 过流保护故障与自动恢复方法及实现方案
在本系统实验电路中，采用硬件电路实现。当开关电源的输出电流超过规定值时，利用电阻采样转换为电压与可预置的基准电压比较后，控制TPS5430的开关频率输出使能端ENA，也可设计为控制继电器断开负载，起到保护作用。为了实现自动恢复功能，本系统设计了单稳态触发延时电路，每次触发后系统停止工作可预值时间后，继续检测过流故障是否已经被排除。如果过流故障排除，系统自动恢复。
4 结论
根据所设计的实验电路，我们试制了实验样机，通过实验数据测试与分析，调整实验负载电阻至额定输出功率为32W工作状态下，供电系统的直流输出电压V维持在8.0±0.28V之间，纹波电压峰峰值在30mV左右，供电系统的效率高达93.6%，调整负载电阻至额定电流值范围内的任意输出电流值，两个电源模块的输出电流的相对误差绝对值小于3.2%，均流效果非常好，同时该系统集成性高，电路结构简单，所用器件少，还不易发热，保证了整个系统高效、稳定、可靠的运行。
参考文献：
开关电源模块范文3
电气工程及自动化
大功率开关电源的设计
一、
综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
开关电源的前身是线性稳压电源。在开关电源出现之前，各种电子装置、电气控制设备的工作电源都采用线性稳压电源。随着电子技术的迅猛发展，集成度的不断增加，计算机等各种电子设备体积越来越小而功能却越来越强大，因此，迫切需要重量轻、体积小、效率高的新型电源，这就为开关电源技术的发展提供了强大的动力。
可以说，开关电源技术的发展是随着电力电子器件的发展而发展的。新型电力电子器件的发展为开关电源的发展提供了物质条件。20世纪60年代末，耐高压、大电流的双极型电力晶体管（亦称巨型晶体管，BJT、GTR）的问世使得采用高工作频率的开关电源的出现称为可能。
早期的开关电源开关频率仅为几千赫兹，随着磁性材料及大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短，开关电源工作频率逐步提高。到了1969年，终于做成了25千赫兹的开关电源。由于它突破了人耳听觉极限的20千赫兹，这一变化甚至被称为“20千赫兹革命”。
在20世纪80年代以前，开关电源作为线性稳压电源的更新换代产品，主要应用于小功率场合。而中大功率直流电源则以晶闸管相控整流电源为主。但是，这一格局从20世纪80年代起，由于绝缘栅极双极型晶体管（简称IGBT）的出现而被打破。IGBT属于电压驱动型器件，与GTR相比前者易于驱动，工作频率更高，有突出的优点而没有明显的缺点。因而，IGBT迅速取代了GTR，成为中等功率范围的主流器件，并且不断向大功率方向拓展。
开关电源开关频率的提高可以使电源重量减轻、体积减小，但使开关损耗增大，电源效率降低，电磁干扰问题变得突出起来。为了解决因提高开关电源工作频率而带来的负面影响，同样在20世纪80年代，出现了软开关技术。软开关技术采用准谐振技术的零电压开关（ZVS）电路和零电流开关(ZCS)电路。在理想情况下，采用软开关技术，可使开关损耗降为零。正是软开关技术的应用，使开关电源进一步向效率高、重量轻、体积小、功率密度大的方向发展。经过近30年的发展，对软开关技术的研究可谓方兴未艾，它已成为各种电力电子电路的一项基础性技术。迄今为止，软开关技术应用最为成功的领域非开关电源莫属。
最近几年，“绿色电源”这一名词开始进入人们的视野。所谓“绿色”是指，对环境不产生噪声、不产生电磁干扰，对电网不产生谐波污染。为了提高开关电源的功率因数，降低开关电源对电网的谐波污染，在20世纪90年代，出现了功率因数校正（Power
Factor
Correction——PFC）技术。目前，单相PFC技术已比较成熟，相关的控制芯片已在各种开关电源中广泛应用，相比之下三相PFC技术则还处在起步阶段。
高频化是开关电源轻、薄、小的关键技术，国外各大开关电源制造商都在功率铁氧体材料上加大科技创新，并致力于开发新型高智能化的元器件，尤其是改善整流器件的损耗，以提高在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能。另外，电容器的小型化和表面粘着（SMT）技术的应用为开关电源向轻、薄、小型化发展奠定了良好的技术支持。目前市场上出售的采用双极性晶体管制成的100千赫兹开关电源和用场效应管制成的500千赫兹开关电源虽已使用化，但其工作频率还有待进一步的提高。
模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，实现并联方式的容量扩展。
选择本课题可以使我掌握开关电源的工作原理，进一步加深对开关电源的理解。并把所学的专业知识（包括单片机原理与应用技术、电力电子技术、大学物理、计算机辅助设计等）应用到具体实例中，有效地巩固所学的基础理论知识，真正做到学有所用。
二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：
1、研究的基本内容包括：开关电源的工作原理，大功率开关电源中普遍采用的全桥型电路及其驱动电路以及高频变压器的设计与制作等。
2、计划将此系统分成四部分——功率因数校正（PFC）电路、辅助电源模块、主电路以及控制电路。
3、功率因数校正电路用来提高整流电路的功率因数，防止大量的谐波分量涌入电网，造成对电网的谐波污染，干扰其它用电设备的正常运行。
4、辅助电源模块用来为控制电路提供电能。拟用单片集成开关电源芯片（TOP204）来实现。
5、控制电路用场效应管集成驱动芯片IR2155,驱动全桥电路。
6、主电路的设计主要包括高频变压器的设计和全桥型电路中功率管的选型。
三、研究步骤、方法及措施：
步骤：
（1）查阅相关的技术资料，制定初步的方案；
（2）利用适当的计算机辅助设计软件（如Proteus、PI
Expert
6.5、Multism等）对设计方案进行模拟仿真；
（3）四个模块设计的先后顺序为功率因数校正电路、辅助电源模块、控制电路和主电路。
方法：化繁为简，将整个系统分解成四个部分，方便设计、调试。对局部电路预先进行仿真，对结果有所预期。
措施：查阅于毕业设计有关资料和文献（图书馆、超星电子图书阅览室等）。经常与指导老师取得联系，一起探讨有关电路的设计方案等问题。
四、参考文献
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康华光.
电子技术基础.模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.
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开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2000.
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DXP
电路原理图设计指南[M].北京：中国铁道出版社，2003.
开关电源模块范文4
关键词：开关电源 高频 小型
1 引言
随着电力电子技术的告诉发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。
开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 2 开关电源的分类
人们的开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。 2.1 DC/DC变换
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类： （1） Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。 （2） Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。 （3） Buck-Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。 （4） Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo 大于或小于输入电压UI，极性相反，电容传输。
当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6、2、10、17）W/cm3，效率为（80-90）%。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200~300）kHz，功率密度已达到27 W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），是整个电路效率提高到90%。 2.2 AC/DC变换
AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。
AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。
3 开关电源的选用
开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点（多级串联），一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达（0.5~1）%。开关电源模块作为一种电力电子集成器件，在选用中应注意以下几点： 3.1输出电流的选择
因开关电源工作效率高，一般可达到80%以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为： Is=KIf 式中：Is—开关电源的额定输出电流； If—用电设备的最大吸收电流； K—裕量系数，一般取1.5~1.8； 3.2接地
开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施，按ICE1000．EN61000．FCC等EMC限制，形状开关电源均采取EMC电磁兼容措施，因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。如利德华福技术的HA系列开关电源，将其FG端子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。 3.3保护电路
开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。 4 开关电源技术的发展动向
开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的的可靠性大大提高。
开关电源模块范文5
当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。
1.电力电子技术的发展
现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
1.1整流器时代
大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
1.2逆变器时代
七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。
1.3变频器时代
进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
2.现代电力电子的应用领域
2.1计算机高效率绿色电源
高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。
计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高频开关电源
通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。
因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。
2.3直流-直流(DC/DC)变换器
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。
2.4不间断电源(UPS)
不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。
现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。
目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。
2.5变频器电源
变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。
2.6高频逆变式整流焊机电源
高频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,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。
逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。
由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率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,重量29kg。
2.7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应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。
自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,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,采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电压,然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。
2.8电力有源滤波器
传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。
电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。
2.9分布式开关电源供电系统
分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。
八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。
分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。
3.高频开关电源的发展趋势
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。
3.1高频化
理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。
3.2模块化
模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。
3.3数字化
在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。
3.4绿色化
电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。
现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。
开关电源模块范文6
关键词：静调电源柜；电气连锁；保护回路；列车检修
引言
地铁停车场DC 1500V静调电源柜，主要用于提供列车检修供电电源以满足检修需要。若静调电源柜出现故障，将会对列车检修作业产生影响，极有可能造成在检修列车设备故障，甚至会威胁检修人员生命安全。
为确保检修人员与设备安全，在静调电源柜与列车二次控制回路之间设计有电气连锁回路，起安全保护作用，该电气保护回路是通过静调柜柜内电源模块输出的DC110V电路和列车上的一个继电器互锁来实现的。
2014年发生了一起由于DC1500V静调电源柜与列车电气联锁安全保护回路设计缺陷引起直流开关瞬时过流保护动作事件，造成列车检修区瞬时失电，影响列车正常检修维护。因此，对静调电源柜与列车电气联锁安全保护回路设计缺陷进行分析研究显得十分必要。
1 故障案例分析
2014年8月27日，某地铁停车场211开关瞬时过流保护动作，5s后重合闸成功，XFGD1区瞬时失电。查看211开关故障信息及故障录波情况，其故障电流最大值达到15250A，超过瞬时过电流保护定值6000A，因此可以判断为开关保护正确动作。随后对由停车场211开关供电的XFGD1区进行排查，发现区内19B-2号静调电源柜内有大量放电、烧伤痕迹。
经过研究分析，认为引起本次设备故障的原因为：为保护人员及设备安全在静调电源柜与列车二次控制回路之间设有的电气连锁回路存在设计缺陷，在静调柜插头与列车做好连接进行正常使用的过程中，会导致钢轨（DC1500V负极回流通道）与柜内电源模块负极短接，若同一供电区存在列车取流，钢轨作为DC1500V负极回流通道，必有大电流流过，静调柜与列车插接的铜导线电阻远小于钢轨电阻，大电流选择从小电阻通道由一次强电回路流入二次弱电控制回路，造成电源模块绝缘击穿放电拉弧，拉弧时柜内空气绝缘被电离，柜内空气绝缘瞬间下降，引起柜内DC1500V母线对电源模块及柜体产生放电，拉弧，导致停车场211开关瞬时过流保护动作。
2 技术分析
2.1 电气联锁保护回路原理
静调电源柜的作用是给检修列车提供DC1500V电源，静调柜的插头上有两路电源，DC1500V主回路电源和DC110V辅助回路电源，在使用过程中，需要人工将静调柜的插头与列车上的插座进行连接。为了保护检修人员及设备安全，在静调柜与列车之间设计有电气联锁安全保护回路，在静调柜插头没有连接到列车插座上时，静调电源柜无法合闸，防止在插头没有连接时送电造成检修人员人身伤害。在静调柜插头与列车插座连接牢固可靠时，电气联锁回路继电器K6得电，继电器触点正常闭合，静调柜才能控制合闸给列车进行供电（图1）。
在插头与列车插座连接牢固的情况下，K6继电器得电动作的条件是列车继电器KASPS得电，其辅助触点闭合。而KASPS触点闭合条件是列车KASPS继电器线圈得电，此时开关电源P2经过SPS BOX输出DC110+至列车KASPS线圈A端，但KASPS继电器线圈的B端连接在了一次回路回流钢轨，导致K6中间继电器线圈回路存在断点，触点不能动作闭合。
在新线调试期间，因需要紧急送电供列车调试使用，静调电源柜厂家技术人员擅自决定将X1：13与回流轨短接，接通KASPS继电器线圈所在的DC110V回路，使其辅助触点动作闭合，从而接通K6继电器线圈回路，完成静调电源柜合闸功能。同时，也为后来静调电源柜内电源模块的烧损提供了可能。
2.2 存在的隐患分析
从电气联锁保护回路原理可以看出，最大的隐患点出现在厂家技术人员擅自将X1：13与回流轨短接，为一次强电回流流入二次控制单元提供了通道。二次控制单元元器件、线缆的绝缘强度，载流能力，容量远小于一次回路，也就是说，只要出现大电流流入的情况，就会出现二次元件或电缆的烧损、放电，并极有可能造成绝缘击穿，导致静调柜柜内一次回路对二次元件或柜体放电，造成设备元器件烧毁。
3 技术改造方案
经分析研究得出有以下几种解决方案：（1）将静调柜电源模块至插头的DC110V辅助回路去掉，直接短接X1：13和X1：14两点，可让静调电源柜正常合闸送电。该方案相当于取消了电气联锁安全保护回路，在插头没有插入列车或未与列车可靠连接的情况下，静调电源柜均能正常合闸，使得插头带电，有可能危及现场检修人员人身与设备安全，故不采纳。（2）更改列车内部接线，使得KASPS线圈A端从静调电源柜的电源模块取DC110V+，且B端不和回流轨连接，而是通过导线连接至电源模块回流。（3）更改列车内部接线，使得KASPS线圈的DC110V+不从静调电源柜电源模块上取电，而是接入列车本身提供的DC110V电源回路。方案（2）、（3）涉及到列车内部接线改造问题，供电技术人员将相关情况向列车负责人员进行了说明沟通，考虑到现场存在的较大设备隐患，在列车内部接线暂时无法改造的前提下，供电技术人员研究讨论形成了第四种解决方案：
对静调电源柜P2开关电源负极至与列车连接端子X1：12之间的接线进行技术改造，将原有线径2.5mm2普通导线更换为线径为16mm2高绝缘强度的一次线缆，并在该段线缆靠近电源模块负极侧加装空气开关，靠近馈出线端子侧加装熔断器，如图2。
在列车检修人员不使用静调电源柜时将加装的空气断路器打下，断开静调柜电源模块负极与钢轨之间的连接，加装的熔断器也可保证在有大电流流入静调电源柜电源模块时快速熔断，起到保护静调电源柜的作用。这种技术方案的意义在于列车内部接线无法改变的前提下，能够保证列车检修人员及设备安全，能够保证正常列车检修及功能调试，能够确保静调电源柜的正常运行。
4 结束语
对静调电源柜电气联锁安全保护回路进行技术改造后，测试各项功能正常，经长期在线运行监测，确定该技术改造方法有效可行，改造完成后至今未发生过故障。
