開關(guān)電源地發(fā)展與應(yīng)用

1、 高頻開關(guān)電源的應(yīng)用與發(fā)展On Application and Development of High frequency SMPS 上海輕工業(yè)設(shè)計(jì)院周德賢（上海200031）1高頻電源系統(tǒng)方框圖高頻開關(guān)整流器一般是先將交流電直接經(jīng)二極管整流、濾波成直流電，再經(jīng)過開關(guān)電源變換成高頻交流電，通過高頻變壓器變壓隔離后，由快速恢復(fù)二極管高頻整流、電感電容濾波后輸出，見圖1。圖12采用高頻化有較高技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電器產(chǎn)品的體積重量與其供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz時(shí)，用電設(shè)備的體積重量大體上降至工頻設(shè)計(jì)的（510）。這正是開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)變頻帶來

2、明顯效益的基本原因。逆變或整流焊機(jī)、通訊電源用浮充電源的開關(guān)式整流器，都是基于這一原理。那么，以同樣的原理對傳統(tǒng)的電鍍、電解、電加工、浮充、電力合閘等各種直流電源加以類似的改造，使之更新?lián)Q代為“開關(guān)變換類電源”，其主要材料可以節(jié)約90或更高，還可節(jié)電30或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化，既可帶來顯著節(jié)能、節(jié)材的經(jīng)濟(jì)效益，更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)值。3設(shè)計(jì)模塊化自由組合擴(kuò)容互為備用提高安全系數(shù)模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。實(shí)際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重，對器件造

3、成更大的應(yīng)力（表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺）。為了提高系統(tǒng)的可靠性，而把相關(guān)的部分做成模塊。把開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路也裝到功率模塊中去，構(gòu)成了“智能化”功率模塊（IPM），這既縮小了整機(jī)的體積，又方便了整機(jī)設(shè)計(jì)和制造。多個(gè)獨(dú)立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術(shù)，所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流，一旦其中某個(gè)模塊失效，其它模塊再平均分擔(dān)負(fù)載電流。這樣，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過增加相對整個(gè)系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，便極大地提高了系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復(fù)提供了充分的時(shí)間。4高頻開關(guān)電源產(chǎn)品規(guī)格(見表1、表2)

4、表1功率500W3000W型號(hào)SZ500SZ1000SZ2000SZ3000輸出電壓5100V10100V25100V2436V電流5100A10100A880A85125A穩(wěn)定度（）1111輸入電壓（V）AC220AC220AC220AC220模塊重量（kg）1.524.58表2功率5000W20000W型號(hào)SZ5000SZ10000SZ20000輸出電壓2436V2448V2448V電流140210A208360A420850A穩(wěn)定度（）111輸入電壓（V）AC380AC380AC380模塊重量（kg）142040以上產(chǎn)品重量僅為傳統(tǒng)產(chǎn)品重量的1/51/8。5國內(nèi)外IGBT逆變焊機(jī)的發(fā)展情

5、況IGBT逆變焊機(jī)具有動(dòng)態(tài)特性好、體積小、重量輕、高效節(jié)能、節(jié)材、有利于焊接自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。從70年代起，就受到國內(nèi)外焊機(jī)界的高度重視。當(dāng)今，許多工業(yè)國家，如美國、西歐等把“絕緣柵雙極型晶體管”（IGBT）運(yùn)用到焊機(jī)上，其各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于其他類型焊機(jī)，已形成規(guī)模，并占領(lǐng)了市場，成為焊機(jī)的發(fā)展方向。目前，我國進(jìn)口的焊機(jī)，大多是這種焊機(jī)。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，近年來我國每年的焊機(jī)銷量以大約40的速度遞增，同時(shí)有關(guān)部門已決定淘汰老式焊機(jī)，IGBT逆變焊機(jī)以其優(yōu)點(diǎn)，成為用戶更新?lián)Q代的首選產(chǎn)品。51原理框圖見圖2圖252原理說明380（220）V交流電，經(jīng)全橋整流成直流電源；通過IGBT逆變器，形成20kHz的高頻

6、矩形波；再由高頻變壓器降壓到幾十伏通過快速恢復(fù)二極管整流、濾波成為直流焊接電源。53IGBT焊機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)：·動(dòng)態(tài)特性好，焊接質(zhì)量高·體積小，重量輕·噪音低·效率高，節(jié)能近幾年來，我國也有許多廠家從事IGBT焊機(jī)的開發(fā)和生產(chǎn)。國產(chǎn)焊機(jī)與進(jìn)口產(chǎn)品相比有價(jià)格較低的優(yōu)勢。但由于多方面的原因，目前國產(chǎn)的IGBT逆變焊機(jī)，在設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝、元器件可靠性等方面都有不同程度的問題，使得故障率較高。到目前為止，還沒有一個(gè)廠家的產(chǎn)品在廣大用戶心目中建立可靠的產(chǎn)品形象。可以這樣說，“誰能有突破，掌握高品質(zhì)的產(chǎn)品，解決了國產(chǎn)IGBT焊機(jī)的可靠性問題，誰就可以占領(lǐng)這個(gè)市場”。

7、ZX7400逆變弧焊整流器AT7400直流弧焊發(fā)電機(jī)ZXG140硅整流弧焊機(jī)ZXG400磁放大器整流器ZX5400晶閘管整流器額定輸出電流（A）400400400400400額定負(fù)載持續(xù)率6060606060輸出空載電壓（V）7080609071.58063輸入電壓（V）3×3803×3803×3803×3803×380效率（）855376.57574COS0.98(=0.79)0.90.680.550.75重量（kg）44370238310220外型尺寸長（mm）560950685690594寬（mm）254590570490495高（mm）

8、415890107595210006電力智能高頻開關(guān)整流器目前我國各地的發(fā)電廠、水電站及500kV、220kV、110kV、35kV等各類變電站所使用的直流電源設(shè)備（包括供給斷路器分合閘用，后備電池充電以及二次回路的儀器儀表，繼電保護(hù)，控制應(yīng)急燈照明等各類低壓設(shè)備用電），大部分采用的是相控電源或磁飽和式電源，由于受工藝水平和器件特性的限制，上述電源長期以來處于低技術(shù)指標(biāo)、維護(hù)保養(yǎng)難的狀況。由于受變壓器或晶閘管自身參數(shù)的限制，上述電源存在很多不足之處，諸如：初充電流、浮充電流不穩(wěn)，系統(tǒng)紋波電壓過高，控制特性不佳，不便于同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配接實(shí)現(xiàn)監(jiān)控等。同時(shí)，目前充電設(shè)備與蓄電池并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)電源紋波系數(shù)

9、較大，浮充電壓波動(dòng)或偏低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)蓄電池脈動(dòng)充電、放電現(xiàn)象，造成蓄電池組或單體的過早損壞。除了很多技術(shù)指標(biāo)方面的缺陷外，上述電源還存在體積龐大，效率不高，11冗余投資大等不足之處，應(yīng)該說已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足飛速發(fā)展的電力工程的需要，而以體積小、重量輕、效率高、輸出紋波低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、模塊可疊加輸出、N1冗余等為特點(diǎn)的高頻開關(guān)電源逐步取代相控電源或磁飽和式電源已是大勢所趨，特別是近十年來電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及功率器件制造技術(shù)的提高，更使高頻開關(guān)電源的可靠性及適用面大大優(yōu)于相控電源和磁飽和式電源，所以90年代以后，美國、德國等西方發(fā)達(dá)國家新建電廠和變電站的相關(guān)設(shè)備已全部采用高頻開關(guān)電源，

10、并完成了對舊有電源設(shè)備的改造。模塊采用三相三線制380V平衡輸入，無表4高頻電力模塊特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目指標(biāo)測試條件最小標(biāo)稱值最大輸入電壓范圍（VAC）260380456輸出240VDC，滿載輸出可調(diào)范圍（VDC）180230300輸入380VAC，滿載穩(wěn)壓精度0.010.5輸出198296VDC,(20100)負(fù)載，輸入260456VAC穩(wěn)流精度0.080.5輸出198286VDC，（20100）負(fù)載，輸入260456VAC動(dòng)態(tài)響應(yīng)100s150s400s額定輸出2075負(fù)載躍變充電機(jī)效率889091輸出300V，5A最大可聞噪聲（dB）5060滿載，環(huán)境噪音40dB表5高頻開關(guān)電源直流系統(tǒng)與

11、常規(guī)電源直流系統(tǒng)的比較技術(shù)指標(biāo)內(nèi)容開關(guān)電源直流系統(tǒng)SCR直流系統(tǒng)常規(guī)直流系統(tǒng)穩(wěn)壓穩(wěn)流精度0.10.52紋波系數(shù)0.10.52源效應(yīng)0.050.62負(fù)載效應(yīng)0.10.53效率908575功率因數(shù)75，可校正0.70.6開機(jī)浪涌電子控制，無無感性負(fù)載，有可靠性高，N1冗余較高，11冗余低，11冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化并聯(lián)結(jié)構(gòu)柜屏柜（屏）式結(jié)構(gòu)監(jiān)控功能完善較完善備有系統(tǒng)操作管理功能體積重量小，輕中等大，重電池管理功能完善較好一般電力高頻開關(guān)整流領(lǐng)域又添新力軍深圳新能力科技有限公司國家電力事業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了舉世矚目的成就。其中直流操作電源也經(jīng)歷了從磁飽和電源至晶閘管電源，到目前的高頻開關(guān)電源，在發(fā)

12、展過程中每一次的進(jìn)步都是電力應(yīng)用領(lǐng)域的一次革命。高頻開關(guān)整流技術(shù)是國家頒布優(yōu)先發(fā)展的高科技項(xiàng)目。新能力科技公司始終走在高頻開關(guān)技術(shù)前沿，與國情相結(jié)合，開發(fā)高頻開關(guān)整流系列產(chǎn)品，最大限度地滿足市場的需要，被列為國家科技部重點(diǎn)扶持企業(yè)。新能力公司提供的不僅僅是性能可靠和品種、規(guī)格豐富的產(chǎn)品，而且其中蘊(yùn)含著卓越的服務(wù)理念，并以實(shí)現(xiàn)民族產(chǎn)業(yè)為已任，成為電力高頻開關(guān)整流領(lǐng)域的新力軍，體現(xiàn)了中國人的新能力！中線電流損耗，在交流輸入端，采用先進(jìn)的尖峰抑制器件及EMI濾波電路，由全橋整流電路將三相交流電整流為直流，再由DC/DC高頻變換電路（300kHz）把所得的直流電逆變成穩(wěn)定可調(diào)的直流電輸出。脈寬調(diào)制電路

13、（PWM）及軟開關(guān)諧振電路根據(jù)電網(wǎng)和負(fù)載的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)高頻開關(guān)的脈沖寬度和移相角，使輸出電壓電流在任何允許的情況下都能保持穩(wěn)定。7開關(guān)電源的發(fā)展趨勢在功率電子技術(shù)的應(yīng)用及基本電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。傳統(tǒng)的相控型電源非常龐大而笨重，例如逆變焊機(jī)、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源。如果采用高頻開關(guān)電源技術(shù)，其體積和重量都會(huì)大幅度下降，而且可較大地提高電能利用率、節(jié)省材料、降低成本。在電動(dòng)汽車和交流傳動(dòng)中，更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率，從而達(dá)到近乎理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)控制?，F(xiàn)在，開關(guān)電源技術(shù)方興未艾，而近年來又被大的市場需求所推動(dòng)，必將帶來開關(guān)電

14、源技術(shù)的大發(fā)展。這幾年，隨著通信行業(yè)的發(fā)展，以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信電源，國內(nèi)將有較大的市場需求。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨，因此同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在起動(dòng)，并將很快發(fā)展起來。還有其他許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源，也將得到迅速發(fā)展。電磁兼容是指在有限的空間、時(shí)間和頻譜范圍內(nèi)，各種電氣設(shè)備共存而不引起性能的下降，它包括電磁騷擾（EMD）和電磁敏感（EMS）兩方面的內(nèi)容。EMD是指電氣產(chǎn)品向外發(fā)出噪聲，EMS則是指電氣產(chǎn)品抵抗外來電磁騷擾的能力。一臺(tái)具備良好電磁兼容性能的設(shè)備，應(yīng)該既不受周圍電磁環(huán)境的影響也不對周圍造成電磁騷擾。 &#

15、160;   開關(guān)電源中的功率開關(guān)管在高頻下的通、斷過程產(chǎn)生大幅度的電壓和電流跳變，因而產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁騷擾，但騷擾的頻率范圍（<30MHz）是比較低的。多數(shù)小功率開關(guān)電源的幾何尺寸遠(yuǎn)小于30MHz電磁場對應(yīng)的波長（空氣介質(zhì)中約為10m），開關(guān)電源系統(tǒng)研究的電磁騷擾現(xiàn)象屬于似穩(wěn)場的范圍，研究它們的電磁騷擾問題時(shí)，主要考慮的是傳導(dǎo)騷擾。 開關(guān)電源中的電磁騷擾源主要有開關(guān)器件、二極管和非線性無源元件；在開關(guān)電源中，印制板布線不當(dāng)也是引起電磁騷擾的一個(gè)主要因素  開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁騷擾     對開關(guān)電源來說，開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁騷擾是開

16、關(guān)電源的主要騷擾源之一。開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心，主要由開關(guān)管和高頻變壓器組成。它產(chǎn)生的dv/dt是具有較大輻度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖騷擾產(chǎn)生的主要原因是     1）開關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級線圈，是感性負(fù)載。在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，初級線圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關(guān)管斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲(chǔ)藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰。這種電源電壓中斷會(huì)產(chǎn)生與初級線圈接通時(shí)一樣的磁化沖擊電流瞬變，這

17、個(gè)噪聲會(huì)傳導(dǎo)到輸入輸出端，形成傳導(dǎo)騷擾，重者有可能擊穿開關(guān)管。 2）脈沖變壓器初級線圈，開關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射騷擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會(huì)使高頻電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)騷擾。二極管整流電路產(chǎn)生的電磁騷擾     主電路中整流二極管產(chǎn)生的反向恢復(fù)電流的|di/dt|遠(yuǎn)比續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流的|di/dt|小得多。作為電磁騷擾源來研究，整流二極管反向恢復(fù)電流形成的騷擾強(qiáng)度大，頻帶寬。整流二極管產(chǎn)生的電壓跳變遠(yuǎn)小于電源中的功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓跳變。因此，不計(jì)整流

18、二極管產(chǎn)生的|dv/dt|和|di/dt|的影響，而把整流電路當(dāng)成電磁騷擾耦合通道的一部分來研究也是可以的。   dv/dt與負(fù)載大小的關(guān)系 功率開關(guān)管開通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的dv/dt是開關(guān)電源的主要騷擾源。經(jīng)理論分析及實(shí)驗(yàn)表明，負(fù)載加大，關(guān)斷產(chǎn)生的|dv/dt|值加大，而負(fù)載變化對開通的|dv/dt|影響不大。由于開通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的|dv/dt|不同，從而對外部產(chǎn)生的騷擾脈沖也是不同的。 開關(guān)電源電磁噪聲的耦合通道     描述開關(guān)電源和系統(tǒng)傳導(dǎo)騷擾的耦合通道有兩種方法：     1）將耦合通道分為共模通道和差模通道；

19、60;   2）采用系統(tǒng)函數(shù)來描述騷擾和受擾體之間的耦合通道的特性。     本文采用第一種方法進(jìn)行論述。   共模和差模騷擾通道     開關(guān)電源在由電網(wǎng)供電時(shí)，它將從電網(wǎng)取得的電能變換成另一種特性的電能供給負(fù)載。同時(shí)開關(guān)電源又是一噪聲源，通過耦合通道對電網(wǎng)、開關(guān)電源本身和其它設(shè)備產(chǎn)生騷擾，通常多采用共模和差模騷擾加以分析。     “共模騷擾”是指騷擾大小和方向一致，其存在于電源任何一相對大地、或中線對大地間。共模騷擾也稱為縱模騷擾、不對稱騷擾或接地騷擾。是載流體與大地之

20、間的騷擾。     “差模騷擾”是指大小相等，方向相反，其存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模騷擾也稱為常模騷擾、橫模騷擾或?qū)ΨQ騷擾。是載流體之間的騷擾。     共模騷擾說明騷擾是由輻射或串?dāng)_耦合到電路中的，而差模騷擾則說明騷擾源于同一條電源電路的。通常這兩種騷擾是同時(shí)存在的，由于線路阻抗的不平衡，兩種騷擾在傳輸中還會(huì)相互轉(zhuǎn)化，情況十分復(fù)雜。共模騷擾主要是由|dv/dt|產(chǎn)生的，|di/dt|也產(chǎn)生一定的共模騷擾。但是，在低壓大電流的開關(guān)電源中，共模騷擾主要是由|dv/dt|產(chǎn)生的還是由|di/dt|產(chǎn)生的，需要進(jìn)一步研究。

21、     在頻率不是很高的情況下，開關(guān)電源的騷擾源、耦合通道和受擾體實(shí)質(zhì)上構(gòu)成一多輸入多輸出的電網(wǎng)絡(luò)，而將其分解為共模和差模騷擾來研究是對上述復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的一種處理方法，這種處理方法在某種場合還比較合適。但是，將耦合通道分為共模和差模通道具有一定的局限性，雖然能測量出共模分量和差模分量，但共模分量和差模分量是由哪些元器件產(chǎn)生的，的確不易確定。因此有人用系統(tǒng)函數(shù)的方法來描述開關(guān)電源騷擾的耦合通道，即研究耦合通道的系統(tǒng)函數(shù)與各元器件的關(guān)系，建立耦合通道的電路模型。許多系統(tǒng)分析的結(jié)果，如靈敏度的分析、模態(tài)的分析等，都可用來研究開關(guān)電源的EMD的調(diào)試和預(yù)測。但是，用

22、系統(tǒng)函數(shù)的方法分析騷擾的耦合通道，還需要做很多工作。   雜散參數(shù)影響耦合通道的特性     在傳導(dǎo)騷擾頻段（小于30MHz）范圍內(nèi)，多數(shù)開關(guān)電源騷擾的耦合通道是可以用電路網(wǎng)絡(luò)來描述的。但是，在開關(guān)電源中的任何一個(gè)實(shí)際元器件，如電阻器、電容器、電感器乃至開關(guān)管、二極管都包含有雜散參數(shù)，且研究的頻帶愈寬，等值電路的階次愈高，因此，包括各元器件雜散參數(shù)和元器件間的耦合在內(nèi)的開關(guān)電源的等效電路將復(fù)雜得多。在高頻時(shí)，雜散參數(shù)對耦合通道的特性影響很大，分布電容的存在成為電磁騷擾的通道。另外，在開關(guān)管功率較大時(shí)，集電極一般都需加上散熱片，散熱片與開關(guān)管之間的分布電容

23、在高頻時(shí)不能忽略，它能形成面向空間的輻射騷擾和電源線傳導(dǎo)的共模騷擾。 3  電磁騷擾的抑制     對開關(guān)電源的EMD的抑制措施，主要是     1）減小騷擾源的騷擾強(qiáng)度；     2）切斷騷擾傳播途徑。     為了達(dá)到這個(gè)目的，主要從選擇合適的開關(guān)電源電路拓?fù)?；采用正確的接地、屏蔽、濾波措施；設(shè)計(jì)合理的元器件布局及印制板布線等幾個(gè)方面考慮。 3.1  減小開關(guān)電源本身的騷擾     減小開關(guān)電源本身的騷擾是抑制開關(guān)電源騷擾

24、的根本，是使開關(guān)電源電磁騷擾低于規(guī)定極限值的有效方法。     1）減小功率管通、斷過程中產(chǎn)生的騷擾     上面分析表明，開關(guān)電源的主要騷擾是來自功率開關(guān)管通、斷的dv/dt。因此減小功率開關(guān)管通、斷的dv/dt是減小開關(guān)電源騷擾的重要方面。人們通常認(rèn)為軟開關(guān)技術(shù)可以減小開關(guān)管通、斷的dv/dt。但是，目前的一些研究結(jié)果表明軟開關(guān)并不像人們預(yù)料的那樣，可以明顯地減小開關(guān)電源的騷擾。沒有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軟開關(guān)變換器在EMC性能方面明顯地優(yōu)于硬開關(guān)變換器。     有文獻(xiàn)系統(tǒng)地研究了PWM反激式變換器、準(zhǔn)諧振

25、零電流變頻開關(guān)正激變換器、多諧振零電壓變頻開關(guān)反激式變換器、多揩振零電壓變頻開關(guān)正激變換器、電壓箝位多諧振零電壓定頻開關(guān)反激式變換器以及半橋式零電壓變頻串聯(lián)諧振變換器的EMD特性，討論了緩沖電路、箝位電路、變頻與定頻控制對騷擾水平的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有電壓箝位的零電壓定頻開關(guān)變換器的EMD電平最低。     因此，采用軟開關(guān)電源技術(shù)，結(jié)合合理的元器件布置及合理的印制電路板布線，對開關(guān)電源的EMD水平有一定的改善。     2）開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)     將頻率不變的調(diào)制改變?yōu)殡S機(jī)調(diào)制，變頻調(diào)制等。頻率固

26、定不變的調(diào)制脈沖產(chǎn)生的騷擾在低頻段主要是調(diào)制頻率的諧波騷擾，低頻段的騷擾主要集中在各諧波點(diǎn)上。由F.Lin提出的開關(guān)頻率調(diào)制方法3，其基本思想是通過調(diào)制開關(guān)頻率fc的方法，把集中在開關(guān)頻率fc及其諧波2fc，3fc上的能量分散到它們周圍的頻帶上，由此降低各個(gè)頻點(diǎn)上的EMD幅值，以達(dá)到低于EMD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。這種開關(guān)調(diào)頻PWM的方法雖然不能降低總的騷擾能量，但它把能量分散到頻點(diǎn)的基帶上，以達(dá)到各個(gè)頻點(diǎn)都不超過EMD規(guī)定的限值。 3.2  接地     “接地”有設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)接地和設(shè)備接大地，兩者概念不同，目的也不同?！暗亍钡慕?jīng)典定義是“作為電路或系統(tǒng)基

27、準(zhǔn)的等電位點(diǎn)或平面”。   設(shè)備的信號(hào)接地     設(shè)備的信號(hào)接地，可能是以設(shè)備中的一點(diǎn)或一塊金屬來作為信號(hào)的接地參考點(diǎn)，它為設(shè)備中的所有信號(hào)提供了一個(gè)公共參考電位。     在這里介紹浮地和混合接地，另外，還有單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。     1）浮地     采用浮地的目的是將電路或設(shè)備與公共接地系統(tǒng)，或可能引起環(huán)流的公共導(dǎo)線隔離開來。浮地還可以使不同電位間的電路配合變得容易。實(shí)現(xiàn)電路或設(shè)備浮地的方法有變壓器隔離和光電隔離。浮地的最大優(yōu)點(diǎn)是抗騷擾性能好。  

28、;   浮地的缺點(diǎn)是由于設(shè)備不與公共地相連，容易在兩者間造成靜電積累，當(dāng)電荷積累到一定程度后，在設(shè)備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電，而成為破環(huán)性很強(qiáng)的騷擾源。     一個(gè)折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個(gè)阻值很大的泄放電阻，用以釋放所積累的電荷。注意控制釋放電阻的阻抗，太低的電阻會(huì)影響設(shè)備泄漏電流的合格性。     2）混合接地     混合接地使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時(shí)呈現(xiàn)不同的特性，這在寬帶敏感電路中是必要的。電容對低頻和直流有較高的阻抗，因此能夠避免兩模塊之間的地

29、環(huán)路形成。當(dāng)將直流地和射頻地分開時(shí)，將每個(gè)子系統(tǒng)的直流地通過10100nF的電容器接到射頻地上，這兩種地應(yīng)在一點(diǎn)有低阻抗連接起來，連接點(diǎn)應(yīng)選在最高翻轉(zhuǎn)速度（di/dt）信號(hào)存在的點(diǎn)。   設(shè)備接大地     在工程實(shí)踐中，除認(rèn)真考慮設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)接地外，通常還將設(shè)備的信號(hào)地，機(jī)殼與大地連在一起，以大地作為設(shè)備的接地參考點(diǎn)。設(shè)備接大地的目的是     1）保證設(shè)備操作人員人身的安全。     2）泄放機(jī)箱上所積累的電荷，避免電荷積累使機(jī)箱電位升高，造成電路工作的不穩(wěn)定。   &

30、#160; 3）避免設(shè)備在外界電磁環(huán)境的作用下使設(shè)備對大地的電位發(fā)生變化，造成設(shè)備工作的不穩(wěn)定。     由此可見，設(shè)備接大地除了是對人員安全、設(shè)備安全的考慮外，也是抑制騷擾發(fā)生的重要手段。 3.3  屏蔽     抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的騷擾輻射的有效方法是屏蔽，即用電導(dǎo)率良好的材料對電場屏蔽，用磁導(dǎo)率高的材料對磁場屏蔽。為了防止脈沖變壓器的磁場泄露，可利用閉合環(huán)形成磁屏蔽，另外，還要對整個(gè)開關(guān)電源進(jìn)行電場屏蔽。屏蔽應(yīng)考慮散熱和通風(fēng)問題，屏蔽外殼上的通風(fēng)孔最好為圓形多孔，在滿足通風(fēng)的條件下，孔的數(shù)量可以多，每個(gè)孔的尺寸要盡可能小

31、。接縫處要焊接，以保證電磁的連續(xù)性，如果采用螺釘固定，注意螺釘間距要短。屏蔽外殼的引入、引出線處要采取濾波措施，否則，這些會(huì)成為騷擾發(fā)射天線，嚴(yán)重降低屏蔽外殼的屏蔽效果。若用電場屏蔽，屏蔽外殼一定要接地，否則，將起不到屏蔽效果；若用磁場屏蔽，屏蔽外殼則不需接地。對非嵌入的外置式開關(guān)電源的外殼一定要進(jìn)行電場屏蔽，否則，很難通過輻射騷擾測試。 濾波     電源濾波器安裝在電源線與電子設(shè)備之間，用于抑制電源線引出的傳導(dǎo)騷擾，又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導(dǎo)騷擾。對提高設(shè)備的可靠性有重要的作用。     開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁騷擾以傳導(dǎo)騷擾為主，而傳

32、導(dǎo)騷擾又分差模騷擾和共模干擾兩種。通常共模騷擾要比差模騷擾產(chǎn)生更大的輻射型EMD。目前抑制傳導(dǎo)EMD最有效的方法是利用無源濾波技術(shù)。     作為一種雙端口網(wǎng)絡(luò)EMD濾波器，它對騷擾的抑制性能不僅取決于濾波器本身的拓?fù)?，而且在很大程度上也受EMD濾波器輸入、輸出阻抗值的影響。由于EMD濾波器阻抗和負(fù)載阻抗的可變動(dòng)性以及它們可能直接與電網(wǎng)相連的特點(diǎn)，電源EMD濾波器的輸入、輸出阻抗不但不匹配而且常常是末知的。這就造成了EMD濾波器設(shè)計(jì)不能完全應(yīng)用成熟的通信用濾波器的設(shè)計(jì)方法和理論。這是電源波波器設(shè)計(jì)面臨的主要問題。元器件布局及印制電路板布線   

33、  開關(guān)電源的輻射騷擾與電流通路中的電流大小，通路的環(huán)路面積，以及電流頻率的平方等三者的乘積成正比，即輻射騷擾EI·A·f2。運(yùn)用這一關(guān)系的前提是通路尺寸遠(yuǎn)小于頻率的波長。     上述關(guān)系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關(guān)鍵，這是說開關(guān)電源的元器件要彼此緊密排列。在初級電路中，要求輸入端電容、晶體管和變壓器彼此靠近，且布線緊湊；在次級電路中，要求二極管、變壓器和輸出端電容彼此貼近。     在印制板上，將正負(fù)載流導(dǎo)線分別布在印制板的兩面，并設(shè)法使兩個(gè)載流導(dǎo)體彼此間保持平行，因?yàn)槠叫芯o靠的正負(fù)載流導(dǎo)體所

34、產(chǎn)生的外部磁場是趨向于相互抵消的。     布線間的電磁耦合是通過電場和磁場進(jìn)行的，因此在布線時(shí)，應(yīng)注意對電場與磁場耦合的抑制。對電場的抑制方法有     1）盡量增大線間距離，使電容耦合為最小；     2）采用靜電屏蔽，屏蔽層要接地；     3）降低敏感線路的輸入阻抗。     對磁場的抑制方法有     1）減小騷擾源和敏感電路的環(huán)路面積；     2）增大線間距離，使耦合騷擾源

35、與敏感電路間的互感盡可能地??；     3）最好使騷擾源與敏感電路呈直角布線，以便大大降低線路間耦合。 4  結(jié)語     開關(guān)電源電磁兼容設(shè)計(jì)的目的是使產(chǎn)品在一定的電磁環(huán)境下正常工作，也就是說，電源產(chǎn)品應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗擾度極限值要求，在受到一定的電磁騷擾時(shí)，無性能的下降或故障；同時(shí)，電源產(chǎn)品滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁極限值智能功率器件的原理與應(yīng)用 沙占友，王書海，安勝彪，張秀清 (河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050054） 摘要：目前，功率器件正朝著集成化、智能化和模塊化的方向發(fā)展。智能功率器件為機(jī)電一體化設(shè)備

36、中弱電與強(qiáng)電的連接提供了理想的接口。介紹了智能功率器件的特點(diǎn)、產(chǎn)品分類、工作原理及典型應(yīng)用。關(guān)鍵詞：智能功率器件；功率開關(guān)調(diào)節(jié)器；功率模塊；變頻器Principle and Application of Intelligent Power Device SHA Zhan-you, WANG Shu-hai, AN Sheng-biao, ZHANG Xiu-qing Abstract:Now,the power device is developing toward integration, intelligent and modularization. In mechan

37、ism-electricity equipment, intelligent power device support an ideal interface to connect weak and power electricity. The characteristic, product classification, operational principle and typical application of the intelligent power device are introduced. Keywords:Intelligent power device; Powe

38、r switching regulator; Power module; Transducer 中圖分類號(hào)：TN492    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A    文章編號(hào)：02192713(2003)04012904 1  智能功率器件的特點(diǎn)及產(chǎn)品分類1.1  智能功率器件的特點(diǎn)     所謂智能功率器件，就是把功率器件與傳感器、檢測和控制電路、保護(hù)電路及故障自診斷電路等集成為一體并具有功率輸出能力的新型器件。由于這類器件可代替人工來完成復(fù)雜的功率控制，因此它被賦予智能的特征。例如，在智能

39、功率器件中，常見的保護(hù)功能有欠電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、過電流及短路保護(hù)、過熱保護(hù)。此外，某些智能功率器件還具有輸出電壓過沖保護(hù)、瞬態(tài)電流限制、軟啟動(dòng)和最大輸入功率限制等保護(hù)電路，從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。     智能功率器件具有體積小、重量輕、性能好、抗騷擾能力強(qiáng)、使用壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于單片機(jī)測控系統(tǒng)、變頻調(diào)速器、電力電子設(shè)備、家用電器等領(lǐng)域。 1.2  智能功率器件的產(chǎn)品分類     智能功率器件可分成兩大類，即智能功率集成電路與智能功率模塊。     1）智能功率集成電路

40、     智能功率集成電路的種類很多，下面僅列出幾種典型產(chǎn)品。     高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器（High Voltage Power Switching Regulator）。例如，美國摩托羅拉公司研制的MC33370系列產(chǎn)品。     智能功率開關(guān)（IntelligentP ower Switch）。例如，德國西門子（Siemens）公司生產(chǎn)的Smart SIPMOS智能功率開關(guān)，產(chǎn)品型號(hào)有BTS412B、BTS611等。     2）智能功率模塊   &#

41、160; 智能功率模塊是采用微電子技術(shù)和先進(jìn)的制造工藝，把智能功率集成電路與微電子器件及外圍功率器件組裝成一體，能實(shí)現(xiàn)智能功率控制的商品化部件。模塊大多采用密封式結(jié)構(gòu)，以保證良好的電氣絕緣和抗震性能。用戶只須了解模塊的外特性，即可使用。因此，它能簡化設(shè)計(jì)工作，縮短系統(tǒng)的研制周期。國內(nèi)外許多著名的模塊廠商的產(chǎn)品都通過了IEC950（國際電工委員會(huì)）或UL1950（美國）、GS（德國）、CE（歐共體）安全認(rèn)證，其質(zhì)量可靠、安全性好、抗騷擾性強(qiáng)、符合電磁兼容性（EMC）標(biāo)準(zhǔn)、便于維修，上機(jī)合格率可達(dá)100。     例如，日本三菱電機(jī)公司最近開發(fā)的IPM系列第三代智能功

42、率模塊，其用途極為廣泛。最近，國內(nèi)也相繼開發(fā)出變頻空調(diào)器專用智能功率模塊、電動(dòng)機(jī)智能功率模塊等新產(chǎn)品。     圖1給出了各種功率器件的工作頻率、容量的范圍 及 其 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 。 其 中 ， SCR為 普 通 晶 閘 管 ， Triac為 雙 向 晶 閘 管 ， GTO代 表 可 關(guān) 斷 晶 閘 管 ， Tr Mod表 示 普 通 功 率 管 模 塊 ， MOSFET表 示 功 率 場 效 應(yīng) 管 ， IGBT MOD IPM代 表 IPM系 列 的 IGBT智 能 功 率 模 塊 ， 其 中 的 IGBT（ Insulated Gate Bipolar T

43、ransistor） 為 絕 緣 柵 型 場 效 應(yīng) 管 雙 極 型 晶 體 管 的 英 文 縮 寫 。 由 圖 可 見 ， IGBT智 能 功 率 模 塊 的 工 作 頻 率 遠(yuǎn) 高 于 普 通 功 率 管 模 塊 ， 而 其 容 量 又 比 功 率 場 效 應(yīng) 管 提 高 1 2個(gè) 數(shù) 量 級 。圖1  各種功率器件的性能及應(yīng)用領(lǐng)域 2  智能功率集成電路的原理與應(yīng)用 2.1  MC33370系列高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器   MC33370系列是美國Motorola公司于1999年研制的適配微控制器（MCU）的高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器，它包括MC33369MC3

44、3374，根據(jù)封裝形式的不同，共有17種型號(hào)?？蓮V泛用于辦公自動(dòng)化設(shè)備、儀器儀表、無線通信設(shè)備及消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，構(gòu)成150W以下的高壓隔離式AC/DC電源變換器。     MC33370系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖如圖2中虛線方框所示。各引腳的功能如下： 圖 2  MC33370系 列 產(chǎn) 品 的 內(nèi) 部 框 圖     UCC為工作電源電壓的輸入端。     FB為反饋端。     GND為地。     SCI為狀態(tài)控制端，只需配少量外圍元件

45、，即可實(shí)現(xiàn)以下6種狀態(tài)控制方式：     1）利用按鍵觸發(fā)方式來選擇工作模式或備用模式；     2）配微控制器進(jìn)行關(guān)斷操作；     3）給狀態(tài)控制器配以低壓保護(hù)電路，使之在模式轉(zhuǎn)換過程中不會(huì)引起開關(guān)電源輸出電壓的波動(dòng)；     4）利用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制；     5）接上電延時(shí)電路；     6）禁止對狀態(tài)控制器進(jìn)行操作。     D為功率開關(guān)管漏極引出端。   

46、  MC33370的內(nèi)部主要包括9部分：     1）振蕩器；     2）并聯(lián)調(diào)整器誤差放大器；     3）脈寬調(diào)制比較器與脈寬調(diào)制觸發(fā)器；     4）外部關(guān)斷電路及關(guān)斷觸發(fā)器；     5）電流極限比較器及功率開關(guān)管；     6）啟動(dòng)電路；     7）欠壓鎖定電路；     8）過熱保護(hù)電路；     9）

47、狀態(tài)控制器。     由MC33374TTV構(gòu)成的15V3.5A、52W開關(guān)電源的電路如圖3所示。其交流輸入電壓u的允許變化范圍是92V276V。VD1VD4為整流橋。初級保護(hù)電路由RC吸收電路（R2、C2）和鉗位保護(hù)電路（VDZ、VD5）構(gòu)成，能有效抑制高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖 峰 電 壓 ， 保 護(hù)MC33374內(nèi) 部 的 功 率 開 關(guān) 管 不 受 損 壞 。VDZ采 用 P6KE200A型 瞬 態(tài) 電 壓 抑 制 器 （ TVS） ， 圖 中 阻 容 元 件R1、C3的 序 號(hào) 空 缺 ， 根 據(jù) 需 要 亦 可 將R2、C2的 串 聯(lián) 電 路 ， 改 成

48、由R1(20 k 、 2 W)和C3（ 0.1 F、 400 V） 并 聯(lián) 后 再 串 以 超 快 恢 復(fù) 二 極 管 ， 組 成R、C、VD型 保 護(hù) 電 路 。C5為UCC端 的 旁 路 電 容 。 SB為 控 制 開 關(guān) 電 源 通 、 斷 狀 態(tài) 的 按 鍵 。VD6與C6組 成 反 饋 繞 組 輸 出 端 的 高 頻 整 流 濾 波 器 。 次 級 高 頻 整 流 管 采 用 MBR20100CT（ 20 A 100 V） 型 肖 特 基 二 極 管 。 此 管 屬 于 共 陰 對 管 ， 兩 個(gè) 陰 極 在 內(nèi) 部 短 接 ， 使 用 時(shí) 需 將 兩 個(gè) 陽 極 在 外 部 連 通

49、 ， 作 并 聯(lián) 接 法 。 由C8、C11、L、C12和C13組 成 輸 出 濾 波 電 路 。 設(shè) 計(jì) 印 制 板 時(shí) 還 可 預(yù) 先 留 出C9、C10的 位 置 ， 以 便 由C8C11這 4只 電 容 并 聯(lián) 成 濾 波 電 容 ， 進(jìn) 而 使L0減 小 到L0/4。 圖3  由MC33374T/TV構(gòu)成52W開關(guān)電源的電路     由可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431B構(gòu)成外部誤差放大器，它還與光耦合器MOC8103組成了光耦反饋電路。其穩(wěn)壓原理是當(dāng)輸出電壓Uo發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)R5、R6分壓后得到的取樣電壓就與TL431B中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比

50、較，產(chǎn)生外部誤差電壓Ur，再通過光耦合器使第2腳的反饋電流IFB產(chǎn)生相應(yīng)的變化，并以此調(diào)節(jié)輸出占空比，達(dá)到穩(wěn)壓目的。C14用來濾除由高頻變壓器初、次級耦合電容所造成的共模騷擾。C7為控制環(huán)路的補(bǔ)償電容。 2.2    BTS412B型智能功率開關(guān)     BTS412B型智能功率開關(guān)采用TO-220封裝，它有5個(gè)引出端：     UBB為工作電源電壓端。     GND為公共地。     IN為控制信號(hào)輸入端。    

51、; ST為狀態(tài)輸出端。     OUT為功率輸出端。     芯片內(nèi)部主要包括邏輯電路、電壓檢測電路、整流器、充電泵、功率MOSFET。此外，還有防止靜電放電（ESD）的保護(hù)電路，過電壓保護(hù)、過流保護(hù)、負(fù)載開路及短路保護(hù)電路，對電感負(fù)載的保護(hù)電路，對功率MOSFET柵極進(jìn)行保護(hù)的電路。     BTS412B的主要技術(shù)參數(shù)為UBB>50V，連續(xù)輸出的負(fù)載電流IL=1.4A，最大峰值電流ILIMIT=25A，導(dǎo)通電阻RON=0.25。     使用兩片BTS412B作高端

52、開關(guān)，另用兩只BUZ71L型50V、14A、40W的N溝道場效應(yīng)管作低端開關(guān)，可構(gòu)成如圖4所示的H橋雙向直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。BUZ71L的導(dǎo)通電阻僅為0.1。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，從ST端輸出的狀態(tài)信號(hào)就通過晶體管JE9013驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，作為報(bào)警指示。 圖4  H橋 雙 向 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 電 路 3  智能功率模塊的原理與應(yīng)用     由日本三菱電機(jī)公司開發(fā)出的IPM系列產(chǎn)品，屬于第三代智能功率模塊。它采用第三代IGBT來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的功率MOSFET和雙極型達(dá)林頓管，并配以功能完善的控制及保護(hù)電路，構(gòu)成了一種理想的高頻軟開關(guān)模塊。這類模塊特別適用于正弦波輸出的變壓變頻（VVVF）式變頻器中。