2024年3月18日发(作者：冒梅雪)
高频开关电源
高频开关电源的简介
高频开关电源是通过MOSFET或者是IGBT的高频工作,也称为开关型整流器SMR,是传统整流器升级的替代产
品.
高频开关电源原理
一、主电路
从交流电网输入、直流输出的全过程,包括:
1、输入滤波器:其作用是将电网存在的杂波过滤,同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网.
2、整流与滤波:将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电,以供下一级变换.
3、逆变:将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分,频率越高,体积、重量与输出功
率之比越小.
4、输出整流与滤波:根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源.
二、控制电路
一方面从输出端取样,经与设定标准进行比较,然后去控制逆变器,改变其频率或脉宽,达到输出稳定,另一
方面,根据测试电路提供的资料,经保护电路鉴别,提供控制电路对整机进行各种保护措施.
三、检测电路
除了提供保护电路中正在运行中各种参数外,还提供各种显示仪表资料.
四、辅助电源
提供所有单一电路的不同要求电源.
开关控制稳压原理
开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开,在开关K接通时,输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负
载RL,在整个开关接通期间,电源E向负载提供能量;当开关K断开时,输入电源E便中断了能量的提供.可见,输入电
源向负载提供能量是断续的,为使负载能得到连续的能量提供,开关稳压电源必须要有一套储能装置,在开关接通时
将一部份能量储存起来,在开关断开时,向负载释放.图中,由电感L、电容C2和二极管D组成的电路,就具有这种功
能.电感L用以储存能量,在开关断开时,储存在电感L中的能量通过二极管D释放给负载,使负载得到连续而稳定的
能量,因二极管D使负载电流连续不断,所以称为续流二极管.在AB间的电压平均值EAB可用下式表示:
EAB=TON/T*E
式中TON为开关每次接通的时间,T为开关通断的工作周期(即开关接通时间TON和关断时间TOFF之和).
由式可知,改变开关接通时间和工作周期的比例,AB间电压的平均值也随之改变,因此,随着负载及输入电源
电压的变化自动调整TON和T的比例便能使输出电压V0维持不变.改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲
的占空比,这种方法称为"时间比率控制"(Time Ratio Control,缩写为TRC).
按TRC控制原理,有三种方式:
一、脉冲宽度调制(PULSE Width Modulation,缩写为PWM)
开关周期恒定,通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式.
二、脉冲频率调制(PULSE Frequency Modulation,缩写为PFM)
导通脉冲宽度恒定,通过改变开关工作频率来改变占空比的方式.
三、混合调制
导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定,彼此都能改变的方式,它是以上二种方式的混合.
高频开关电源不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零,而且噪声也小.
高频开关电源特点
智能型高频开关电源与传统的相控电源比较,主要技术指标均优于部标1～2个等级以上,具有以下特点.
(1)相控电源硅整流器采用1+1主从备份方式,而高频开关电源采用N+1模块冗余并联组合方式供电,即如果
N个模块的输出电流能满足充电电流需要,则采用N+1模块平均分配,因此,可提高系统运行可靠性.个别模块故障时,
可带电更换,不影响系统的正常运行,扩容维护方便.
(2)可控硅整流器运行于浮充电方式时,直流输出的纹波系数较大,曾发生中央信号装置误动作和高频继电
保护误发信号等事故,按部颁要求纹波系数不大于2%.另外,可控硅整流器与蓄电池并联运行,纹波系数较大时,若浮
充电压波动或偏低会出现蓄电池脉动充电放电现象,对蓄电池不利.高频开关电源的充电装置采用多个智能化模块
并联组合供电,使得供电质量和技术参数明显提高.模块采用准谐振技术(或脉宽调制技术)和电流电压双环控制技
术,提高开关工作频率,开通损耗小,输出电压的纹波系数很小,一般≤±0.1%额定电压,进而可防止蓄电池脉动充电
放电,延长蓄电池的使用寿命,可靠性更高.
(3)高频开关电源整流模块具有内置微处理器,是提高设备管理水平的基础,在满足直流系统故障信号应尽
量完善的前提下,使接线简单,安装调试快捷.除了能在面板上直接显示输出电流和电压及模块的各种运行状况外,
还能通过监控模块与电力系统的自动化网或变电工区直流班监控系统通信,进行远程监视和对模块各项操作,实现
四遥功能.传统的直流电源一般在屏柜上装设电流、电压表和其它专用装置对设备进行监视,且这些测量值不能经通
信口实现远程监视(微机型除外).即使有遥测,也是采用直流采样方式,采样点不多,对反映各种运行状况的信号也
以接点方式接至光字牌或遥信屏,因此,接线繁琐,自动化程度低,实现遥控和遥调功能的难度较大.
(4)按部颁要求,充电时稳流精度误差≤±5%,浮充电时稳压精度误差≤±2%.而高频开关电源稳压、稳流精
度更高,其误差一般≤±0.5%,可避免对蓄电池过充、欠充,保证蓄电池运行在最佳状态.阀控式电池容量大、维护量
孝放电倍率低,适用于大容量的直流电源.从原理性能看,高频开关模块适合与阀控式电池配套使用.
(5)高频开关电源整流模块具有并联运行方式下自动均流功能.同时,设有过流、过压及瞬时短路保护,安全
可靠的防雷措施,能有效地承受输出短路冲击.另外,采取多重有效措施,防止高频电源及谐波对交流电网侧的干扰.
(6)高频开关电源综合转换效率高,多数厂家的转换效率达到90%以上,而相控电源转换效率一般只有60%～
80%.
高频开关电源变压器的计算方法
变压器主要参数的计算
1.变压器的计算功率
半桥式变换器的输出电路为桥式整流时,其开关电源变压器的计算功率为:
Pt=UoIo(1+1/η)(1)
将Uo=2100V,Io=0.08A,η=80%代入式(1),可得Pt=378W.
2.变压器的设计输出能力
变压器的设计输出能力为:
Ap=(Pt·104/4BmfKWKJ)1.16(2)
式中:工作频率f为30kHz,工作磁感应强度Bm取0.6T,磁心的窗口占空系数KW取0.2,矩形磁心的电流密度
(温升为50℃时)KJ取468.经计算,变压器的设计输出能力AP=0.511cm4.
2024年3月18日发(作者：冒梅雪)
高频开关电源
高频开关电源的简介
高频开关电源是通过MOSFET或者是IGBT的高频工作,也称为开关型整流器SMR,是传统整流器升级的替代产
品.
高频开关电源原理
一、主电路
从交流电网输入、直流输出的全过程,包括:
1、输入滤波器:其作用是将电网存在的杂波过滤,同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网.
2、整流与滤波:将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电,以供下一级变换.
3、逆变:将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分,频率越高,体积、重量与输出功
率之比越小.
4、输出整流与滤波:根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源.
二、控制电路
一方面从输出端取样,经与设定标准进行比较,然后去控制逆变器,改变其频率或脉宽,达到输出稳定,另一
方面,根据测试电路提供的资料,经保护电路鉴别,提供控制电路对整机进行各种保护措施.
三、检测电路
除了提供保护电路中正在运行中各种参数外,还提供各种显示仪表资料.
四、辅助电源
提供所有单一电路的不同要求电源.
开关控制稳压原理
开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开,在开关K接通时,输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负
载RL,在整个开关接通期间,电源E向负载提供能量;当开关K断开时,输入电源E便中断了能量的提供.可见,输入电
源向负载提供能量是断续的,为使负载能得到连续的能量提供,开关稳压电源必须要有一套储能装置,在开关接通时
将一部份能量储存起来,在开关断开时,向负载释放.图中,由电感L、电容C2和二极管D组成的电路,就具有这种功
能.电感L用以储存能量,在开关断开时,储存在电感L中的能量通过二极管D释放给负载,使负载得到连续而稳定的
能量,因二极管D使负载电流连续不断,所以称为续流二极管.在AB间的电压平均值EAB可用下式表示:
EAB=TON/T*E
式中TON为开关每次接通的时间,T为开关通断的工作周期(即开关接通时间TON和关断时间TOFF之和).
由式可知,改变开关接通时间和工作周期的比例,AB间电压的平均值也随之改变,因此,随着负载及输入电源
电压的变化自动调整TON和T的比例便能使输出电压V0维持不变.改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲
的占空比,这种方法称为"时间比率控制"(Time Ratio Control,缩写为TRC).
按TRC控制原理,有三种方式:
一、脉冲宽度调制(PULSE Width Modulation,缩写为PWM)
开关周期恒定,通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式.
二、脉冲频率调制(PULSE Frequency Modulation,缩写为PFM)
导通脉冲宽度恒定,通过改变开关工作频率来改变占空比的方式.
三、混合调制
导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定,彼此都能改变的方式,它是以上二种方式的混合.
高频开关电源不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零,而且噪声也小.
高频开关电源特点
智能型高频开关电源与传统的相控电源比较,主要技术指标均优于部标1～2个等级以上,具有以下特点.
(1)相控电源硅整流器采用1+1主从备份方式,而高频开关电源采用N+1模块冗余并联组合方式供电,即如果
N个模块的输出电流能满足充电电流需要,则采用N+1模块平均分配,因此,可提高系统运行可靠性.个别模块故障时,
可带电更换,不影响系统的正常运行,扩容维护方便.
(2)可控硅整流器运行于浮充电方式时,直流输出的纹波系数较大,曾发生中央信号装置误动作和高频继电
保护误发信号等事故,按部颁要求纹波系数不大于2%.另外,可控硅整流器与蓄电池并联运行,纹波系数较大时,若浮
充电压波动或偏低会出现蓄电池脉动充电放电现象,对蓄电池不利.高频开关电源的充电装置采用多个智能化模块
并联组合供电,使得供电质量和技术参数明显提高.模块采用准谐振技术(或脉宽调制技术)和电流电压双环控制技
术,提高开关工作频率,开通损耗小,输出电压的纹波系数很小,一般≤±0.1%额定电压,进而可防止蓄电池脉动充电
放电,延长蓄电池的使用寿命,可靠性更高.
(3)高频开关电源整流模块具有内置微处理器,是提高设备管理水平的基础,在满足直流系统故障信号应尽
量完善的前提下,使接线简单,安装调试快捷.除了能在面板上直接显示输出电流和电压及模块的各种运行状况外,
还能通过监控模块与电力系统的自动化网或变电工区直流班监控系统通信,进行远程监视和对模块各项操作,实现
四遥功能.传统的直流电源一般在屏柜上装设电流、电压表和其它专用装置对设备进行监视,且这些测量值不能经通
信口实现远程监视(微机型除外).即使有遥测,也是采用直流采样方式,采样点不多,对反映各种运行状况的信号也
以接点方式接至光字牌或遥信屏,因此,接线繁琐,自动化程度低,实现遥控和遥调功能的难度较大.
(4)按部颁要求,充电时稳流精度误差≤±5%,浮充电时稳压精度误差≤±2%.而高频开关电源稳压、稳流精
度更高,其误差一般≤±0.5%,可避免对蓄电池过充、欠充,保证蓄电池运行在最佳状态.阀控式电池容量大、维护量
孝放电倍率低,适用于大容量的直流电源.从原理性能看,高频开关模块适合与阀控式电池配套使用.
(5)高频开关电源整流模块具有并联运行方式下自动均流功能.同时,设有过流、过压及瞬时短路保护,安全
可靠的防雷措施,能有效地承受输出短路冲击.另外,采取多重有效措施,防止高频电源及谐波对交流电网侧的干扰.
(6)高频开关电源综合转换效率高,多数厂家的转换效率达到90%以上,而相控电源转换效率一般只有60%～
80%.
高频开关电源变压器的计算方法
变压器主要参数的计算
1.变压器的计算功率
半桥式变换器的输出电路为桥式整流时,其开关电源变压器的计算功率为:
Pt=UoIo(1+1/η)(1)
将Uo=2100V,Io=0.08A,η=80%代入式(1),可得Pt=378W.
2.变压器的设计输出能力
变压器的设计输出能力为:
Ap=(Pt·104/4BmfKWKJ)1.16(2)
式中:工作频率f为30kHz,工作磁感应强度Bm取0.6T,磁心的窗口占空系数KW取0.2,矩形磁心的电流密度
(温升为50℃时)KJ取468.经计算,变压器的设计输出能力AP=0.511cm4.