直流斬波

DC/DC變換是將可變的直流電壓變換成固定的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調(diào)制（（1）Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓U0小于輸入電壓Ui，性相同。（2）Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于輸入電壓Ui，性相同。（3）Buck－Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，性相反，電感傳輸。（4）Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，性相反，電容傳輸。還有Sepic、Zeta電路。上述為非隔離型DC-DC變換器電路，隔離型DC-DC變換器有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路。當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國VICOR公司設(shè)計制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器，其輸出功率有300W、600W、800W等，相應(yīng)的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3，效率為（80～90）%。日本TDK-Lambda公司新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列，其開關(guān)頻率為（200～300)kHz，功率密度已27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二管），使整個電路效率到90%。

編輯本段變換

AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是不可少的，同時因遇到標(biāo)準(zhǔn)（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流輸入側(cè)須加EMC濾波及使用合標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度，也就對內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作損耗，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，因此須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法才能使其工作效率的滿意程度。AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為，單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。開關(guān)電源的選用開關(guān)電源在輸入干擾性能上，由于其自身電路結(jié)構(gòu)的特點（多級串聯(lián)），一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過，在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術(shù)指標(biāo)上與線性電源相比具有較大的優(yōu)勢，其輸出電壓穩(wěn)定度可達(0.5～1）%。開關(guān)電源模塊作為一種電力電子集成器件，在選用中應(yīng)注意以下幾點：

編輯本段電流選擇

因開關(guān)電源工作效率高，一般可80%以上，故在其輸出電流的選擇上，應(yīng)準(zhǔn)確測量或計算用電設(shè)備的吸收電流，以使被選用的開關(guān)電源具有高的性能價格比，通常輸出計算公式為：Is=KIf式中：Is—開關(guān)電源的額定輸出電流；If—用電設(shè)備的吸收電流；K—裕量系數(shù)，一般取1.5～1.8；

編輯本段保護電路

開關(guān)電源在設(shè)計中須具有過流、過熱、短路等保護功能，故在設(shè)計時應(yīng)保護功能齊備的開關(guān)電源模塊，并且其保護電路的技術(shù)參數(shù)應(yīng)與用電設(shè)備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設(shè)備或開關(guān)電源。

編輯本段幾大指標(biāo)

功率 P=UI,是輸出電壓和輸出電流的乘積。輸入電壓分交流輸入和直流輸入2種。輸出電壓一般是直流輸出，但也有交流輸出的。工作溫度隔離電壓：隔離就是將輸出與輸入進行電路上的分離。有以下幾個作用：一，電流變換；二，為了輸入輸出相互干擾；三，輸入輸出電路的信號特性相差太大，比如用弱信號控制強電的設(shè)備封裝尺寸有插針，貼片的，和螺旋。輸出有單路輸出，雙路輸出及多路輸出。電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器，其特點是可為集成電路（ASIC）、數(shù)字信號處理器(DSP)、微處理器、存儲器、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負載提供供電。一般來說，這類模塊稱為負載點(POL) 電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點電源供應(yīng)系統(tǒng)(PUPS)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點甚多， 因此模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動通訊、 微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車電子、航空航天等。

編輯本段分類

按現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域，我們把電源模塊劃分如下：

綠色電源模塊

發(fā)展的計算機技術(shù)帶領(lǐng)進入了信息社會,同時也了電源模塊技術(shù)的發(fā)展。八十年代,計算機采用了開關(guān)電源,完成計算機電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進入了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。計算機技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源模塊。綠色電腦泛指對環(huán)境的個人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關(guān)的外圍設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就合綠色電腦的要求,電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目 前效率為75%的200瓦開關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

開關(guān)電源模塊

通信業(yè)的發(fā)展大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱為電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。電源的作用是將單相或三相交流變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。當(dāng)前在程控交換機用的電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實現(xiàn)率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。因通信設(shè)備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。

變換器

DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源), 同時還能起到地抑制側(cè)諧波電流噪聲的作用。通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)小型化,因此就要不斷開關(guān)頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構(gòu),當(dāng)前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用電流開關(guān)和電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的。

UPS

不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所須的一種高、的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來實現(xiàn)。現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和性得以。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。目前在線式UPS的容量已可作到600kVA。小型UPS發(fā)展也很,已經(jīng)有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。

變頻器電源

變頻器電源主要用于交流電機的變頻調(diào)速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的日趨重要,已獲得大的效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器, 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點。預(yù)計到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。

焊機電源模塊

高頻逆變式整流焊機電源是一種、、省材的新型焊機電源,代表了當(dāng)今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合, 整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作性問題成為關(guān)鍵的問題,也是用戶關(guān)心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了當(dāng)前大功率IGBT逆變電源性。國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。

直流電源模塊

大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、X光機和機等大型設(shè)備。電壓50~l59kV,電流0.5A以上,功率可達100kW。自從70年始,日本的一些公司開始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件,將電源的開關(guān)頻率到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓55kV,電流15mA,工作頻率為25.6kHz。

濾波器

傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)有0.5~0.6。電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是:(l)不反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流; (2)電流環(huán)基準(zhǔn)信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。

供電系統(tǒng)

分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件,利用新理論和技術(shù)成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,生產(chǎn)效率。八十年代初期,對分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而地推動了分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學(xué)界的研究熱點,論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。分布供電方式具有、、、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。

編輯本段設(shè)計方法

電源的電磁干擾水平是設(shè)計中難的部分，設(shè)計人員能做的多就是在設(shè)計中進行充分考慮，尤其在布局時。由于直流到直流的轉(zhuǎn)換器很常用，所以硬件工程師或多或少都會接觸到相關(guān)的工作，本文中我們將考慮與低電磁干擾設(shè)計相關(guān)的兩種常見的折中方案^[1]。電源設(shè)計中即使是普通的直流到直流開關(guān)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計都會出現(xiàn)一系列問題，尤其在高功率電源設(shè)計中更是如此。除功能性考慮以外，工程師須設(shè)計的魯棒性，以合成本目標(biāo)要求以及熱性能和空間限制，當(dāng)然同時還要設(shè)計的進度。另外，出于產(chǎn)品規(guī)范和系統(tǒng)性能的考慮，電源產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)須低。不過，電源的電磁干擾水平卻是設(shè)計中難預(yù)計的項目。有些人甚至認為這簡直是不可能的，設(shè)計人員能做的多就是在設(shè)計中進行充分考慮，尤其在布局時。盡管本文所討論的原理適用于廣泛的電源設(shè)計，但我們在此只關(guān)注直流到直流的轉(zhuǎn)換器，因為它的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，幾乎每一位硬件工程師都會接觸到與它相關(guān)的工作，說不定什么時候就須設(shè)計一個電源轉(zhuǎn)換器。本文中我們將考慮與低電磁干擾設(shè)計相關(guān)的兩種常見的折中方案;熱性能、電磁干擾以及與PCB布局和電磁干擾相關(guān)的方案尺寸等。文中我們將使用一個簡單的降壓轉(zhuǎn)換器做例子，如圖1所示。

  普通的降壓轉(zhuǎn)換器

圖1.普通的降壓轉(zhuǎn)換器在頻域內(nèi)測量輻射和傳導(dǎo)電磁干擾，這就是對已知波形做傅里葉級數(shù)展開，本文中我們著重考慮輻射電磁干擾性能。在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，引起電磁干擾的主要開關(guān)波形是由Q1和Q2產(chǎn)生的，也就是每個場效應(yīng)管在其各自導(dǎo)通周期內(nèi)從漏到源的電流di/dt。圖2所示的電流波形(Q和Q2on)不是很規(guī)則的梯形，但是我們的操作自由度也就更大，因為導(dǎo)體電流的過渡相對較慢，所以可以應(yīng)用Henry Ott經(jīng)典著作《電子系統(tǒng)中的噪聲降低技術(shù)》中的公式1。我們發(fā)現(xiàn)，對于一個類似的波形，其上升和下降時間會直接影響諧波振幅或傅里葉系數(shù)(In)。

  Q1和Q2的波形

圖2.Q1和Q2的波形In=2IdSin(nπd)/nπd ×Sin(nπtr/T)/nπtr/T (1)其中，n是諧波級次，T是周期，I是波形的峰值電流強度，d是占空比，而tr是tr或tf的小值。在實際應(yīng)用中，有可能會同時遇到奇次和偶次諧波發(fā)射。如果只產(chǎn)生奇次諧波，那么波形的占空比須為50%。而實際情況中這樣的占空比。諧波系列的電磁干擾幅度受Q1和Q2的通斷影響。在測量漏源電壓VDS的上升時間tr和下降時間tf，或流經(jīng)Q1和Q2的電流上升率di/dt 時，可以很明顯看到這一點。這也表示，我們可以很簡單地通過減緩Q1或Q2的通斷速度來降低電磁干擾水平。事實正是如此，延長開關(guān)時間的確對頻率高于 f=1/πtr的諧波有很大影響。不過，此時須在增加散熱和降低損耗間進行折中。盡管如此，對這些參數(shù)加以控制仍是一個好方法，它有助于在電磁干擾和熱性能間取得平衡。具體可以通過增加一個小阻值電阻(通常小于5Ω)實現(xiàn)，該電阻與Q1和Q2的柵串聯(lián)即可控制tr和tf，你也可以給柵電阻串聯(lián)一個 “關(guān)斷二管”來控制過渡時間tr或tf(見圖3)。這其實是一個迭代過程，甚至連經(jīng)驗豐富的電源設(shè)計人員都使用這種方法。我們的終目標(biāo)是通過放慢晶體管的通斷速度，使電磁干擾降可接受的水平，同時其溫度低以穩(wěn)定性。

  用關(guān)聯(lián)二管來控制過渡時間

圖3.用關(guān)聯(lián)二管來控制過渡時間開關(guān)節(jié)點的物理回路面積對于控制電磁干擾也重要。通常，出于PCB面積的考慮，設(shè)計者都希望結(jié)構(gòu)越緊湊越好，但是許多設(shè)計人員并不知道哪部分布局對電磁干擾的影響。回到之前的降壓穩(wěn)壓器例子上，該例中有兩個回路節(jié)點(如圖4和圖5所示)，它們的尺寸會直接影響到電磁干擾水平。

  降壓穩(wěn)壓器模型1

圖4.降壓穩(wěn)壓器模型1

  降壓穩(wěn)壓器模型2

圖5.降壓穩(wěn)壓器模型2Ott關(guān)于不同模式電磁干擾水平的公式(2)示意了回路面積對電路電磁干擾水平產(chǎn)生的直接線性影響。E=263×10-16(f2AI)(1/r) (2)輻射場正比于下列參數(shù)：涉及的諧波頻率(f，單位Hz)、回路面積(A，單位m2)、電流(I)和測量距離(r，單位m)。此概念可以推廣到利用梯形波形進行電路設(shè)計的場合，不過本文討論電源設(shè)計。參考圖4中的交流模型，研究其回路電流流動情況：起點為輸入電容器，然后在Q1導(dǎo)通期間流向Q1，再通過L1進入輸出電容器，后返回輸入電容器中。當(dāng)Q1關(guān)斷、Q2導(dǎo)通時，就形成了第二個回路。之后存儲在L1內(nèi)的能量流經(jīng)輸出電容器和Q2，如圖5所示。這些回路面積控制對于降低電磁干擾是很重要的，在PCB走線布線時就要預(yù)先考慮清器件的布局問題。當(dāng)然，回路面積能做到多小也是有實際限制的。從公式2可以看出，減小開關(guān)節(jié)點的回路面積會降低電磁干擾水平。如果回路面積減小為原來的3倍，電磁干擾會降低9.5dB，如果減小為原來的10倍，則會降低20 dB。設(shè)計時，從小化圖4和圖5所示的兩個回路節(jié)點的回路面積著手，細致考慮器件的布局問題，同時注意銅線連接問題。盡量避免同時使用PCB的兩面，因為通孔會使電感顯著增高，進而帶來其他問題。恰當(dāng)放置高頻輸入和輸出電容器的重要性常被忽略。若干年以前，我所在的公司曾把我們的產(chǎn)品設(shè)計轉(zhuǎn)讓給國外制造商。結(jié)果，我的工作職責(zé)也發(fā)生了很大變化，我成了一名顧問，幫助電源設(shè)計新手解決文中提到的一系列需要權(quán)衡的事宜及其他眾多問題。這里有一個含有集成鎮(zhèn)流器的離線式開關(guān)的設(shè)計例子：設(shè)計人員希望降低終功率級中的電磁干擾。我只是簡單地將高頻輸出電容器移動到更靠近輸出級的位置，其回路面積就大約只剩原來的一半，而電磁干擾就降低了約 6dB。而這位設(shè)計者顯然不太懂得其中的道理，他稱那個電容為“法帽子”，而事實上我們只是減小了開關(guān)節(jié)點的回路面積。還有一點至重要的，新改進的電路產(chǎn)生的問題可能比原先的還要嚴重。換句話說，盡管延長過渡時間可以減少電磁干擾，但其引起的熱效應(yīng)也隨之成為重要的問題。有一種控制電磁干擾的方法是用全集成電源模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流到直流轉(zhuǎn)換器。電源模塊是含有全集晶體管和電感的開關(guān)穩(wěn)壓器，它和線性穩(wěn)壓器一樣可以很輕松地融入系統(tǒng)設(shè)計中。模塊開關(guān)節(jié)點的回路面積遠小于相似尺寸的穩(wěn)壓器或控制器，電源模塊并不是事物，它的面世已經(jīng)有一段時間了，但是直到現(xiàn)在，由于一系列問題，模塊仍無法散熱，且一經(jīng)安裝后就無法更改