開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點而逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)制造的連續(xù)工作電源,并廣泛應(yīng)用于電子整機與設(shè)備中。20世紀80年代,計算機全面實現(xiàn)了開關(guān)電源化,率先完成計算機的電源換代。20世紀90年代,開關(guān)電源在電子、電器設(shè)備、家電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,開關(guān)電源技術(shù)進入快速發(fā)展期。
開關(guān)型穩(wěn)壓電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān),通過控制開關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。以功率晶體管(GTR)為例,當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時,集電極和發(fā)射極兩端的壓降接近零;當(dāng)開關(guān)管截止時,其集電極電流為零。所以其功耗小,效率可高達70%-95%。而功耗小,散熱器也隨之減小。開關(guān)型穩(wěn)壓電源直接對電網(wǎng)電壓進行整流、濾波、調(diào)整,然后由開關(guān)調(diào)整管進行穩(wěn)壓,不需要電源變壓器。此外,開關(guān)工作頻率為幾十千赫,濾波電容器、電感器數(shù)值較小。因此開關(guān)電源具有重量輕、體積小等優(yōu)點。
另外,由于功耗小,機內(nèi)溫升低,提高了整機的穩(wěn)定性和可靠性。而且其對電網(wǎng)的適應(yīng)能力也有較大的提高,一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動范圍為220±10%,而開關(guān)型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓在110-260伏范圍內(nèi)變化時,都可獲得穩(wěn)定的輸出電壓。
開關(guān)電源的高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù),高頻化帶來的效益是使開關(guān)電源裝置空前地小型化,并使開關(guān)電源進入更廣泛的領(lǐng)域,特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有深遠的意義。
目前市場上開關(guān)電源中功率管多采用雙極型晶體管,開關(guān)頻率可達幾十千赫;采用MOSFET的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換頻率可達幾百千赫。為提高開關(guān)頻率,必須采用高速開關(guān)器件。對于兆赫以上開關(guān)頻率的電源可利用諧振電路,這種工作方式稱為諧振開關(guān)方式。
它可以極大地提高開關(guān)速度,理論上開關(guān)損耗為零,噪聲也很小,這是提高開關(guān)電源工作頻率的一種方式。采用諧振開關(guān)方式的兆赫級變換器已經(jīng)實用化。開關(guān)電源的技術(shù)追求和發(fā)展趨勢可以概括為以下四個方面。
一、小型化、薄型化、輕量化、高頻化———開關(guān)電源的體積、重量主要是由儲能元件(磁性元件和電容)決定的,因此開關(guān)電源的小型化實質(zhì)上就是盡可能減小其中儲能元件的體積;在一定范圍內(nèi),開關(guān)頻率的提高,不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸,而且還能夠抑制干擾,改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此,高頻化是開關(guān)電源的主要發(fā)展方向。
二、高可靠性———開關(guān)電源使用的元器件比連續(xù)工作電源少數(shù)十倍,因此提高了可靠性。從壽命角度出發(fā),電解電容、光耦合器及排風(fēng)扇等器件的壽命決定著電源的壽命。所以,要從設(shè)計方面著眼,盡可能使用較少的器件,提高集成度。這樣不但解決了電路復(fù)雜、可靠性差的問題,也增加了保護等功能,簡化了電路,提高了平均無故障時間。
三、低噪聲———開關(guān)電源的缺點之一是噪聲大。單純地追求高頻化,噪聲也會隨之增大。采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù),在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲。所以,盡可能地降低噪聲影響是開關(guān)電源的又一發(fā)展方向。
四、采用計算機輔助設(shè)計和控制———采用CAA和CDD技術(shù)設(shè)計最新變換拓撲和最佳參數(shù),使開關(guān)電源具有最簡結(jié)構(gòu)和最佳工況。在電路中引入微機檢測和控制,可構(gòu)成多功能監(jiān)控系統(tǒng),可以實時檢測、記錄并自動報警等。
開關(guān)電源的發(fā)展從來都是與半導(dǎo)體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關(guān)的。高頻化的實現(xiàn),需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件。發(fā)展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件,開發(fā)高頻用的低損磁性材料,改進磁元件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法,提高濾波電容的介電常數(shù)及降低其等效串聯(lián)電阻等,對于開關(guān)電源小型化始終產(chǎn)生著巨大的推動作用。
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