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開關電源產業發展分析

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開關電源產業發展分析
 從我國開關電源的發展過程可以瞭解國際開關電源發展的一個側面,雖然一般說來,我國技術發展水平與國際先進水平平均有5~10年差距。 70年代起,我同在黑白電視機,中小型計算機中開始應用5V,20-200A,20kHZ AC- DC開關電源。80年代進入大規模生產和廣泛應用階段,並開發研究0.5~5MHz準諧振型軟開關電源。80年代中,我國通訊(如程注交換機)電源在AC-DC及DC-DC開關電源應用領域中所六比重還比較低。80年代末我國通訊電源大規模更新換代,傳統的鐵磁穩壓-整流電源和閘流體(Thyristor,原稱可控矽元件)相控穩壓電源為大功率(48V, 6kw) AC-DC開關電源(通訊系統中常稱為開關型整流器SMR)所持代;並開始在辦公室自動化裝置中得到應用。工業應用方面,在鍋爐火焰控制,繼電保護,鐳射,彩色TV,離子管燈絲髮無線電流調節,離子注射機,滷鎢燈控制等系統中均有應用。
 90年代我國又研製開發了一批新型專用非關電源,典型例子如下: 1.衛星開關電源。東方紅三號通訊衛星、風雲一號、二號氣象衛星均應用了開關電源。特點是:多路輸出,不可維修性,要求長期不改變效能,設定冗餘模組,可靠性高,EMC 滿足空間環境條件,高效,輕小。 2遠端火箭控制系統的DC-DC開關電源,要求發射過程中高度可靠。 3 1000kW牽引變流器4500V/1200A GTO門控250W開關電源。 4 40kW固體脈衝鐳射器的軟開關電源。用4臺10kw全橋多諧振ZVS變換器並聯。 5.焊機用雙IGBT管正激車電壓轉換一脈定調製(ZVT-PWM)軟開關電源。輸出20kW, 500A,開關頻率40kHZ,效率92%。特點是負載大範圍變化頻繁,工作環境惡劣。要求電源衝擊電流小,動態特性好,無過沖,負載個影響軟開關性質。 6.變電所在流作業系統開關電源。供繼電保護和自動裝置及蓄電池充電用。代替閘流體調壓系統,輸出10A,180~286V。主開關管用IGBT或功率MOSFET。 7.單相和三相高功率因數整流器(有源功率同數校正器)。
 可以看出20一30年中,我國開關電源的應用領域和技術性能有很大進展,這與因家基礎工業和國力增強有密切關係,也和國際先進開關電源技術影響有關。充分顯示了中國電源技術人員的聰明才智和艱苦奮鬥的`創業精神。 90年代,中小型(500W以下)AC-DC和DC-DC開關電源的特點是:高頻化(開關頻率達300-400kHZ)以達到高功率密度,體小量輕;力求高效和高可靠;低成本;低輸出電壓(≤3V;AC輸入端高功率同數等。在今後5年內仍然將沿這些方向發展。
 主要技術標誌從技術上看,幾十年來推動開關電源效能和技術水平不斷提高的本要標誌是:
 1.新型高頻功率半導體器件的開發使實現開關電源高頻化有了可能。 如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率電晶體和閘流體,從而使中小型開關電源下作頻率可達到400kHZ(AC-DC)和1MHZ(DC-DC)的水平。超快恢復功率二極體,MOSF ET問步整流技術的開發也為高效低電壓輸出(例如3V)開關電源的研製有了可能。現正在探索研製耐高溫的高效能碳化磚功率來導體器件。
   2.軟開關技術使高效率高頻開關變換器的實現有了可能。 PWM開關電源按硬開關模式工作(開/關過程中電壓卜降/上升和電流上升/下降波形有交疊),因而開關損耗大。開關電源高頻化可以縮小體積重量,但開關損耗卻更大了(功耗與頻率成正比)。為此必須研究開關電比/電流波形個交更的技術,即所謂零電壓(ZVS)/本電流(ZCS)開關技術,或稱軟開關技術(相對於PWM硬開關技術而言),小功率軟開關電源效率可提高到80一85%。 70年代諧報開關電源奠定了軟開關技術的基礎。以後新的軟開關技術不斷湧現,如準諧振(80年代中)全橋移相ZVS-PWM,恆頻ZVS-PWM/ZCS-PWM(80年代末)ZVS -PWM有源鉗位;ZVT-PWM/ZCT-PWM(90年代初)全橋移相 ZV-ZCS-PWM(90年代中)等。我國已將最新軟開關技術應用於6Kw通訊電源中,效率達93%。
  3.控制技術研究的進展。如電流型控制及多環控制,電荷控制,一週期控制,功率因數控制,DSP控制;及相應專用整合控制晶片的研製成功等,使開關電源動態效能有很大提高,電路也大幅度簡化。
  4.有源功率團數校正技術(APFC)的開發,提高了AC-DC開關電源功率因數。 由於輸入端有整流一電容元件,AC-DC開關電源及一大類整流電源供電的電子裝置(如逆變器,UPS)等的電網測功率團數僅為0.65,80年代用APFC技術後可提高到0.95 ~0.99,既治理了電網的諧波“汙染”,又提高了開關電源的整體效率。單相APFC是DC -DC開關變換器拓撲和功率因數控制技術的具體應用,而三相APFC則是三相PWM整流開關拓撲和控制技術的結合。
  5.磁性元件新型磁材料和新型變壓器的開發。 如整合磁路,平面型磁心,超薄型(Low profile)變壓器;以及新型變壓器如壓電式,無磁心印製電路(PCB)變壓器等,使開關電源的尺寸重量都可減少許多。
 6.新型電容器和EMI濾波器技術的進步,使開關電源小型化並提高了EMC效能。
 7.微處理器監控和開關電源系統內部通訊技術的應用,提高了電源系統的可靠性。 90年代末又提出了新型開關電源的研製開發,這也是新世紀開關電源的發展遠景。如:用一級AC-DC開關變換器實現穩壓或穩流,並具有功率因數校正功能,稱為單管單級(SingleSwitch Single Stage)或4S高功率因數AC-DC開關變換器;輸出1V, 50A的低電壓大電流DC-DC變換器,又稱電壓調節模組VRM,以適應下一代超快速微處理器供電的需求;多通道(Multi-Channel或Multi-Phase)DC-DC開關變換器;網路伺服器(Server)的開關電源刊可攜帶式電子裝置的高頻開關電源等。