电源技术的创新与发展

人类的经济活动已经到了工业经济时代,并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期。电源是位于市电(单相或三相)与负载之间,向负载提供优质电能的供电设备,是工业的基础。
电源技术是一种应用功率半导体器件,综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展,电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键的作用。
当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位和波形等基本参数的变换与控制相关。电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理,特别是能够实现大功率电能的频率变换,从而为多项高新技术的发展提供了有力的支持。因此,电源技术不但本身是一项高新技术,而且还是其他多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段,并为现代生产和现代生活带来深远的影响。
电源如今已是非常重要的基础科技和产业,从日常生活到最尖端的科技,都离不开电源技术的参与和支持,电源技术也正是在这种环境中一步步发展起来的。
2电源技术的创新
1947年底晶体管问世,随后不到十年,可控硅整流器(SCR,现称晶闸管)在晶体管渐趋成熟的基础上问世,从而揭开了电源技术长足发展的序幕。半个世纪以来,电源技术的发展不断创新。
2.1高频变换是电源技术发展的主流
电源技术的精髓是电能变换,即利用电能变换技术,将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。开关电源在电源技术中占有重要地位,从20kHz发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫级的高频开关电源,为高频变换提供了物质基础,促进了现代电源技术的繁荣和发展。高频化带来的最直接的好处是降低原材料消耗,电源装置小型化,加快系统的动态反应,进一步提高电源装置的效率,有效抑制环境噪声污染,并使电源进入更广阔的领域特别是高新技术领域,进一步扩展了它的应用范围。
2.2新理论、新技术的指导
谐振变换、移相谐振、零开关PWM、零过渡PWM等电路拓扑理论;功率因数校正、有源箝位、并联均流、同步整流、高频磁放大器、高速编程、遥感遥控、微机监控等新技术,指导了现代电源技术的发展。
2.3新器件、新材料的支撑
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、功率场效应晶体管(MOSFET)、智能IGBT功率模块(IPM)、MOS栅控晶闸管(MCT)、静电感应晶体管(SIT)、超快恢复二极管、无感电容器、无感电阻器、新型铁氧体、非晶和微晶软磁合金、纳米晶软磁合金等元器件,装备了现代电源技术,促进产品升级换代。

2.4控制的智能化
控制电路、驱动电路、保护电路采用集成组件。控制电路采用全数字化。控制手段用微处理器和单片机组成的软件控制方式,达到了较高的智能化程度,并且进一步提高了电源设备的可靠性。
2.5电源电路的模块化、集成化
电源技术发展的特点是电源电路的模块化、集成化。单片电源和模块电源取代整机电源,功率集成技术简化了电源的结构。已经在通讯、电力获得广泛应用,并且派生出新的供电体制—分布式供电,使集中供电单一体制走向多元化。
2.6电源设备的标准规范
电源设备要进入市场,今天的市场已是超越区域融贯全球的一体化市场,必须遵从能源、环境、电磁兼容、贸易协定等共同准则,电源设备生产厂家必须接受安全、EMC、环境、质量体系等种种标准规范的认证。
3电源技术的发展
随着科学技术的发展,对电源技术的要求越来越高,规格品种越来越多,技术难度越来越大,涉及的学术领域也越来越广。特种电源(或称工业电源)应用的对象具有多样性、新颖性和复杂性,要求特种电源设备不仅要保证内在性能的完美,而且要赋于其各式各样特定的外特性以及和外部的接口方式,这就决定了特种电源技术必须兼收并蓄众多学科的精华,融汇各行各业的科技成果。特种电源输入多为交流市电,输出有直流、交流或脉冲形式。
3.1交流变频调速器
交流变频调速器电源驱动交流异步电动机实现无级调速,已在电气传动中占据越来越重要的地位,并且已获得巨大的节能效果。应用于产业自动化,风机、水泵流量控制,细纱机、捻纱机程序控制,恒压供水可多泵并联,造纸机械变频同步控制。最大功率达500kW。将交流变频调速技术应用于空调器中,具有舒适、节能等优点。
3.2电解、电镀电源
电解、电镀电源要求稳流、稳压。电解生产需要消耗巨大的直流电能,由大功率整流设备供给,采用晶闸管稳流、有载调压加饱和电抗器稳流方式,最大输出容量3~350V,5~150kA。脉冲电源用作金属表面电化学过程,输出容量0~100V,10~4000A。逆变式真空离子镀膜电源性能的优劣直接影响镀膜性能的高低。

3.3高频逆变式整流焊机电源
高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效率、省材料的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁地处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性成为关键问题。额定焊接电流可达500A。多用等离子体切割焊机切割电流达20~90A,焊接电流为5~320A。
3.4中频感应加热电源
中频感应加热电源可广泛应用于各行业的金属熔炼,表面谇火处理以及透热弯管等领域。至今仍主要采用快速或高频晶闸管,频率为500~80000Hz,功率为100~3000kW,与国外产品相比有一定差距。
3.5电力操作电源
电力操作电源是为发电厂、水电站及500kV、220kV、110kV、35kV等各类变电站提供直流的电源设备,包括供给断路器分合闸及二次回路的仪器仪表、继电保护、控制、应急灯光照明等各类低压电器设备用电。最大输出电压315V,最大输出电流120A。
3.6正弦波逆变电源
正弦波逆变电源要求高精度稳压、稳频、并要求波形品质。400Hz中频逆变电源三相容量30~90kVA,稳压精度2%,稳频精度0.1%,波形失真小于3%,能适应各种负载。同时发展了邮电通讯专用逆变电源,电力系统、发电厂及直流电池屏专用逆变电源,车船载逆变电源,太阳能及风力发电系统专用逆变电源等。
3.7大功率高频高压直流电源
大功率高频高压直流电源得到广泛的应用,如工业上用于环保的静电除尘、污水处理、激光器等。医学方面用于X光机、CT等大型设备。科研上用于高能物理、等离子体物理。军事上雷达发射器。最高电压可达800kV。
3.8荧光灯镇流器
电子镇流器的核心是一个高频发生器。当荧光灯工作在几千赫的较高频率下,将灯和高频电路匹配,能够较大幅度地提高光效而达到节能目的。功率因数提高到接近1的水平。
3.9动态静止无功补偿装置
动态静止无功补偿装置在电压等级、装置容量上不断提高,实现了全数字化计算机控制,我国已在钢厂等企业得到了成功应用,取得了较大的经济效益和社会效益。
由上述可见,电源技术的创新,促进电源技术迅速发展,它将为生产和科技进步做出更大的贡献,可以预言,电源技术和电源设备将成为新世纪的主导技术和主流产品。

电子产品的质量是技术性和可靠性两方面的综合。电源作为一个电子系统中重要的部件,其可靠性决定了整个系统的可靠性,开关电源由于体积小,效率高而在各个领域得到广泛应用,如何提高它的可靠性是电力电子技术的一个重要方面.
1 开关电源电气可靠性工程设计技术
1.1 供电方式的选择
供电方式一般分为:集中式供电系统和分布式供电。现代电力电子系统一般采用采用分布式供电系统,以满足高可靠性设备的要求。
1.2 电路拓扑的选择
开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。其中双管正激式、双正激式和半桥电路的开关管承压仅为输入电源电压,60%降额时选用600 V的开关管比较容易,而且不会出现单向偏磁饱和的问题,这三种拓扑在高压输入电路中得到广泛的应用。
1 .3 功率因数校正技术
开关电源的谐波电流污染电网,干扰了其它共网设备,还可能会使采用三相四线制的中线电流过大,引发事故,解决途径之一是采用具有功率因素校正技术的开关电源

1.4 控制策略的选择
在中小功率的电源中,电流型PWM控制是大量采用的方法,在 DC-DC变换器中输出纹波可以控制在10 mV,优于电压型控制的常规电源。
硬开关技术因开关损耗的限制,开关频率一般在350 kHz以下;软开关技术是使开关器件在零电压或零电流状态下开关,实现开关损耗为零,从而可将开关频率提高到兆赫级水平,此技术主要应用于大功率系统,小功率系统中较少见。
1.5 元器件的选用
因为元器件直接决定了电源的可靠性,所以元器件的选用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四点:制造质量问题、器件可靠性的问题、设计问题、损耗问题。在使用中应对此予以足够重视。
1.6 保护电路
为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作,应在设计时加入多种保护电路,如防浪涌冲击、过欠压、过载、短路、过热等保护电路。
2 电磁兼容性(EMC)设计技术
开关电源多采用脉冲宽度调制(PWM)技术,脉冲波形呈矩形,其上升沿与下降 沿包含大量的谐波成分,另外输出整流管的反向恢复也会产生电磁干扰(EMI),这是影响可靠性的不利因素,这使得系统具有电磁兼容性成为重要问题。
如图1所示,产生电磁干扰有三个必要条件:干扰源、传输介质、敏感接收单元,EMC设计就是破坏这三个条件中的一个。
对于开关电源而言,主要是抑制干扰源,干扰源集中在开关电路与输出整流电路。采用的技术包括滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等技术。

3 电源设备可靠性热设计技术
统计资料表明电子元器件温度每升高2 ℃,可靠性下降10 %;温升50 ℃时的寿命只有温升25 ℃时的1/6。除了电应力之外,温度是影响设备可靠性最重要的因素。
这就需要在技术上采取措施限制机箱及元器件的温升,这就是热设计。热设计的原则,一是减少发热量,即选用更优的控制方式和技术,如移相控制技术、同步整流技术等技术,另外就是选用低功耗的器件,减少发热器件的数目,加大粗印制线的宽度,提高电源的效率。二是加强散热,即利用传导、辐射、对流技术将热量转移,这包括散热器设计、风冷(自然对流和强迫风冷)设计、液冷(水、油)设计、热电致冷设计、热管设计等。
强迫风冷的散热量比自然冷却大十倍以上,但是要增加风机、风机电源、联锁装置等,在设计中要根据实际情况选取散热方式。
4 安全性设计技术
对于电源而言,安全性历来被确定为最重要的性能,不安全的产品不但不能完成规定的功能,而且还有可能发生严重事故,甚至造成机毁人亡的巨大损失。为保证产品具有相当高的安全性,必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容包括防止电危险、过热危险。
对于商用设备市场,具有代表性的安全标准有UL、CSA、VDE等,内容因用途而异,容许泄漏电流在0.5~5mA之间,我国用军标准GJB1412规定的泄漏电流小于5 mA。电源设备对地泄漏电流的大小取决于EMI滤波器的Y电容的容量,如图二所示。从EMI滤波器角度出发Y电容的容量越大越好,但从安全性角度出发Y电容的容量越小越好,Y电容的容量根据安全标准来决定。根据GJB151A,50 Hz设备小于0.1 μF,400Hz设备小于0.02 μF。若X电容器的安全性能欠佳,电网瞬态尖峰出现时可能被击穿,它的击穿不危及人身安全,但会使滤波器丧失滤波功能。

5 三防设计技术
三防设计是指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计。凡应用我国长江以南、沿海地区以及军用电源均应进行三防设计。
电子设备的表面在潮湿的海洋大气中会吸附一层很薄的湿水层,即水膜,但水膜达到20~30分子层厚时,就形成化学腐蚀所必须的电解质膜,这种富含盐分的电解质对裸露的金属表面具有很强的腐蚀活性。另外温度突变,在空气中产生露点,会使印制线间绝缘电阻下降、元器件发霉,产生铜绿、引脚被腐蚀断裂等情况。
湿热环境为霉菌的滋生提供了有利条件。霉菌以电子设备中的有机物为养料,吸附水分并分泌有机酸,破坏绝缘,引发短路,加速金属腐蚀。
在工程上,可以选用耐蚀材料,再通过镀、涂或化学处理即通过对电子设备及零部件的表现覆盖一屋金属或非金属保护膜,使之与周围介质隔离,从而达到防护的目的。在结构上采用密封或半密封形式来隔绝外部不利环境。对印制板及组件表现涂覆专用三防清漆可以有效避免导线之间的电晕、击穿,提高电源的可靠性。变压器应进行浸漆,端封,以防潮气进入引发短路事故。
三防设计与电磁屏蔽往往是矛盾的。如果三防设计优异就具有良好的电气绝缘性,而电气绝缘的外壳就没有好的屏蔽效果,这两方面需综合考虑。
在整机设计中,应充分考虑屏蔽与接地要求,采取合理的工艺,保证有电接触的表面长期导通。
6 抗振性设计技术
振动也是造成电源故障的一个重要原因。在振动试验中常发生钽电容和铝电解电容器引线被振断情况,这些就要求加固设计。一般可以用硅胶固定钽电容,给高度超过25cm和直径超过12cm的铝电解电容器加装固定夹,给印制板加装肋条。
7 结束语
以上建议只是适用于工业品和军品电源,对于商业级产品可以在某些方面作出不同的选择。总之电源设备可靠性的高低,不仅跟电气设计,而且跟装配、工艺、结构设计、加工质量等各方面有关。可靠性是以设计为基础,在实际工程应用上,还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计,进一步提高电源的可靠性。

开关电源的特征就是产生强电磁噪声,若不加严格控制,将产生极大的干扰。下面介绍的技术有助于降低开关电源噪声,能用于高灵敏度的模拟电路。
1电路和器件的选择
一个关键点是保持dv/dt和di/dt在较低水平,有许多电路通过减小dv/dt和/或di/dt来减小辐射,这也减轻了对开关管的压力,这些电路包括ZVS(零电压开关)、ZCS(零电流开关)、共振模式.(ZCS的一种)、SEPIC(单端初级电感转换器)、CK(一套磁结构,以其发明者命名)等。
减小开关时间并非一定就能引起效率的提高,因为磁性元件的RF振荡需要强损耗的缓冲,最终可以观察到不断减弱的回程。使用软开关技术,虽然会稍微降低效率,但在节省成本和滤波/屏蔽所占用空间方面有更大的好处。
2阻尼
为了保护开关管免受由于寄生参数等因素引起的振荡尖峰电压的冲击常需要阻尼。阻尼器连到有问题的线圈上,这也可以减小发射。
阻尼器有多种类型:从EMC角度看,RC阻尼器通常在EMC上是最好的,但比其他的发热多一些。权衡各方面的利弊,在缓冲器中应谨慎使用感性电阻。
3磁性元件有关问题及解决方案
特别需注意的是电感和变压器的磁路要闭合。例如,用环形或无缝磁芯,环形铁粉芯适合于存储磁能的场合,若在磁环上开缝,则需一个完全短路环来减小寄生泄漏磁场。
初级开关噪声会通过隔离变压器的线圈匝间电容注入到次级,在次级产生共模噪声,这些噪声电流难以滤除,而且由于流过路径较长,便会产生发射现象。
一种很有效的技术是将次级地用小电容连接到初级电源线上,从而为这些共模电流提供一条返回路径,但要注意安全,千万别超出安全标准标明的总的泄漏地电流,这个电容也有助于次级滤波器更好的工作。

线圈匝间屏蔽(隔离变压器内)可以更有效地抑制次级上感应的初级开关噪声。虽然也曾有过五层以上的屏蔽,但三层屏蔽更常见。靠近初级线圈的屏蔽通常连到一次电源线上,靠近次级线圈的屏蔽经常连到公共输出地(若有的话),中间屏蔽体一般连到机壳。在样机阶段最好反复实验以找到线圈匝间屏蔽的最好的连接方式。
以上两项技术也能减小输入端上感应的次级开关噪声。适当大小的输出电感可以将次级交流波形变成半正弦波,因此可以显著地减小变压器绕组间噪声(直流纹波).
4散热器
散热器与集电极或TO247功率器件的漏极之间有50pF的电容,因此可以产生很强的发射。仅仅直接地把散热片连到机壳,这只是把噪声引向大地,很可能不能减小总体发射水平。
较好的做法是:把它们连到一恰当的电路结点——一次整流输出端,但要注意安全要求。具有屏蔽作用的绝缘隔离片可以连接到开关管上,把它们屏蔽内层接至一次整流端,散热片要么悬浮要么连到机壳。
散热片也可以通过电容连到有危险电压的线上,电容的引线和PCB轨线构成的电感可能会与电容“谐振”,这可对解决某些特殊频率上的问题特别有效。应该在样机上多次试验,最终找到散热片的最佳安装方法。
5整流器件
用于一次电源上的整流器和二次整流器,因为其反向电流,可以引起大量的噪声,最好使用快速软开关型号的器件。


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