高頻開關電源系統的發展趨勢

2025

02-18

17:30:54

 2400

來源：上海徐吉電氣有限公司

高頻開關電源系統的發展趨勢

在電力電子技術的應用及各種高頻開關電源系統中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源，傳統的電路非常龐大而笨重，如果采用高頻開關電源系統技術，其體積和重量都會大幅度下降，而且可*提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中，更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率，從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術，更是各種大功率開關電源（逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等）的核心技術。

　　高頻化

　　理論分析和實踐經驗表明，電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍的話，用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機，還是通訊電源用的開關式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統“整流行業”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造，成為“開關變換類電源”，其主要材料可以節約90%或更高，還可節電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統高頻設備固態化，帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益，更可體現技術含量的價值。

　　模塊化

　　模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關器件和與之反并聯的續流二極管，實質上都屬于“標準”功率模塊（SPM）。近年，有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去，構成了“智能化”功率模塊（IPM），不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的電應力（表現為過電壓、過電流毛刺）。為了提高高頻開關電源系統的可靠性，有些制造商開發了“用戶”功率模塊（ASPM），它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統的引線連接，這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計，達到優化的境地。它類似于微電子中的用戶集成電路（ASIC）。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片，再把整個模塊固定在相應的散熱器上，就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統連線，把寄生參數降到zui小，從而把器件承受的電應力降至zui低，提高高頻開關電源系統的可靠性。

另外，大功率開關電源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯工作，采用均流技術，所有模塊共同分擔負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔負載電流。這樣，不但提高了功率容量，在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過增加相對整個高頻開關電源系統來說功率很小的冗余電源模塊，*的提高高頻開關電源系統可靠性，即使萬一出現單模塊故障，也不會影響系統的正常工作，而且為修復提供充分的時間。

　　數字化

　　在傳統功率電子技術中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術*是建立在模擬電路基礎上的。但是，現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要，數字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾（提高抗*力）、便于軟件包調試和遙感遙測遙調，也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以，在八、九十年代，對于各類電路和系統的設計來說，模擬技術還是有用的，特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容（EMC）問題以及功率因數修正（PFC）等問題的解決，離不開模擬技術的知識，但是對于智能化的高頻開關電源系統，需要用計算機控制時，數字化技術就離不開了。

　　綠色化

　　高頻開關電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著節電，這意味著發電容量的節約，而發電是造成環境污染的重要原因，所以節電就可以減少對環境的污染;其次這些電源不能（或少）對電網產生污染，電工委員會（IEC）對此制定了一系列標準，如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上，許多功率電子節電設備，往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流，使總功率因數下降，使電網電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現缺角和畸變。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種修正功率因數的方法。這些為2l世紀批量生產各種綠色高頻開關電源系統產品奠定了基礎。

　　現代電力電子技術是大功率開關電源技術發展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現，現代電源技術將在實際需要的推動下快速發展。在傳統的應用技術下，由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了*發揮各種功率器件的特性，使器件性能對開關電源性能的影響減至zui小，新型的電源電路拓撲和新型的控制技術，可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態，從而可大大的提高工作頻率，提高開關電源工作效率，設計出性能優良的開關電源。

　　總而言之，電力電子及大功率開關電源技術因應用需求不斷向前發展，新技術的出現又會使許多應用產品更新換代，還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現，將標志著這些技術的成熟，實現率用電和高品質用電相結合。這幾年，隨著通信行業的發展，以開關電源技術為核心的通信用開關電源，僅國內有20多億人民幣的市場需求，吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨，因此，同樣具有幾十億產值需求的電力操作高頻開關電源系統的國內市場正在啟動，并將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的電源、工業電源正在等待著人們去開發。

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