- 您的當前位置：首頁->產(chǎn)品知識
電源技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展
人類的經(jīng)濟活動已經(jīng)到了工業(yè)經(jīng)濟時代，并正在轉(zhuǎn)入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的時期。電源是位于市電（單相或三相）與負載之間，向負載提供優(yōu)質(zhì)電能的供電設(shè)備，是工業(yè)的基礎(chǔ)。
電源技術(shù)是一種應(yīng)用功率半導體器件，綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動控制技術(shù)的多學科的邊緣交叉技術(shù)。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前電源技術(shù)已逐步發(fā)展成為一門多學科互相滲透的綜合性技術(shù)學科。它對現(xiàn)代通訊、電子儀器、計算機、工業(yè)自動化、電力工程、國防及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電源起著關(guān)鍵的作用。
當代許多高新技術(shù)均與市電的電壓、電流、頻率、相位和波形等基本參數(shù)的變換與控制相關(guān)。電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對這些參數(shù)的精確控制和高效率的處理，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能的頻率變換，從而為多項高新技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支持。因此，電源技術(shù)不但本身是一項高新技術(shù)，而且還是其他多項高新技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。電源技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗以及提高生產(chǎn)效率提供重要的手段，并為現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來深遠的影響。
電源如今已是非常重要的基礎(chǔ)科技和產(chǎn)業(yè)，從日常生活到最尖端的科技，都離不開電源技術(shù)的參與和支持，電源技術(shù)也正是在這種環(huán)境中一步步發(fā)展起來的。
2電源技術(shù)的創(chuàng)新
1947年底晶體管問世，隨后不到十年，可控硅整流器（SCR，現(xiàn)稱晶閘管）在晶體管漸趨成熟的基礎(chǔ)上問世，從而揭開了電源技術(shù)長足發(fā)展的序幕。半個世紀以來，電源技術(shù)的發(fā)展不斷創(chuàng)新。
2.1高頻變換是電源技術(shù)發(fā)展的主流
電源技術(shù)的精髓是電能變換，即利用電能變換技術(shù)，將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對象的二次電源。開關(guān)電源在電源技術(shù)中占有重要地位，從20kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開關(guān)頻率達到兆赫級的高頻開關(guān)電源，為高頻變換提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，促進了現(xiàn)代電源技術(shù)的繁榮和發(fā)展。高頻化帶來的最直接的好處是降低原材料消耗，電源裝置小型化，加快系統(tǒng)的動態(tài)反應(yīng)，進一步提高電源裝置的效率，有效抑制環(huán)境噪聲污染，并使電源進入更廣闊的領(lǐng)域特別是高新技術(shù)領(lǐng)域，進一步擴展了它的應(yīng)用范圍。
2.2新理論、新技術(shù)的指導
諧振變換、移相諧振、零開關(guān)PWM、零過渡PWM等電路拓撲理論；功率因數(shù)校正、有源箝位、并聯(lián)均流、同步整流、高頻磁放大器、高速編程、遙感遙控、微機監(jiān)控等新技術(shù)，指導了現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展。
2.3新器件、新材料的支撐
絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、智能IGBT功率模塊（IPM）、MOS柵控晶閘管（MCT）、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）、超快恢復二極管、無感電容器、無感電阻器、新型鐵氧體、非晶和微晶軟磁合金、納米晶軟磁合金等元器件，裝備了現(xiàn)代電源技術(shù)，促進產(chǎn)品升級換代。
2.4控制的智能化
控制電路、驅(qū)動電路、保護電路采用集成組件。控制電路采用全數(shù)字化。控制手段用微處理器和單片機組成的軟件控制方式，達到了較高的智能化程度，并且進一步提高了電源設(shè)備的可靠性。
2.5電源電路的模塊化、集成化
電源技術(shù)發(fā)展的特點是電源電路的模塊化、集成化。單片電源和模塊電源取代整機電源，功率集成技術(shù)簡化了電源的結(jié)構(gòu)。已經(jīng)在通訊、電力獲得廣泛應(yīng)用，并且派生出新的供電體制—分布式供電，使集中供電單一體制走向多元化。
2.6電源設(shè)備的標準規(guī)范
電源設(shè)備要進入市場，今天的市場已是超越區(qū)域融貫全球的一體化市場，必須遵從能源、環(huán)境、電磁兼容、貿(mào)易協(xié)定等共同準則，電源設(shè)備生產(chǎn)廠家必須接受安全、EMC、環(huán)境、質(zhì)量體系等種種標準規(guī)范的認證。
3電源技術(shù)的發(fā)展
隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對電源技術(shù)的要求越來越高，規(guī)格品種越來越多，技術(shù)難度越來越大，涉及的學術(shù)領(lǐng)域也越來越廣。特種電源（或稱工業(yè)電源）應(yīng)用的對象具有多樣性、新穎性和復雜性，要求特種電源設(shè)備不僅要保證內(nèi)在性能的完美，而且要賦于其各式各樣特定的外特性以及和外部的接口方式，這就決定了特種電源技術(shù)必須兼收并蓄眾多學科的精華，融匯各行各業(yè)的科技成果。特種電源輸入多為交流市電，輸出有直流、交流或脈沖形式。
3.1交流變頻調(diào)速器
交流變頻調(diào)速器電源驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速，已在電氣傳動中占據(jù)越來越重要的地位，并且已獲得巨大的節(jié)能效果。應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)自動化，風機、水泵流量控制，細紗機、捻紗機程序控制，恒壓供水可多泵并聯(lián)，造紙機械變頻同步控制。最大功率達500kW。將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中，具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。
3.2電解、電鍍電源
電解、電鍍電源要求穩(wěn)流、穩(wěn)壓。電解生產(chǎn)需要消耗巨大的直流電能，由大功率整流設(shè)備供給，采用晶閘管穩(wěn)流、有載調(diào)壓加飽和電抗器穩(wěn)流方式，最大輸出容量3～350V，5～150kA。脈沖電源用作金屬表面電化學過程，輸出容量0～100V，10～4000A。逆變式真空離子鍍膜電源性能的優(yōu)劣直接影響鍍膜性能的高低。
3．3高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效率、省材料的新型焊機電源，代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于焊機電源的工作條件惡劣，頻繁地處于短路、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可靠性成為關(guān)鍵問題。額定焊接電流可達500A。多用等離子體切割焊機切割電流達20～90A，焊接電流為5～320A。
3．4中頻感應(yīng)加熱電源
中頻感應(yīng)加熱電源可廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的金屬熔煉，表面誶火處理以及透熱彎管等領(lǐng)域。至今仍主要采用快速或高頻晶閘管，頻率為500～80000Hz，功率為100～3000kW，與國外產(chǎn)品相比有一定差距。
3．5電力操作電源
電力操作電源是為發(fā)電廠、水電站及500kV、220kV、110kV、35kV等各類變電站提供直流的電源設(shè)備，包括供給斷路器分合閘及二次回路的儀器儀表、繼電保護、控制、應(yīng)急燈光照明等各類低壓電器設(shè)備用電。最大輸出電壓315V，最大輸出電流120A。
3．6正弦波逆變電源
正弦波逆變電源要求高精度穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、并要求波形品質(zhì)。400Hz中頻逆變電源三相容量30～90kVA，穩(wěn)壓精度2％，穩(wěn)頻精度0.1％，波形失真小于3％，能適應(yīng)各種負載。同時發(fā)展了郵電通訊專用逆變電源，電力系統(tǒng)、發(fā)電廠及直流電池屏專用逆變電源，車船載逆變電源，太陽能及風力發(fā)電系統(tǒng)專用逆變電源等。
3．7大功率高頻高壓直流電源
大功率高頻高壓直流電源得到廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)上用于環(huán)保的靜電除塵、污水處理、激光器等。醫(yī)學方面用于X光機、CT等大型設(shè)備。科研上用于高能物理、等離子體物理。軍事上雷達發(fā)射器。最高電壓可達800kV。
3．8熒光燈鎮(zhèn)流器
電子鎮(zhèn)流器的核心是一個高頻發(fā)生器。當熒光燈工作在幾千赫的較高頻率下，將燈和高頻電路匹配，能夠較大幅度地提高光效而達到節(jié)能目的。功率因數(shù)提高到接近1的水平。
3．9動態(tài)靜止無功補償裝置
動態(tài)靜止無功補償裝置在電壓等級、裝置容量上不斷提高，實現(xiàn)了全數(shù)字化計算機控制，我國已在鋼廠等企業(yè)得到了成功應(yīng)用，取得了較大的經(jīng)濟效益和社會效益。
由上述可見，電源技術(shù)的創(chuàng)新，促進電源技術(shù)迅速發(fā)展，它將為生產(chǎn)和科技進步做出更大的貢獻，可以預言，電源技術(shù)和電源設(shè)備將成為新世紀的主導技術(shù)和主流產(chǎn)品。
電子產(chǎn)品的質(zhì)量是技術(shù)性和可靠性兩方面的綜合。電源作為一個電子系統(tǒng)中重要的部件，其可靠性決定了整個系統(tǒng)的可靠性，開關(guān)電源由于體積小,效率高而在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,如何提高它的可靠性是電力電子技術(shù)的一個重要方面.
1 開關(guān)電源電氣可靠性工程設(shè)計技術(shù)
1.1 供電方式的選擇
供電方式一般分為：集中式供電系統(tǒng)和分布式供電。現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)一般采用采用分布式供電系統(tǒng)，以滿足高可靠性設(shè)備的要求。
1.2 電路拓撲的選擇
開關(guān)電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓撲。其中雙管正激式、雙正激式和半橋電路的開關(guān)管承壓僅為輸入電源電壓，60%降額時選用600 V的開關(guān)管比較容易，而且不會出現(xiàn)單向偏磁飽和的問題，這三種拓撲在高壓輸入電路中得到廣泛的應(yīng)用。
1 .3 功率因數(shù)校正技術(shù)
開關(guān)電源的諧波電流污染電網(wǎng)，干擾了其它共網(wǎng)設(shè)備，還可能會使采用三相四線制的中線電流過大，引發(fā)事故，解決途徑之一是采用具有功率因素校正技術(shù)的開關(guān)電源。
1.4 控制策略的選擇
在中小功率的電源中，電流型PWM控制是大量采用的方法，在 DC-DC變換器中輸出紋波可以控制在10 mV，優(yōu)于電壓型控制的常規(guī)電源。
硬開關(guān)技術(shù)因開關(guān)損耗的限制，開關(guān)頻率一般在350 kHz以下;軟開關(guān)技術(shù)是使開關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下開關(guān)，實現(xiàn)開關(guān)損耗為零，從而可將開關(guān)頻率提高到兆赫級水平，此技術(shù)主要應(yīng)用于大功率系統(tǒng)，小功率系統(tǒng)中較少見。
1.5 元器件的選用
因為元器件直接決定了電源的可靠性，所以元器件的選用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四點：制造質(zhì)量問題、器件可靠性的問題、設(shè)計問題、損耗問題。在使用中應(yīng)對此予以足夠重視。
1.6 保護電路
為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應(yīng)在設(shè)計時加入多種保護電路，如防浪涌沖擊、過欠壓、過載、短路、過熱等保護電路。
2 電磁兼容性(EMC)設(shè)計技術(shù)
開關(guān)電源多采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，脈沖波形呈矩形，其上升沿與下降 沿包含大量的諧波成分，另外輸出整流管的反向恢復也會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，這是影響可靠性的不利因素，這使得系統(tǒng)具有電磁兼容性成為重要問題。
如圖1所示，產(chǎn)生電磁干擾有三個必要條件：干擾源、傳輸介質(zhì)、敏感接收單元，EMC設(shè)計就是破壞這三個條件中的一個。
對于開關(guān)電源而言，主要是抑制干擾源，干擾源集中在開關(guān)電路與輸出整流電路。采用的技術(shù)包括濾波技術(shù)、布局與布線技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、密封技術(shù)等技術(shù)。
3 電源設(shè)備可靠性熱設(shè)計技術(shù)
統(tǒng)計資料表明電子元器件溫度每升高2 ℃，可靠性下降10 %;溫升50 ℃時的壽命只有溫升25 ℃時的1/6。除了電應(yīng)力之外，溫度是影響設(shè)備可靠性最重要的因素。
這就需要在技術(shù)上采取措施限制機箱及元器件的溫升，這就是熱設(shè)計。熱設(shè)計的原則，一是減少發(fā)熱量，即選用更優(yōu)的控制方式和技術(shù)，如移相控制技術(shù)、同步整流技術(shù)等技術(shù)，另外就是選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大粗印制線的寬度，提高電源的效率。二是加強散熱，即利用傳導、輻射、對流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移，這包括散熱器設(shè)計、風冷(自然對流和強迫風冷)設(shè)計、液冷(水、油)設(shè)計、熱電致冷設(shè)計、熱管設(shè)計等。
強迫風冷的散熱量比自然冷卻大十倍以上，但是要增加風機、風機電源、聯(lián)鎖裝置等，在設(shè)計中要根據(jù)實際情況選取散熱方式。
4 安全性設(shè)計技術(shù)
對于電源而言，安全性歷來被確定為最重要的性能，不安全的產(chǎn)品不但不能完成規(guī)定的功能，而且還有可能發(fā)生嚴重事故，甚至造成機毀人亡的巨大損失。為保證產(chǎn)品具有相當高的安全性，必須進行安全性設(shè)計。電源產(chǎn)品安全性設(shè)計的內(nèi)容包括防止電危險、過熱危險。
對于商用設(shè)備市場，具有代表性的安全標準有UL、CSA、VDE等，內(nèi)容因用途而異，容許泄漏電流在0.5～5mA之間，我國用軍標準GJB1412規(guī)定的泄漏電流小于5 mA。電源設(shè)備對地泄漏電流的大小取決于EMI濾波器的Y電容的容量，如圖二所示。從EMI濾波器角度出發(fā)Y電容的容量越大越好，但從安全性角度出發(fā)Y電容的容量越小越好，Y電容的容量根據(jù)安全標準來決定。根據(jù)GJB151A，50 Hz設(shè)備小于0.1 μF，400Hz設(shè)備小于0.02 μF。若X電容器的安全性能欠佳，電網(wǎng)瞬態(tài)尖峰出現(xiàn)時可能被擊穿，它的擊穿不危及人身安全，但會使濾波器喪失濾波功能。
5 三防設(shè)計技術(shù)
三防設(shè)計是指防潮設(shè)計、防鹽霧設(shè)計和防霉菌設(shè)計。凡應(yīng)用我國長江以南、沿海地區(qū)以及軍用電源均應(yīng)進行三防設(shè)計。
電子設(shè)備的表面在潮濕的海洋大氣中會吸附一層很薄的濕水層，即水膜，但水膜達到20～30分子層厚時，就形成化學腐蝕所必須的電解質(zhì)膜，這種富含鹽分的電解質(zhì)對裸露的金屬表面具有很強的腐蝕活性。另外溫度突變，在空氣中產(chǎn)生露點，會使印制線間絕緣電阻下降、元器件發(fā)霉，產(chǎn)生銅綠、引腳被腐蝕斷裂等情況。
濕熱環(huán)境為霉菌的滋生提供了有利條件。霉菌以電子設(shè)備中的有機物為養(yǎng)料，吸附水分并分泌有機酸，破壞絕緣，引發(fā)短路，加速金屬腐蝕。
在工程上，可以選用耐蝕材料，再通過鍍、涂或化學處理即通過對電子設(shè)備及零部件的表現(xiàn)覆蓋一屋金屬或非金屬保護膜，使之與周圍介質(zhì)隔離，從而達到防護的目的。在結(jié)構(gòu)上采用密封或半密封形式來隔絕外部不利環(huán)境。對印制板及組件表現(xiàn)涂覆專用三防清漆可以有效避免導線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性。變壓器應(yīng)進行浸漆，端封，以防潮氣進入引發(fā)短路事故。
三防設(shè)計與電磁屏蔽往往是矛盾的。如果三防設(shè)計優(yōu)異就具有良好的電氣絕緣性，而電氣絕緣的外殼就沒有好的屏蔽效果，這兩方面需綜合考慮。
在整機設(shè)計中，應(yīng)充分考慮屏蔽與接地要求，采取合理的工藝，保證有電接觸的表面長期導通。
6 抗振性設(shè)計技術(shù)
振動也是造成電源故障的一個重要原因。在振動試驗中常發(fā)生鉭電容和鋁電解電容器引線被振斷情況，這些就要求加固設(shè)計。一般可以用硅膠固定鉭電容，給高度超過25cm和直徑超過12cm的鋁電解電容器加裝固定夾，給印制板加裝肋條。
7 結(jié)束語
以上建議只是適用于工業(yè)品和軍品電源，對于商業(yè)級產(chǎn)品可以在某些方面作出不同的選擇。總之電源設(shè)備可靠性的高低，不僅跟電氣設(shè)計，而且跟裝配、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工質(zhì)量等各方面有關(guān)。可靠性是以設(shè)計為基礎(chǔ)，在實際工程應(yīng)用上，還應(yīng)通過各種試驗取得反饋數(shù)據(jù)來完善設(shè)計，進一步提高電源的可靠性。
開關(guān)電源的特征就是產(chǎn)生強電磁噪聲，若不加嚴格控制，將產(chǎn)生極大的干擾。下面介紹的技術(shù)有助于降低開關(guān)電源噪聲，能用于高靈敏度的模擬電路。
1電路和器件的選擇
一個關(guān)鍵點是保持dv/dt和di/dt在較低水平,有許多電路通過減小dv/dt和/或di/dt來減小輻射，這也減輕了對開關(guān)管的壓力，這些電路包括ZVS(零電壓開關(guān))、ZCS(零電流開關(guān))、共振模式.(ZCS的一種)、SEPIC(單端初級電感轉(zhuǎn)換器)、CK(一套磁結(jié)構(gòu)，以其發(fā)明者命名)等。
減小開關(guān)時間并非一定就能引起效率的提高，因為磁性元件的RF振蕩需要強損耗的緩沖，最終可以觀察到不斷減弱的回程。使用軟開關(guān)技術(shù)，雖然會稍微降低效率，但在節(jié)省成本和濾波/屏蔽所占用空間方面有更大的好處。
2阻尼
為了保護開關(guān)管免受由于寄生參數(shù)等因素引起的振蕩尖峰電壓的沖擊常需要阻尼。阻尼器連到有問題的線圈上，這也可以減小發(fā)射。
阻尼器有多種類型：從EMC角度看，RC阻尼器通常在EMC上是最好的，但比其他的發(fā)熱多一些。權(quán)衡各方面的利弊，在緩沖器中應(yīng)謹慎使用感性電阻。
3磁性元件有關(guān)問題及解決方案
特別需注意的是電感和變壓器的磁路要閉合。例如，用環(huán)形或無縫磁芯，環(huán)形鐵粉芯適合于存儲磁能的場合，若在磁環(huán)上開縫，則需一個完全短路環(huán)來減小寄生泄漏磁場。
初級開關(guān)噪聲會通過隔離變壓器的線圈匝間電容注入到次級，在次級產(chǎn)生共模噪聲，這些噪聲電流難以濾除，而且由于流過路徑較長，便會產(chǎn)生發(fā)射現(xiàn)象。
一種很有效的技術(shù)是將次級地用小電容連接到初級電源線上，從而為這些共模電流提供一條返回路徑，但要注意安全，千萬別超出安全標準標明的總的泄漏地電流，這個電容也有助于次級濾波器更好的工作。
線圈匝間屏蔽(隔離變壓器內(nèi))可以更有效地抑制次級上感應(yīng)的初級開關(guān)噪聲。雖然也曾有過五層以上的屏蔽，但三層屏蔽更常見。靠近初級線圈的屏蔽通常連到一次電源線上，靠近次級線圈的屏蔽經(jīng)常連到公共輸出地(若有的話)，中間屏蔽體一般連到機殼。在樣機階段最好反復實驗以找到線圈匝間屏蔽的最好的連接方式。
以上兩項技術(shù)也能減小輸入端上感應(yīng)的次級開關(guān)噪聲。適當大小的輸出電感可以將次級交流波形變成半正弦波，因此可以顯著地減小變壓器繞組間噪聲(直流紋波).
4散熱器
散熱器與集電極或TO247功率器件的漏極之間有50pF的電容，因此可以產(chǎn)生很強的發(fā)射。僅僅直接地把散熱片連到機殼，這只是把噪聲引向大地，很可能不能減小總體發(fā)射水平。
較好的做法是：把它們連到一恰當?shù)碾娐方Y(jié)點——一次整流輸出端，但要注意安全要求。具有屏蔽作用的絕緣隔離片可以連接到開關(guān)管上，把它們屏蔽內(nèi)層接至一次整流端，散熱片要么懸浮要么連到機殼。
散熱片也可以通過電容連到有危險電壓的線上，電容的引線和PCB軌線構(gòu)成的電感可能會與電容“諧振”，這可對解決某些特殊頻率上的問題特別有效。應(yīng)該在樣機上多次試驗，最終找到散熱片的最佳安裝方法。
5整流器件
用于一次電源上的整流器和二次整流器，因為其反向電流，可以引起大量的噪聲，最好使用快速軟開關(guān)型號的器件。
| 【上一個】 中國電源行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈大解析與技術(shù)發(fā)展趨勢 | 【下一個】 開關(guān)電源：PC電源分析 |
| ^ 電源技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展 |