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【關(guān)鍵詞】LM2596；UCC29002；反饋

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)整體如圖1所示。

圖 1 系統(tǒng)整體框圖

2 主要模塊設(shè)計(jì)方案

2.1 供電系統(tǒng)

橋式整流電路的工作原理如圖2：e2為正半周時(shí)，對(duì)D1、D3和方向電壓，Dl，D3導(dǎo)通；對(duì)D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、Dl、Rfz、D3通電回路，在Rfz，上形成上正下負(fù)的半波整洗電壓，e2為負(fù)半周時(shí)，對(duì)D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對(duì)D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成e2、D2、Rfz、D4通電回路，同樣在Rfz上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。

圖 2

2.2 DC模塊的選擇

電源芯片采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM2596―ADJ它是一款降壓型的PWM調(diào)節(jié)方式的開關(guān)穩(wěn)壓電源的芯片，內(nèi)部振蕩源頻率為 150KHZ，最大輸出電流3A，最大輸出電壓40V，基本可以滿足題目要求。它通常被作為恒壓電源應(yīng)用，此時(shí)其通過電壓取樣電壓反饋穩(wěn)壓方式達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。

2.3 輸出電流比例實(shí)現(xiàn)方案

輸出電流比例實(shí)現(xiàn)有兩種方案。一是通過單片機(jī)控制ucc29002來實(shí)現(xiàn)電流比例，但電路極其復(fù)雜。二是調(diào)節(jié)內(nèi)部參數(shù)使DC-DC模塊輸出電流1：2。當(dāng)電流需要1：1的時(shí)候，通過檢測(cè)，單片機(jī)識(shí)別選通，讓均流模塊電路ucc9002工作，實(shí)現(xiàn)電流1：1。

UCC29002采用一個(gè)高增益、高精度的放大器，能檢測(cè)到外面的輸入的微小的電壓變化量，放大倍數(shù)的大小可以通過改變外電路的參數(shù)獲得。UCC29002中的電流檢測(cè)放大器的輸入偏置電壓極低，使得它可以精確的檢測(cè)到一個(gè)阻值很小的電流采樣電阻上的微小電流變化量。而且，它的共模范圍介于接地電壓和UCC29002供電電壓之間。芯片電流讀出放大器超低的輸入補(bǔ)償電壓使得對(duì)通過低值電阻的電流信息的檢測(cè)更加適宜。為防止錯(cuò)誤的輸出調(diào)整信號(hào)，在誤差放大器的反向輸入端加一個(gè)比同向輸入端高25mV的固定偏置，當(dāng)連輸入端輸入相等時(shí)不會(huì)做出調(diào)整。當(dāng)芯片不能正常工作時(shí)調(diào)整放大器的同向輸入端將被下拉到地（相當(dāng)于誤差放大器輸出為零），防止該單元被錯(cuò)誤調(diào)整，此外，誤差放大器的兩個(gè)輸入端還可作為使能。

2.4 單片機(jī)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方案

用霍爾傳感器（ACS712）檢測(cè)負(fù)載上電流，把電流變?yōu)殡妷?，然后?jīng)過D/A把信號(hào)傳給單片機(jī)。

2.5 單片機(jī)過流控制方案

用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬開關(guān)CD4051控制選通實(shí)現(xiàn)電路調(diào)整如過流保護(hù)，如圖3所示。

圖3

使用低功耗單片機(jī)MSP430實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流。因?yàn)閁CC29002的8腳電壓與系統(tǒng)的輸出電流成正相關(guān)，我們用MSP430片內(nèi)12位ADC定時(shí)采樣該電壓。并把它與預(yù)先設(shè)定的電壓比較來判斷過流。當(dāng)連續(xù)兩次檢測(cè)到電流過大時(shí)，關(guān)斷TPS5430使系統(tǒng)不輸出電壓，6秒延時(shí)后使能TPS5430，并繼續(xù)檢測(cè)電流。

3 系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析

3.1 性能指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)過程：在實(shí)驗(yàn)室220v交流點(diǎn)下分別測(cè)量CD模塊空載輸出（測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果如表1）和負(fù)載輸出。

3.2 比例均流性能指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)過程：把CD模塊的輸出端后接均流電路分別測(cè)量?jī)陕返妮敵鲭娏鳌?/p>

3.3 單片機(jī)調(diào)節(jié)電路性能

實(shí)驗(yàn)過程：調(diào)節(jié)可視負(fù)載使輸出總電流由1A逐漸增大到6A再減小到4A觀察各電路電流量。

3.4 均流效率

實(shí)驗(yàn)過程：改變負(fù)載電阻測(cè)量負(fù)載功率P1和CD模塊輸出功率P2由P1/P2計(jì)算均流效率。

從測(cè)試結(jié)果來看，均流偏差在0.5%以內(nèi)。但是電源均流時(shí)兩路的電流仍有一定的誤差，并非絕對(duì)均流；而且均流偏差變化不是線性的，即輸出電流增大時(shí)，均流偏差不是單調(diào)變化。主要原因是由于我們均流方法是UCC29002，通過能檢測(cè)到外面的輸入的微小的電壓變化量，放大調(diào)節(jié)。但由于電路本身和焊接等原因，造成一定誤差。若需要進(jìn)一步減小誤差，則需采用更為精確的平均電流均流法。均流誤差的非單調(diào)變化，主要是由于采樣電阻等分立元件的溫漂及雜散噪聲引起，當(dāng)溫度變化或工作頻率變化時(shí)，電阻會(huì)偏離原來的阻值，導(dǎo)致UCC29002內(nèi)部調(diào)節(jié)信號(hào)偏離理論計(jì)算值，從而使調(diào)制的信號(hào)和理論值有差異，產(chǎn)生均流偏差波動(dòng)。

【參考文獻(xiàn)】

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關(guān)鍵詞：電源系統(tǒng)；穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)；阻抗匹配；開關(guān)電源

中圖分類號(hào)：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）06-0-03

0 引 言

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，航空電子領(lǐng)域機(jī)載計(jì)算機(jī)已得到廣泛應(yīng)用，為航空器帶來便利。機(jī)載計(jì)算機(jī)通常使用開關(guān)電源模塊產(chǎn)品為CPU、接口、總線等負(fù)載模塊供電，并使用EMI電源濾波器降低電磁干擾，但在機(jī)載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中，開關(guān)電源模塊及組成系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題經(jīng)常被忽視，穩(wěn)定性嚴(yán)重影響機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能和安全。

在機(jī)載計(jì)算機(jī)中，開關(guān)電源模塊往往可以單獨(dú)通過穩(wěn)定性評(píng)估及試驗(yàn)驗(yàn)證，例如小信號(hào)穩(wěn)定要求、所用元器件的離散性、高低環(huán)境下電特性等方法進(jìn)行分析。而機(jī)載計(jì)算機(jī)在使用電源模塊組成電源系統(tǒng)時(shí)，卻可能出現(xiàn)電源系統(tǒng)不穩(wěn)定等故障，此類故障經(jīng)常發(fā)生在EMI電源濾波器和電源串聯(lián)使用的模式中。

本文基于EMI源濾波器和電源串聯(lián)使用模式，通過對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行建模，針對(duì)機(jī)載計(jì)算機(jī)EMI電源濾波器的輸出阻抗、開關(guān)電源的輸入阻抗進(jìn)行分析，確定EMI電源濾波器輸出阻抗對(duì)濾波器及電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并提出機(jī)載計(jì)算機(jī)電源模塊及組成系統(tǒng)的穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)。

1 穩(wěn)定性分析

為了直觀分析機(jī)載計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定性，將機(jī)載計(jì)算機(jī)的濾波器、電源模塊簡(jiǎn)化為串聯(lián)使用的電源系統(tǒng)模型進(jìn)行阻抗分析。模型A為EMI電源濾波器，模型B為開關(guān)電源模塊，系統(tǒng)模型如圖1所示。

Ta、Tb分別為A、B的傳遞函數(shù)，Zo為A的輸出阻抗，Zi為B的輸入阻抗。那么該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為T：

該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)T分母中的Zo/Zi決定了該系統(tǒng)傳遞函數(shù)的穩(wěn)定性，即EMI電源濾波器的輸出阻抗、開關(guān)電源的輸入阻抗決定了該電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

使用Middlebrook判定方法可有效準(zhǔn)確地判斷系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。該法則可用于電源系統(tǒng)級(jí)聯(lián)穩(wěn)定性分析，主要采用阻抗分析方法，由加州理工學(xué)院的Middlebrook教授提出，其原理是運(yùn)用電源輸出阻抗與負(fù)載輸入阻抗之比來分析開關(guān)電源間的阻抗穩(wěn)定性。Middlebrook判定方法指出，獨(dú)立的功率變換器模塊在級(jí)聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性應(yīng)使級(jí)聯(lián)處前級(jí)模塊的輸出阻抗小于后級(jí)模塊的輸入阻抗。

EMI電源濾波器的輸出阻抗、開關(guān)電源的輸入阻抗應(yīng)遵循阻抗失配原則。為保證該電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在全輸入范圍、全頻段范圍內(nèi)EMI電源濾波器的輸出阻抗應(yīng)小于開關(guān)電源的輸入阻抗。

2 阻抗分析

2.1 EMI電源濾波器輸出阻抗

機(jī)載計(jì)算機(jī)廣泛使用EMI電源濾波器進(jìn)行電磁干擾的抑制。EMI電源濾波器最主要的性能參數(shù)就是插入損耗，插入損耗分為共模和差模插入損耗。插入損耗越大，表明該濾波器對(duì)干擾的抑制能力越強(qiáng)。內(nèi)部電路通常采用如圖2所示的濾波器電路圖。

等效EMI電源濾波器的參數(shù)，簡(jiǎn)化為L(zhǎng)C濾波電路。電路模型如圖3所示。經(jīng)計(jì)算，輸出阻抗如公式（2）所示：

Lf為濾波器模型中兩個(gè)差模電感量之和，即LD1+LD2；Cf為EMI電源濾波器內(nèi)Cx電容與電源模塊輸入端濾波電容之和；Rind為濾波器內(nèi)共模電感及兩個(gè)差模電感直流電阻之和，在設(shè)計(jì)、計(jì)算EMI電源濾波器輸出阻抗時(shí)，應(yīng)考慮濾波器的阻尼特性，它決定了LC濾波電路諧振峰的大小。

利用Matlab對(duì)該表達(dá)式進(jìn)行仿真，得到EMI電源濾波器輸出阻抗的典型曲線圖，如圖4所示。

2.2 開關(guān)電源輸入阻抗

開關(guān)電源的輸入阻抗體現(xiàn)了輸入電流變化時(shí)輸入電壓的變化。通常來說，機(jī)載計(jì)算機(jī)常用的降壓DC/DC變換電路在中低頻段表現(xiàn)為電阻特性。DC/DC變換器反饋環(huán)路調(diào)節(jié)輸出特性時(shí)，相對(duì)于輸入端口，DC/DC變換器表現(xiàn)為額定功率負(fù)載，輸入端口等效電阻為負(fù)阻抗。

在設(shè)計(jì)應(yīng)用中，可以使用儀器測(cè)量法對(duì)電源電路進(jìn)行輸入阻抗測(cè)試。儀器測(cè)量法使用噪聲分離設(shè)備分離共模、差模噪聲并計(jì)算阻抗值，但數(shù)學(xué)表達(dá)式較復(fù)雜，該差模阻抗測(cè)量計(jì)算方法很難實(shí)現(xiàn)。

對(duì)電源電路建立模型，推導(dǎo)該電路的傳遞函數(shù)，并根據(jù)傳遞函數(shù)得出該電路的輸入阻抗。以機(jī)載計(jì)算機(jī)中常用的BUCK型降壓DC/DC變換器為例，其簡(jiǎn)化模型如圖5所示。

根據(jù)圖中電路拓?fù)湫问?，該型降壓DC/DC變換器的輸入阻抗為：

利用Matlab對(duì)該表達(dá)式進(jìn)行仿真，得到降壓DC/DC變換器輸入阻抗的典型曲線圖，如圖6所示。

將EMI電源濾波器的輸出阻抗、開關(guān)電源的輸入阻抗放置在同一幅頻特性圖中就可以直觀判斷在全頻段范圍內(nèi)，前級(jí)模塊輸出阻抗與后級(jí)模塊輸入阻抗的關(guān)系，并由此得出電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

若EMI電源濾波器的輸出阻抗小于開關(guān)電源的輸入阻抗，并留有6 dB的安全裕量，則電源模塊及組成系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖7所示。反之，若EMI電源濾波器的輸出阻抗大于開關(guān)電源的輸入阻抗，則電源模塊及組成系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。此外，還應(yīng)考慮開關(guān)電源在不同工作狀態(tài)下，輸入電壓、輸入負(fù)載變換時(shí)的輸出阻抗變化。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證上文阻抗分析，根據(jù)機(jī)載計(jì)算機(jī)工作模式，利用EMI電源濾波器和電源的串聯(lián)接法，通過設(shè)置EMI電源濾波器的輸出阻抗和電源的輸入阻抗搭建系統(tǒng)故障模型，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的不穩(wěn)定工作狀態(tài)。

按照?qǐng)D2設(shè)置某機(jī)載計(jì)算機(jī)EMI濾波器參數(shù)，Lf=LD1+LD2=400 μH，Cf=70 μF，Rind=RL+RLD1+RLD2=0.14 Ω，并根據(jù)該機(jī)載計(jì)算機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)得出電源的輸入阻抗為27 dBΩ。

將Lf=400 μH，Cf=70 μF，Rind=0.14 Ω代入公式，經(jīng)計(jì)算，濾波器輸出阻抗峰值為33 dBΩ，截止頻率為0.96 kHz，后級(jí)輸入阻抗為27 dBΩ。在0.96 kHz頻率處，存在前級(jí)輸出阻抗大于后級(jí)輸入阻抗的情況，不滿足Middlebrook判定方法，則該系統(tǒng)為不穩(wěn)定系統(tǒng)。濾波器的輸出阻抗、電源模塊的輸入阻抗如圖8所示。

在實(shí)驗(yàn)室中，為該機(jī)載計(jì)算機(jī)提供28 V直流電壓，通過示波器檢測(cè)計(jì)算機(jī)上電過程中濾波器輸出的28 V電源信，發(fā)現(xiàn)此時(shí)該處電壓發(fā)生震蕩，且震蕩最大電壓值為32.1 V，震蕩最小電壓值為24.5 V，振蕩頻率為1.18 kHz，與分析結(jié)果一致。

再次改變EMI電源濾波器參數(shù)，驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)。將Lf更改為50 μH，其他參數(shù)不變。從圖9中可以看出，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。通過示波器檢測(cè)計(jì)算機(jī)濾波器輸出，振蕩現(xiàn)象消失，與分析結(jié)果一致。

由分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，要保證機(jī)載計(jì)算機(jī)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就要對(duì)組成串聯(lián)級(jí)聯(lián)模式電源系統(tǒng)的EMI電源濾波器、開關(guān)電源產(chǎn)品的輸入輸出阻抗進(jìn)行分析，按照在全頻段范圍內(nèi)，前級(jí)模塊的輸出阻抗須小于后級(jí)模塊輸入阻抗的判定準(zhǔn)則，評(píng)估判定機(jī)載計(jì)算機(jī)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

文中探討了濾波器輸出阻抗和開關(guān)電源輸入阻抗匹配的原因，并提出機(jī)載計(jì)算機(jī)電源模塊及組成系統(tǒng)的穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)，有助于提升開關(guān)電源模塊及組成系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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關(guān)鍵詞：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng) PLC 隔離變壓器

一、故障概況

一次暴風(fēng)雨天氣，35KV線路出現(xiàn)單相接地故障，變電站監(jiān)控系統(tǒng)顯示35KV線路接地報(bào)警，而且呈間歇性的報(bào)警狀態(tài)。由于35KV配電網(wǎng)絡(luò)為5回出線，無法立即判明那回線路存在接地故障，于是采用分路切換的方式來確定故障線路，由于初次發(fā)生此類問題，又要兼顧生產(chǎn)及其他部門的用電，致使30分鐘后才初步確定故障線路。出現(xiàn)此情況后，低壓側(cè)控制網(wǎng)絡(luò)中27臺(tái)PLC供電模塊遭到徹底損壞，PLC內(nèi)部組態(tài)程序全部丟失，低壓側(cè)遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)幾乎處于癱瘓狀態(tài)。

二、故障分析

維修人員拆解損壞設(shè)備后，發(fā)現(xiàn)UPS熔斷器的熔體已熔斷，內(nèi)部450V濾波電容爆裂，逆變模塊被擊穿；PLC電源模塊中玻璃管熔斷器熔體也已熔斷，內(nèi)部壓敏電阻損壞。以上情況表明PLC電源側(cè)存在過電壓情況。供電側(cè)間歇性過電壓導(dǎo)致自控系統(tǒng)的二級(jí)電源保護(hù)設(shè)備均損壞。

1. 電源側(cè)。變壓器采用Yyn0，供電網(wǎng)絡(luò)屬于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，在惡劣氣候條件下，外部架空線路發(fā)生單相弧光接地的可能性非常大，據(jù)文獻(xiàn)[1]，弧光接地造成非故障相的電壓值可達(dá)正常值的3.5倍左右，這樣供電網(wǎng)絡(luò)的低壓側(cè)電壓超出了用電設(shè)備（UPS）的內(nèi)部器件的工作電壓，致使UPS損壞。

2. 低壓側(cè)原因。低壓配電系統(tǒng)電源經(jīng)斷路器直接供給UPS，然后UPS又直接供給PLC電源模塊，這種供電方式只能滿足失電情況下，PLC系統(tǒng)不立即斷電，根據(jù)UPS供電源理，當(dāng)電壓值超出UPS正常工作要求范圍時(shí)，UPS會(huì)將輸出模式切換到電池供電模式，當(dāng)電池電量不足時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)換到旁路供電，這樣有可能將異常電源傳遞到下級(jí)用電單元，從而造成PLC電源模塊也被損壞，擴(kuò)大了用電設(shè)備的損壞范圍。

三、預(yù)防措施

1. 35KV側(cè)措施

1.1采取措施提高35KV系統(tǒng)的供電質(zhì)量。據(jù)文獻(xiàn)[1]，可以采用消弧線圈或小電阻接地方式，降低35KV線路單相接地或弧光接地造成的過壓。

1.2高壓出線側(cè)增加小電流接地選線，當(dāng)某段線路出現(xiàn)異常時(shí)，高壓配電監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確判定出現(xiàn)故障的線路，并及時(shí)將故障線路退出運(yùn)行，防止事故擴(kuò)大。

2.PLC供電端措施

2.1 UPS前端增加過壓保護(hù)環(huán)節(jié)。產(chǎn)生過電壓的環(huán)節(jié)較多，有雷電引起的過電壓、操作引起的過電壓以及用電系統(tǒng)諧振過電壓，所以，UPS前端增加過電壓保護(hù)環(huán)節(jié)可有效降低用電設(shè)備遭受過電壓損壞的幾率。

2.2PLC電源模塊采用開關(guān)電源供電。在發(fā)生上述情況時(shí)，同母線段的采用24VDC開關(guān)電源供電的數(shù)傳電臺(tái)未受影響，開關(guān)電源也正常工作，表明開關(guān)電源能可以對(duì)用電設(shè)備起到必要的保護(hù)作用。而PLC電源模塊自身有直流與交流兩種供電方式，設(shè)計(jì)時(shí)采用24VDC供電，前端增加開關(guān)電源，即可有效保護(hù)用電設(shè)備過電壓

2.3 PLC系統(tǒng)供電前端增加隔離變壓器。PLC系統(tǒng)電源前端增加隔離變壓器器，使電源的輸出與輸入完全“斷路”隔離，為PLC提供了純凈的電源。

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關(guān)鍵詞：繼電保護(hù)裝置；工作原理；故障分析；驗(yàn)證

本文從開關(guān)電源的原理入手，以測(cè)試的角度，對(duì)兩種有故障的電源模塊通過試驗(yàn)再現(xiàn)其故障現(xiàn)象，并分析了其故障原因，最后對(duì)改進(jìn)后的開關(guān)電源進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

1開關(guān)電源工作原理

用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪恍螒B(tài)，用閉環(huán)控制穩(wěn)定輸出，并有保護(hù)環(huán)節(jié)的模塊，叫做開關(guān)電源。

高壓交流電進(jìn)入電源，首先經(jīng)濾波器濾波，再經(jīng)全橋整流電路，將高壓交流電整流為高壓直流電；然后由開關(guān)電路將高壓直流電調(diào)制為高壓脈動(dòng)直流；隨后把得到的脈動(dòng)直流電，送到高頻開關(guān)變壓器進(jìn)行降壓，最后經(jīng)低壓濾波電路進(jìn)行整流和濾波就得到了適合裝置使用的低壓直流電。

電源工作原理框圖如圖1所示。

圖1開關(guān)電源原理圖

2故障現(xiàn)象分析

由于繼電保護(hù)用開關(guān)電源功能要求較多，需考慮時(shí)序、保護(hù)等因素，因此開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的故障風(fēng)險(xiǎn)較高。另外供電保護(hù)裝置又較民用電器工作條件苛刻，影響繼電保護(hù)開關(guān)電源的安全運(yùn)行。本文著重分析了兩種因設(shè)計(jì)缺陷而造成故障的開關(guān)電源。

2.1輸入電源波動(dòng)，開關(guān)電源停止工作

1）故障現(xiàn)象：外部輸入電源瞬時(shí)性故障，隨后輸入電壓恢復(fù)正常，開關(guān)電源停止工作一直無輸出電壓，需手動(dòng)斷電、上電才能恢復(fù)。

2）故障再現(xiàn)：用繼電保護(hù)試驗(yàn)儀，控制輸入電壓中斷時(shí)間，通過便攜式波形記錄儀記錄輸入電壓和輸出電壓的變化?？刂戚斎腚妷褐袛鄷r(shí)間長(zhǎng)短，發(fā)現(xiàn)輸出存在如下三種情況：

a）輸入電源中斷一段時(shí)間（約100～200ms）后恢復(fù)，此后輸入電壓恢復(fù)正常，開關(guān)電源不能恢復(fù)工作。（此過程為故障情況），具體時(shí)序圖見圖2所示。

圖2輸入電源中斷一段時(shí)間后恢復(fù)

b）輸入電壓長(zhǎng)時(shí)中斷（大于250ms）后恢復(fù)，+5V、+24V輸出電壓均消失，此過程與開關(guān)電源的正常啟動(dòng)過程相同。具體時(shí)序圖見圖3所示。

c）輸入電壓短暫中斷（小于70ms）后恢復(fù)，+5V輸出電壓未消失，而+24V輸出電壓也未消失，對(duì)開關(guān)電源正常工作沒有影響。具體時(shí)序圖見圖4所示。輸入電壓消失時(shí)間短暫，由于輸出電壓未出現(xiàn)欠壓過程，電源欠壓保護(hù)也不會(huì)動(dòng)作。

圖3輸入電源長(zhǎng)時(shí)中斷后恢復(fù)

圖4輸入電源短時(shí)中斷后恢復(fù)

3）故障分析：要分析此故障，應(yīng)先了解該開關(guān)電源的正常啟動(dòng)邏輯和輸出電壓保護(hù)邏輯。

輸入工作電壓，輸出電壓+5V主回路建立，然后由于輸出電壓時(shí)序要求，經(jīng)延時(shí)約50ms，+24V輸出電壓建立。

輸出電壓欠壓保護(hù)邏輯為：當(dāng)輸出電壓任何一路降到20％Un以下時(shí)，欠壓保護(hù)動(dòng)作，且不能自恢復(fù)。

更改邏輯前，因輸入電壓快速通斷而引起的電源欠壓保護(hù)誤動(dòng)作，其根本原因是延時(shí)電路沒有依據(jù)輸入電壓的變化及時(shí)復(fù)位，使得上電時(shí)的假欠壓信號(hào)得不到屏蔽，從而產(chǎn)生誤動(dòng)作，如圖2所示。

4)解決措施：采取的措施是在保護(hù)環(huán)節(jié)上增加輸入電壓檢測(cè)電路，并在延時(shí)電容上并接一個(gè)電子開關(guān)，只要輸入電壓低于定值（開關(guān)電源停止工作前的值），該電子開關(guān)便閉合，延時(shí)電路復(fù)位，若輸入電壓重新上升至該設(shè)定值，給保護(hù)電路供電的延時(shí)電路重新開始延時(shí)，電源重啟動(dòng)時(shí)的假欠壓信號(hào)被屏蔽，徹底解決了由于輸入電壓快速波動(dòng)所產(chǎn)生的電源誤保護(hù)。從而避免了圖2的情況，直接快速進(jìn)入重新上電邏輯，此時(shí)的輸出電壓建立過程見圖3所示。邏輯回路見圖5所示。

圖5增加放電回路后原理圖

5)試驗(yàn)驗(yàn)證：用繼電保護(hù)試驗(yàn)儀狀態(tài)序列模擬輸入電源中斷，用便攜式波形記錄儀記錄輸出電壓隨輸入電壓的變化波形。調(diào)整輸入電壓中斷時(shí)間，發(fā)現(xiàn)調(diào)整后的電源僅出現(xiàn)b）、c）兩種情況，不再出現(xiàn)a）即故障情況。

2.2啟動(dòng)電流過大，導(dǎo)致供電電源過載告警

1）故障現(xiàn)象：電源模塊穩(wěn)態(tài)工作電壓為220V，額定功率為20.8W，額定輸出時(shí)輸入電流約為130mA。當(dāng)開關(guān)電源輸入電壓緩慢增大時(shí)，導(dǎo)致輸入電流激增，引起供電電源過載告警。

2）故障分析：經(jīng)查發(fā)現(xiàn)輸入電壓為60V時(shí)，電源啟動(dòng)，此時(shí)啟動(dòng)瞬態(tài)電流約為200mA，穩(wěn)態(tài)電流為600mA，啟動(dòng)時(shí)穩(wěn)態(tài)電流和瞬態(tài)電流將為600±200mA，造成輸出電流激增。而由于條件限制，此電源模塊的供電電源輸出僅為500mA，因此造成供電電源過載。

由于開關(guān)電源工作需要一定的功率，設(shè)計(jì)中由于未考慮到電源啟動(dòng)時(shí)，輸出回路的啟動(dòng)需要一定的功率，而啟動(dòng)電壓比較低，所以功率的突增，必然帶來開關(guān)電源啟動(dòng)瞬態(tài)電流的激增，電流的激增對(duì)供電電源有較大的沖擊。

3）解決措施：?jiǎn)?dòng)需要的功率一定，如果要減小啟動(dòng)電流，可以考慮增加啟動(dòng)電壓的門檻。將開關(guān)電源的啟動(dòng)電壓提高到130～140V。

4）試驗(yàn)驗(yàn)證：調(diào)整開關(guān)電源的啟動(dòng)電壓后，通過試驗(yàn)儀模擬輸入電壓緩慢啟動(dòng)。當(dāng)開關(guān)電源在滿載情況下，試驗(yàn)中緩慢上升輸入電壓（上升速率5V/s或10V/s），從0～130V啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)穩(wěn)態(tài)電流降低到200～220mA，穩(wěn)態(tài)電流大約為200±100mA，因而啟動(dòng)時(shí)穩(wěn)態(tài)電流和瞬態(tài)電流將為400±100mA，啟動(dòng)電流較改進(jìn)前減小300mA，不會(huì)對(duì)供電電源造成太大的沖擊?？捎行П苊廨斎腚妷核查g降低時(shí)，給整個(gè)供電回路造成較大的電流沖擊。

3結(jié)束語

從以上問題分析可知，開關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)，需要關(guān)注電能變換的各個(gè)環(huán)節(jié)，開關(guān)電源的輸出電壓建立和消失時(shí)序和電源的保護(hù)功能，是緊密聯(lián)系的，當(dāng)其中的某一環(huán)節(jié)存在缺陷時(shí)，開關(guān)電源就不能正常工作。因此在開關(guān)電源設(shè)計(jì)前，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行兩種工作：

1)考慮諸如此類的問題，如啟動(dòng)功率一定時(shí)，啟動(dòng)電壓門檻過低，會(huì)產(chǎn)生輸出電流瞬態(tài)突增的現(xiàn)象。

篇5

關(guān)鍵詞 接收機(jī)；中波廣播；信號(hào)；構(gòu)造

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）174-0064-03

中波廣播發(fā)射技術(shù)，是通過無線傳輸信號(hào)的形式，為公眾提供地區(qū)廣播服務(wù)，在我國(guó)被廣泛應(yīng)用。中波臺(tái)執(zhí)行中波廣播播出任務(wù)的整體流程大致分為4個(gè)步驟：信號(hào)接收設(shè)備接收信源―對(duì)信源進(jìn)行音頻變換處理―將音頻輸入發(fā)射機(jī)進(jìn)行調(diào)制―經(jīng)過天線將信號(hào)發(fā)送。如果要讓中波臺(tái)正常完成播出任務(wù)，不僅高品質(zhì)且信號(hào)強(qiáng)度大的信號(hào)是中波臺(tái)篩選信號(hào)源的關(guān)鍵所在，信號(hào)源的接收更是成為整個(gè)工作的首要步驟，也是尤為關(guān)鍵的一步。正因如此，一臺(tái)設(shè)計(jì)精確、程序完整的數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)，是信源準(zhǔn)確、高品質(zhì)接收的保證，從而在中波成廣播播出任務(wù)中起到重要作用。本文從電路工作原理以及硬件構(gòu)造方面，對(duì)數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)做相關(guān)闡述。

1 底治佬墻郵棧的重要性

目前，中波臺(tái)的信源接收方式主要是光纖接收、衛(wèi)星接收、微波接收3類，且采用衛(wèi)星接收方式提供備用信源。數(shù)字衛(wèi)星信號(hào)需要通過數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)，被解碼并轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)再送往發(fā)射機(jī)。數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)的使用，為中波臺(tái)的安全優(yōu)質(zhì)播出提供了保障。

2 數(shù)字衛(wèi)星信號(hào)的接收過程與接收機(jī)的組成原理

2.1 數(shù)字衛(wèi)星信號(hào)的接收過程

首先，如圖1所示，數(shù)字衛(wèi)星信號(hào)通過雷達(dá)接收至高頻頭，再通過傳輸電纜送入數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)。

2.2 數(shù)字衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)的組成及原理

一臺(tái)數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)，由伴音信號(hào)解調(diào)器、調(diào)諧選臺(tái)器、面板指示器、中頻AGC放大與解調(diào)器、電源電路、圖像信號(hào)處理器組成。

2.2.1 伴音信號(hào)解調(diào)器

伴音信號(hào)解調(diào)器可以對(duì)伴音副載波信號(hào)進(jìn)行放大、解調(diào)處理，從而獲得所需的伴音信號(hào)。其中，被處理的伴音副載波信號(hào)，是從復(fù)合基帶信號(hào)中解調(diào)出的。

2.2.2 調(diào)諧選臺(tái)器

數(shù)字衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)接收的信源頻率范圍是950MHz～1 450MHz。調(diào)諧選臺(tái)器的作用是，從中篩選出需接收的廣播頻道頻率，然后將之轉(zhuǎn)換為此調(diào)諧選臺(tái)器預(yù)設(shè)的中頻頻率，最后傳送給中頻AGC放大與解調(diào)器。

2.2.3 面板指示器

面板指示器對(duì)中頻放大解調(diào)器尾端送來的直流電平信號(hào)，進(jìn)行進(jìn)一步放大處理后，通過指針式電平表、數(shù)碼顯示器或發(fā)光二極管陳列式電平表，來顯示接收機(jī)輸入信號(hào)的大小和品質(zhì)高低。

2.2.4 中頻AGC放大與解調(diào)器

中頻AGC放大與解調(diào)器的功能是，濾波、放大并頻率解調(diào)所輸入的固定中頻信號(hào)，以獲得含有伴音信號(hào)和圖像的復(fù)合型基帶信號(hào)。并同時(shí)獲得一個(gè)可以表示說明輸入信號(hào)大小的直流分量，將其輸出并傳送至電平指示電路。

2.2.5 電源電路

電源電路是將市電經(jīng)變壓、整流、穩(wěn)壓最后得到的多組低壓直流穩(wěn)壓電源，為接收機(jī)機(jī)各部分及高頻頭供電。

2.2.6 圖像信號(hào)處理器

圖像信號(hào)處理器通過能量去擴(kuò)散、加重和極性變換等方式，對(duì)復(fù)合基帶信號(hào)中解調(diào)出的視頻信號(hào)進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)處理，最后還原圖像信號(hào)并輸出。

數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)的組成構(gòu)造如圖2，數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)從整體框架上看由硬件、軟件兩大部分組成。硬件又可以分為電源供給、前端、后端、輸出、顯示與控制等部分組成。工作時(shí)，將功分器或高頻頭接收來的950MHz～1 450MHz信號(hào)送入接收機(jī)前端部分進(jìn)行調(diào)諧處理，從中選出特定信號(hào)頻率，變頻成調(diào)諧選臺(tái)器預(yù)設(shè)的中頻頻率。再經(jīng)過模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)正交相移鍵控信道解調(diào)、信道傳輸碼流糾錯(cuò)處理，最終輸出一個(gè)達(dá)到MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的（TS）傳輸碼流給接收機(jī)的后端部分。接收機(jī)的后端部分，也稱為解復(fù)用模塊，可以將前端送來的TS碼流經(jīng)解擾、解復(fù)用，依據(jù)包識(shí)別號(hào)（PID）可以提取出相應(yīng)的視頻、音頻、數(shù)據(jù)包，恢復(fù)打包節(jié)目基本流PES。在MPEG-2解碼器中，解壓縮PES數(shù)據(jù)包，然后生成PCM音頻數(shù)據(jù)流和視頻數(shù)據(jù)流，再分兩路一路送去音頻P/A轉(zhuǎn)換器、一路送去視頻編碼器，就可以形成視頻信號(hào)和音頻模擬信號(hào)，再經(jīng)輸出部分輸出[ 1 ]。顯示與控制部分用于完成接收的控制以及顯示接收機(jī)的工作狀態(tài)。電源部分用來提供接收機(jī)本身及高頻頭的工作電壓；軟件部分的主要作用則是硬件驅(qū)動(dòng)、軟件驅(qū)動(dòng)和實(shí)時(shí)的系統(tǒng)操作。

3 硬件模塊構(gòu)造分析

從硬件構(gòu)造上，將數(shù)字衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)分成三大模塊進(jìn)行系統(tǒng)分析，即電源模塊、調(diào)諧輸出模塊（主板）、控制顯示模塊。

3.1 電源模塊分析

所有衛(wèi)星接收機(jī)用的電源都是開關(guān)電源，甚至不同廠家用的電源都是大同小異，這里我用海信的FSDL0165RN開關(guān)電源控制芯片進(jìn)行電源模塊的分析。

3.1.1電源模塊的電路分析

電源模塊的電路圖如圖3所示。

該電路的核心元件是5L0380R，功能有振蕩過壓保護(hù)、過流保護(hù)等。整個(gè)開關(guān)電源電路功耗低、工作穩(wěn)定、清晰簡(jiǎn)潔。

該電路的工作原理是：交流電壓220V經(jīng)過電源開關(guān)、保險(xiǎn)絲，再到由CX1、LEM1、CX2組成的抑制干擾濾波器，再經(jīng)過D1～D4所組成的橋式整流，C6濾波輸出一個(gè)300V左右的直流電壓。當(dāng)電源接通的瞬間，+300V左右的直流電壓加在R18、R4、R3上，給電源塊U1（5L0380R）的引腳③一個(gè)啟動(dòng)電壓[2]。由于它內(nèi)部的開關(guān)管處在微導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)致U1的②引腳通過微小的電流，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)于開關(guān)變壓器①～②繞組，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)耦合至反饋繞組③～④上，經(jīng)整流濾波然后注入到U1的③腳，使開關(guān)管瞬間進(jìn)入飽和導(dǎo)通的狀態(tài)。因?yàn)殚_關(guān)管飽和，流過開關(guān)變壓器的電流就不再增加，那么感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的正方向?qū)⒁兓?，并?jīng)整流濾波的正反饋電壓促使開關(guān)管由飽和導(dǎo)通迅速地進(jìn)入到截止?fàn)顟B(tài)，從而完成了開關(guān)電源從啟動(dòng)到飽和再到截止這樣一個(gè)振蕩周期。經(jīng)過變壓器的電壓分別通過各元件組成的支路將電壓分成5V、3.3V、12V、22V、30V的直流電壓來供給調(diào)諧輸出模塊（主板）的正常工作。

3.1.2 電源模塊實(shí)物

電源模塊的實(shí)物圖如圖4所示。

3.2 調(diào)諧輸出模塊（主板）分析

調(diào)諧輸出模塊，也就是數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)的主板，此模K也是數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)設(shè)計(jì)的核心所在，所有的數(shù)據(jù)編程以及信息解碼過程都在此模塊中完成。

3.2.1 調(diào)諧輸出模塊（主板）的電路分析

HN4LSR0942M2EE，這是調(diào)諧輸出模塊的主控芯片，內(nèi)部集成了CPU、視頻編碼、音頻編碼等電路；0001G2A355.1TA06.0943，這是信道處理芯片；EF0912S16004LK6TK是RAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器具有存儲(chǔ)速度快的特點(diǎn)，且存儲(chǔ)內(nèi)容可隨意的存入或取出。這種RAM存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)短時(shí)間使用的程序，是因?yàn)樵跀嚯姇r(shí)將丟失其存儲(chǔ)內(nèi)容。

其電路圖如圖5所示。

調(diào)諧輸出模塊的功能是：開關(guān)電源輸出電壓為模塊供電，高頻頭將衛(wèi)星信號(hào)傳送給調(diào)諧器并篩選出想要接收的信號(hào)，對(duì)之進(jìn)行一系列變頻、QPSK解調(diào)、A/D變換、信道糾錯(cuò)、解擾處理，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的TS傳輸碼流，傳送給解調(diào)復(fù)用器。根據(jù)所需接收電視節(jié)目的PID包識(shí)別符，解調(diào)復(fù)用器可提取出對(duì)應(yīng)的音頻、視頻及數(shù)據(jù)包，還原出達(dá)到MPDG-2標(biāo)準(zhǔn)的打包的PES節(jié)目基本碼流[3]。將PES碼流送至MPEG-2解碼器，MPEG-2解碼器芯片對(duì)PES數(shù)據(jù)包進(jìn)行解壓縮處理，產(chǎn)生符合CC IR601格式要求的音頻數(shù)據(jù)流和視頻數(shù)據(jù)流，分別送至音頻D/A轉(zhuǎn)換器和視頻編碼器，D/A轉(zhuǎn)換器和視頻編碼器根據(jù)規(guī)定的電視制式（中國(guó)是PAL制式）生成并輸出音、視頻信號(hào)。

3.2.2 調(diào)諧輸出模塊實(shí)物

其模塊實(shí)物圖如圖6所示。

3.3 控制顯示模塊分析

控制顯示模塊主要由微處理器、控制電路、LCD或LED顯示器件、紅外傳感器以及遙控器構(gòu)成。它能夠通過8段數(shù)碼顯示，簡(jiǎn)易地將接收機(jī)的工作狀態(tài)顯示出，也方便了用戶對(duì)接收機(jī)各功能的控制與使用，用戶只需通過面板按鍵或是遙控器就可對(duì)接收機(jī)發(fā)出各種指令，以實(shí)現(xiàn)所需功能。

3.3.1 控制顯示模塊工作原理

涉及控制模塊的編程，由于程序過于繁瑣這里就不具體介紹，此模塊我就其工作原理做簡(jiǎn)要說明。如圖7所示。

3.3.2 控制顯示模塊的設(shè)計(jì)實(shí)物

圖8為控制顯示模塊實(shí)物圖。

以上就是將數(shù)字衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)按硬件構(gòu)造分為三大模塊進(jìn)行的分析，最后將電源模塊、調(diào)諧輸出模塊、控制顯示模塊進(jìn)行連接，構(gòu)成整體的衛(wèi)星接收機(jī)，其組成框圖如圖9所示。

4 結(jié)論

在整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中，其網(wǎng)絡(luò)的核心無疑是發(fā)送與接收設(shè)備。為了更好地完成信息的發(fā)送和接收，現(xiàn)代電路技術(shù)以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

總的來說，要使基帶信號(hào)得到有效而可靠的傳輸，就必須在傳輸網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置發(fā)送與接收設(shè)備。發(fā)送與接收設(shè)備可以對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，并使之適用于信道的傳輸特性。所以一個(gè)好的接收設(shè)備往往得益于其巧妙的設(shè)計(jì)以及完整穩(wěn)定的硬件構(gòu)造。數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)的構(gòu)造上，采用的是整體集成設(shè)計(jì)。從個(gè)人角度講，筆者對(duì)數(shù)字域的接收機(jī)較為熟悉了解。從信道編碼、信號(hào)解碼、A/D轉(zhuǎn)換等相關(guān)理論出發(fā)，分析了數(shù)字衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)的電源模塊、調(diào)諧輸出模塊、控制顯示模塊這3個(gè)模塊的原理和構(gòu)造；從實(shí)際工作角度講，數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)在中波臺(tái)執(zhí)行廣播的播出任務(wù)中，起著接收信號(hào)源的關(guān)鍵作用。筆者將數(shù)字衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)的分析結(jié)論應(yīng)用到中波臺(tái)實(shí)際工作中，更好地保證了中波廣播的安全優(yōu)質(zhì)播出。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣玉玲，謝子常.MPEG-2在衛(wèi)星數(shù)字廣播電視的傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].福建電腦，2006（8）：156-157.

篇6

當(dāng)前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ),正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來,電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用,實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。

1.電力電子技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代,并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。

1.1整流器時(shí)代

大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機(jī)提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費(fèi)的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機(jī)車、電傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無軌電車等)和直流傳動(dòng)(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國(guó)大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時(shí)的產(chǎn)物。

1.2逆變器時(shí)代

七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī),交流電機(jī)變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)?。這時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。

1.3變頻器時(shí)代

進(jìn)入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機(jī)遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計(jì),到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)上已達(dá)到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能,實(shí)現(xiàn)小型輕量化,機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1計(jì)算機(jī)高效率綠色電源

高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類進(jìn)入了信息社會(huì),同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計(jì)算機(jī)全面采用了開關(guān)電源,率先完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對(duì)環(huán)境無害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署l992年6月17日“能源之星"計(jì)劃規(guī)定,桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

2.2通信用高頻開關(guān)電源

通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機(jī)用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大,單機(jī)容量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。

因通信設(shè)備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護(hù),且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)控制板上,對(duì)二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。

2.3直流-直流(DC/DC)變換器

DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動(dòng)車的無級(jí)變速和控制,同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。

通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

2.4不間斷電源(UPS)

不間斷電源(UPS)是計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場(chǎng)合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負(fù)載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負(fù)載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS的智能化管理,進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷。

目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。

2.5變頻器電源

變頻器電源主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速,其在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

國(guó)際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達(dá)到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進(jìn)生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機(jī)電機(jī)。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進(jìn)一步發(fā)展方向。

2.6高頻逆變式整流焊機(jī)電源

高頻逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機(jī)電源,代表了當(dāng)今焊機(jī)電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。

逆變焊機(jī)電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。

由于焊機(jī)電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機(jī)電源的工作可靠性問題成為最關(guān)鍵的問題,也是用戶最關(guān)心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器,通過對(duì)多參數(shù)、多信息的提取與分析,達(dá)到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進(jìn)而提前對(duì)系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。

國(guó)外逆變焊機(jī)已可做到額定焊接電流300A,負(fù)載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。

2.7大功率開關(guān)型高壓直流電源

大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機(jī)和CT機(jī)等大型設(shè)備。電壓高達(dá)50~l59kV,電流達(dá)到0.5A以上,功率可達(dá)100kW。

自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進(jìn)入80年代,高頻開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國(guó)西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件,將電源的開關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進(jìn)一步減小。

國(guó)內(nèi)對(duì)靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負(fù)載條件下,輸出直流電壓達(dá)到55kV,電流達(dá)到15mA,工作頻率為25.6kHz。

2.8電力有源濾波器

傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運(yùn)時(shí),將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時(shí)還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時(shí),網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(dá)(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。

電力有源濾波器是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準(zhǔn)信號(hào)為電壓環(huán)誤差信號(hào)與全波整流電壓取樣信號(hào)之乘積。

2.9分布式開關(guān)電源供電系統(tǒng)

分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?利用最新理論和技術(shù)成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強(qiáng)電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。

八十年代初期,對(duì)分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動(dòng)了分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國(guó)際電力電子學(xué)界的研究熱點(diǎn),論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。已被大型計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場(chǎng)合,如電鍍、電解電源、電力機(jī)車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。

3.高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)

在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對(duì)于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會(huì)大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動(dòng)汽車和變頻傳動(dòng)中,更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率,從而達(dá)到近于理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)控制。高頻開關(guān)電源技術(shù),更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機(jī)、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(shù)。

3.1高頻化

理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,電氣產(chǎn)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(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的5~l0%。無論是逆變式整流焊機(jī),還是通訊電源用的開關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)“整流行業(yè)”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(jù)這一原理進(jìn)行改造,成為“開關(guān)變換類電源”,其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)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(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟(jì)效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)值。

3.2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(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實(shí)質(zhì)上都屬于“標(biāo)準(zhǔn)”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機(jī)的體積,更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。實(shí)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(yán)重,對(duì)器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì),達(dá)到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(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(gè)模塊固定在相應(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺(tái)新型的開關(guān)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(jī)體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。另外,大功率的開關(guān)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(gè)獨(dú)立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術(shù),所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流,一旦其中某個(gè)模塊失效,其它模塊再平均分擔(dān)負(fù)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復(fù)提供充分的時(shí)間。

3.3數(shù)字化

在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號(hào)來設(shè)計(jì)和工作的。在六、七十年代,電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電路基礎(chǔ)上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號(hào)、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn):便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小雜散信號(hào)的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測(cè)遙調(diào),也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。所以,在八、九十年代,對(duì)于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說,模擬技術(shù)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(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術(shù)的知識(shí),但是對(duì)于智能化的開關(guān)電源,需要用計(jì)算機(jī)控制時(shí),數(shù)字化技術(shù)就離不開了。

3.4綠色化

電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對(duì)環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn),如IEC555、IEC917、IECl000等。事實(shí)上,許多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會(huì)變成對(duì)電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀(jì)末,各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀(jì)批量生產(chǎn)各種綠色開關(guān)電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。

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現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代,并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。

1.1整流器時(shí)代

大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機(jī)提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費(fèi)的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機(jī)車、電傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無軌電車等)和直流傳動(dòng)(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國(guó)大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時(shí)的產(chǎn)物。

1.2逆變器時(shí)代

七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī),交流電機(jī)變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)?。這時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。

1.3變頻器時(shí)代

進(jìn)入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機(jī)遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計(jì),到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)上已達(dá)到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能,實(shí)現(xiàn)小型輕量化,機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1計(jì)算機(jī)高效率綠色電源

高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類進(jìn)入了信息社會(huì),同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計(jì)算機(jī)全面采用了開關(guān)電源,率先完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對(duì)環(huán)境無害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署l992年6月17日"能源之星"計(jì)劃規(guī)定,桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

2.2通信用高頻開關(guān)電源

通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機(jī)用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大,單機(jī)容量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。

因通信設(shè)備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護(hù),且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)控制板上,對(duì)二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。

2.3直流-直流(DC/DC)變換器

DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動(dòng)車的無級(jí)變速和控制,同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。

通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

2.4不間斷電源(UPS)

不間斷電源(UPS)是計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場(chǎng)合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負(fù)載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負(fù)載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS的智能化管理,進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷。

目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。

2.5變頻器電源

變頻器電源主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速,其在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

國(guó)際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達(dá)到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進(jìn)生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機(jī)電機(jī)。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進(jìn)一步發(fā)展方向。

2.6高頻逆變式整流焊機(jī)電源

高頻逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機(jī)電源,代表了當(dāng)今焊機(jī)電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。

逆變焊機(jī)電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。

由于焊機(jī)電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機(jī)電源的工作可靠性問題成為最關(guān)鍵的問題,也是用戶最關(guān)心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器,通過對(duì)多參數(shù)、多信息的提取與分析,達(dá)到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進(jìn)而提前對(duì)系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。

國(guó)外逆變焊機(jī)已可做到額定焊接電流300A,負(fù)載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。

2.7大功率開關(guān)型高壓直流電源

大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機(jī)和CT機(jī)等大型設(shè)備。電壓高達(dá)50~l59kV,電流達(dá)到0.5A以上,功率可達(dá)100kW。

自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進(jìn)入80年代,高頻開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國(guó)西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件,將電源的開關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進(jìn)一步減小。

國(guó)內(nèi)對(duì)靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負(fù)載條件下,輸出直流電壓達(dá)到55kV,電流達(dá)到15mA,工作頻率為25.6kHz。

2.8電力有源濾波器

傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運(yùn)時(shí),將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時(shí)還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時(shí),網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(dá)(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。

電力有源濾波器是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準(zhǔn)信號(hào)為電壓環(huán)誤差信號(hào)與全波整流電壓取樣信號(hào)之乘積。

2.9分布式開關(guān)電源供電系統(tǒng)

分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?利用最新理論和技術(shù)成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強(qiáng)電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。

八十年代初期,對(duì)分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動(dòng)了分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國(guó)際電力電子學(xué)界的研究熱點(diǎn),論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。已被大型計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場(chǎng)合,如電鍍、電解電源、電力機(jī)車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。

3.高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)

在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對(duì)于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會(huì)大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動(dòng)汽車和變頻傳動(dòng)中,更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率,從而達(dá)到近于理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)控制。高頻開關(guān)電源技術(shù),更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機(jī)、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(shù)。

3.1高頻化

理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,電氣產(chǎn)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(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的5~l0%。無論是逆變式整流焊機(jī),還是通訊電源用的開關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)"整流行業(yè)"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(jù)這一原理進(jìn)行改造,成為"開關(guān)變換類電源",其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)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(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟(jì)效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)值。

3.2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(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實(shí)質(zhì)上都屬于"標(biāo)準(zhǔn)"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機(jī)的體積,更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。實(shí)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(yán)重,對(duì)器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì),達(dá)到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(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(gè)模塊固定在相應(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺(tái)新型的開關(guān)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(jī)體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。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(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復(fù)提供充分的時(shí)間。

3.3數(shù)字化

在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號(hào)來設(shè)計(jì)和工作的。在六、七十年代,電力電子技術(shù)擬電路基礎(chǔ)上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號(hào)、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn):便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小雜散信號(hào)的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測(cè)遙調(diào),也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。所以,在八、九十年代,對(duì)于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說,模擬技術(shù)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(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術(shù)的知識(shí),但是對(duì)于智能化的開關(guān)電源,需要用計(jì)算機(jī)控制時(shí),數(shù)字化技術(shù)就離不開了。

3.4綠色化

電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對(duì)環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn),如IEC555、IEC917、IECl000等。事實(shí)上,許多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會(huì)變成對(duì)電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀(jì)末,各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。

總而言之,電力電子及開關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現(xiàn)又會(huì)使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會(huì)開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實(shí)現(xiàn),將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟,實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源,僅國(guó)內(nèi)有20多億人民幣的市場(chǎng)需求,吸引了國(guó)內(nèi)外一大批科技人員對(duì)其進(jìn)行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢(shì)所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)正在啟動(dòng),并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]葉治正,葉靖國(guó):開關(guān)穩(wěn)壓電源。高等教育出版社,1998。

篇8

引言

隨著社會(huì)信息化的不斷發(fā)展以及先進(jìn)制作工藝的不斷提高，作為大屏幕壁掛式電視和高質(zhì)量多媒體信息顯示的終端——彩色交流等離子體顯示器（AC-PDP）,其屏幕做得越來越大，功耗越來越小，電路結(jié)構(gòu)越來越簡(jiǎn)單，成本也越來越低。而電源作為AC?PDP的一個(gè)重要組成部分，也向著小型化和簡(jiǎn)單化的方向發(fā)展。

傳統(tǒng)的AC?PDP電源一般采用兩級(jí)方案，即PFC級(jí)＋DC/DC變換的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它們分別有各自的開關(guān)器件和控制電路。盡管其能夠獲得很好的性能，但其體積過大，成本太高，電路比較復(fù)雜。因此，對(duì)其進(jìn)行小型化改造也成了AC-PDP技術(shù)研究的一個(gè)方向。

    由于AC?PDP驅(qū)動(dòng)控制電路的復(fù)雜性，導(dǎo)致了其開關(guān)電源的復(fù)雜性。分析可知，不管從傳輸能量角度還是從所占體積的角度，PFC模塊和掃描驅(qū)動(dòng)電極DC/DC變換模塊都占有相當(dāng)大的比例。因此，對(duì)這兩部分的改造就成為AC-PDP開關(guān)電源小型化改造的一個(gè)切入點(diǎn)。本文根據(jù)單級(jí)功率因數(shù)校正的工作原理，提出了一種AC-PDP電極驅(qū)動(dòng)電源模塊改進(jìn)方案。

1 單級(jí)PFC維持電極電源模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

本文采用的單級(jí)功率因數(shù)校正變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。單相交流電經(jīng)全波整流后，通過串聯(lián)兩個(gè)感性ICS（Input?currentshaping）接到雙管反激的DC/DC變換單元。

圖中的兩個(gè)ICS單元完全相同，即LB1=LB2，LD1=LD2，N1p=N1n。采用這種雙ICS的單元結(jié)構(gòu)是為了減小儲(chǔ)能電容器上的電壓以及流過開關(guān)管的電流。

下面通過開關(guān)管的動(dòng)作過程分析整個(gè)電路的工作原理以及工作過程。

1）S1和S2導(dǎo)通期間其簡(jiǎn)化電路如圖2（a）所示。開關(guān)管導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容經(jīng)圖2（a）中右邊回路釋放電能，反激變換器TR開始儲(chǔ)能，iDC由零開始上升。線圈N1p及N1n分別感應(yīng)產(chǎn)生左負(fù)右正和左正右負(fù)的電壓，D1n和D1p開始導(dǎo)通，D2n和D2p截止。Vin經(jīng)圖2（a）中左邊的回路給儲(chǔ)能電容CB1及CB2充電，iin開始上升，電感LB1，LB2，LD1，LD2充電。

    因?yàn)閂LB1=VLB2，VLD1=VLD2，為了分析方便，令

VLB=VLB1＋VLB2=2VLB1VLD=VLD1＋VLD2=2VLD1在右邊的回路中，根據(jù)基爾霍夫定律有

VLB＋VLD=Vin－VB(1-2N1/Np)>0   （1）

式中：Vin為全波整流后的輸出電壓，即Vin=

Vs|sinωt|；

VB=VB1＋VB2；

N1為繞組N1n及N1p的匝數(shù)；

Np為反激變換器原邊主繞組的匝數(shù)。

又因?yàn)?/p>

VLB=VLB1＋VLB2=LB1(diin/dt)＋LB2(diin/dt)   （2）

VLD=VLD1＋VLD2=LD1(diin/dt)＋LD2(diin/dt)   （3）

將式（2）及式（3）代入式（1），可得

(LB＋LD)(diin/dt)=Vin-(1-2N1/Np)VB（4）

所以

diLB/dt=Vin-(1-2N1/Np)VB/(LB+LD)

式中：LB=LB1＋LB2；

LD=LD1＋LD2。

2）S1和S2截止期間

簡(jiǎn)化電路圖如圖2（b）所示。此時(shí)iDC等于零，反激變換器給負(fù)載供電。線圈N1P及N1n分別感應(yīng)產(chǎn)生左正右負(fù)和左負(fù)右正的電壓，D1n及D1p反向截止，D2n及D2p續(xù)流導(dǎo)通。根據(jù)基爾霍夫定律有

VLB=LB=Vin－VB<0所以=<0

所以diLB/dt=(Vin-VB)LB<0

從上面的分析可知，當(dāng)Vin<VB時(shí)，D1n，D1p，D2n，D2p全部截止，電流iin為零，電感LB1及LB2中沒有電流流過，即回路電流iin存在一個(gè)死區(qū)θ（deadangle），是不連續(xù)的。也就是說，在半個(gè)工頻周期內(nèi)，只有一部分時(shí)間電感LB的電流連續(xù)工作，iLB在半個(gè)工頻周期內(nèi)的波形如圖3所示。

由圖3可以看出，當(dāng)輸入電壓為交流正弦波時(shí)，其輸入電流為一含有高頻紋波的近似正弦波。兩者相位基本相同，提高了輸入端的功率因數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)4電極42英寸（107cm）彩色PDP驅(qū)動(dòng)電路的要求，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源模塊的參數(shù)為：

輸入電壓AC170～250V；

輸出電壓DC200～240V；

輸出電流1A。

實(shí)驗(yàn)電路采用UC3845作為開關(guān)管的控制芯片，開關(guān)的工作頻率為80kHz。DC/DC變換部分采用雙管反激電路。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)輸入電壓為AC220V，50Hz，輸出功率為240W（240V/1A）時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.786。轉(zhuǎn)換效率為72.5％。此時(shí)得到輸入端的電壓電流波形如圖4所示。

篇9

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)

一、電力電子技術(shù)研究的問題

電力電子技術(shù)是一項(xiàng)利用功率半導(dǎo)體器件，應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，微處理器或計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能進(jìn)行控制和變換的技術(shù)。這種技術(shù)是以盡可能高的效率將一種形式的電壓、電流、頻、相數(shù)的電能變換成另一種形式的電壓、電流、頻率、相數(shù)的電能。它盡可能使用無損耗的磁元件、電容元件和開關(guān)工作狀態(tài)的功率半導(dǎo)體器件，少用或不用損耗性的電阻和線性工作狀態(tài)的功率半導(dǎo)體，構(gòu)成開關(guān)型高效率的功率處理系統(tǒng)。因此，電力電子技術(shù)也是一項(xiàng)高效節(jié)能的技術(shù)。

它與微電子技術(shù)中的信號(hào)處理系統(tǒng)不同，后者是對(duì)輸入信息進(jìn)行處理，完成某種功能。例如，擬放大、數(shù)字編碼、數(shù)/模轉(zhuǎn)換或模/數(shù)轉(zhuǎn)換等。為完成這些處理，信號(hào)處理系統(tǒng)只需要很少的電功率，系統(tǒng)的效率不是主要的。而電力電子技術(shù)的功率處理系統(tǒng)，變換效率是最重要的指標(biāo)之一，它是強(qiáng)電與弱電的結(jié)合點(diǎn)。

在電力電子技術(shù)的功率處理系統(tǒng)中，磁性元件(電感或變壓器等)的重量和尺寸占主要部份。而提高功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率，可使磁隆元件小型輕量化。因此，高頻化是電力電子技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。有兩種電路方案可供選擇:非諧振式和諧振式(包括準(zhǔn)諧振式)。前者技術(shù)成熟，但開關(guān)損耗隨頻率提高而增加，頻率提高有限。這是一個(gè)尚在探討解決中的開關(guān)吸收問題。后者則處于發(fā)展研究中，原理上沒有開關(guān)損耗，但目前技術(shù)還不成熟，只是在某些中小功率系統(tǒng)中得到初步應(yīng)用。

此外，開關(guān)型高效率的電力電子系統(tǒng)是一個(gè)非線性的離散時(shí)變系統(tǒng)，它的建模、仿真、分析和檢測(cè)等比較復(fù)雜.難度較大?，F(xiàn)在還是一個(gè)研究熱點(diǎn)。仿真軟件PsPlcE技術(shù)還不成熟，使用時(shí)有很大局限性。

二、現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域

1.計(jì)算機(jī)高效率綠色電源高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類進(jìn)入了信息社會(huì),同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計(jì)算機(jī)全面采用了開關(guān)電源,率先完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對(duì)環(huán)境無害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品,綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署l992年6月17日“能源之星”計(jì)劃規(guī)定,桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

2.通信用高頻開關(guān)電源通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機(jī)用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大,單機(jī)容量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。

3.直流-直流(DC/DC)變換器DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動(dòng)車的無級(jí)變速和控制,同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

4.不間斷電源(UPS)不間斷電源(UPS)是計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場(chǎng)合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負(fù)載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負(fù)載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。

篇10

關(guān)鍵詞 繼電保護(hù)；開關(guān)電源；電源故障；改進(jìn)后的電源

中圖分類號(hào)TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2012）79-0152-02

1 研究繼電保護(hù)裝置的必要性

隨著科技的發(fā)展，電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置也在不斷的發(fā)展，尤其是對(duì)于其可靠性的研究則越發(fā)重視。繼電保護(hù)裝置是保護(hù)電力系統(tǒng)安全、正常、可靠運(yùn)行的重要裝置，如果繼電保護(hù)裝置發(fā)生故障，將會(huì)直接影響電網(wǎng)的安全可靠性，許多大型停電事故都是由于連鎖故障造成的，尤其是繼電保護(hù)裝置故障引發(fā)的電網(wǎng)故障所占比例較高。國(guó)外大型停電事故，如2003年的英國(guó)倫敦大停電、2003年8月美國(guó)、加拿大停電事故；國(guó)內(nèi)停電事故，如2007年國(guó)家電網(wǎng)公司的繼電保護(hù)裝置故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)大約有75%的大型停電事故與繼電保護(hù)操作不當(dāng)有關(guān)，這表明繼電保護(hù)系統(tǒng)故障所造成的危害不能小視。

繼電保護(hù)用開關(guān)電源是主要功能模塊，在確保輸出電壓穩(wěn)定的前提下，利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)用來掌控繼電保護(hù)用開關(guān)的時(shí)間問題。因此，要保持繼電保護(hù)用開關(guān)電源性能良好，這樣才能進(jìn)一步提高機(jī)電保護(hù)裝置的安全可靠。繼電保護(hù)用開關(guān)電源是主要功能模塊，在確保輸出電壓穩(wěn)定的前提下，利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)用來掌控繼電保護(hù)用開關(guān)的時(shí)間問題。因此，要保持繼電保護(hù)用開關(guān)電源性能良好，這樣才能進(jìn)一步提高機(jī)電保護(hù)裝置的安全可靠。

2 繼電保護(hù)隱蔽故障

根據(jù)許多資料表明，繼電保護(hù)的隱蔽故障是許多大型停電事故的罪魁禍?zhǔn)?。隱蔽故障在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)并不會(huì)對(duì)其造成影響，但當(dāng)系統(tǒng)某些部分發(fā)生改變時(shí)，故障就會(huì)一觸即發(fā)，導(dǎo)致更加嚴(yán)重的后果。隱蔽故障主要就是因其隱蔽性，不容易被發(fā)現(xiàn)，因此故障發(fā)生時(shí)不能及時(shí)阻止。即使繼電器正確排除故障，但隱蔽故障就像一顆定時(shí)炸彈一樣，往往就會(huì)導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作，從而釀成大型事故。

3 開關(guān)電源工作原理

開關(guān)電源主要是使用半導(dǎo)體功率器作為開關(guān)，使電源形態(tài)發(fā)生改變，同時(shí)保持其穩(wěn)定輸出，采用閉環(huán)控制，并具有保護(hù)環(huán)節(jié)的模塊。開關(guān)電源的主要工作原理是將高壓交流電通過整流和調(diào)制的方式，轉(zhuǎn)變成適合繼電保護(hù)裝置的低壓直流電。壓交流電的具體變換順序是：通過濾波、整流、降壓等一系列措施，從高壓交流電——高壓直流電——高壓脈動(dòng)直流——轉(zhuǎn)變最終適用的低壓直流電。

4 故障現(xiàn)象分析

設(shè)計(jì)繼電保護(hù)用開關(guān)電源要考慮到許多因素，如時(shí)序和保護(hù)，這樣才能滿足其多功能要求。設(shè)計(jì)時(shí)需要承擔(dān)故障風(fēng)險(xiǎn)，再加之其需要的工作條件較為苛刻，影響繼電保護(hù)用開關(guān)電源正常、安全的運(yùn)行，因此繼電保護(hù)用開關(guān)電源因設(shè)計(jì)缺陷造成的故障屢見不鮮。

4.1 輸入電源波動(dòng)，開關(guān)電源停止工作

4.1.1 故障表現(xiàn)

故障具體表現(xiàn)可以通過輸入電壓和輸出電壓的變化來觀察。輸入電壓在產(chǎn)生瞬時(shí)故障時(shí)恢復(fù)正常后，繼電保護(hù)開關(guān)電源會(huì)停止工作，輸出電壓卻一直未見，而且不能自動(dòng)斷電。由繼電保護(hù)試驗(yàn)儀控制并記錄輸入電壓和輸出電壓的一系列變化，并控制輸入電壓中斷的時(shí)間?？赏ㄟ^便攜式波形記錄儀進(jìn)行記錄。在繼電保護(hù)試驗(yàn)儀控制輸入電壓中斷的時(shí)間長(zhǎng)短中，我們可以發(fā)現(xiàn)：輸入電源恢復(fù)正常的時(shí)間共耗費(fèi)了100ms～200ms左右，開關(guān)電源并沒有跟輸入電壓一起恢復(fù)正常；在輸入電壓中斷約250ms以后恢復(fù)，但輸出電壓+5V、+24V卻消失；輸入電壓短暫中斷70ms以內(nèi)會(huì)恢復(fù)正常，而+5V、+24V輸入電壓并未消失，而且沒有影響開關(guān)電源的正常工作。

4.1.2 故障分析

開關(guān)電源的正常啟動(dòng)邏輯和輸出電壓保護(hù)邏輯是故障表現(xiàn)的直接原因。故障發(fā)生后，往往是由于此開關(guān)電源出現(xiàn)輸出電壓欠壓保護(hù)邏輯。開關(guān)電源的邏輯混亂造成了故障的發(fā)生，因此就要更改邏輯。電源欠壓保護(hù)的誤動(dòng)作是由于輸入電壓快速通斷造成的，這種誤動(dòng)作主要是延時(shí)電路沒有按時(shí)復(fù)位，忽略了電壓的變化，使得通電時(shí)的假欠壓信號(hào)未能及時(shí)屏蔽。

4.1.3 解決措施

解決故障要根據(jù)輸入電壓的變化來采取措施。在保護(hù)環(huán)節(jié)增加輸入電壓和電子開關(guān)，起到檢測(cè)和閉合的作用。根據(jù)開關(guān)閉合后的輸入電壓情況判定，輸入電壓數(shù)值升到定值后，那么延時(shí)電路開始重新延時(shí)，這樣在重新啟動(dòng)時(shí)的假欠壓信號(hào)就可以順利屏蔽，這樣也可以徹底解決故障。

4.2 啟動(dòng)電流過大，導(dǎo)致電源承載過大

4.2.1 故障表現(xiàn)

根據(jù)電源模塊的正常工作狀況看，故障下的輸入電流很容易“不夠正?！?，隨著輸入電壓的逐漸增大而迅速“膨脹”，導(dǎo)致電源承載電流過大。

4.2.2 故障分析

根據(jù)故障的表現(xiàn)，可以看出輸入電流的電流激增是一種必然，從而導(dǎo)致電源過載。在電源啟動(dòng)時(shí)，輸出回路的功率會(huì)猛增，許多設(shè)計(jì)就沒有充分考慮大功率問題，因此在啟動(dòng)時(shí)的電壓和猛增的功率形成鮮明對(duì)比，并且瞬態(tài)電流猛增，導(dǎo)致電源過載。

4.2.3 解決措施

在設(shè)計(jì)中要充分考慮到功率問題，以更好的配合開關(guān)電源的工作。開關(guān)電源啟動(dòng)時(shí)功率要保持一定的值，如果要減少啟動(dòng)時(shí)的電流值，也可以增加啟動(dòng)電壓的值。增加啟動(dòng)電壓之后，可以發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)電流的值會(huì)有所減少，亦不會(huì)對(duì)電源造成沖擊。

5 結(jié)論

由此可見，開關(guān)電源在設(shè)計(jì)時(shí)要注意各種細(xì)節(jié)和各個(gè)環(huán)節(jié)，要注意電能變換、輸出電壓和電源的保護(hù)功能，這些都是開關(guān)電源中的重要環(huán)節(jié)，緊密相連。正所謂“牽一發(fā)而動(dòng)全身“，某一個(gè)環(huán)節(jié)出了差錯(cuò)，開關(guān)電源的工作就會(huì)受到影響。在設(shè)計(jì)之前要充分考慮到電源啟動(dòng)功率和啟動(dòng)電壓?jiǎn)栴}，在功率一定的情況下，提高啟動(dòng)電壓，這樣就可以避免電流徒增。由于電力系統(tǒng)的供電范圍越發(fā)廣泛，對(duì)于繼電保護(hù)裝置的可靠性研究必須要日益重視起來。

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