第３４卷第２１期 企业技术开发 ２０１５年７月 Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．２１ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＣＡＬ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ＯＦ ＥＮ ｒＥＲＰＲＩＳＥ Ｊｕ１．２Ｏ１５ 高频开关电源的设计探讨 张洁鸿 （广东美的暖通设备有限公司，广东佛山５２８３１ １） 摘要：随着社会经济的快速发展，工业、农业、化工、机械、炼钢、航天、通信、国防等各个领域以及人们的日常生活对电能的需求量也 越来越大，因此，对电能各方面的研究应不断细化与深入。高频开关电源作为用电设施中重要的一部分也逐渐受到人们的重视，与线 性稳压电源相比，具有占地面积小、稳定性较高、效率较高、开关耐受能力强等优点。文章主要阐述了高频电源开关的发展历程及特 点，介绍了高频电源开关的基本原理及设计观念，并对其未来的发展作出展望。 关键词：高频开关电源；设计；发展 中图分类号：ＴＮ７１０ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—８９３７（２０１５）２１－００１７—０１ 高频开关电源是现代电力发展中不可或缺的一部分。随着 ④高频交流电源经过变压器的转换，输出交流电压，这种 人们对用电要求的不断提高，开关电源也有了突破性的进展。 交流电压满足隔离输出需要。 从最初的线性电源飞跃到当前被广泛应用的高频开关电源，从 ⑤输出整流滤波，使高频交流电压转换为直流电压。在整 最初的２０ ｋＨｚ飞跃到目前的１ ＭＨｚ，而且还向着更高的频率的 个转换的过程中，控制电路与保护电路共同工作，相互配合，保 方向发展。工业化的快速发展促使电力需求量的提升，对高频 证整个转换过程的安全、稳定。 电源的质量及功能提出了更高的要求。 ３高频开关电源的设计 ｌ高频开关电源的发展历程 。 ３．Ｉ输入技术参数的设计 ２０世纪５０年代左右，人们开始对开关电源进行研究和使 在对高频开关电源进行设计时，技术参数是需要考量的重 用。由于受到技术水平的，最初的开关电源具有噪音较大、 要内容。对于输入技术参数来说，首先要考虑额定电压。不同地 能够承受的开关次数较少等缺点。随着人民生活水平的逐渐提 区有不同的标准，所以在对高频开关电源进行设计时，要选择 高，各个领域的用电量以及用电频率逐渐增加，传统的开关电 符合当地标准的额定电压。如果要求设计的高频开关电源能够 源已经不能满足人们的需要，于是，高频电源开关应运而生。 有比较广的应用范围，则需要在设计时加入切换功能。其次要 ＧｉａｎｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ，即电力晶体管，是最初被使用的高频电源 考虑的是交流电频率，设计时必须满足国家标准，一般在５０ Ｈｚ 开关。这种新型的开关电源噪声较小，频率达到了２０ ｋＨｚ，但是 左右。最后要考虑开关电源的效率。开关电源的效率是指输出 其适用范围较窄，不适用于功率比较大的电源。随着工业化的 功率与输入功率的比值（去除无效功率）。开关电源的效率主要 快速发展，各个工业产业，尤其是钢厂、机械厂等大型制造类产 受电路损耗的影响，而电路损耗具有很多不确定因素，这些损 业用电的功率逐渐增大，这些产业对高频开关电源提出了更高 耗也是无法避免的，只能尽量减小，为高频开关电源设计一个 的要求，人们又研制出绝缘栅双极型晶体管，这种晶体管具有 较好的散热环境，减轻电路的损耗。 高输入阻抗和低导通压降两大优点，满足了这些高电压产业的 ３．２输出技术参数的设计 需求。进入到２Ｏ世纪９０年代，人们又逐渐研发出了软开关技术， 对输出技术参数进行设计时，首先要考虑额定输出电压。 这种技术几乎实现了开关零损耗，工作频率以及效率也大大提 要对额定输出电压的范围、纹波系数等进行明确的规定。其次 高。２１世纪，随着电子科技的发展，开关电源走进了数字化时 要考虑纹波噪声：尽量降低纹波系数，一般情况下要小于１％， 代，人们利用数控芯片对电源回路进行控制，实现了高频开关 噪声要小于输出电压的０．５％。最后要考虑稳压精度，稳压精度 电源的智能化。 可以理解为调整电压大小的能力。通常情况下，输出电压受很 ２高频电源开关的基本原理 多因素的影响，温度、负载、输入电压、纹波噪声等这些因素变 化在发生变化时，都会导致输出电压的变化，因此，要提高稳压 高频开关电源能够在瞬间将高频的交流电压转换为稳定 精度，就必须尽量减少这些因素的变化。 的直流电压，其过程并不简单。基本原理可以通过以下几步来 ３．３变换器的设计 解释： 变换器有很多设计方式，每种方式都有各自的优势。最初 ①交流输入电压进入电网滤波器，电网滤波器替整个系统 的设计中，人们都采用各种线性变换器，随着高频开关电源的 排除外界的各种干扰。 不断发展，变换器的设计也不断丰富，在原来线性变换器的基 ②排除干扰后的电流进入到整流滤波器，整流滤波器将交 础上，延伸出了多种直流开关电源变换器，这种变换器的优点 流电压转换为直流电压。 是具有隔离功能。目前，应用比较广泛的是全桥变换电路。全桥 ③被转换后的直流电压进入到高频开关变换器，再被转换 变换电路虽然比较复杂，整个电路中的开关也比较多，但是它 为高频交流电压。 具有很高的转换效率，整个电路对输入电压消耗少，利用效率 作者简介：张洁鸿（１９８５一），女，广东惠州人，大学专科，电控测试工程 比较高。因此，对于转换效率要求比较高的电源，通常都采用全 师。研究方向：变频空调电控控制。 桥变换电路。 （下转第２０页） 企业技术开发 除此之外，直流侧的电压得到了一定程度的增加，并且还 有充足的低电压穿越能力，可以使电网的正常运行得到有效的 保证。 能够将大约０．１ ｐｕ的无功功率输出到电网。这样就能够使并网 点的电压跌落量得以减少。 大量的计算表明，并网点的电压落差会由于该额外的无功 功率而从０．８倍减少至Ｏ．６５倍。同时无功电流在电网故障期间出 现了一个明显的增大，并且还在０．４６ ｐｕ￣２Ｔ的范围内得到了有 效的控制。 参考文献： ２０１５年７月 实施有效控制、并且对其无功电流予以合理增加的控制方式， 有效的降低了直流侧的电流。从这里我们可以发现，该方案具 从而有效的保证了并网光伏电站的低电压穿越。与此同时，还 利用仿真分析对发生三相接地短路的情况下电力系统应用该 方案是不是可以达到低电压穿越能力的要求进行了重点的检 广和应用。尽管如此，要想确保并网光伏电站的低电压穿越的 与此同时，该方案除了能够确保低电压穿越得以实现，还 验。该方案运行情况良好，值得在并网光伏电站系统中进行推 高效性和稳定性，仍然需要广大的研究人员对其进行不断的创 新和摸索，从而寻找出更加科学的方案。 除此之外，还在一定的范围内对有功电流进行了，有 ［１】王利平，杨德洲，张军．大型光伏发电系统控制原理与并性研究『Ｊ】 ．电力电子技术２ｏ１０，（６】． 【２］周念成，闷立伟，王强钢．光伏发电在微电网中接人及动态特性研究【ＪＪ． 电力系统保护与控制２ＯｌＯ，（１３． 功电流只是在出现故障以及故障结束的时候发生了一个跳动 的现象，在剩余的时间基本能够保持不变。 ３结语 【３１张琪祁，徐政．考虑配网电压暂态的大型光伏电站接入选点仿真研究 【ＪＪ．高压电器，２Ｏｌ ｏ’（４６）， 影响并网光伏电站广泛使用的一个非常重要的因素就是 其低电压穿越能力，可以对并网光伏电站的低电压穿越能力进 行研究具有十分重大的意义，然而直到现在为止，对并网光伏 电站的低电压穿越能力的研究仍然存在着问题。在本次研究中 【４】罗毅，邢校萄．基于小波变换和支持向量机的短期光伏发电功率预测 册．新能源进展，２ｏ１４，（５）． 『５］李圣清，张彬，徐天俊，等．单相光伏并网逆变器迭代比例积分电流控制 方法 电气传动，２ｏ１４，（１Ｏ）． 对光伏逆变器进行了充分的利用，选择了一种可以对有功电流 （上接第１７页） ４．２全面开展数字开关电源的研究 电子科技的飞速发展使人类进入了电子时代，数字开关电 源逐渐发展。人们使用芯片对整个电路系统进行控制，完全实 现智能化。这种技术虽然没有完全成熟，但是其特有的优点已 ３．４变压器的设计 变压器是对电压和电流进行转换的器件，它的性能直接影 响了整个高频开关电源的工作效率，是设计中的重点。在对变 压器进行设计时，要考虑很多因素： 经让我们看到了它的发展潜力：电路设计简单化，调试相对容 易；整个系统由网络控制，可以远程观察，操作简单；智能化的 开关电源能够避免电磁干扰等。 ①在对变压器的线路进行绕制时，一定要选择先进的绕制 工艺，它能够对变压器的损耗产生比较大的影响。 ②在对变压器中的芯片进行选择时，一定要注意该芯片是 否适合该变压器，尽量防止出现磁饱和现象。 ③在对变压器进行设计时，要降低变压器对电路中其它 的干扰。 ５结语 现代高频开关电源的设计具有很多明显的特点：逐渐趋于 速发展逐渐淘汰了线性电源；在高频开关电源的设计中，逐渐 强化对电磁干扰的屏蔽，全面提高其工作效率。高频开关电源 元件的干扰，同时，也要保证它能够防止外界环境对其自身 小型化，为我们节省了更多的材料和空间；高频电源开关的快 ④在保证其性良好性能的基础上，降低成本。 ４对高频开关电源未来发展的畅想 ４．１向低碳、环保方向发展 低碳、环保是２ｌ世纪的主题，任何行业的发展都要向着这 一未来仍然具有很大的发展空间，结合电子科技，利用计算机技 术实现对整个电源的控制。电子科技的快速发展将为这一方向 提供技术支持，使未来的高频电源真正实现数字化、智能化。 主题进行，高频开关电源的发展也不例外。未来对高频开关 参考文献：电源的设计要融入新的理念，在注重经济效益的同时，更要注 重生态效益。新一代的高频开关电源，除了向小型化方向发 ［１】杨晓静．高频开关电源的研究与设计ｆＤＪ＿武汉：武汉理工大学２Ｏｌ １． ｆ２］彭晓珊．大容量高频开关电源的研制［Ｄ］．长沙：中南大学，２００４． 【３］李志永．基于ＤｓＰ的数字化高频开关电源的研究【Ｄ】．天津：天津理工大 学，２０１３． 展、节省材料之外，还要使其在运行的过程中产生更少的热 量，减少耗电量、提高工作效率，同时降低其对周围环境的影 响。总之，未来的高频开关电源将具备更多的优点，兼备经济 价值和环保价值。 【４】杨光．高频开关电源的ＥＭＩ建模与仿真研究 ．北京：北京邮电大学， ２００８．
