在高频二次开关电源中现代电力电子技术的应用

在高频二次开关电源中现代电力电子技术的应用

刘贤仲

哈尔滨光宇电子有限公司  黑龙江哈尔滨  150078 

摘要：近些年电力电子技术有了飞速发展，电力电子设备和人们生产生活关系越发密切，特别是开关电源技术更是重中之重。其主要处在开关状态工作，能够大大减小开关损耗，通过PWM等技术对于IGBT导通时间占空比进行控制可以实现有效的稳压。为了能够进一步促进电力电子技术发展，加快高频开关电源的应用，本文简要阐述高频二次开关电源中电力电子技术应用情况，希望能够对相关人士有所帮助。

关键：高频二次开关电源；电力电子技术；应用

引言

    所谓的高频开关电源主要指可以通过自动化的方式来对高频交流电源电压实施转换的设备，其相关功率器件主要采取的是开关状态工作，具有频率高、体积小、功耗低等优势，从而可以满足各种大型电气设备的交流电路供电性能要求。高频开关电源中电力电子技术的应用是非常重要的，其电路属于非常复杂的电网能量转换以及传输电路，需要对其深入研究才可以确保高频开关电源的正常运行。

1 高频开关电源概述

1.1 高频开关电源的特点

第一，较小体积，重量轻。高频开关电源主要采取的是高频技术，无需采取工频变压器，所以在同样输出功率时，相对相控整流器来说其体积以及重量可以缩减90%。

第二，较高功率因数。相控整流器功率因数往往受到可控硅导通角的影响，虽然全导通情况下功率因数能够达到0.7以上，但是小负载情况下仅为0.3。但是高频开关电源功率因数主要在0.93之上，不会受到负载影响。

第三，噪声较低、受到的冲击电流较小。对于相控整流设备来说，受到工频变压器和滤波电感影响，噪声往往会在60db之上，但是高频开关电源在无风扇情况下噪声只有45db左右。同时能够对开关电源的开机冲击电流限定在额定输入状态。

第四，模块化结构。正是因为此电源的重量轻、体积小，所以可以将其按照模块化结构进行设计。

1.2 高频开关电源的应用

    在现代工业生产方面应用高频开关电源较为便利，只要通过工频功率变压器就能够实现，因此也进一步促使了高频开关电源能够向着更轻、更小的方向发展，更便于其应用到多个方面。其可以对逆变器以及高压整流器的输出功率等进行有效控制，同时其具有非常低的运行噪声（一般会在50db之下），电源的开关瞬间并不会受到较大电流冲击，能耗相对较低，这些优势都使得其应用范围越发广泛，例如通信设备、电力电子设备、工业自动化等方面都有着广泛应用[1]。

2 电力电子技术在高频二次开关电源中的应用

2.1 功率半导体器件的选用

现代高频开关电源技术是随着功率半导体器件技术提升而发展的，功率MOSFET以及IGBT的出现成了高频开关电源实现的基础，同时超快恢复功率二极管以及MOSFET同步整流技术发展，进一步推动了高频开关电源的发展。另外，随着功率半导体器件额定电压、额定电流越来越大，为进一步提升单机电源模块电流以及功率提供了可能。

第一，功率MOSFET。主要是指单极型电压控制半导体元件，就是指以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。由于其通过栅极电压来对漏极电流进行管控，所以其可以实现简单的驱动电流，无需大功率，开关的动作速度较快，具有较高的热稳定性。但是此种晶体管的电流容量相对较小，不能耐高压，但是开关频率能够达到500kHz，所以更多应用在功率在10kW之内的电力电子装置中。

    第二，绝缘栅双极晶体管IGBT。绝缘栅双极晶体管IGBT属于建立在双导通机制下的复合型器件，其中输入控制主要是MOSFET，而输出主要是GTR，所以此种器件能够充分集成两者的优势。其具体特点包括：具有较高的输入阻抗，可以通过逻辑电平实现驱动以及相应的电压控制，开关可以实现快速响应，具有比较低的饱和压降，能够实现非常小的损耗[2]。同时，具有较大的电流以及电压的容量，具备比较强的抗浪涌电流性能，不会发生二次击穿的情况，可以实现较宽的安全区。

2.2 同步整流技术的应用

    开关电源往往都是进行低电压、大电流的输出，为了能够有效提升输出效率，往往都要在应用软开关技术的同时，通过功率MOS管的反接来进行整流，实现开关二极管的功能，此种操作技术具有较强的实用性，称其为同步整流技术。通过同步整流技术可以取代传统的肖特基二极管，可以明显减小整流管的压降，进一步提升开关电源效率。从目前来看，同步整流技术的发展方向在于保证ZVS和ZCS方式的同步整流，其中ZVS同步整流技术有了较为广泛的应用，此种技术可以实现副边驱动同步整流的脉冲信号和原边PWM脉冲信号进行充分关联，ZVS同步整流的上升沿会比原边PWM脉冲信号上升沿有所超前，但是下降沿则相对滞后，这样就可以实现同步整流MOSFET的ZVS方式进行工作。近些年随着技术水平的上升，近些年双输出P联M控制IC大部分都会将副边实现ZVS同步整流控制端子设置在控制逻辑之内，此种方式能够有效解决初级侧功率MOSFET软开关问题，同时也可以有效解决副边ZVS方式的同步整流问题。采取此种IC形成的DC/AC转换器具有较高的效率（＞94%）

[3]。

2.3 软开关技术的应用

以往的高功率开关电源逆变主电路的主体电路结构都是PWM硬开关控制的全桥电路，此种控制方式的问题在于，在开关启闭瞬间，功率开关器件容易受到较大电压、电流的影响，长此以往容易造成开关的较大损耗，并且随着频率上升损害会越来越大。通过相应分析得知，对于工作频率20kHz、采用IGBT功率器件的PWM硬开关控制电源来说，功率器件开关损耗是非常严重的，占到总损耗的2/3以上。为了能够最大程度减小甚至消除电路高电压以及浪涌电流的影响，常规的方式就是设置缓冲电路，但是此种方式会增加电路的复杂性，同时并没有消除功率器件开关损耗，只是将其转移给了缓冲电路，会造成缓冲电路的损害。

而软开关技术能够有效消除此方面问题，其基于谐振原理，能够确保开关器件两侧电压以及电流呈现出正弦变化态势，同时可以确保电压以及电流的波形交错，从而大大降低开关器件的损耗。通过谐振作用能够将高频变压器漏抗、电路内寄生电感以及功率器件寄生电容吸收掉，从而不会在高频情况下产生电压尖峰以及浪涌电流，能够大大减少器件的开关应力，从而有效提升开关电源效率以及可靠性。

2.4 控制技术的应用

    由于开关变换器存在着负载较为复杂、离散性强以及变结构等方面的特点，所以为了保证开关电源的正常功能就要确保其电路性能满足负载较大变动的需要，这就会造成开关电源控制内容异常复杂。针对此，近些年多环控制方式在开关电源中应用越发广泛，而单周期控制等技术的应用可以进一步提升开关电源的动态特性，同时其他全新控制技术（例如模糊控制、神经网络控制等）也在开关电源中有了应用，受到了各方关注。特别是近些年微电子技术快速发展，加快了微控制器的发展，无论是在集成度还是在处理速度等方面都有了较大提升，将其用于大功率开关电源的数字控制模块中也成了之后的发展趋势，形成高性能的数字控制芯片，能够实现更为精细的非线性算法，可以对分布电源实施动态监控，从而加快产品的优化调整，提升生产率。

3 结束语

    现代电子设备中高频开关电源是必不可少的，随着技术水平的提升，数字化、高频化、模块化等理念会进一步推动其发展。相应电力电子技术的应用会加快高频开关电源的创新发展，可以大幅提升开关电源的应用领域，具有广阔的发展前景。

参考文献：

[1]陈松伯; 张晋. 现代电力电子技术在高频二次开关电源中的应用[J]. 电子产品世界, 2019（03）：32-35

[2]牛潇昆. 现代电力电子技术在开关电源中的应用[J]. 科技创新与应用, 2021（06）：32-35

[3]李天波; 吴新建; 隋毅力. 高频开关电源的技术现状与发展趋势[J]. 数码世界, 2020(10):88-91