电力电子技术在高频开关电源中应用

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1、电力电子技术在高频开关电源中应用　　摘要:对电力电子技术的特点及开关电源的工作原理和发展趋势作了归纳总结，在此基础上针对开关电源设计的关键技术：功率器件、软开关技术、同步整流技术和控制技术，进行了分析，并论述了电力电子各项技术在开关电源中的作用及发展前景。关键词:电力电子技术;高频开关电源;功率半导体器件;功率变换中图分类号：F407.61文献标识码：A文章编号：1电力电子技术概述电力电子技术以功率处理为对象，以实现高效率用电和高品质用电为目标，通过采用电力半导体器件，并综合自动控制计算机(微处理器)技术和电磁技术，实现电能的获取、传输、变换和利用。电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功

2、率变换技术及控制技术等几个方面。7电力电子技术起始于20世纪50年代末60年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（P-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展，使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代末期和90年代初期发展起来的、以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通泰压降小，载流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。2高频开关电源概述高频开关电源是交流输入直流整

3、流，然后经过功率开关器件（功率晶体管、MOS管、IGBT等）构成放入逆变电路，将高压直流（单相整流约300V，三相整流约500V）变换成方波（频率为20kHz）。高频方波经高频变压器降压得到低压的高频方波，再经整流滤波得到稳定电压的直流输出。高频开关电源的特点[1]：1、重量轻，体积小由于采用高频技术，去掉了工频（50Hz）变压器，与相控整流器相比较，在输出同等功率的情况下，开关电源的体积只是相控整流器的1/10，重量也接近1/10。2、功率因数高相控整流器的功率因数随可控硅导通角的变化而变化，一般在全导通时，可接近0.7，以上，而小负裁时，但为0.3左右。经过校正的开关电源功率因数一般在0.

4、93以上，并且基本不受负载变化的影响。3、可闻噪声低7在相控整流设备中，工频变压器及滤波电感作时产生的可闻噪声大，一般大于60db，而开关电源在无风扇的情况下可闻噪声仅为45db左右。4、效率高开关电源采用的功率器件一般功耗较小，带功率因数补偿的开关电源其整机效率可达88%以上，较好的可以做到92%以上。5、冲击电流小开机冲击电流可限制在额定输入电流的水平。6、模快式结构由于体积小，重量轻，可设计为模块式结构。3电力电子技术在大功率开关电源中的应用3.1功率半导体器件功率半导体器件的发展是高频开关电源技术的重要支撑。功率MOSFET和IGB的出现，使开关电源高频化的实现成为可能；超快恢复功率二

5、极管和MOSFET同步整流技术的开发，为研制高效率或低电压输出的开关电源创造了条件；功率半导体器件的额定电压和额定电流不断增大，为实现单机电源模块的大电流和高率提供了保证。（1）功率MOSFET7功率MOSFET是一种单极型（只有电子或空穴作但单一导电机构）电压控制半导体元件[8]，其特点是控制极（栅极）静态内阻极高，驱动功率很小，开关速度高，无二次击穿，安全区宽等。开关频率可高达500kHz,特别适合高频化的电力电子装置。（2）绝缘栅双极晶体管IGBT绝缘栅双极晶体管IGBT是一种双（导通）机制复合器件，它的输入控制部分为MOSFET，输出极为GTR，集中了MOSFET及GTR分别具有的优点

6、[2]：高输入阻抗，可采用逻辑电平来直接驱动，实现电压控制，开关速度高，饱和压降低，电阻及损耗小，电流、电压容量大，抗浪涌电流能力强，没有二次击穿现象，安全区宽等。3.2软开关技术传统大功率开关电源逆变主电路结构多采用PWM硬开关控制的全桥电路结构，功率开关器件在开关瞬间承受很大的电流和电压应力，产生很大的开关损耗，且随着频率的提高而损耗增大。工作频率在20kHz，采用IGBT功率器件的PWM硬开关控制的电源，功率器件开关损耗占总损耗的60%~70%，甚至更大[3]。为了消除或抑制电路的电压尖峰和浪涌电流，一般增加缓冲电路，不仅使电路更加复杂，还将功率器件的开关损耗转移到缓冲电路，而且缓冲电路

7、的损耗随着工作频率的提高而增大。7软开关技术利用谐振原理，使开关器件两端的电压或流过的电流呈区间性正弦变化，而且电压、电流波形错开，使开关器件实现接近零损耗。谐振参数中吸收了高频变压器的漏抗、电路中寄生电感和功率器件的寄生电容，可以消除高频条件下的电压尖峰和浪涌电流，极大地降低器件的开关应力，从而大大提高开关电源的效率和可靠性。3.3同步整流技术对于输出低电压、大电流的开关电源来讲，进一步提高其效