高频开关电源的技术现状与发展

唐楚杰

（东南大学，江苏 南京 210018）

0 引 言

在我国生态文明建设以及可持续发展战略背景下，社会上各个领域对节能环保、高效以及节能减排的产品需求量不断增加。高频开关电源相较于传统电源，能够有效节约原材料，大幅度减小体积，提高变换效率，是一种具备良好节能减排功效的新型产品，因此被广泛应用。本文分析了高频开关电源技术的现状，探讨了其发展方向。

1 高频开关电源概述

1.1 含 义

高频开关电源是借助金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effeot Transistor，MOSFET）或者是绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT）开展高频工作的电源，其实际开关频率通常控制在50～100 kHz，可以有效实现高效率以及小型化。其工作原理是输入交流电压通过电网电磁滤波干扰器（Electromagnetic Interference，EMI）滤波以及整流滤波之后得到一个直流电压，再通过高频变换器快速地将直流电压有效地转变为相应的高频交流脉冲电压，之后借助高频变压器进行隔离变换，以此输出所需的相应高频交流脉冲电压，接着借助输出整流滤波器实现直流电压的有效转变，最终输出给相应的负载[1]。

1.2 特 点

高频开关电源市场需求推动了其技术的优化。高频开关电源的特点如下文所述。

（1）高效节能。高频开关电源的实际工作效率达到90%以上，能够保证任意电压电流比一直成线性匹配，可以省去传统整流器中调压器以及主变的损耗，实际节能效果可以达到35%以上[2]。

（2）体积小、重量轻。高频开关电源借助了风冷式设计，具备安装方便的特点，同时配有远控装置，实际操作非常简单便利。除此之外，还能够带负载开关机，从而有效减少调节方面的烦琐程序。

（3）多重保护功能。高频开关电源具备过压、过流、超温、短路等多个方面的自动保护报警功能以及软启动功能，同时还能够加装时间控制以及计算机接口。

（4）可靠性强。高频开关电源一般平均无故障工作时间可以达到10 000 h以上。

（5）模块化结构，一旦模块出现故障，能够迅速进行更换，维护便利，部分产品可以在供电系统下实现整流模块的有效更换，实际平均修复时间能够达到5 min以内。

（6）智能化。大多数高频开关电源产品内部都装有监控模块，其可以赋予产品较强的智能化特征，如实现测量、处理、控制、存储等一切系统事件的自动化管控。除此之外，监控模块还可以对蓄电池开展放电以及温度补偿方面的自动运行管理。借助串行口配置调节器还能够达到远程集中监控的目的，从而有效记录以及处理有关数据信息，保证及时发现故障，这样可以提高供电系统自身的可靠性以及安全性，达到无人值守的目的。

2 高频开关电源技术现状及应用分析

线性电源在以往的传统供电行业中始终占据着主要地位。随着高频开关电源技术的快速发展和进步，高频开关电源逐渐地取代了线性电源，已经成为市场的主导。相较于线性电源，高频开关电源用料少、体积小、重量轻、可靠性高、性价比高，能够完全满足现阶段节能减排以及高效率的要求。变频技术是高频开关电源技术最为核心的内容，有着极为广泛的应用[3]。

（1）通信机房的应用。通信机房中合理有效地运用高频开关电源技术可以保证正常运行，提高其实际运行效率，促使通信电源系统的性能以及可靠性不断提高，有效降低机房运行过程中形成的一系列外界干扰。整流模块具备热插拔以及多种通信接口功能，可以进一步提高通信方面的网络化水平，保证通信机房安全运行[4]。

（2）火电厂的应用。高频开关电源以及节能技术逐渐成为影响火电厂实际发展情况以及经济效益的重要因素。通过两种技术的有机结合，能够促进火电厂除尘效率的不断提高，进一步减轻火电厂实际运营过程中对区域环境造成的污染和破坏。

3 高频开关电源技术发展探究

3.1 模块化发展

模块化发展首先指的是功率器件方面的模块化发展，其次指的是电源单元方面的模块化发展。现阶段较为常见的器件模块主要涉及到了开关器件以及与之反并联的相应续流二极管，而本质上来看都属于“标准”功率模块，也就是智能功率模块（Smart Power Module，SPM）。因为频率的持续提高，使得引线寄生电感以及寄生电容产生的影响逐渐加重，这容易对器件产生更大的电应力，一般表现为过电压或者是过电流毛刺等。因此为了能够进一步提高系统方面的可靠性，部分生产制造商有效地开发出了一种“用户专用”功率模块，也就是ASPM，这种模块能够将一台整机的大部分硬件都借助芯片的形式有效地安装到同一个模块内，从而使得元器件之间彻底摆脱了传统的引线连接方式。对于这种模块来说，其通过严格且科学的热、电，还有机械方面的设计，达到了完美优化的目的，更像是微电子中的相应用户专用集成电路（Application Specific Integrated Gircuit，ASIC）。这样一来只要将控制软件有效地写入到该模块内部的微处理器芯片，然后将整个模块有效地固定在一个相应的散热器上，便可以打造出一台较为新颖的开关电源装置。模块化发展的目的不仅局限于使用方面足够方便以及缩小整机体积，最为关键的是取消传统连线，切实将寄生参数真正地降到最小，将器件承受的相应电应力控制在相对较低的状态，使系统的可靠性大大增强。

另外，对于大功率的开关电源来讲，因为受到器件容量的限制以及出于增加冗余进一步提高可靠性方面的考虑，通常情况下会采用多个独立的模块进行并联工作，同时利用均流技术来促使所有模块共同有效分担负载电流，如果其中一个模块出现了失效问题，那么其他模块需要重新再对负载电流进行平均分担。如此一来即便某个模块产生了故障问题，也不会对整个系统的正常运行造成任何影响，同时还能够为修复工作提供充足的时间[5]。

3.2 高频化发展

理论分析以及实践研究表明，对于电气产品来讲，其变压器、电感以及电容的实际体积重量往往与供电频率的平方根成反比关系。因此，如果将频率有效地从工频50 Hz持续提高到20 kHz，也就是400倍，那么用电设备的实际体积重量整体能够下降到工频设计的5%～10%。在实际运用中，对于逆变式整流焊机以及通信电源等使用的开关式整流器来讲，都是在这一原理的基础上设计制造的。同样，对于传统整流行业中的一系列直流电源，如电镀电源、电解电源以及电加工电源还有充电电源等，都能够结合这一原理做出有效改造，最终转变为“开关变换类电源”，这能够促使其主要材料有效地节约90%及以上，同时能够达到30%及以上的节电效果。高频化发展将会成为此项技术今后的一个主要发展趋势[6]。

3.3 数字化发展

对于传统电力电子设备来讲，模拟信号属于其实际工作中非常重要的一个内容，是主要的控制以及操作形式。近几年，在数字信号以及数字电路快速发展的背景下，数字化技术开始在智能化开关电源中得到有效运用。此项技术最大的优点是易于控制，可以有效解决传统模拟信号在实际使用过程中存在的信息传输失真等相关问题，大幅度减少信号干扰，并且能够更好地与软件包调试、自诊断以及容错等技术结合使用。另外，数字化发展还能够有效达到对高频开关电源实际运行状态进行远程监测以及控制的目的，可以更好地满足人们的操控需求，有助于节约大量的人力、物力以及财力消耗[7]。

3.4 低噪声

对于以往的高频电源开关技术而言，通常频率越大噪声越大，这属于高频开关电源技术需要面对的一大问题，也是其今后发展需要解决的一个重点问题。现阶段有学者提出可以借助谐振转换技术来有效控制噪声问题，这或许会成为高频电源开关技术的一个主要研究和发展方向。

3.5 绿色化发展

现阶段，在人们的生态环保意识不断增强的背景下，高频开关电源技术也开始不断地向着绿色化方向发展。高频开关电源技术的绿色化发展主要指的是节电以及减少电网产生的污染问题。其中节电主要强调的是发电容量的有效节约，由于发电本身也是造成环境污染的一个重要因素，因此绿色化发展的最终目的也是进一步减少污染。目前，高频开关电源技术的绿色化发展已经成为一个必然趋势，以满足社会以及时代发展的需要。

3.6 新型变压器的应用

变压器是高频开关电源中的一个关键器件，属于一个重点研究内容。现阶段高频开关电源当中变压器一般使用高频铁氧体磁芯，其会产生一定的磁损耗，对高频开关电源的实际使用性能会造成一定的影响。

目前新型平面变压器的广泛应用，进一步减小了电源的实际体积，提高了电源效率，具有良好的开发应用前景。

4 结 论

高频开关电源技术已经在社会各个领域广泛运用，推动了各行各业的快速发展。文章对高频开关电源技术进行了简要分析，并基于此探讨了未来发展趋势。