SIEMENS電源模塊的設(shè)計(jì)原理
SIEMENS電源模塊的設(shè)計(jì)原理
SIEMENS電源模塊電源的電磁干擾水平是設(shè)計(jì)中zui難的部分，設(shè)計(jì)人員能做的zui多就是在設(shè)計(jì)中進(jìn)行充分考慮，尤其在布局時(shí)。由于直流到直流的轉(zhuǎn)換器很常用，所以硬件工程師或多或少都會(huì)接觸到相關(guān)的工作，本文中我們將考慮與低電磁干擾設(shè)計(jì)相關(guān)的兩種常見(jiàn)的折中方案 。
SIEMENS電源模塊電源設(shè)計(jì)中即使是普通的直流到直流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)都會(huì)出現(xiàn)一系列問(wèn)題，尤其在高功率電源設(shè)計(jì)中更是如此。除功能性考慮以外，工程師必須保證設(shè)計(jì)的魯棒性，以符合成本目標(biāo)要求以及熱性能和空間限制，當(dāng)然同時(shí)還要保證設(shè)計(jì)的進(jìn)度。另外，出于產(chǎn)品規(guī)范和系統(tǒng)性能的考慮，SIEMENS電源模塊電源產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)必須足夠低。不過(guò)，SIEMENS電源模塊電源的電磁干擾水平卻是設(shè)計(jì)中zui難預(yù)計(jì)的項(xiàng)目。有些人甚至認(rèn)為這簡(jiǎn)直是不可能的，設(shè)計(jì)人員能做的zui多就是在設(shè)計(jì)中進(jìn)行充分考慮，尤其在布局時(shí)。
SIEMENS電源模塊盡管本文所討論的原理適用于廣泛的電源設(shè)計(jì)，但我們?cè)诖酥魂P(guān)注直流到直流的轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗膽?yīng)用相當(dāng)廣泛，幾乎每一位硬件工程師都會(huì)接觸到與它相關(guān)的工作，說(shuō)不定什么時(shí)候就必須設(shè)計(jì)一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器。本文中我們將考慮與低電磁干SIEMENS電源模塊擾設(shè)計(jì)相關(guān)的兩種常見(jiàn)的折中方案;熱性能、電磁干擾以及與PCB布局和電磁干擾相關(guān)的方案尺寸等。
恰當(dāng)放置高頻輸入和輸出電容器的重要性常被忽略。若干年以前，我所在的公司曾把我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)讓給國(guó)外制造商。結(jié)果，我的工作職責(zé)也發(fā)生了很大變化，我成了一名顧問(wèn)，幫助電源設(shè)計(jì)新手解決文中提到的一系列需要權(quán)衡的事宜及其他眾多問(wèn)題。這里有一個(gè)含有集成鎮(zhèn)流器的離線式開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)例子：設(shè)計(jì)人員希望降低zui終功率級(jí)中的電磁干擾。我只是簡(jiǎn)單地將高頻輸出電容器移動(dòng)到更靠近輸出級(jí)的位置，其回路面積就大約只剩原來(lái)的一半，而電磁干擾就降低了約 6dB。而這位設(shè)計(jì)者顯然不太懂得其中的道理，他稱(chēng)那個(gè)電容為“魔法帽子"，而事實(shí)上我們只是減小了開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的回路面積。
SIEMENS電源模塊還有一點(diǎn)至重要的，新改進(jìn)的電路產(chǎn)生的問(wèn)題可能比原先的還要嚴(yán)重。換句話說(shuō)，盡管延長(zhǎng)過(guò)渡時(shí)間可以減少電磁干擾，但其引起的熱效應(yīng)也隨之成為重要的問(wèn)題。有一種控制電磁干擾的方法是用全集成電源模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流到直流轉(zhuǎn)換器。SIEMENS電源模塊是含有全集成功率晶體管和電感的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，它和線性穩(wěn)壓器一樣可以很輕松地融入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。模塊開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的回路面積遠(yuǎn)小于相似尺寸的穩(wěn)壓器或控制器，SIEMENS電源模塊并不是新生事物，它的面世已經(jīng)有一段時(shí)間了，但是直到現(xiàn)在，由于一系列問(wèn)題，模塊仍無(wú)法有效散熱，且一經(jīng)安裝后就無(wú)法更改。
按現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域，我們把SIEMENS電源模塊劃分如下：
SIEMENS綠色電源模塊
高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類(lèi)進(jìn)入了信息社會(huì),同時(shí)也促進(jìn)了電源模塊技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計(jì)算機(jī)全面采用了開(kāi)關(guān)電源,完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)入了電子、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SIEMENS綠色電源模塊。綠色電腦泛指對(duì)環(huán)境無(wú)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)的外圍設(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(kāi)關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
SIEMENS開(kāi)關(guān)電源模塊
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SIEMENS開(kāi)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(chēng)為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱(chēng)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(chēng)值為48V的直流電源。當(dāng)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(kāi)關(guān)電源取代,SIEMENS高頻開(kāi)關(guān)電源(也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)型整流器SMR)通過(guò)MOSFET或IGBT的高頻工作,開(kāi)關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)率和小型化。近幾年,開(kāi)關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大,單機(jī)容量己從48V/12.、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。
SIEMENS開(kāi)關(guān)電源模塊因通信設(shè)備中所用集成電路的種類(lèi)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。
SIEMENS變換器
DC/DC SIEMENS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(wú)軌電車(chē)、地鐵列車(chē)、電動(dòng)車(chē)的無(wú)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(kāi)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。
SIEMENS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(kāi)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(kāi)關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),當(dāng)前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開(kāi)關(guān)和零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
SIEMENS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(kāi)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(guò)電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)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zui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、lVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
SIEMENS變頻器電源
SIEMENS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(guò)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(wú)級(jí)調(diào)速。
上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世。八十年代初期,日本東芝公司zui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(kāi)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(kāi)發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2000年左右將形成高潮。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。
SIEMENS焊機(jī)電源模塊
SIEMENS高頻逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、、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。
SIEMENS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(kāi)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(wèn)題成為zui關(guān)鍵的問(wèn)題,也是用戶(hù)zui關(guān)心的問(wèn)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(guò)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,解決了當(dāng)前大功率IGBT逆變電源可靠性。
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