SIEMENS電源模塊(kuai)的(de)設(she)計原理
SIEMENS電源模塊(kuai)電源的(de)電磁(ci)幹(gan)擾水平是設(she)計中zui難(nan)的(de)部分，設(she)計人(ren)員(yuan)能做的(de)zui多(duo)就(jiu)是在設(she)計中進行充(chong)分(fen)考(kao)慮(lv)，尤(you)其(qi)在布(bu)局時。由於(yu)直(zhi)流(liu)到(dao)直(zhi)流(liu)的(de)轉換(huan)器很(hen)常用，所以硬(ying)件工程師(shi)或多(duo)或(huo)少都(dou)會(hui)接(jie)觸(chu)到相(xiang)關(guan)的(de)工作，本(ben)文中我們將(jiang)考(kao)慮(lv)與(yu)低(di)電磁(ci)幹(gan)擾設(she)計相關的(de)兩種(zhong)常見(jian)的(de)折(zhe)中方案(an) 。
SIEMENS電源模塊(kuai)電源設(she)計中即(ji)使(shi)是普通的(de)直(zhi)流(liu)到(dao)直(zhi)流(liu)開關轉換(huan)器的(de)設(she)計都(dou)會(hui)出(chu)現壹(yi)系列(lie)問(wen)題(ti)，尤其(qi)在高功率(lv)電源設(she)計中更(geng)是如此(ci)。除(chu)功能性考(kao)慮(lv)以外，工程師(shi)必須(xu)保(bao)證設(she)計的(de)魯棒(bang)性，以符合成本(ben)目標(biao)要(yao)求以及熱性能和空間(jian)限(xian)制，當然同時(shi)還(hai)要(yao)保(bao)證設(she)計的(de)進度(du)。另(ling)外(wai)，出(chu)於產品(pin)規(gui)範(fan)和系統性能的(de)考(kao)慮(lv)，SIEMENS電源模塊(kuai)電源產生的(de)電磁(ci)幹(gan)擾(EMI)必須足(zu)夠低(di)。不(bu)過(guo)，SIEMENS電源模塊(kuai)電源的(de)電磁(ci)幹(gan)擾水平卻是設(she)計中zui難(nan)預(yu)計(ji)的(de)項目(mu)。有(you)些人(ren)甚(shen)至認(ren)為(wei)這(zhe)簡(jian)直(zhi)是不可(ke)能的(de)，設(she)計人(ren)員(yuan)能做的(de)zui多(duo)就(jiu)是在設(she)計中進行充(chong)分(fen)考(kao)慮(lv)，尤(you)其(qi)在布(bu)局時。
SIEMENS電源模塊(kuai)盡(jin)管本(ben)文所(suo)討(tao)論(lun)的(de)原理適(shi)用於廣(guang)泛(fan)的(de)電源設(she)計，但(dan)我們在(zai)此(ci)只(zhi)關(guan)註(zhu)直(zhi)流(liu)到(dao)直(zhi)流(liu)的(de)轉換(huan)器，因為(wei)它(ta)的(de)應用相當廣(guang)泛(fan)，幾(ji)乎(hu)每壹(yi)位硬(ying)件工程師(shi)都(dou)會(hui)接(jie)觸(chu)到與(yu)它(ta)相關的(de)工作，說不(bu)定(ding)什麽(me)時(shi)候就(jiu)必須(xu)設(she)計壹(yi)個(ge)電源轉換(huan)器。本(ben)文中我們將(jiang)考(kao)慮(lv)與(yu)低(di)電磁(ci)幹(gan)SIEMENS電源模塊(kuai)擾設(she)計相關的(de)兩種(zhong)常見(jian)的(de)折(zhe)中方案(an);熱(re)性能、電磁(ci)幹(gan)擾以及與(yu)PCB布(bu)局和電磁(ci)幹(gan)擾相關的(de)方案(an)尺寸(cun)等。
恰(qia)當放置高頻(pin)輸入(ru)和輸(shu)出電容器(qi)的(de)重要性常被忽(hu)略。若幹(gan)年以前，我所在(zai)的(de)公司曾(zeng)把我們的(de)產品(pin)設(she)計轉讓給(gei)國外制造商。結(jie)果(guo)，我的(de)工作職(zhi)責(ze)也發生了很(hen)大變(bian)化，我成了(le)壹(yi)名顧(gu)問(wen)，幫(bang)助電源設(she)計新手解(jie)決文(wen)中提(ti)到(dao)的(de)壹(yi)系列(lie)需要權(quan)衡(heng)的(de)事(shi)宜(yi)及其(qi)他眾(zhong)多(duo)問(wen)題(ti)。這(zhe)裏有(you)壹(yi)個(ge)含(han)有(you)集成(cheng)鎮流器(qi)的(de)離線(xian)式開關的(de)設(she)計例子：設(she)計人(ren)員(yuan)希望降(jiang)低zui終(zhong)功率(lv)級(ji)中的(de)電磁(ci)幹(gan)擾。我只是簡(jian)單(dan)地(di)將(jiang)高頻(pin)輸出(chu)電容器(qi)移動(dong)到更(geng)靠近(jin)輸出級的(de)位置，其(qi)回路(lu)面(mian)積就(jiu)大約只剩(sheng)原來的(de)壹(yi)半(ban)，而(er)電磁(ci)幹(gan)擾就(jiu)降(jiang)低了(le)約 6dB。而(er)這(zhe)位設(she)計者顯然不太(tai)懂(dong)得其(qi)中的(de)道(dao)理，他稱(cheng)那個電容為(wei)“魔(mo)法帽(mao)子"，而(er)事(shi)實上(shang)我們只(zhi)是減(jian)小(xiao)了開關節(jie)點(dian)的(de)回路(lu)面(mian)積。
SIEMENS電源模塊(kuai)還(hai)有(you)壹(yi)點(dian)至重要(yao)的(de)，新改進的(de)電路(lu)產生的(de)問(wen)題(ti)可(ke)能比原先的(de)還要嚴(yan)重。換(huan)句話說，盡(jin)管延(yan)長(chang)過(guo)渡(du)時間(jian)可(ke)以減(jian)少電磁(ci)幹(gan)擾，但(dan)其(qi)引起(qi)的(de)熱效(xiao)應也隨(sui)之(zhi)成為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)問(wen)題(ti)。有(you)壹(yi)種(zhong)控制電磁(ci)幹(gan)擾的(de)方法是用全(quan)集成(cheng)電源模塊(kuai)代替(ti)傳(chuan)統的(de)直(zhi)流(liu)到(dao)直(zhi)流(liu)轉換(huan)器。SIEMENS電源模塊(kuai)是含有(you)全(quan)集成(cheng)功率(lv)晶(jing)體(ti)管和電感的(de)開關穩(wen)壓器，它(ta)和線(xian)性穩壓器壹(yi)樣(yang)可(ke)以很輕松(song)地(di)融(rong)入系統設(she)計中。模(mo)塊(kuai)開關節(jie)點(dian)的(de)回路(lu)面(mian)積遠(yuan)小(xiao)於相(xiang)似(si)尺寸(cun)的(de)穩壓器或(huo)控制器，SIEMENS電源模塊(kuai)並不(bu)是新生事(shi)物(wu)，它(ta)的(de)面(mian)世已經有(you)壹(yi)段(duan)時(shi)間(jian)了，但(dan)是直(zhi)到(dao)現(xian)在(zai)，由於壹(yi)系列(lie)問(wen)題(ti)，模塊仍(reng)無(wu)法(fa)有(you)效(xiao)散熱，且(qie)壹(yi)經(jing)安(an)裝(zhuang)後(hou)就(jiu)無法(fa)更改。
按現(xian)代電力電子的(de)應用領(ling)域，我們把SIEMENS電源模塊(kuai)劃(hua)分如下：
SIEMENS綠色電源模塊(kuai)
高速發展(zhan)的(de)計算(suan)機技術帶領(ling)人(ren)類進入了(le)信(xin)息社(she)會(hui),同(tong)時也促(cu)進了電源模塊(kuai)技(ji)術的(de)迅速發展(zhan)。八十年代,計算(suan)機全(quan)面(mian)采(cai)用了開關電源,完成(cheng)計(ji)算(suan)機電源換(huan)代。接著(zhe)開關電源技術相繼(ji)進入了(le)電子、電器設(she)備領(ling)域。
計算(suan)機技術的(de)發展(zhan),提(ti)出(chu)綠(lv)色電腦(nao)和SIEMENS綠(lv)色電源模塊(kuai)。綠(lv)色電腦(nao)泛(fan)指(zhi)對環境(jing)無害(hai)的(de)個人(ren)電腦(nao)和相(xiang)關產品(pin)，綠(lv)色電源系指(zhi)與(yu)綠(lv)色電腦(nao)相關(guan)的(de)省電電源,根據美國環境(jing)保(bao)護(hu)署(shu)l992年6月17日“能源之星"計劃規(gui)定,桌上型(xing)個人(ren)電腦(nao)或相(xiang)關(guan)的(de)外圍設(she)備,在睡(shui)眠(mian)狀態下的(de)耗(hao)電量若(ruo)小(xiao)於30瓦(wa),就(jiu)符合綠色電腦(nao)的(de)要求,提(ti)高電源效(xiao)率是降(jiang)低電源消(xiao)耗(hao)的(de)根本(ben)途徑。就(jiu)目 前效(xiao)率為(wei)75%的(de)200瓦開關電源而(er)言,電源自身(shen)要(yao)消(xiao)耗(hao)50瓦(wa)的(de)能源。
SIEMENS開關電源模塊(kuai)
通信業(ye)的(de)迅速發展(zhan)極(ji)大的(de)推(tui)動(dong)了通信電源的(de)發展(zhan)。高頻(pin)小(xiao)型化(hua)的(de)SIEMENS開關電源及其(qi)技術已成為(wei)現(xian)代通信供電系統的(de)主流。在通信領(ling)域中,通常將(jiang)整(zheng)流(liu)器稱(cheng)為(wei)壹(yi)次(ci)電源,而(er)將(jiang)直(zhi)流(liu)-直(zhi)流(liu)(DC/DC)變(bian)換(huan)器稱(cheng)為(wei)二(er)次(ci)電源。壹(yi)次(ci)電源的(de)作用是將(jiang)單(dan)相(xiang)或三相交(jiao)流電網變(bian)換(huan)成標(biao)稱(cheng)值(zhi)為(wei)48V的(de)直(zhi)流(liu)電源。當前在(zai)程(cheng)控(kong)交(jiao)換(huan)機用的(de)壹(yi)次(ci)電源中,傳(chuan)統的(de)相控式穩壓電源己被高頻(pin)開關電源取(qu)代,SIEMENS高頻(pin)開關電源(也稱(cheng)為(wei)開關型(xing)整流(liu)器(qi)SMR)通過(guo)MOSFET或(huo)IGBT的(de)高頻(pin)工作,開關頻(pin)率壹(yi)般(ban)控(kong)制在50-100kHz範圍內,實(shi)現(xian)率和小(xiao)型化(hua)。近幾(ji)年,開關整(zheng)流器(qi)的(de)功率(lv)容量不(bu)斷擴(kuo)大,單機容量己從(cong)48V/12.、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
SIEMENS開關電源模塊(kuai)因通信設(she)備中所(suo)用集成(cheng)電路(lu)的(de)種(zhong)類繁(fan)多(duo),其(qi)電源電壓也各不相(xiang)同(tong),在通信供電系統中采(cai)用高功率(lv)密(mi)度(du)的(de)高頻(pin)DC-DC隔離電源模塊(kuai),從(cong)中間(jian)母線(xian)電壓(壹(yi)般(ban)為(wei)48V直(zhi)流(liu))變(bian)換(huan)成所(suo)需的(de)各種(zhong)直(zhi)流(liu)電壓,這(zhe)樣(yang)可(ke)大大減(jian)小(xiao)損(sun)耗(hao)、方便維(wei)護(hu),且(qie)安裝(zhuang)、增加非(fei)常方便。壹(yi)般(ban)都(dou)可(ke)直(zhi)接(jie)裝(zhuang)在標準控制板上,對二(er)次電源的(de)要求是高功率(lv)密(mi)度(du)。因通信容量的(de)不斷增(zeng)加,通信電源容量也將(jiang)不(bu)斷增(zeng)加。
SIEMENS變(bian)換(huan)器
DC/DC SIEMENS變(bian)換(huan)器將(jiang)壹(yi)個(ge)固定(ding)的(de)直(zhi)流(liu)電壓變(bian)換(huan)為(wei)可(ke)變(bian)的(de)直(zhi)流(liu)電壓,這(zhe)種(zhong)技術被廣(guang)泛(fan)應用於無(wu)軌電車(che)、地(di)鐵列(lie)車(che)、電動(dong)車(che)的(de)無級變(bian)速和控(kong)制,同時使(shi)上述控(kong)制獲得加速平穩、快速響應的(de)性能,並同(tong)時(shi)收(shou)到節(jie)約(yue)電能的(de)效(xiao)果(guo)。用直(zhi)流(liu)斬(zhan)波器代替(ti)變(bian)阻(zu)器(qi)可(ke)節約(yue)電能(20~30)%。直(zhi)流(liu)斬(zhan)波器不(bu)僅能起(qi)調壓的(de)作用(開關電源), 同時(shi)還(hai)能起(qi)到有(you)效(xiao)地(di)抑制電網側(ce)諧波電流噪(zao)聲的(de)作用。
SIEMENS通信電源的(de)二次電源DC/DC變(bian)換(huan)器已商品(pin)化(hua),模(mo)塊(kuai)采(cai)用高頻(pin)PWM技術,開關頻(pin)率在(zai)500kHz左(zuo)右(you),功率(lv)密(mi)度(du)為(wei)5W~20W/in3。隨(sui)著(zhe)大規模集成(cheng)電路(lu)的(de)發展(zhan),要求電源模塊(kuai)實(shi)現小(xiao)型化(hua),因此(ci)就(jiu)要不(bu)斷提(ti)高開關頻(pin)率和采(cai)用新的(de)電路(lu)拓撲(pu)結(jie)構,當前已有(you)壹(yi)些公司研制生產了采(cai)用零電流開關和零電壓開關技(ji)術的(de)二次電源模塊(kuai),功率(lv)密(mi)度(du)有(you)較大幅度(du)的(de)提(ti)高。
SIEMENS不(bu)間(jian)斷電源(UPS)是計算(suan)機、通信系統以及要求提(ti)供不能中斷場(chang)合所必(bi)須的(de)壹(yi)種(zhong)高可(ke)靠、高性能的(de)電源。交(jiao)流市電輸入(ru)經(jing)整流器(qi)變(bian)成直(zhi)流(liu),壹(yi)部分能量給(gei)蓄電池組充(chong)電,另壹(yi)部分能量經(jing)逆(ni)變(bian)器變(bian)成交(jiao)流,經(jing)轉換(huan)開關送(song)到負(fu)載(zai)。為(wei)了(le)在(zai)逆(ni)變(bian)器故(gu)障時(shi)仍(reng)能向負載提(ti)供能量,另(ling)壹(yi)路(lu)備用電源通過(guo)電源轉換(huan)開關來實(shi)現(xian)。
現代UPS普遍(bian)了采(cai)用脈寬(kuan)調(tiao)制技術和功率(lv)M0SFET、IGBT等(deng)現(xian)代電力電子器(qi)件,電源的(de)噪聲得以降(jiang)低,而(er)效(xiao)率和可(ke)靠性得以提(ti)高。微(wei)處(chu)理器(qi)軟硬(ying)件技(ji)術的(de)引入,可(ke)以實現對UPS的(de)智能化管理(li),進行遠程(cheng)維(wei)護(hu)和遠(yuan)程診(zhen)斷。
目(mu)前在(zai)線(xian)式UPS的(de)zui大容量已可(ke)作到(dao)600kVA。超(chao)小(xiao)型UPS發展(zhan)也很(hen)迅(xun)速,已經有(you)0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多(duo)種(zhong)規格(ge)的(de)產品(pin)。
SIEMENS變(bian)頻器(qi)電源
SIEMENS變(bian)頻器(qi)電源主要(yao)用於交(jiao)流電機的(de)變(bian)頻調(tiao)速,其(qi)在電氣(qi)傳(chuan)動(dong)系統中占(zhan)據的(de)地(di)位日趨(qu)重(zhong)要(yao),已獲得巨(ju)大的(de)節能效(xiao)果(guo)。變(bian)頻器(qi)電源主電路(lu)均采(cai)用交(jiao)流-直(zhi)流(liu)-交(jiao)流方案(an)。工頻電源通過(guo)整(zheng)流(liu)器變(bian)成固定(ding)的(de)直(zhi)流(liu)電壓,然後(hou)由(you)大功率(lv)晶(jing)體(ti)管或(huo)IGBT組成的(de)PWM高頻(pin)變(bian)換(huan)器, 將(jiang)直(zhi)流(liu)電壓逆變(bian)成電壓、頻率(lv)可(ke)變(bian)的(de)交(jiao)流輸(shu)出,電源輸出(chu)波形近(jin)似(si)於正(zheng)弦波,用於驅(qu)動(dong)交(jiao)流異(yi)步電動(dong)機實現(xian)無(wu)級調(tiao)速。
上400kVA以下的(de)變(bian)頻器(qi)電源系列(lie)產品(pin)已經問(wen)世(shi)。八十(shi)年代初期(qi),日本(ben)東芝公司zui先(xian)將(jiang)交(jiao)流變(bian)頻調(tiao)速技術應用於空調(tiao)器(qi)中。至1997年,其(qi)占(zhan)有(you)率已達到日本(ben)家(jia)用空調(tiao)的(de)70%以上。變(bian)頻空調(tiao)具有(you)舒(shu)適(shi)、節(jie)能等優點(dian)。國內於(yu)90年代初期(qi)開始研究變(bian)頻空調(tiao),96年引進生產線生產變(bian)頻空調(tiao)器(qi),逐漸形成變(bian)頻空調(tiao)開發生產熱點(dian)。預計到2000年左(zuo)右(you)將(jiang)形(xing)成(cheng)高潮(chao)。變(bian)頻空調(tiao)除(chu)了變(bian)頻電源外,還(hai)要(yao)求有(you)適(shi)合於變(bian)頻調(tiao)速的(de)壓縮機電機。優化控(kong)制策略,精選功能組件,是空調(tiao)變(bian)頻電源研制的(de)進壹(yi)步發展(zhan)方向。
SIEMENS焊(han)機電源模塊(kuai)
SIEMENS高頻(pin)逆變(bian)式整流(liu)焊(han)機電源是壹(yi)種(zhong)高性能、、省材(cai)的(de)新型焊機電源,代表(biao)了(le)當今(jin)焊(han)機電源的(de)發展(zhan)方向。由(you)於(yu)IGBT大容量模(mo)塊(kuai)的(de)商用化,這(zhe)種(zhong)電源更有(you)著(zhe)廣闊的(de)應用前景。
SIEMENS逆(ni)變(bian)焊機電源大都(dou)采(cai)用交(jiao)流-直(zhi)流(liu)-交(jiao)流-直(zhi)流(liu)(AC-DC-AC-DC)變(bian)換(huan)的(de)方法。50Hz交(jiao)流電經全(quan)橋(qiao)整(zheng)流變(bian)成直(zhi)流(liu),IGBT組成的(de)PWM高頻(pin)變(bian)換(huan)部分將(jiang)直(zhi)流(liu)電逆變(bian)成20kHz的(de)高頻(pin)矩形(xing)波,經高頻(pin)變(bian)壓器耦合, 整流(liu)濾波後(hou)成(cheng)為(wei)穩(wen)定(ding)的(de)直(zhi)流(liu),供電弧使(shi)用。
由於(yu)焊機電源的(de)工作條(tiao)件惡劣(lie),頻繁(fan)的(de)處(chu)於短(duan)路(lu)、燃弧(hu)、開路(lu)交(jiao)替(ti)變(bian)化之(zhi)中,因此(ci)高頻(pin)逆變(bian)式整流(liu)焊(han)機電源的(de)工作可(ke)靠性問(wen)題(ti)成為(wei)zui關(guan)鍵(jian)的(de)問(wen)題(ti),也是用戶zui關心(xin)的(de)問(wen)題(ti)。采(cai)用微(wei)處(chu)理器(qi)做為(wei)脈沖寬(kuan)度(du)調(tiao)制(PWM)的(de)相關控制器,通過(guo)對多(duo)參(can)數(shu)、多(duo)信(xin)息(xi)的(de)提(ti)取(qu)與(yu)分(fen)析(xi),達(da)到(dao)預(yu)知(zhi)系統各種(zhong)工作狀態的(de)目的(de),進而(er)提(ti)前對系統做(zuo)出調整和處(chu)理,解(jie)決了(le)當前大功率(lv)IGBT逆(ni)變(bian)電源可(ke)靠性。
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