我的书签
添加书签
移除书签 高频开关电源正作为推广的第五代“节能”整流器。其是否真的节电？有什么优缺点？如何选择？诸多问题都需讨论，否则会带来许多后遗症。
“高频”是相对于市电工频(我国采用50Hz，国外有用60Hz的)而言的，一般频率设计在20~40kHz之间。与脉冲电源不同，其频率是在设计制作电源时固定死的，不可调整。频率越高，输出越易滤波，高频电感元件体积越小，但对元器件的可靠性要求越高，制作难度越大。设计频率的高低，可反映出电源生产厂家的技术与制作水平。
高频开关电源与可控硅整流器一样，去掉了耗电的调压器，在可控硅整流器基础上又以体积小的高频电感器件代替了体积和重量都大的硅钢片制作的变压器与电感滤波器，用铜量少，相应的铜损也小(这是认为其节电的主要原因)，且整流器体积和重量俱小。
7.1 高频开关电源的整流程式
高频开关电源先直接用高压硅二极管(或组件桥堆)按全波或桥式将市电整流成高压直流，再经控制保护电路及大功率器件转换为可调占空比的高压方波脉冲，经高频变压器降压为低压方波脉冲直接输出，或再经快速恢复二极管作二次整流，经滤波器滤波成低纹波直流输岀。其设计方案很多，暂无标准化设计，各家采用的方案可能相差很大，但多附有过流、过压、过热等电子保护功能及稳流、稳压输出状态选择。
7.2 高频开关电源的调压方式
高频开关电源未经滤波时，都以脉冲方波形式出现。为了解其调压方式，先应了解方波脉冲的基本参数。
方波又称矩形波。如图1所示的单向方波脉冲具有以下基本参数：
导通时间：有直流输出的一段时间，以ton表示。
关断时间：无直流输出，即直流为零的时间，以toff表示。
脉冲周期：为一个方波导通时间与关断时间之和，以T表示，则T=ton+toff。
脉冲频率：为脉冲周期的倒数，以f表示，则。
脉冲占空比：脉冲导通时间与周期之比，以V表示，即。
峰值电流：方波导通时的最大电流(或顶部电流)，以Ip表示。
平均电流：方波导通面积与关断面积之和与周期之比，以Im表示，即。
显然，当方波频率与峰值电流固定时，占空比越大，平均电流越大。高频开关电源大多是在固定峰电流与频率的条件下，以调整事空比来调整平均电流的。
实际方波波形并不如图2那样呈理想的矩形，其顶部不平而有倾斜，上升沿角顶与下降沿角底可能有尖峰状过冲现象，右上角有呈衰减振荡形。用数字式高频示波器很容易观测出其缺陷。
7.3 高频开关电源的复杂性
尽管高频开关电源的生产厂家已很多，但其质量与可靠性相差可能很大，这与其复杂性有关。
7.3.1 控制部分
高频开关电源通过改变方波占空比来调整输出平均电压与电流，这一技术称为PWM(脉冲宽度调制)技术。它又有多种控制模式，分别配合采用不同的集成电路。为了减少大功率控制组件的功耗，要求采用“软启动”(谐振启动)方式。控制部分还赋予各种保护功能、稳流稳压输出模式转换功能等。由于控制部分复杂，所用元器件也多。一个元件损坏甚至焊接有虚焊点，都可能造成整机失灵。作者遇见一事：购一大厂产品，不慎损坏，售后服务修了两次都修不好；找本地一厂家修，两月修不好；后找另一厂家，由很内行的设计人员亲自修，才发现是一只小电阻坏了(不值一毛钱)，而且多次维修后调整乱了套。换了该电阻，重新用仪器调整，3天就修好了。
7.3.2 大功率控制器件
开关电源或稳压电源大功率控制器件最初采用双极性大功率三极管，其放大倍数小，为电流控制型，每只管子所需驱动电流很大，且并联应用时均流麻烦，只能用作很小功率输出。第二代为大功率绝缘栅型场效应管(VMOS管)。其优点是仅需电压驱动，驱动电流很小，具负温度系数与恒流特性，并联应用不必均流；但其缺点是源极与漏极间内阻比双极性三极管发射极与集电极之间的内阻大很多，因而自身发热与功耗大，且不耐高压。大功率开关电源得以工业化应用，应归功于发明了既耐高压、又同时具备ⅤMOS管驱动电流很小和双极性晶体管内阻小等诸多优点的“绝缘栅双极晶体管”(即IGBT )。单只IGBT 率也小，实际使用的是内部由多支IGBT管并联而成的“IGBT模块”，要求质量良好，留有较大功率余量，散热条件好。它是电源的开关主件，其高频特性很重要，高频特性达不到要求则很容易损坏(因此有的厂家只敢把开关电源频率设计到下限20kHz)。目前国内还只能选用德国、美国等发达国家大公司的产品。
7.3.3 高频变压器与滤波器所用电感材料
普通硅钢片电感材料只能在低频下使用。早期的高频电感磁芯采用软磁性铁氧体材料，在大功率条件下发热严重甚至断裂，现仍有应用。性能最好的是钴基非晶、超细晶(纳米晶)软磁合金材料，我国已能自行生产，其体积更小、质量更轻，综合性能良好，正逐步获得推广应用。
7.3.4 高频整流二极管
普通硅整流二极管只能在低频下使用。高频开关电源原边对50Hz市电整流时可用这类二极管或桥堆。但转换成高频脉冲后的交流-直流及直流-直流变换器用的功率二极管，要求具有正向压降低、反向漏电小、反向恢复时间短等特点。可用快速恢复二极管(FRD)、超快速恢复二极管(UFRD)、肖特基二极管(SRD)等，目前SRD应用较多。整流电压低(4~5V)可用硅肖特基二极管；电压较高(12~24V)时宜用砷化镓肖特基二极管。
7.3.5 功率因数校正器
变压器原边整流的交流-直流开关电源的输入端含有大量谐波。谐波电流分量越大，输入端的功率因数越低，无功功率越大，有功功率越小。如谐波总量达95.6%时，功率因数只有0.683，不但造成高频开关电源不节电，而且大量谐波分量倒流入电网，会造成谐波污染，使电网原有的正弦波发生畸变。这样，方面造成电路故障，使变电设备损坏；另一方面造成零线过流损坏。变电设备的线路及配电变压器过热，导致电网LC谐振或高次谐波流过电网的高压电容，使之过热、过流而爆炸。因此，一个完善设计的高频开关电源应设有功率因数校正器。功率因数校正器有两类：一类为无源滤波器，如在输入交流侧接入谐振滤波器，其主要优点是简单、成本低、可靠性高，但尺寸大、质量重，功率因数最多提高到0.9左右；另一类为有源滤波器(或称有源功率因数校正器)，其优点是功率因数可提高到0.97~0.99，可在90~264V单相宽电压范围内工作，体积小、质量轻；但缺点是电路复杂、成本高。
上面的简介，对于缺乏电子技术基础知识的人而已，可能深奥难懂。但这无所谓，能理解多少算多少。之所以要讲，是为了说明高频开关电源并不是那么好造的。性能良好者，既要有高技术人才，还要有良好设计，选择优质可靠的元件以及有高超的生产、调试能力。一分钱一分货，过于追求低成本、低售价，决不会是优质产品。赶水货更不可信。
7.4 高频开关电源的选择和使用
前述高频开关电源的复杂性注定了对其选择及使用的慎重性。
7.4.1 如何选择
7.4.1.1 尽量选择技术实力雄厚的大厂产品
技术力量不足的单位是无力自行设计高频开关电源的，即使能生产也多为测绘仿制品，更何况未必能仿到家。能生产的也未必能调试好、装配好，有维修能力。故最好先调研一下，选用多家电镀厂已应用并反映良好的产品。
7.4.1.2 选择有良好售后服务的产品
电镀厂是无法自行维修高频开关电源的。换件后往往还要重新调试，不但要求售后服务及时，而且要求售后服务人员技术水平高。7.3.1所举作者亲历一例，电源也是外地大厂生产，未坏时也好用，但一旦坏了，售后服务人员水平低，找不准原因也修不好，整整停用了半年(好在只是小功率的，还可用老电源替代)。
最好不要舍近求远。若需发回生产厂维修，往返时间长，会影响生产。小功率的还可准备一两台备用电源，大功率的则不可能。若本地确无可靠生产厂家，选用外地产品时尤应注重可靠性。
7.4.1.3 注意防腐好坏与冷却方式
高频开关电源控制部分复杂且要用高输入阻抗的集成电路，不要说受腐蚀性气体腐蚀，就是受潮都有可能失灵。对控制电路调试好后，最好整个线路板双面喷几遍绝缘清漆，能用有机硅胶封固成一体则更好。风冷式的用起来简单，但至少存在两个问题：一是机内不断更新电镀车间的腐蚀性气体，会加速腐蚀；二是一般用轴流风机风冷，良品的寿命也不过5000h，劣质品的寿命则不到3000h，一旦损坏且热保护又失灵，电源会很快损坏。水冷式可做到全密封，故防腐蚀性好。但水冷必须对高频变压器也作水冷才行。
7.4.1.4 检查输出纹波系数
当工艺对直流纹波系数大小有要求时，应在有负载下对纹波系数进行检查。最直接的方法是采用示波器检查直流波形，在高频情况下最好用高频数字式示波器。最简单粗略的检查是拆开机箱，看直流输出的机内结构：若直流是从高频变压器付边直接输出的，则必是高纹波系数的。原因很简单：低纹波直流是无法通过变压器来降压的。若高频变压器付边还串接有高频电感(一般直接串穿一个圆形或矩形高频磁环)，或再有滤波电容等元件作滤波的，则直流纹波系数应较低(其大小与滤波器设计相关)。
7.4.1.5 检查节电与否
不要误以为一切高频开关电源都很节电。要采用第6部分所述方法，测定整流器的整流效率。因整流器内的整流元器件、大功率控制元件和高频变压器都是发热严重的组件，其功率热损耗不容忽视。选择的元器件质量越差、设计装配水平越低，则热损失越严重。若整流效率不及85%，则谈不上节电。
用功率因数表测定输入交流的功率因数cosφ，其值应不低于0.85；否则，不但无功功率占视在功率的比重大，有功功率下降，而且会破坏供电电网。设有功率因数补偿器的电源，则功率因数应在0.95以上。不少产品由于技术不足或为了降低成本，并未设功率因数补偿器。
以笔者拙见，若1000A以下小功率直流电源无明显节电效果，还不如选用易损元件少、相对可靠性更高、更易于维修的优质可控硅整流器。
7.4.2 使用注意事项
7.4.2.1 安放位置
由于高频开关电源结构复杂、易因腐蚀而失灵，因此安放位置应尽量避免有腐蚀气氛(特别是风冷的)。放在槽边虽汇流排短，但最不适宜。现多设有有线遥控设施，最好放在车间外专用整流器房间内。
7.4.2.2 及时检查冷却状况
风冷的应及时检查冷却风机是否运转正常(特别是积木式或并接多只轴流风机的)。若有损坏，应及时检修、改换。水冷的则要求易于随时检查出水是否正常。开机前应先开冷却水，停用后应及时关闭冷却水，以免造成浪费。考虑完善的水冷式，设有与电源联动的供水管道泵，可实现自动关停水，但也要注意管道泵是否失灵、损坏。
7.4.2.3 稳流稳压状态的选择
稳流稳压只在一定范围内起作用，难在全量程范围内起作用。自动线生产定型产品，可选稳流状；手工作业时边取边放，则应置于稳压状，否则槽中只有部分工件时，电流会过大而导致工件烧焦。设有稳流稳压选择的可控硅整流器亦应照此原则执行。
7.4.2.4 时间预置与定时报警
高频开关电源多设有拨码开关预置的长时间数字显示时间报警器。要搞清楚两个问题：
(1) H、M、S的含义。H小时，M分钟，S为秒。笔者曾见一操作工不懂其意义，要求预置10分钟，本应设置为00H10M00S，却设置成了10H00M00S，变成了10小时。
(2) 只有在槽中工件取完时，时间继电器才自动归零报警，新放入工件后又重新开始计时，到时报警若手工作业时边取边放，槽中始终有电流，则报警后时间不能自动归零，而是连续计时。这种情况下定时报警是不起什么作用的。
7.4.2.5 热效应问题
第4部分已论及，未经滤波的方波脉冲，其占空比越小，电流有效值与平均值之比越大，此时镀液与外电路汇流排、铜杆等的发热量越大。镀液发热量大，对镀锌、光亮酸铜、光亮酸锡及需降温的硬铬镀液均十分不利。外电路发热会损耗直流功率而不节电。当“大马拉小车”时，占空比小，问题更大。故最好都选用低纹波直流。
