浅谈高频开关电源系统的优化设计及应用

邹元美

【摘要】本文分析了高频开关电源系统的优化设计以及应用情况，探讨了采用高频开关电源应用的必要性，介绍了高频开关电源系统的性能特点，直流电源的输出质量及可靠性对电力系统的安全可靠运行起到重要的作用和应用。

【关键词】高频开关电源；直流操作电源；变电站直流系统

在电力系统中，直流电源作为继电保护、自动装置、控制操作回路、灯光音响信号及事故照明等电源之用，是发电厂和变电站比较重要的设备。因直流电源故障而引发的事故时有发生，所以，对直流电源的可靠性、稳定性具有很高要求。传统的直流电源多数采用可控硅整流型。近几年来，我国电网已经全面采用智能化的高频开关电源，这种电源系统具有许多优点：安全、可靠、自动化程度高、具有更小的体积和重量、综合效率高以及噪音低等，大大降低了运行人员的工作量，适应电网发展的需要，值得推广使用。

1 高频开关电源优化设计研究

1.1 淘汰线性电源设计

相对于传统的线性电源开关设计，高频开关电源在技术上有着明显的优势。受限，其能够在开关内节省下一定的空间，而这一空间就是传统线性电源中变压器的空间，这样就能够使开关电源的重量更轻、体积更小。同时高频开关电源在设计上是为了满足不断提高工作频率的要求，

因此其能够满足于现代不同设备的功率输出，克服输出波纹过大等诸多问题，使得高频开关电源更加适合现代市场的需求。

1.2 小型化设计趋势

随着现代集成技术的发展，各类电子设备在设计和研发的过程中都向着更小、更轻便的方向进行发展，因此各电子设备的小型化设计趋势非常明显。因此，在对开关电源进行设计的过程中也必须要考虑到其安装设备的大小，也需要向着小型化的方向进行发展。同时，电源在使用的过程中，其内部的电容、变压器以及质量都是与电源工作频率的平方根呈现反比情况，以此，随着不断开关电源的工作效率不断提高，其本身的体积必然会朝着更加小型化的方向发展。另外，小型化的电源开关在设计和研发的过程中其所消耗的原材料较少，能够有效降低生产企业的生产成本，具有着极重要的经济价值。

1.3 电磁干扰的屏蔽设计

在高频开关电源工作的过程中，随着开关的开通和中断，这种快速的电流变化就会引发噪音，噪音经过传导传递到开关外部，就形成了一定的电磁干扰现象，而这也是高频开关电源工作效率较低的原因之一。电磁干扰存在两种传输形式，即传导传输及辐射传输。传导传输指的是敏感设备同干扰源间存在电路连通，干扰信号能够顺连接电路传递至设备，从而形成感染；辐射传输指的是介质通过电磁波的形式向外进行干扰。目前抗干扰技术一般有EMI 滤波技术、电路措施、屏蔽等。另外，利用现代EMC 技术可以有效降低电磁干扰对外部设备的影响，其可以对电源的输出频率进行周期性调节，还可以采用随机扩频和混合扩频的方式，改变开关开启或关闭过程中所产生的噪音，将电磁干扰控制在最低限度。

2 高频开关电源在变电站的应用

2.1 高频开关电源应用的必要性

目前使用在我国的发电厂，水电站和500kV和220kV，110K，66kV，35kV，6KV及各类旧变电站直流电源设备大多采用的是相控电源或磁饱和式电源，利用直流发电机及硅充电装置输出直流，由于技术水平的限制和周期特性的电力供应长期在低技术指标，基本维护困难。由于变压器或可控硅参数的局限性，上述电源存在很多不足之处，这样为：初始充电和浮充电流不稳定，系统纹波电压太大，控制特性差，不容易对计算机系统实现控制。同时，充电装置和蓄电池并联运行，当电源纹波系数较大时，浮动电压波动过低时，出现电池脉冲波充电和放电现象，对昂贵的蓄屯池组不利，蓄电池组或单体的过早损坏。除了很多技术指标的缺陷外，电源仍然存在体积庞大，效率不是很高，1 +1冗余投资大等缺点，它应该是说已远远不能满足电力工程的快速发展的需要。智能高频率开关电源体积小，轻重量，高效率，输出纹波极低，动态快速响应，控制精度高，模块可以输出叠加，N+I冗余等为特点的高频率开关电源逐渐取代相控电源或磁饱和式电源，尤其是近十年的电力电子技术的飞速发展，功率器件制造技术的提高，高频开关电源的可靠性和适用性有了很大的优于控制电源和磁饱和式电源。

2.2 智能高频开关电源系统的组成及备部分作用

交流配电系统提供三相交流电源，监测三相电压，电流和接触器状态；判断交流输入是否满足系统要求，在交流输入过压，欠压，不平衡自动切断故障，切换到另一个电路供电。系统发出声光报警。配备三相避雷器，可有效地防止雷击对设备造成的损坏。绝缘监测直流微电流传感器，采用正、负母线的接电阻产生的漏电流测量母线和接地电阻的大小，以确定母线接地故障。这种技术不需要在总线上任何叠加信号和直流母线供电不会有任何不良影响，能完全根除直流母线对地电容所引起的误判和漏判，对于微机接地监测技术是一重要突破。监控模块是直流系统的控制，是管理的核心。其主要任务是对功能单元和蓄电池长期自动监测，获取各种运行参数和状态的系统，根据的测量数据的运行状况实时处理，并以此为依据控制的系统，实现电力系统自动化和准确的管理，从而提高电力系统的可靠性，确保连续性，安全性和可靠性。具有"遥测、遥信、遥控，遥调"四遥功能，配有标准的通信接口，方便了电站自动化系统的包含。整流模块为合闸母线、控制母线提供正常的负荷电流，其本身具有液晶汉字显示、键盘操作、模块工作状态和工作参数一目了然。可带电插拔，具有软件较准，自主均流、ZVS'软开关技术。调压模块无论合闸母线电压如何变化，输出电压都被稳定控制在220（1-I-0.5%）V，具有带电拔插技术、软开关技术和双向诃压特性。

2.3 高频开关电源系统的应用

高频率开关电源系统在变电站中，应用以来，技术指标是合理的，参數显示直观，方便操作，自动化程度高，维护工作量大大减少，设备保护功能完整，动作可靠。对电池能自动管理无须专人维护，设备运行稳定可靠，减少了发生故障影响正常供电的几率，体现为以下几个方面：①老式直流系统的相控电源纹波系数大，输出包含交流分量较大。对二次设备影响较大，造成二次设备误动、损坏、甚至有的设备无法正常工作的现象发生。而智能高频开关电源纹波系数是非常小的，输出是特别稳定的。②老式直流系统的相控电源采用硅堆调压，硅降压响应速度慢，反应时间为几十毫秒，输入电压突变时在输出上会产生很大的、冲击，因冲击不稳定而易烧坏二次设备。而智能高频开关电源采用无级调压方式，响应速度快，输入电压突变时，模块在200S内调整完成，过冲小于5%。③老式直流系统的相控电源充电机、浮充机等噪音较大，且无降温措施，浮充机发热严重。而智能高频开关电源噪声小。该模块采用高质量的风机降温，大大的改善了模块元器的正常工作，提高了值班人员的工作环境。

3 结束语

目前，我国正大力实施变电站无人值班管理，因此，对设备的选择将向小型化、维护简单和自动化程度高的方向发展。高频开关直流电源能够满足这一要求，经过几年的运行，该产品的性能已逐渐趋于成熟和稳定。具有优异的技术性能和良好的性价比，高频开关电源将成为直流电源的首选电源。

参考文献

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[2]方清城.李先祥. 高频开关电源的EMC 设计[J]. 现代电子技术，2011（08）

[3]王京梅.高频开关电源变压器的优化设计[J]. 电子科技大学学报，2012（08）