變頻電源的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用（上）

變頻電源是將市電中的交流電經(jīng)過AC→DC→AC變換, 輸出為純凈的正弦波，輸出頻率和電壓 一定范圍內(nèi)可調(diào)。它有別于用于電機(jī)調(diào)速用的變頻調(diào)速控制器，也有別于普通交流穩(wěn)壓電源。理想的交流電源的特點(diǎn)是頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、內(nèi)阻等于零、電壓波形 為純正弦波（無失真）。變頻電源十分接近于理想交流電源，因此，先進(jìn)發(fā)達(dá)國家越來越多地將變頻電源用作標(biāo)準(zhǔn)供電電源，以便為用電器提供最優(yōu)良的供電環(huán)境， 便于客觀考核用電器的技術(shù)性能。美國有60% - 65%的發(fā)電量用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動(dòng)用電就節(jié)約了15% - 20%的電量。

采用變頻電源調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。它主要基于下面幾個(gè)因素：

1) 變頻調(diào)速系統(tǒng)自身損耗小，工作效率高。

2) 電機(jī)總是保持在低轉(zhuǎn)差率運(yùn)行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。

3) 可實(shí)現(xiàn)軟啟、制動(dòng)功能，減小啟動(dòng)電流沖擊。

在采用變頻電源調(diào)速時(shí)，需從工藝要求、節(jié)約效益、投資回收期等各方面考慮。如果僅從工藝要求、節(jié)約效益考慮，下面幾種情況選用變頻調(diào)速較有利：

1、根據(jù)工藝要求，生產(chǎn)線或單臺(tái)設(shè)備需要按程序或按要求調(diào)整電機(jī)速度的。如：包裝機(jī)傳送系統(tǒng)，根據(jù)不同品種的產(chǎn)品，需要改變系統(tǒng)傳送速度，使用變頻調(diào)速可使調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制準(zhǔn)確，并易于實(shí)現(xiàn)程序控制。

2、用變頻調(diào)速代替機(jī)械變速。如：機(jī)床，不僅可以省去復(fù)雜的齒輪變速箱，還能提高精度、滿足程序控制要求。

3、用變頻調(diào)速代替用閘門或擋板調(diào)整流量適于風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等。例如：鍋爐上水泵、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)實(shí)行了變頻調(diào)速控制，不僅省去了伺服放大器、電動(dòng)操作器、電動(dòng)執(zhí)行器和給水閥門(或擋風(fēng)板)，而且使得整個(gè)鍋爐鍋爐控制系統(tǒng)得到了快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高的控制精度和穩(wěn)定性。

高頻變壓器的設(shè)計(jì)和制作（下）

變壓器的屏蔽層。在EMI干擾較強(qiáng)的情況下，常在變壓器的初次級(jí)之間加入一層屏蔽層，通過加入屏蔽層切斷了初次級(jí)間雜散電容的路徑，讓其都對(duì)地形成 電容，其屏蔽效果非常好，可以大為減少EMI，同時(shí)對(duì)于電網(wǎng)串入的瞬態(tài)干擾也有一定的抑制作用。但變壓器的制作工藝和成本都上升。屏蔽層有銅層和繞線層兩 種，銅層的效果最佳。

輸出整流濾波為了增加對(duì)干擾的濾波效果，可以在電源的二次輸出側(cè)加入二級(jí)濾波和一個(gè)共模電感。L1，C1組成二級(jí)濾波電器，濾除差模干擾；L2是輸出共模電感，濾除輸出電壓中所含有的共模干擾。

印制電路板（PCBLAYOUT）應(yīng)注意的問題

布線開關(guān)電源中包含有高頻信號(hào)，PCB上任何印制線都可以起到天線的作用，印制線的長度和寬度會(huì)影響其阻抗和感抗，從而影響頻率響應(yīng)。因此應(yīng)將所有 通過高頻交流的電流和印制線設(shè)計(jì)得盡可能短而寬，這意味著必須將所有連接到印制線和連接到其他電源線的元器件放置的很近。印制線的長度與其表現(xiàn)出的電感量 和阻抗成正比，而寬度則與印制線的電感量和阻抗成反比。根據(jù)印制線路經(jīng)電流的大小，應(yīng)盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)和制作反激式開關(guān)電源時(shí)，采用了上述措施，變壓器采用順序繞法帶銅屏蔽層，輸出側(cè)加共模濾波電感后，+5v輸出電壓波形上的毛刺和紋波的 峰值都小于60Mv，而在才用這些措施前毛刺和紋波的峰值大于500Mv。通過比較，我們發(fā)現(xiàn)這些措施確實(shí)能夠?qū)Ω蓴_起到很好的作用。抑制開關(guān)電源電磁干 擾的措施還有很多，比如屏蔽技術(shù)、接地等等。在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因數(shù)，盡可能抑制開關(guān)電源的各種噪音，提高開關(guān)電源的電磁兼容性，使開關(guān)電源 得到更廣泛的應(yīng)用。

高頻變壓器的設(shè)計(jì)和制作（上）

變壓器是開關(guān)電源的最關(guān)鍵器件之一。變壓器不僅要設(shè)計(jì)合理，在制作上也很有講究。一個(gè)好的變壓器既要滿足帶負(fù)荷能力，還要能起到較少和抑制干擾的作用。首先應(yīng)根據(jù)輸出負(fù)載的大小選擇變壓器的類型和磁芯的型號(hào)。

確定變壓器的線徑及線數(shù)。依據(jù)bobbin的槽寬并以電流密度6A/mm2為參考，綜合考慮電流的趨膚效應(yīng)，決定變壓器的線徑及線數(shù)。

根據(jù)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要素，計(jì)算初次級(jí)繞組的電感量，如果是反激式電源還應(yīng)計(jì)算變壓器氣隙的大小，氣隙的大小決定了變壓器的帶負(fù)載能力，同時(shí)也會(huì)影響變壓器漏感的大小。而漏感是產(chǎn)生干擾的一個(gè)重要原因，在滿足帶負(fù)載能力的情況下，漏感以小些為好。

變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和繞組分配。變壓器有兩種常見的繞法：順序繞法和夾層繞法。順序繞法一般漏感為原邊電感量的5%左右，但由于初，次級(jí)只有一個(gè)接觸 面，原副邊間雜散電容較小。夾層繞法一般漏感為原邊電感量的1-3%左右，但由于初，次級(jí)只有一個(gè)接觸面，原副邊間雜散電容較大。漏感是產(chǎn)生干擾的重要因 素，原副邊間雜散電容是干擾的傳播通道，為抑制干擾，既要減少漏感又要減小漏感原副邊間雜散電容。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮這兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體采用何 種繞法應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況而定。

開關(guān)電源中的干擾源和耦合通道（下）

2、開關(guān)電路產(chǎn)生的干擾

開關(guān)電路的核心也是主要的干擾源之一，它主要由開關(guān)管和高頻變壓器組成。開關(guān)管產(chǎn)生的dv/dt具有較大的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖干擾產(chǎn)生的主要原因是：

（1）在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級(jí)線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關(guān)斷開瞬間，由于初級(jí)線圈的漏磁通，致使 一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲(chǔ)藏在漏感中的這部分能量將和開關(guān)管本身的極間電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在開關(guān)管的關(guān)斷電壓上， 形成關(guān)尖峰電壓。這個(gè)噪音聲會(huì)傳導(dǎo)到輸入輸出端，形成傳導(dǎo)干擾。

（2）輸出二極管在正向?qū)〞r(shí)，PN接內(nèi)的電荷被積累，二極管加反向電壓時(shí)積累的電荷將消失并產(chǎn)生反向電流。由于二次整流回路中V在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)頻率 很高，即由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟臅r(shí)間很短，在短時(shí)間內(nèi)要讓存儲(chǔ)電荷消失就產(chǎn)生反向電流的浪涌。由于直流輸出中的分布電容、分布電感的存在，使因浪涌引起的干擾 成為高頻衰減減振蕩。

（3）高頻變壓器初級(jí)線圈，開關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射干擾。

3、干擾的耦合通道

由于變壓器的初次級(jí)線圈間存在雜散電容，開關(guān)電路產(chǎn)生的共模干擾通過變壓器在原副邊相互傳播。相比較而言，差模干擾路徑比較簡單也易于處理。本文主要介紹共模干擾的產(chǎn)生和抑制。