1．直流電鍍電源的發展回顧
 

電鍍是電能轉化為(wei) 化學能的過程，在這一過程中，金屬離子獲得電子被還原成金屬原子，金屬原子按一定規則排列形成晶體(ti) 成為(wei) 鍍層。直流電鍍電源正是提供電子的“源泉”和使金屬原子結晶的動力。因此電源在電鍍過程中的作用是十分重要的。
 

本世紀60年代中期以前，人們(men) 采用交流——直流發電機組為(wei) 電鍍提供直流電。在調節直流發電機的輸出時，要把直流發電機的輸出作為(wei) 采樣信號，調節交流電機的轉速以改變直流輸出，即所謂“交—直—交組”。這種係統由於(yu) 具有較高的可靠性，曾一度在電鍍領域占統治地位(與(yu) 之同期的還有貢弧整流器，但較早被淘汰。)至今人們(men) 仍可在某些國內(nei) 大廠中看到它們(men) 的影子。然而這種係統效率極低，因此在電力電子技術誕生後不久便退出了曆史舞台。我們(men) 把以交一直發電機組為(wei) 代表的直流供電係統稱之為(wei) 第一代直流電鍍電源。
 

在電力電子學還未從(cong) 電工技術中分化出來之前，大功率矽整流管已被大量地工業(ye) 化使用，於(yu) 是，在電鍍領域出現了所謂“自耦+矽整流”式直流電鍍電源，即使用自耦變壓器調節交流電壓，再以大功率矽管(堆)進行整流。該係統雖然在技術上比起“交—直流發電機組”有了一定的進步，但由於(yu) 在控製上需要用電機或人力去拖動自耦變壓器的調壓端，很不方便。同時，其效率沒有任何改善，精密、紋波也較差。這即是所謂的第二代直流電鍍電源。
 

50年代中後期，晶閘管在美國的貝爾實驗室誕生。從(cong) 而給包括電鍍電源在內(nei) 的電力電子行業(ye) 帶來革命性的福音。以可控矽為(wei) 核心的直流電鍍電源便是在這樣的背景下產(chan) 生的。
 

可控矽電鍍電源，在電路結構上主要有兩(liang) 種形式：一是利用可控矽在工頻變壓器原邊進行調壓，然後在副邊用矽管多相整流；二是直接用可控矽在工頻變壓器的副邊進行調壓整流。不論哪種形式，都把成熟的調節控製原理通過電子電路，運用到對可控矽導通角的控製中，使得可控矽電鍍電源的輸出特性大大地優(you) 於(yu) 以往的產(chan) 品。在額定負載情況下，往往能獲得令人滿意的精度、紋波和效率，特別是在效率上，比過去的產(chan) 品有了顯著的提高，功率範圍也很寬。這些優(you) 良的特性使得它一經出現，便成為(wei) 直流電鍍電源的主流。至今國內(nei) 大量使用的仍以這種電源為(wei) 主，國外工業(ye) 化國家在大功率電源領域也在使用這種電源。我們(men) 稱之為(wei) 第三代直流電鍍電源。
 

第三代電鍍產(chan) 品比以往的產(chan) 品有著明顯的優(you) 勢，但隨著人們(men) 對鍍層質量和工業(ye) 生產(chan) 過程自動化以及近十幾年來人類對工業(ye) 生產(chan) 領域的節約能耗，減小汙染的要求的不斷提高，可控矽電源的缺點越來越明顯。首先，它隻能在一定的負載範圍內(nei) 保證額定精度，而實際生產(chan) 時，大多數情況是非額定的，因此，往往難以滿足實際精度需要。紋波也是如此，隻在一定範圍(一般是在滿負載附近)滿足額定值，這些，都給人們(men) 利用它來進一步提高工藝質量帶來困難。其次，由於(yu) 采用模擬電子線路完成移相控製，當它與(yu) 計算機控製係統聯接時，需要的接口電路較繁瑣，很不方便。另外，由於(yu) 擺脫不了工頻變壓器，使其整機體(ti) 積大，重量大，耗費銅材，而且對電網的諧波幹擾也很嚴(yan) 重。隨著電力電子技術的發展，高頻功率變換技術得到了越來越廣泛的應用。第四代直流電鍍電源——高頻開關(guan) 電源正是在這樣的背景下應運而生的。
 

2．高頻開關(guan) 電源工作原理概述
 

高頻開關(guan) 電源的工作原理是功率變換。見圖一1
 

當開關(guan) S閉合時，電流流過電感L，在負載RL兩(liang) 端產(chan) 生輸出電壓。由於(yu) 輸入電壓的極性關(guan) 係，二級管VD1處於(yu) 反向配置，此時L儲(chu) 存能量。當開關(guan) S打開時，電感L的磁場極性發生變化，儲(chu) 存在L中的能量通過負載RL釋放，二極管VD1正向導通，負載兩(liang) 端的電壓極性仍保持不變。二級管VD1因其在電路中的作用而被稱為(wei) 續流二極管。
 

當開關(guan) S閉合時，輸入回路有電流輸入，而當開關(guan) 打開時，則電流突然終止。但由於(yu) 電感L和續流二級管VD1的作用，輸出電流是連續的。電感L和電容C同時還起到濾波的作用，從(cong) 而使RL上的電壓更加平滑。
在實際應用中，起到開關(guan) 使用的是開關(guan) 晶體(ti) 管。同時在圖—1的電路中，輸入和輸出回路之間缺少安全隔離措施，因而一般采用高頻變壓器作為(wei) 隔離器件，於(yu) 是如圖一2所示。
 

VT1是一開關(guan) 晶體(ti) 管，其基極用一方波S1控製。S1為(wei) 高電平時，VT1導通，在變壓器T的初級產(chan) 生電源，並儲(chu) 存了能量。由於(yu) 變壓器的次級與(yu) 初級同相，所有數量也傳(chuan) 遞到了變壓器次級。電流流過正向偏置的二級管VD2和電感L，能量傳(chuan) 遞給負載RL，同時電感L中儲(chu) 存了能力。此時二極管VD1處於(yu) 反向偏置。
當S1為(wei) 低電平時，VT1截止，變壓器T繞組中的電壓反向，二極管VD2截止，續流二極管VD1導通，存儲(chu) 在電感L中的能量繼續傳(chuan) 遞給負載RL。
 

顯然，輸出電壓VRL=V2×Ton／T＝V2×δ
其中δ＝Ton／T為(wei) 占空比；Ton為(wei) VT1的導通時間，改變脈衝(chong) 占空比δ，即可改變輸出電壓(或電流)。
 

由此可以看出，開關(guan) 電源是一種功率轉換裝置，其典型的工作波型如圖一3所示。
 

以上簡單介紹了高頻開關(guan) 電源的工作原理、讀者不難看出它是集功率轉移技術與(yu) 脈寬調製技術於(yu) “—體(ti) 的高技術產(chan) 物，是當代電力電子學理論發展的最新體(ti) 現。一經問世，即受到廣泛關(guan) 注並得到空前迅速的發展。在國際上，高頻開關(guan) 電源已在直流電源領域無可爭(zheng) 議地居於(yu) 首要地位。在國內(nei) ，以北京浩源電源設備有限公司為(wei) 代表的HY係列高頻開關(guan) 電源也異軍(jun) 突起，以優(you) 異的性能、可靠的品質和完善的服務與(yu) 各種國際名牌共舞於(yu) 市場經濟的舞台。
 

HY係列高頻開關(guan) 電源的原理如圖一4所示：
 

電網供電經EMI濾波後。再經矽橋整流和濾波電路濾波，成為(wei) 直流電。這裏，濾波電路隻用一個(ge) 電路C1代表。輔助電源將交流電通過整流濾波後，變成低壓的直流電，並給控製電路供電。功率MOS管V1和V2作為(wei) 開關(guan) 元件。控製電路產(chan) 生一固定頻率的脈衝(chong) 寬度可調的方波(PWM)。該方波控製V1和V2的導通與(yu) 關(guan) 斷。
 

3. 高頻開關(guan) 電源與(yu) 可控矽電源的比較
 

作為(wei) 第四代直流電鍍電源，高頻開關(guan) 電源較之可控矽電源有著許多無可比擬的優(you) 勢，這裏筆者借助幾張表格將其作一簡單對比。
 

3.1 電路結構的比較
可控矽電源 高頻開關(guan) 電源
工頻變壓器 有 無
被控製器件 可控矽 場效應管
控製方式 移相觸發 脈寬調製
輸入濾波 有 有
輸出濾波 無/有 有
 

3.2 功率因數比較
Cosψ 控製角 可控矽整流器 高頻開關(guan) 電源 不加校正 加校正
0° 1.0 全量程 0.70 全量程 0.90~0.95
30° 0.95 60° 0.89 90° 0.70 120° 0.42 150° 0.17 180° 0
 

3. 3 輸出紋波比較
輸出電壓脈衝(chong) 係數＝整流電壓基波最大值/整流電壓的直流分量
可控矽電源的輸出脈動較大，並且隨負載的大小和整流相數的變化而變化。它的工作頻率低，在大電流時往往不加濾波電路。高頻開關(guan) 電源的輸出脈衝(chong) 較小。由於(yu) 輸出脈衝(chong) 的頻率很高，所以低通濾波器的體(ti) 積大幅度減小，這樣就十分有利於(yu) 提高電源的輸出紋波特性。#p#分頁標題#e#
有關(guan) 這兩(liang) 種電源脈動係數的比較見下表：
 

可控矽電源 高頻開關(guan) 電源
相數m γm% 相數m γm%
2相 66.7 單相 1.0 3相 25.0
6相 5.7 3相 1.0
12相 1.4 0
 

3. 4 效率比較
可控矽電源中的工頻變壓器的轉換效率通常為(wei) 85％再加上整流部分的各種損耗，使其在最理想狀態下效率也隻能在75％左右。高頻開關(guan) 電源的效率隨著電路的不同而略有文化，一般在80％~90％左右。如果采用先進的諧振型開關(guan) 電路，則其效率會(hui) 更高
 

3．5 精密比較
可控矽電源在控製角很大時，調整能力很差，輸出電壓、電流的精度在半載到滿載時的理想情況下，方可達到3％~5%。而且電壓、電流的線性不好，這是由於(yu) 可控矽電源本身電路的體(ti) 製造成的。高頻開關(guan) 電源在全量程範圍內(nei) 精度均可達到1％以上。甚至可以達到0．1％。
 

3．6 總的比較與(yu) 結構
性能 分類 體(ti) 積 重量 效率 功率因數 精度 控製電路 工作頻率 保護 功率 帶載啟停 對電網幹擾 節能節材
可控矽整流器 較大 笨重 75%左右 0~1可變 半載到滿載範圍3% 複雜、有同步要求，不宜集成 低50~600Hz 繼電器時間長100ms，快速熔斷器10ms 大 不允許 大，頻率低不利於(yu) 消除 效果差
高頻開關(guan) 電源 小，隻有同功率可控矽整流器的1/3~1/5 輕，隻有同功率可控矽整流器的1/4 85%左右 （1）不加校正全範圍0.7 （2）加校正全範圍可達0.9以上 全範圍內(nei) 小於(yu) %或更高 簡單，有專(zhuan) 用集成控製器 高，一般20KHZ~200KHZ或更高快速，1ms且有自恢複功能 小 允許 較小，頻率高易消除 消除明顯
 

4．發展前景
 

高頻開關(guan) 電源作為(wei) 新一代產(chan) 品，已經在中小功率方麵形成規模產(chan) 品，其市場覆蓋率日益擴大。大功率方麵，高頻開關(guan) 電源還受到一定的限製。但這並不意味著高頻開關(guan) 電源沒有進入大功率範圍的可能，相反，這很可能是它的發展方向。雖然高頻開關(guan) 電源單機容量目前還受到器件、材料的限製，但是，隨著電源並聯技術的提高，電子器件的發展，多組並聯的大功率高頻開關(guan) 電源已不是夢想。在這方麵，北京浩源電源設備有限公司做了十分有益的嚐試，據了解，該公司已經可以生產(chan) 七萬(wan) 二千瓦的高頻開關(guan) 電源。隨著科學技術的發展，單機大的功率高頻開關(guan) 電源一定會(hui) 在不遠的將來進入市場，走近我們(men) 。