SIEMENS電源模塊的設計原理
SIEMENS電源模塊的設計原理
SIEMENS電源模塊電源的電磁干擾水平是設計中zui難的部分，設計人員能做的zui多就是在設計中進行充分考慮，尤其在布局時。由于直流到直流的轉換器很常用，所以硬件工程師或多或少都會接觸到相關的工作，本文中我們將考慮與低電磁干擾設計相關的兩種常見的折中方案 。
SIEMENS電源模塊電源設計中即使是普通的直流到直流開關轉換器的設計都會出現一系列問題，尤其在高功率電源設計中更是如此。除功能性考慮以外，工程師必須保證設計的魯棒性，以符合成本目標要求以及熱性能和空間限制，當然同時還要保證設計的進度。另外，出于產品規范和系統性能的考慮，SIEMENS電源模塊電源產生的電磁干擾(EMI)必須足夠低。不過，SIEMENS電源模塊電源的電磁干擾水平卻是設計中zui難預計的項目。有些人甚至認為這簡直是不可能的，設計人員能做的zui多就是在設計中進行充分考慮，尤其在布局時。
SIEMENS電源模塊盡管本文所討論的原理適用于廣泛的電源設計，但我們在此只關注直流到直流的轉換器，因為它的應用相當廣泛，幾乎每一位硬件工程師都會接觸到與它相關的工作，說不定什么時候就必須設計一個電源轉換器。本文中我們將考慮與低電磁干SIEMENS電源模塊擾設計相關的兩種常見的折中方案;熱性能、電磁干擾以及與PCB布局和電磁干擾相關的方案尺寸等。
恰當放置高頻輸入和輸出電容器的重要性常被忽略。若干年以前，我所在的公司曾把我們的產品設計轉讓給國外制造商。結果，我的工作職責也發生了很大變化，我成了一名顧問，幫助電源設計新手解決文中提到的一系列需要權衡的事宜及其他眾多問題。這里有一個含有集成鎮流器的離線式開關的設計例子：設計人員希望降低zui終功率級中的電磁干擾。我只是簡單地將高頻輸出電容器移動到更靠近輸出級的位置，其回路面積就大約只剩原來的一半，而電磁干擾就降低了約 6dB。而這位設計者顯然不太懂得其中的道理，他稱那個電容為“魔法帽子"，而事實上我們只是減小了開關節點的回路面積。
SIEMENS電源模塊還有一點至重要的，新改進的電路產生的問題可能比原先的還要嚴重。換句話說，盡管延長過渡時間可以減少電磁干擾，但其引起的熱效應也隨之成為重要的問題。有一種控制電磁干擾的方法是用全集成電源模塊代替傳統的直流到直流轉換器。SIEMENS電源模塊是含有全集成功率晶體管和電感的開關穩壓器，它和線性穩壓器一樣可以很輕松地融入系統設計中。模塊開關節點的回路面積遠小于相似尺寸的穩壓器或控制器，SIEMENS電源模塊并不是新生事物，它的面世已經有一段時間了，但是直到現在，由于一系列問題，模塊仍無法有效散熱，且一經安裝后就無法更改。
按現代電力電子的應用領域，我們把SIEMENS電源模塊劃分如下：
SIEMENS綠色電源模塊
高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源模塊技術的迅速發展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進入了電子、電器設備領域。
計算機技術的發展,提出綠色電腦和SIEMENS綠色電源模塊。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的外圍設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目 前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
SIEMENS開關電源模塊
通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的SIEMENS開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。當前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,SIEMENS高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
SIEMENS開關電源模塊因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
SIEMENS變換器
DC/DC SIEMENS變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源), 同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。
SIEMENS通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,當前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
SIEMENS不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的zui大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。
SIEMENS變頻器電源
SIEMENS變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器, 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司zui先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成高潮。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發展方向。
SIEMENS焊機電源模塊
SIEMENS高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
SIEMENS逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合, 整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為zui關鍵的問題,也是用戶zui關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,解決了當前大功率IGBT逆變電源可靠性。
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