开关电源电气可靠性工程设计技术
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开关电源多采用脉冲宽度调制（PWM）技术，脉冲波形呈矩形，其上升沿与下降沿包含大量的谐波成分，另外输出整流管的反向恢复也会产生电磁干扰（EMI），这是影响可靠性的不利因素，这使得系统具有电磁兼容性成为重要问题。其产生电磁干扰有三个必要条件：干扰源、传输介质、敏感接收单元，EMC设计就是破坏这三个条件中的一个。 对于开关电源而言，主要是抑制干扰源，干扰源集中在开关电路与输出整流电路。采用的技术包括滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等技术。 对于功率因数校正技术具体是指由于开关电源的谐波电流污染电网，干扰了其它共网设备，可能会使采用三相四线制的中线电流过大，引发事故，一般选择的解决途径是采用具有功率因素校正技术的开关电源。 在保护电路的方面，为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作，应在设计时加入多种保护电路，如防浪涌冲击、过欠压、过载、短路、过热等保护电路措施。 对于控制策略的选择，追溯于在中小功率的电源中，电流型PWM控制是大量采用的方法，在DC-DC变换器中输出纹波可以控制在10mV，优于电压型控制的常规电源。硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在350kHz以下;软开关技术是使开关器件在零电压或零电流状态下开关，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫级水平，此技术主要应用于大功率系统，小功率系统中较少见。 对于供电方式，一般分为集中式供电系统和分布式供电。现代电力电子系统一般采用采用分布式供电系统，以满足高可靠性设备的要求。 因为元器件直接决定了电源的可靠性，所以元器件的选用是尤为重要。元器件的失效主要集中在以下四点：制造质量问题、器件可靠性的问题、设计问题、损耗问题。在使用中应对此予以足够重视。 对于电路拓扑，开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。其中双管正激式、双正激式和半桥电路的开关管承压仅为输入电源电压，60降额时选用600V的开关管比较容易，而且不会出现单向偏磁饱和的问题，一般来说这三种拓扑在高压输入电路中得到广泛的应用。 专家指出除电应力之外，温度是影响设备可靠性最重要的因素之一，统计资料表明电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10;温升50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6。由于温度的影响，就需要在技术上采取措施限制机箱及元器件的温升——热设计。热设计的原则，一是减少发热量，即选用更优的控制方式和技术，如移相控制技术、同步整流技术等技术，另外就是选用低功耗的器件，减少发热器件的数目，加大粗印制线的宽度，提高电源的效率。二是加强散热，即利用传导、辐射、对流技术将热量转移，这包括散热器设计、风冷（自然对流和强迫风冷）设计、液冷（水、油）设计、热电致冷设计、热管设计等。强迫风冷的散热量比自然冷却大十倍以上，但是要增加风机、风机电源、联锁装置等，在设计中要根据实际情况选取散热方式。 |
