硅整流器与高频开关应用及特点蒋涛

硅整流器与高频开关应用及特点蒋涛

蒋涛

（中核核电运行管理有限公司浙江嘉兴314300）

摘要：发展科技在于需求，进步科技在于优势。一个科技的发展在于不断的有更有效、实用、低耗等优势的新科技的替换，整流器也遵循这个发展规律，近年来，国内外学者围绕这一主题的研究成果甚丰，特别是从硅整流器和高频开关的研究角度分析，更有着许多的问题值得去研究。

本文中主要阐述了硅整流器和高频开关的相关概念及原理，讨论了硅整流器与高频开关上的相同性以及不同性，围绕硅整流器和高频开关的优缺点对比等问题、硅整流器和高频开关应用做了相应的分析，并且就个人对于硅整流器和高频开关的研究，对于高频整流器的发展提出看法及相应的一些意见。

本文中，采用了规范研究方法，对该课题进行了专题研究。我们将全文分成了四个部分：首先，是讨论了本次进行选题研究的价值。其次，是硅整流器和高频开关的原理和意义进行分析。再次，从专业角度和实用性等方向，对硅整流器和高频开关进行对比，了解两者的优势、略势。最后，是对硅整流器和高频开关的发展方向及应用趋势做了展望与分析。

本文主要创新体现在就现今存在的硅整流器和高频开关进行论断，贴近工作实际，实际运用意义强，具有较高的研究意义。

关键词：高频整流器；硅整流器；高频开关

引论

随着社会的发展，科技的进步，在科技上的选择越来越多，相应的选择的要求越来越高。高频整流器亦是建立在此基础上，为了解高频整流器，对硅整流器和高频开关的研究自然是必不可少的一环。笔者认为，现有文献及资料中，由对于二者的研究，往往仅限于其中一部分，缺乏全面、系统的研究。本文试在已有文献基础上，进行整合研究分析，加以自身经验、知识，旨在补全所缺乏的方面，改正所存在的问题，并进一步的进行探讨。

一、选题研究的价值

1.选题的意义

随着社会不断发展，科技的进步，在线通信用可控硅整流电源自身电耗高、效率低，使运行成本增加；设备老化陈旧、缺配件而难于维修，造成电源安全供电可靠性降低；智能控制功能差影响到蓄电池组的正常使用；当今通信技术的发展对电源设备提出了更高的技术指标及质量要求，经对比技术分析，对在线电源设备实施更新改造，应用技术上先进、安全性、经济性更好的高频开关整流器电源取代相控可控硅整流电源，在倡导节约资源的今天，具有一定现实意义。[1]

对于整流器的要求也随之增加，选题的意义在于，将现有的两种：硅整流器和高频开关进行分析对比，分析优略及实际意义，为技术更新需求提供参考及建议。

2.选题研究的内容

所谓整流器，也就是一个整流装置，简单的来说，其实就是一个将交流（AC）转化为直流（DC）的装置。主要功能包括了两点：第一点，就是刚才说到的，将交流电（AC）变成直流电（DC），然后经滤波后供给负载或者供给逆变器；第二点，即是给蓄电池提供足够的充电电压。所以来说，另外一方面，他又同时又起到一个充电器的作用。

本文通过了解国内、外现有的整流器，尤其是针对硅整流器和高频开关整流器，了解其的性能、数据等，通过整合数据。我了解到，硅整流器（又称SCR），在自动控制系统中，可作为大功率驱动器件，实现用小功率控件控制大功率设备。因具有体积小、效率高、寿命长等优点，在交直流电机调速系统、调功系统及随动系统中进行了广泛的应用。而高频开关整流器，主要利用了主电路、控制电路、检测电路以及辅助电源等四部分，并利用其构成，最终可以提供稳定可靠的直流电源。

两种整流器原理有所不同，所产生的性能结果也就随之有所区别，本文主要是以将两种整流器的资料、性能等加以整合对比作为研究对象及内容，并综合工作内容进行分析。

二、硅整流器和高频开关整流器的基本原理

1.硅整流器的基本原理

本文前部关于研究内容的部分已经介绍过部分原理了。硅整流器，即可控硅整流器，是常见的半导体电子电力器件中的一种，能够具有控制开关高达数千瓦乃至于超过兆瓦级电功率的能力。它的结构实际上是反向截止三极管型的闸流晶体管的一种。因其可以以极小的控制功率控制兆瓦级的电力，可控硅整流器是功率电子器件中极为重要的一种，常常被使用于整流、开关、变频、逆变等重要电路中。而高功率的可控硅整流器采用较大面积的硅片，因此特别的，封装的管壳中需带有散热器。可控硅整流器处理的是大电流，并且要耐受高压，在这些条件下，器件有可能会失效。

2.高频开关整流器的基本原理

电源设质量的好坏直接影响到通信系统的质量，通信系统对高频开关电源的各项指标要求都非常严格，尤其对功率因数、稳压精度、杂音电压及效率的要求很高，因此高频开关的要求至关重要。

高频开关整流器是连接市电电网与通信设备之间的电源转换设备，基本电路包括两部分。一是主电路，二是控制电路，主电路高频开关整流器中的核心部分是高频功率变换电路，开关电源是利用高频脉冲信号控制电子开关开通时间长短来实现稳压的电源。

三、硅整流器和高频开关整流器的对比

以均为1000A12V为例

图一：硅整流器和高频开关整流器的对比图

由图中可以明显看出，在相同条件下（1000A12V），可控整流器和高频开关电源相对比，高平开关的具有体积小、重量轻（可控整流器180kg，而高频开关电源只有35kg），且高频开关电源的工作频率是可控整流器的400倍，效率和节能效果均有大幅提高。具体数据如下：

（1）节能效果：以1000A12V为准，高频开关电源相比于可控整流器耗电量，以一个月为单位，理想状况下每月可以省去1720度至3440度电，大幅节省了耗电费用。

电器耗电量计算方法：

功率12v*1000A=12000W一天功率12000W*24h=288kW/日

月功率288kW*30日=8640kW/月耗电量8640kW/1000=8640度

省去20%-40%，即是1720度-3440度

（2）控制元件：

（3）控制方式：

移相触发：实际上是改变可控硅的导能量，通过改变可控硅的导通角大小来进行，以此控制功率在负载上的增加，是可控硅的控制方式之一。其明显的特点是有缺陷的正弦波作为了负载上的电压波形，通过移相的大小（0~~180℃），来得到从无开始，直到全波的电源电压。

PWM调制：即是脉宽调制，是一种广泛应用于通讯技术、测量技术到多种功率控制和变换等众多科技领域。

（4）波纹系数：多用来呈现滤波品质，是直流电中交流分量和直流电压之比。

（5）稳压精度：是输出端电压的相对变化量的表示，是一个百分数，越小越好。是随着输入电压或负载的变化而变化的，从而影响到UPS的输出电压的变化，对于这个变化，变化量越小，说明稳压的精度越高。

（6）对电网干扰：可控硅整流器对于电网的影响大于高频开关整流器的，其主要原因是来自于可控硅整流器中的控制元件SCR，即晶闸管。其机制是，当整流装置经过晶闸管脉冲周期性关断，再经由导通整流之后，从中产生高次谐波，并流向于电网，严重的影响到电网的质量。而高频开关整流器，其主回路中的EMI输入部分，具有滤除交流电网中的电磁干扰分量的功能，能给予模块干净的交流输入，以此来阻断模块产生的干扰反向传输，从而防止模块污染电网。

四、整流器的应用改革实例

由电厂输煤系统为例，电厂输煤系统是电厂发电的根本设备之一，其效率、性能、可靠性等，直接影响到发电厂的发电效率、收益等。某电厂输煤系统，过去使用的一直是直流充电设备，即传统的相控整流器，另外，监控装置也是采用的各种模拟量表计，且回路接线复杂、故障率高、维护量大，常常因故障为电厂造成巨大损失。为此，该厂经会议商讨，进行了技改，选用了ZZGl2型高频开关电源整流器。

该型整流器采用全桥移相软开关技术，原理框图如图1所示。三相交流电输入后，先经EMI输入滤波，再经三相全波整流变成高压直流电，最后全桥移相逆变、整流为80kHz脉冲电压波，滤波后输出220V的直流电。[2]

图2高频开关整流器原理图

高频开关整流器相较于传统整流器而言，具备众多优势：

（1）取消了传统的工频变压器和电抗器，使得整流器的整体体积更小、而技术指标并未受其影响，反而更高了。

（2）具备了传统整流器无法做到了的稳压限流运行功能。高频开关整流器的交流输入是采用的功率因素校正技术，使得输入电流更加接近正弦波，从而降低低次谐波分量的输出，降低其对于电网的影响。同时，EMI滤波具备防止高频干扰进入交流系统的能力。而其整流器能以设定的电压值和限流值对电池组充电并带负荷运行。当限流值低于输出电流时，会自动进入到更加稳定的稳流运行状态；输出限流值高于电流时，整流器又会自动进入到同样的状态，帮助稳定电流。

（3）改进出热插拔功能。正在机架上并联工作的多台整流器，不停电状态下可以任意插拔其中一台整流器而不影响其它整流器的正常工作，检查维护更方便，改变了原有的繁琐必须关闭才能进行插拔的要求，大大节省了时间，增加了工作效率。

（4）更加完善的保护功能。

①完善输入保护功能。当整流器的交流输入电源出现过压、欠压等问题时，整流器的检测装置将自动给予保护，自动停机，当交流电源输入恢复正常后，整流器将自动重新启动。

②完善输出过压保护功能。整流器的直流输出电压超过了规定的直流输出过压保护值时，整流器将自动停机并重新启动，以保护装置不受损伤。否则整流器将处于启动--保护--关机--再启动--再保护的循环中。当出现这种现象时，应将该整流器拔出并加以检修。

③完善过流保护功能。整流器过流时会自动保护停机。多台整流器并列运行时，若输出有短路或负载突然加大，整流器可能会出现过流保护，并再启动，工作处于限流状态。

④完善短路保护功能。整流器内设有多重限流保护，可承受连续短路而不损坏，具有更高的可靠性，以维持工作效率。

⑤完善温度保护功能。整流器的主要器件温度超过75摄氏度时，整流器将会自动停机。直至温度降至正常后，整流器会再次自动启动，进入正常运行。

⑥完善报警及显示功能。整流器设有报警指示及故障输出端子，出现故障时会准确显示。当某台整流器处于保护动作状态时，该整流器的均流、外控的功能将自动退出而不影响其余整流器的正常的均流运行。[3]

结论

整流器适用于各个方面、各个领域，其性能等影响巨大，选择出更具优势的整流器，将为众多的整流器应用设备提供更高的可靠性，同时为设备节省大量不必要的人力、物力、财力等消耗，让设备更加安全、平稳的运行。

通过本文的研究，可以明显得出结论，相较于硅整流器，高频开关整流器在体积、性能、重量等众多方面都具有明显优势，更具有实用性质。所以针对这两种整流器中，高频整流器无论从哪一方面来说，都算是更加适应的选择对象，也更加符合环保的观念，大大的提高了工作效率。

整流器虽然只算是一个小小的部件，但要理解其中内含的功能、原理并不容易，而只有彻底的理解到这些原理及功能，才能更加直接且准确的将其运用到实际工作中对于整流器的选择中去。以上内容是本文作者依据自身知识、经验以及查阅、收集资料后，进行整合总结而来，只是个人对于整流器问题的一些肤浅见解，仅鉴于参考使用。

参考文献：

[1]曹兴桂.高频开关整流器在通信电源更新改造中的应用[J].江汉石油职工大学学报，2006，19（2）：66-69.

[2]靳国库.高频开关电源整流器运行可靠性分析[J].电工技术，2010，（1）：52-53.DOI：10.3969/j.issn.1002-1388.2010.01.029.