如何提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性是電力電子技術(shù)的一個(gè)重要方面
電子產(chǎn)品的質(zhì)量是技術(shù)性和可靠性?xún)煞矫娴木C合。電源作為一個(gè)電子系統(tǒng)中重要的部件，其可靠性決定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，開(kāi)關(guān)電源由于體積小,效率高而在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,如何提高它的可靠性是電力電子技術(shù)的一個(gè)重要方面.
1 開(kāi)關(guān)電源電氣可靠性工程設(shè)計(jì)技術(shù)
1.1 供電方式的選擇
供電方式一般分為：集中式供電系統(tǒng)和分布式供電。現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)一般采用采用分布式供電系統(tǒng)，以滿(mǎn)足高可靠性設(shè)備的要求。
1.2 電路拓?fù)涞倪x擇
開(kāi)關(guān)電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓?fù)洹Ｆ渲须p管正激式、雙正激式和半橋電路的開(kāi)關(guān)管承壓僅為輸入電源電壓，60%降額時(shí)選用600 V的開(kāi)關(guān)管比較容易，而且不會(huì)出現(xiàn)單向偏磁飽和的問(wèn)題，這三種拓?fù)湓诟邏狠斎腚娐分械玫綇V泛的應(yīng)用。
1 .3 功率因數(shù)校正技術(shù)
開(kāi)關(guān)電源的諧波電流污染電網(wǎng)，干擾了其它共網(wǎng)設(shè)備，還可能會(huì)使采用三相四線制的中線電流過(guò)大，引發(fā)事故，解決途徑之一是采用具有功率因素校正技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源。
1.4 控制策略的選擇
在中小功率的電源中，電流型PWM控制是大量采用的方法，在 DC-DC變換器中輸出紋波可以控制在10 mV，優(yōu)于電壓型控制的常規(guī)電源。
硬開(kāi)關(guān)技術(shù)因開(kāi)關(guān)損耗的限制，開(kāi)關(guān)頻率一般在350 kHz以下；軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是使開(kāi)關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗為零，從而可將開(kāi)關(guān)頻率提高到兆赫級(jí)水平，此技術(shù)主要應(yīng)用于大功率系統(tǒng)，小功率系統(tǒng)中較少見(jiàn)。
1.5 元器件的選用
因?yàn)樵骷苯記Q定了電源的可靠性，所以元器件的選用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四點(diǎn)：制造質(zhì)量問(wèn)題、器件可靠性的問(wèn)題、設(shè)計(jì)問(wèn)題、損耗問(wèn)題。在使用中應(yīng)對(duì)此予以足夠重視。
1.6 保護(hù)電路
為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)加入多種保護(hù)電路，如防浪涌沖擊、過(guò)欠壓、過(guò)載、短路、過(guò)熱等保護(hù)電路。
2 電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)技術(shù)
開(kāi)關(guān)電源多采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，脈沖波形呈矩形，其上升沿與下降 沿包含大量的諧波成分，另外輸出整流管的反向恢復(fù)也會(huì)產(chǎn)生電磁干擾（EMI），這是影響可靠性的不利因素，這使得系統(tǒng)具有電磁兼容性成為重要問(wèn)題。
如圖1所示，產(chǎn)生電磁干擾有三個(gè)必要條件：干擾源、傳輸介質(zhì)、敏感接收單元，EMC設(shè)計(jì)就是破壞這三個(gè)條件中的一個(gè)。
對(duì)于開(kāi)關(guān)電源而言，主要是抑制干擾源，干擾源集中在開(kāi)關(guān)電路與輸出整流電路。采用的技術(shù)包括濾波技術(shù)、布局與布線技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、密封技術(shù)等技術(shù)。
3 電源設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)技術(shù)
統(tǒng)計(jì)資料表明電子元器件溫度每升高2 ℃，可靠性下降10 %；溫升50 ℃時(shí)的壽命只有溫升25 ℃時(shí)的1/6。除了電應(yīng)力之外，溫度是影響設(shè)備可靠性最重要的因素。
這就需要在技術(shù)上采取措施限制機(jī)箱及元器件的溫升，這就是熱設(shè)計(jì)。熱設(shè)計(jì)的原則，一是減少發(fā)熱量，即選用更優(yōu)的控制方式和技術(shù)，如移相控制技術(shù)、同步整流技術(shù)等技術(shù)，另外就是選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大粗印制線的寬度，提高電源的效率。二是加強(qiáng)散熱，即利用傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移，這包括散熱器設(shè)計(jì)、風(fēng)冷（自然對(duì)流和強(qiáng)迫風(fēng)冷）設(shè)計(jì)、液冷（水、油）設(shè)計(jì)、熱電致冷設(shè)計(jì)、熱管設(shè)計(jì)等。
強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱量比自然冷卻大十倍以上，但是要增加風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)電源、聯(lián)鎖裝置等，在設(shè)計(jì)中要根據(jù)實(shí)際情況選取散熱方式。
4 安全性設(shè)計(jì)技術(shù)
對(duì)于電源而言，安全性歷來(lái)被確定為最重要的性能，不安全的產(chǎn)品不但不能完成規(guī)定的功能，而且還有可能發(fā)生嚴(yán)重事故，甚至造成機(jī)毀人亡的巨大損失。為保證產(chǎn)品具有相當(dāng)高的安全性，必須進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)。電源產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括防止電危險(xiǎn)、過(guò)熱危險(xiǎn)。
對(duì)于商用設(shè)備市場(chǎng)，具有代表性的安全標(biāo)準(zhǔn)有UL、CSA、VDE等，內(nèi)容因用途而異，容許泄漏電流在0.5～5mA之間，我國(guó)用軍標(biāo)準(zhǔn)GJB1412規(guī)定的泄漏電流小于5 mA。電源設(shè)備對(duì)地泄漏電流的大小取決于EMI濾波器的Y電容的容量，如圖二所示。從EMI濾波器角度出發(fā)Y電容的容量越大越好，但從安全性角度出發(fā)Y電容的容量越小越好，Y電容的容量根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)來(lái)決定。根據(jù)GJB151A，50 Hz設(shè)備小于0.1 μF，400Hz設(shè)備小于0.02 μF。若X電容器的安全性能欠佳，電網(wǎng)瞬態(tài)尖峰出現(xiàn)時(shí)可能被擊穿，它的擊穿不危及人身安全，但會(huì)使濾波器喪失濾波功能。
5 三防設(shè)計(jì)技術(shù)
三防設(shè)計(jì)是指防潮設(shè)計(jì)、防鹽霧設(shè)計(jì)和防霉菌設(shè)計(jì)。凡應(yīng)用我國(guó)長(zhǎng)江以南、沿海地區(qū)以及軍用電源均應(yīng)進(jìn)行三防設(shè)計(jì)。
電子設(shè)備的表面在潮濕的海洋大氣中會(huì)吸附一層很薄的濕水層，即水膜，但水膜達(dá)到20～30分子層厚時(shí)，就形成化學(xué)腐蝕所必須的電解質(zhì)膜，這種富含鹽分的電解質(zhì)對(duì)裸露的金屬表面具有很強(qiáng)的腐蝕活性。另外溫度突變，在空氣中產(chǎn)生露點(diǎn)，會(huì)使印制線間絕緣電阻下降、元器件發(fā)霉，產(chǎn)生銅綠、引腳被腐蝕斷裂等情況。
濕熱環(huán)境為霉菌的滋生提供了有利條件。霉菌以電子設(shè)備中的有機(jī)物為養(yǎng)料，吸附水分并分泌有機(jī)酸，破壞絕緣，引發(fā)短路，加速金屬腐蝕。
在工程上，可以選用耐蝕材料，再通過(guò)鍍、涂或化學(xué)處理即通過(guò)對(duì)電子設(shè)備及零部件的表現(xiàn)覆蓋一屋金屬或非金屬保護(hù)膜，使之與周?chē)橘|(zhì)隔離，從而達(dá)到防護(hù)的目的。在結(jié)構(gòu)上采用密封或半密封形式來(lái)隔絕外部不利環(huán)境。對(duì)印制板及組件表現(xiàn)涂覆專(zhuān)用三防清漆可以有效避免導(dǎo)線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性。變壓器應(yīng)進(jìn)行浸漆，端封，以防潮氣進(jìn)入引發(fā)短路事故。
三防設(shè)計(jì)與電磁屏蔽往往是矛盾的。如果三防設(shè)計(jì)優(yōu)異就具有良好的電氣絕緣性，而電氣絕緣的外殼就沒(méi)有好的屏蔽效果，這兩方面需綜合考慮。
在整機(jī)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮屏蔽與接地要求，采取合理的工藝，保證有電接觸的表面長(zhǎng)期導(dǎo)通。
6 抗振性設(shè)計(jì)技術(shù)
振動(dòng)也是造成電源故障的一個(gè)重要原因。在振動(dòng)試驗(yàn)中常發(fā)生鉭電容和鋁電解電容器引線被振斷情況，這些就要求加固設(shè)計(jì)。一般可以用硅膠固定鉭電容，給高度超過(guò)25cm和直徑超過(guò)12cm的鋁電解電容器加裝固定夾，給印制板加裝肋條。
7 結(jié)束語(yǔ)
以上建議只是適用于工業(yè)品和軍品電源，對(duì)于商業(yè)級(jí)產(chǎn)品可以在某些方面作出不同的選擇。總之電源設(shè)備可靠性的高低，不僅跟電氣設(shè)計(jì)，而且跟裝配、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工質(zhì)量等各方面有關(guān)。可靠性是以設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)際工程應(yīng)用上，還應(yīng)通過(guò)各種試驗(yàn)取得反饋數(shù)據(jù)來(lái)完善設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高電源的可靠性。
1 開(kāi)關(guān)電源電氣可靠性工程設(shè)計(jì)技術(shù)
1.1 供電方式的選擇
供電方式一般分為：集中式供電系統(tǒng)和分布式供電。現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)一般采用采用分布式供電系統(tǒng)，以滿(mǎn)足高可靠性設(shè)備的要求。
1.2 電路拓?fù)涞倪x擇
開(kāi)關(guān)電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓?fù)洹Ｆ渲须p管正激式、雙正激式和半橋電路的開(kāi)關(guān)管承壓僅為輸入電源電壓，60%降額時(shí)選用600 V的開(kāi)關(guān)管比較容易，而且不會(huì)出現(xiàn)單向偏磁飽和的問(wèn)題，這三種拓?fù)湓诟邏狠斎腚娐分械玫綇V泛的應(yīng)用。
1 .3 功率因數(shù)校正技術(shù)
開(kāi)關(guān)電源的諧波電流污染電網(wǎng)，干擾了其它共網(wǎng)設(shè)備，還可能會(huì)使采用三相四線制的中線電流過(guò)大，引發(fā)事故，解決途徑之一是采用具有功率因素校正技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源。
1.4 控制策略的選擇
在中小功率的電源中，電流型PWM控制是大量采用的方法，在 DC-DC變換器中輸出紋波可以控制在10 mV，優(yōu)于電壓型控制的常規(guī)電源。
硬開(kāi)關(guān)技術(shù)因開(kāi)關(guān)損耗的限制，開(kāi)關(guān)頻率一般在350 kHz以下；軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是使開(kāi)關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗為零，從而可將開(kāi)關(guān)頻率提高到兆赫級(jí)水平，此技術(shù)主要應(yīng)用于大功率系統(tǒng)，小功率系統(tǒng)中較少見(jiàn)。
1.5 元器件的選用
因?yàn)樵骷苯記Q定了電源的可靠性，所以元器件的選用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四點(diǎn)：制造質(zhì)量問(wèn)題、器件可靠性的問(wèn)題、設(shè)計(jì)問(wèn)題、損耗問(wèn)題。在使用中應(yīng)對(duì)此予以足夠重視。
1.6 保護(hù)電路
為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)加入多種保護(hù)電路，如防浪涌沖擊、過(guò)欠壓、過(guò)載、短路、過(guò)熱等保護(hù)電路。
2 電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)技術(shù)
開(kāi)關(guān)電源多采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，脈沖波形呈矩形，其上升沿與下降 沿包含大量的諧波成分，另外輸出整流管的反向恢復(fù)也會(huì)產(chǎn)生電磁干擾（EMI），這是影響可靠性的不利因素，這使得系統(tǒng)具有電磁兼容性成為重要問(wèn)題。
如圖1所示，產(chǎn)生電磁干擾有三個(gè)必要條件：干擾源、傳輸介質(zhì)、敏感接收單元，EMC設(shè)計(jì)就是破壞這三個(gè)條件中的一個(gè)。
對(duì)于開(kāi)關(guān)電源而言，主要是抑制干擾源，干擾源集中在開(kāi)關(guān)電路與輸出整流電路。采用的技術(shù)包括濾波技術(shù)、布局與布線技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、密封技術(shù)等技術(shù)。
3 電源設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)技術(shù)
統(tǒng)計(jì)資料表明電子元器件溫度每升高2 ℃，可靠性下降10 %；溫升50 ℃時(shí)的壽命只有溫升25 ℃時(shí)的1/6。除了電應(yīng)力之外，溫度是影響設(shè)備可靠性最重要的因素。
這就需要在技術(shù)上采取措施限制機(jī)箱及元器件的溫升，這就是熱設(shè)計(jì)。熱設(shè)計(jì)的原則，一是減少發(fā)熱量，即選用更優(yōu)的控制方式和技術(shù)，如移相控制技術(shù)、同步整流技術(shù)等技術(shù)，另外就是選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大粗印制線的寬度，提高電源的效率。二是加強(qiáng)散熱，即利用傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移，這包括散熱器設(shè)計(jì)、風(fēng)冷（自然對(duì)流和強(qiáng)迫風(fēng)冷）設(shè)計(jì)、液冷（水、油）設(shè)計(jì)、熱電致冷設(shè)計(jì)、熱管設(shè)計(jì)等。
強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱量比自然冷卻大十倍以上，但是要增加風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)電源、聯(lián)鎖裝置等，在設(shè)計(jì)中要根據(jù)實(shí)際情況選取散熱方式。
4 安全性設(shè)計(jì)技術(shù)
對(duì)于電源而言，安全性歷來(lái)被確定為最重要的性能，不安全的產(chǎn)品不但不能完成規(guī)定的功能，而且還有可能發(fā)生嚴(yán)重事故，甚至造成機(jī)毀人亡的巨大損失。為保證產(chǎn)品具有相當(dāng)高的安全性，必須進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)。電源產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括防止電危險(xiǎn)、過(guò)熱危險(xiǎn)。
對(duì)于商用設(shè)備市場(chǎng)，具有代表性的安全標(biāo)準(zhǔn)有UL、CSA、VDE等，內(nèi)容因用途而異，容許泄漏電流在0.5～5mA之間，我國(guó)用軍標(biāo)準(zhǔn)GJB1412規(guī)定的泄漏電流小于5 mA。電源設(shè)備對(duì)地泄漏電流的大小取決于EMI濾波器的Y電容的容量，如圖二所示。從EMI濾波器角度出發(fā)Y電容的容量越大越好，但從安全性角度出發(fā)Y電容的容量越小越好，Y電容的容量根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)來(lái)決定。根據(jù)GJB151A，50 Hz設(shè)備小于0.1 μF，400Hz設(shè)備小于0.02 μF。若X電容器的安全性能欠佳，電網(wǎng)瞬態(tài)尖峰出現(xiàn)時(shí)可能被擊穿，它的擊穿不危及人身安全，但會(huì)使濾波器喪失濾波功能。
5 三防設(shè)計(jì)技術(shù)
三防設(shè)計(jì)是指防潮設(shè)計(jì)、防鹽霧設(shè)計(jì)和防霉菌設(shè)計(jì)。凡應(yīng)用我國(guó)長(zhǎng)江以南、沿海地區(qū)以及軍用電源均應(yīng)進(jìn)行三防設(shè)計(jì)。
電子設(shè)備的表面在潮濕的海洋大氣中會(huì)吸附一層很薄的濕水層，即水膜，但水膜達(dá)到20～30分子層厚時(shí)，就形成化學(xué)腐蝕所必須的電解質(zhì)膜，這種富含鹽分的電解質(zhì)對(duì)裸露的金屬表面具有很強(qiáng)的腐蝕活性。另外溫度突變，在空氣中產(chǎn)生露點(diǎn)，會(huì)使印制線間絕緣電阻下降、元器件發(fā)霉，產(chǎn)生銅綠、引腳被腐蝕斷裂等情況。
濕熱環(huán)境為霉菌的滋生提供了有利條件。霉菌以電子設(shè)備中的有機(jī)物為養(yǎng)料，吸附水分并分泌有機(jī)酸，破壞絕緣，引發(fā)短路，加速金屬腐蝕。
在工程上，可以選用耐蝕材料，再通過(guò)鍍、涂或化學(xué)處理即通過(guò)對(duì)電子設(shè)備及零部件的表現(xiàn)覆蓋一屋金屬或非金屬保護(hù)膜，使之與周?chē)橘|(zhì)隔離，從而達(dá)到防護(hù)的目的。在結(jié)構(gòu)上采用密封或半密封形式來(lái)隔絕外部不利環(huán)境。對(duì)印制板及組件表現(xiàn)涂覆專(zhuān)用三防清漆可以有效避免導(dǎo)線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性。變壓器應(yīng)進(jìn)行浸漆，端封，以防潮氣進(jìn)入引發(fā)短路事故。
三防設(shè)計(jì)與電磁屏蔽往往是矛盾的。如果三防設(shè)計(jì)優(yōu)異就具有良好的電氣絕緣性，而電氣絕緣的外殼就沒(méi)有好的屏蔽效果，這兩方面需綜合考慮。
在整機(jī)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮屏蔽與接地要求，采取合理的工藝，保證有電接觸的表面長(zhǎng)期導(dǎo)通。
6 抗振性設(shè)計(jì)技術(shù)
振動(dòng)也是造成電源故障的一個(gè)重要原因。在振動(dòng)試驗(yàn)中常發(fā)生鉭電容和鋁電解電容器引線被振斷情況，這些就要求加固設(shè)計(jì)。一般可以用硅膠固定鉭電容，給高度超過(guò)25cm和直徑超過(guò)12cm的鋁電解電容器加裝固定夾，給印制板加裝肋條。
7 結(jié)束語(yǔ)
以上建議只是適用于工業(yè)品和軍品電源，對(duì)于商業(yè)級(jí)產(chǎn)品可以在某些方面作出不同的選擇。總之電源設(shè)備可靠性的高低，不僅跟電氣設(shè)計(jì)，而且跟裝配、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工質(zhì)量等各方面有關(guān)。可靠性是以設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)際工程應(yīng)用上，還應(yīng)通過(guò)各種試驗(yàn)取得反饋數(shù)據(jù)來(lái)完善設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高電源的可靠性。
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