交流电源系统提高效率的方法
Method for Raise Efficiency of System Ac Power Supply
1 交流电源概况
交流电源是一种用于质量不是最理想的电网电源上的可使交流电压稳定的装置总称。
从用途来看大致可区分为两类：一类是为稳定电网电源用，抑制并改善因工厂等设备运行而引起的电网电压不稳定与波形畸变等。另一类是用于各种电子设备作电源抗干扰试验用的电源，电压与频率也能变化，同时可随意使电压波形畸变，以确认被测试设备承受畸变能力。
从方式来看，以前有利用磁芯非线性特性方式（磁放大器）与由电动机驱动发电机等方法（MG）来实现电压与频率的调整。近年来，更高性能的交流电源以线性放大方式为主。特别在用作抗干扰试验时，采用线性放大以外的方法是难以实现的。但因损耗大、效率低，难以减轻重量和缩小体积。
2 采用开关技术的交流电源
1999年9月发表的高效率系统电源“P-STATION/EPO”系列产品、体积小、重量轻、效率高，容量自2KVA至36KVA。产品操作方便（照片1）。

此产品内以开关技术替代过去由线性放大器组成的部分，称为开关放大器。电路与用于电动机的变频电源相似，较大的差异是输出部分采用滤波回路抑制输出电压所含的开关信号（高频载波）。
作为交流电源系统使用时，泄漏的高频载波会成为杂波被输出，必须采用滤波回路充分滤去高频载波后输出。同时系统的结构，必须使输出部分与输入的电源之间绝缘隔离。除了抑制自电源侧窜入的杂波外，同时也使交流电源系统在作试验电源使用时，因有绝缘隔离而有更安全的环境。为此在供给开关放大的电能的直流电源部分，采用变压的绝缘隔离的方法。控制时也同时考虑提高功率因数，降低高次谐波电流。
3 采用开关方式取得了降低损耗的效果
对电源系统内产生损耗的主要原因进行分析。
交流电源系统“P-STATION/シソ-ズQ”是1995年开始供应的产品，输出部分一直采用线性放大方式。为提高效率直流电源部分采用开关方式。输出功率2KW时，输入功率的为3.8KW，损耗约为1.8KW。
损耗大部分由线性放大器组成的输出部分所耗。直流电源部分必须提供包含有此损耗量的电能，实际容量必须大于3KW。
如今已开发的“P-STATION/EP0”系列已全部开关化，大幅度降低损耗（图1）。同样输出功率2KW时，输入功率约为2.6KW，效率约为76%。改善幅度甚大，直流电源部分有2.3KW的容量已足够，与前面相比新系统损耗小了一个档次。

4 开关方式的损耗主要原因
下面分析开关式交流电源系统的损耗。主要损耗由开关元件，变压器以及电感线圈等的损耗组成，还有抑制开关动作产生的过电压、过电流用的缓冲器的损耗，它以阻抗形式吸收过冲能量，因而也是使效率降低的因素。装在大容量交流电源系统内的印刷电路板、配线及保险丝等的损耗可以忽略不计，但应考虑冷却风扇的电能消耗。此外，输入电源为交流时还必须考虑功率因数，也是影响效率的部分原因。
交流电源系统由将交流电网电源转换成直流的整流装置，即“直流电源部分”与将直流变换成所需的交流电压、频率的逆变装置即“开关放大部分”组成（图2）。从提高效率角度来看，应尽量减少变换次数，但碍于系统性质，再简化很难。

各个电力变换部分的损耗，下面试作定性分析。
5 直流电源部分
直流电源部分，对电源输入及输出均要求有绝缘隔离措施。为进一步提高效率，还要求该部分具有抑制高次谐波电流，改善功率因数，降低无功功率的能力。
作为改善功率因数，抑制高次谐波电流的代表性方法有升压型电路（图3）。开关元件S1导通时段电能被存贮于电感线圈L1上。S1截止时段直流能量通过D1存入C1，进而由绝缘隔离的DC-DC变换器输向输出端。这种电路方式，电流连续流入电感线圈L1，噪声小，容易符合各种噪声限定值。可用于大型直流电源。 “P-STATION/シソ-ズQ”交流电源系统采用此类电路。

升压式改善功率因数电路，电感线圈L1上存贮转换时的电能，仅存贮直流输出电压与输入电网电压的差值即可，电路元件的容量可减少，从而减小体积、提高效率。
但是，电路的输出电压要高于输入的电网电压峰值。像“P-STATION/EP0”系列那样必须对电网与输出作绝缘隔离时要另外附加DC-DC变换器，因此这种电路方式也不一定是最佳的。
对此，可采用兼备改善功率因数及绝缘隔离的另一种电路。即所谓“单变换器”的反激式电路（图4）。开关元件S1导通时段，电能存入变压器T1的初级线圈中，S1截止时段，能量通过耦合送到次级线圈，再通过D1输至输出端。

这种电路由少量元器件即可组成。一般用于小型直流电源。与前述的升压式不同，因工作原理不同其流入初级线圈的电流是断续的，电网上的噪声较多，对应于噪声限定值有不利。同时在采用变压器时，必须一次性存入全部输出的电能，与具有同样功能的升压式改善功率因数电路的电感线圈相比，所需的容量大、损耗也增大。但是由于其直接绝缘隔离电网与输出，不必再用绝缘隔离用的DC-DC变换器，因此两种直流电源的效率是差不多的。
“P-STATION/EPO”系列产品中，内部按装二组相互绝缘的直流电源，如图4所示由两组反激式单变换器构成，两组间开关相位错开，将断续的初级电流连接成连续的，得以克服噪声问题。另外，如图2所示采用多个开关元件，以致成本趋于最佳，例如场效应管，两只管串联的额定漏—源电压只须用单只管时的1/2，从而可使用通态电阻小的元件，既可提高效率，因使用普通耐压级的元件，尽管元件数量增加，但总的成本反而降低。
其它部分也根据上述“采用普通级”的原则来选用。例如变压器，采用多个常用的性价比较佳的廉价磁芯，次级侧电能电容也采用低耐压、廉价的串联而成，使这在满足使用功能条件下达到降低成本的目的。
图6是实例的输入电压与电流的波形。为确认控制的稳定性还测定了电压反馈的闭环特性（图7），采用系统分析器“FRA5095”，可在开关系统这样噪声较多的环境下进行检测。其结果是相位约为45°，增益约有30dB的余度，可确认其工作稳定。



6 开关放大器部分
开关放大器部分中着重讨论辅助电源电路的电能损耗。
一般容量小于几百W的比较小型的开关电源电路中，也有选用自激式等低成本电路，但交流电源系统必须有信号发生、反馈控制等复杂的控制回路支持，总计其所耗电能约有几十W至一百W之多。若输出功率为2KW时，其损耗率约为5%。在设计开关电源电路时应计入此损耗值。必须通过改进缓冲器及改善开关元件的驱动条件等方法提高效率。
“P-STATION”系列中、引入“电能回馈技术”来减低各类损耗。
所谓“电能回馈”即是通过缓冲器将多余的电能回馈到电源中再供使用的技术，电路复杂，多用于较大型的开关电源系统。电路经简化及通用化后，可用于一般容量的开关电源系统中。图8为为新设计的辅助电源电路的开关放大回路的局部图。FET1与FET2是向负荷提供取自直流电源的电能的主要开关元件，在电路中各自作半桥运行。由电感线圈L1与电容C1、C2组成输出滤波的，滤去作开关信号的高频波，使之不能抵达负荷。开关信号使稳态时间呈间断状态，在此区间L1的电流经FET内部逆向二极管向电源侧回馈，这种内设于FET1与FET2内的逆向二极管，具有回流L1与电流的续流二极管的功能，但若在此电流为零之前，另一侧的FET导通，在逆向二极管的逆回复时间内流有逆回复电流，形成损耗，此时电感线圈L2具有抑制该逆回复电流的缓冲功能，并且可暂时存贮多余电能。

存贮在L2中的电能，随该电流的通断在L2上形成逆向电能，通过二极管D1对C3充电，随FET3与FET4的交替开关动作，而回馈至主直流电源与辅助电源侧。
辅助电源是用来驱动控制电路的，必须在电路全部工作前建立。在启动瞬时，C3上的电压几乎为0V，同时T1与FET4构成的反激式电路工作，将主电源的电能通过T1耦合经D2、C4输送至控制部分，从而建立辅助电源电压Vc。此时C3在FET4截止时，通过FET3内的逆向二极管充电，因而起到作为抑制电压的缓冲电容的作用。电路全部启动后，存贮在L2中的电能作为回馈电能对C3充电。当FET3导通时C3上的电能随即释放，并通过T1耦合由D2时C4充电。L3有限制在电能转移时出现在FET3与D2上的电流峰值的功能。实际上变压器存在漏感，故也可以考虑以漏感替代L3。
辅助电源侧所消耗的电能一般为几十W左右，T1磁芯内存贮能量不会全部释放给辅助电源。多余能量在FET3由导通转为截止之际以FET4内设的逆向二极管作为续流二极管回馈给主电源侧，为此必须在FET3与FET4的开关动作之间设置一停滞时段。
实际上L2交流过供向负荷的工作电流，同时也存入电能并予以回馈。此回馈电能的总值在稳定工作约为一百W左右，辅助电源自身损耗最多为十W，相对于系统总损耗是微不足道的。采用这种电路的电能回馈技术，无须复杂而庞大的电路，可提高系统的效率。■

参考文献
日本《电子技术》2000年第4期41～45页。