工业自动化领域持续快速发展，推动效率、生产力和成本的降低。然而，所有相关组件都会给电网带来更大的压力，因此高效的电力转换技术是必需的。在 Yageo 的这份白皮书中，探讨了无源微电子元件在工业自动化电源应用中的关键作用。
前言
向工业自动化的转变导致电力需求呈指数级增长，需要强大而高效的电力转换解决方案。由于自动化系统严重依赖电力电子，因此解决效率和可靠性挑战至关重要。无源元件对于确保稳定运行、最大限度地减少损失以及减轻可能影响工业运营和更广泛的电网的电力干扰至关重要。
1 工业自动化中的电源转换挑战
1.1 电网压力和电能质量问题
自动化生产线、机器人系统和变频驱动器 (VFD) 会引入谐波失真、瞬态尖峰和不平衡负载，从而导致电能质量问题。需求的增加和扭曲导致电网效率低下、电压骤降和潜在的设备故障。
1.2 效率与能耗
电源转换阶段需要尽量减少损耗并确保高电源效率。实现这一目标的关键在于有效的 EMI 抑制、功率因数校正、DC-DC 转换和输出滤波。
2 功率转换级中的无源元件
2.1 电磁干扰 (EMI) 缓解
工业自动化设备会产生大量的高频噪声，这可能会干扰附近的电子系统并导致不符合法规要求。无源元件例如：
- EMI 抑制电容器 （X 类和 Y 类）有助于滤除传导噪声。这些电容器旨在处理瞬态电压尖峰并抑制差分和共模噪声。
- 共模扼流圈 对于减少电力线的电磁辐射至关重要。它们由磁芯上的两个绕组组成，可消除共模噪声，同时允许差分信号通过。它们的正确选择和放置对符合 EMI 标准有显著影响。
- 电感滤波器可防止不必要的噪声通过电源线传播，从而减少传导和辐射排放。
先进的薄膜和多层陶瓷电容器 (MLCC) 在降低 EMI 的同时保持工业环境中的高可靠性方面发挥着至关重要的作用。这些组件的正确布局和选择可确保符合 EMI 法规，例如 CISPR 和 IEC 标准。
2.2 功率因数校正 (PFC) 提高电网效率
感性负载和非线性工业自动化系统造成的功率因数较差，会导致无功功率过大、电网损耗增加，以及潜在的公用事业罚款。
- 功率因数校正电容器 通过补偿电感负载来提高位移功率因数，从而确保更有效地利用电力。
- 电感器和 PFC 扼流圈 可平滑电流波形、减少谐波并提高 AC-DC 转换的效率。这些电感器有助于形成电流波形以跟随电压波形，从而减少总谐波失真 (THD)。
- 无源阻尼网络有助于稳定 PFC 电路，防止 CAN 缩短组件寿命和系统性能的振荡和电压尖峰。
- 有源阻尼网络 动态地重塑电流波形，从而实现更高效、低损耗的功率因数校正。
自动化系统可以通过集成优化的无源 PFC 组件来减少电网压力、最大限度地减少电力损失并确保符合法规要求。大功率工业应用通常采用有源 PFC 与无源滤波相结合的方式，以实现更高的效率。
2.3 DC-DC 转换：电压调节和稳定性
工业自动化应用通常需要多个直流电压电平来实现控制和电机驱动功能。高效的 DC-DC 转换对于稳定运行至关重要。
- 功率电感器 可在降压和升压转换器中实现高效的能量存储和传输，控制纹波电流并改善瞬态响应。
- MLCC 和铝电解电容器 可确保稳定的电压调节并减少 DC-DC 电路中的纹波。MLCC 具有低等效串联电阻 (ESR)，可改善瞬态响应并滤除高频噪声。
- 电容器电源阵列 对于高频应用和谐振功率转换器至关重要。这些电容器阵列具有低等效串联电阻 (ESR) 和高电容密度，使其成为需要高效能量传输的大功率应用的理想选择。它们处理高纹波电流和电压波动的能力可提高系统效率、减少损耗并增强谐振功率转换电路的热性能。
- 用于 LLC 谐振转换器的变压器对于高效 DC-DC 转换至关重要。通过将电感器集成到变压器内，设计人员可以减少元件数量、提高功率密度并通过最大限度地减少寄生损耗来提高效率。这种集成可以实现更好的磁耦合，从而减少环流并提高工业自动化应用中谐振转换器的整体性能。
在 DC-DC 转换器中选择低损耗、高效的无源元件可最大限度地减少散热、提高可靠性并确保高效的电力分配。电感器中磁芯材料的选择（例如铁氧体或铁粉）直接影响效率和热性能。
2.4 输出滤波以实现稳定的电力输送
在最后的电源转换阶段，输出滤波器确保电压和电流平稳地输送到自动化系统，从而防止可能扰乱运行的电源波动。
- LC 滤波器 （电感 - 电容滤波器）在降低电源中的纹波电压和高频噪声方面发挥着至关重要的作用。这些滤波器可改善瞬态响应、最大限度地减少电磁干扰并增强工业自动化设备的电压稳定性。LC 滤波器中的电感器可阻挡高频交流分量，而电容器可平滑直流输出，确保为敏感负载提供更清洁的电源。
- 低 ESR 电容器（例如薄膜和 1 类 MLCC、铝聚合物和铝混合聚合物）用于减少纹波和瞬态响应时间，确保敏感自动化设备获得稳定的直流输出电压。
- 功率电感器 通过减少电磁辐射和防止电源电路中的振铃，有助于抑制噪声和稳定电压。
适当的输出滤波可确保工业自动化设备在所需的电能质量标准内运行，从而提高效率和使用寿命。实施多级滤波，结合差模和共模噪声抑制技术，可以提高性能。
结论
随着工业自动化的进步，高效、可靠的电力转换变得越来越重要。无源元件在减轻 EMI、提高功率因数、促进高效 DC-DC 转换和稳定输出滤波方面发挥着至关重要的作用。通过集成先进的无源元件技术，工业自动化系统可以优化能源消耗、减少电网压力并提高运营效率。高效无源元件的未来发展将继续支持工业自动化和电力电子的发展。