淺談現(xiàn)代電力電子及低壓電源技術(shù)的發(fā)展

張錦鵬

摘 要：機(jī)電一體化、智能化、自動(dòng)化都要以電力電子為基礎(chǔ)，電力電子自出現(xiàn)以來，發(fā)展非常迅速，應(yīng)用范圍非常廣泛，并取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文簡要分析了電力電子技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用范圍，并探討了低壓高頻開關(guān)電源的技術(shù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：低壓電源技術(shù)；電力電子；自動(dòng)控制

電力電子技術(shù)發(fā)展非常迅速，具有廣闊的發(fā)展前景?，F(xiàn)代電源技術(shù)是一種多學(xué)科的邊緣交叉技術(shù)，其集成了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)微處理器技術(shù)、綜合自動(dòng)控制和電力電子半導(dǎo)體器件。低頻技術(shù)處理逐漸向低壓高頻技術(shù)處理的方向發(fā)展，從而不斷推動(dòng)電力電子技術(shù)的發(fā)展。

1 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷程

20世紀(jì)五六十年代開始出現(xiàn)電力電子技術(shù)，具體表現(xiàn)為硅整流器件的出現(xiàn)。上世紀(jì)八九十年代開始進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代，具體表現(xiàn)為功率半導(dǎo)體復(fù)合器件的出現(xiàn)，其具有大電流、高壓、高頻的特點(diǎn)。電力電子技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)時(shí)代階段；最初的整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代以及上世紀(jì)80年代之后的變頻器時(shí)代。

由于80年代之后超大規(guī)模、大規(guī)模的集成電路技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展非常迅速，能夠?qū)⒏邏捍箅娏骷夹g(shù)、電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)結(jié)合起來，產(chǎn)生了一批新的全控型功率器件，包括功率MOSFET和IGBT。新型器件極大地提高了交流電機(jī)變頻調(diào)速的性能，推動(dòng)了現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展[1]。

2 現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 通信用高頻開關(guān)電源

通信電源推動(dòng)了通信業(yè)的高速發(fā)展，供電系統(tǒng)積極應(yīng)用低壓高頻小型化開關(guān)電源。通信領(lǐng)域中的一次電源主要指的是整流器，二次電源主要指的是直流-直流（DC/DC）變換器，通過一次電源可以對三相交流電網(wǎng)或單相交流電網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其成為直流電源。低壓高頻開關(guān)已經(jīng)完全取代了通信領(lǐng)域中的相控式穩(wěn)壓電源。

由于通信設(shè)備中需要用不同種類的集成電路造成了電源電壓的不同。為了進(jìn)一步減小損耗，可以使用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊，其具有安裝、維護(hù)便利的優(yōu)點(diǎn)。通信電源的容量也會(huì)隨著通信容量的增加而增加[2]。

2.2 計(jì)算機(jī)高效率綠色電源

計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展非常迅速，全面使用了開關(guān)電源，從而進(jìn)入了電子電氣領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)技術(shù)對綠色電源和綠色電腦有著一定的要求，要求使用高效省電的綠色電源。綠色電源能夠極大的降低電源消耗、提高電源效率，臺(tái)式電腦及其相關(guān)的外圍設(shè)備在睡眠狀態(tài)下的耗電量不得高于30W。

2.3 不間斷電源

通信系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域要求電源能夠具有高性能和高可靠性，從而催生了不間斷電源。經(jīng)整流器能夠?qū)⒔涣麟娮兂芍绷?，一部分能量通過逆變器變?yōu)榻涣?，另一部分能量存?chǔ)在蓄電池組中，轉(zhuǎn)換開關(guān)會(huì)將交流送到負(fù)載之中。運(yùn)用電源轉(zhuǎn)換開關(guān)作為另一路備用電源，即使逆變器出現(xiàn)故障，負(fù)載仍然能夠得到相應(yīng)的能量。現(xiàn)代電力電子器件IGBT、功率MOS-FET，以及脈寬調(diào)制技術(shù)在現(xiàn)代不間斷電源中都得到了廣泛的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了不間斷電源的可靠性和效率，降低了電源的噪聲。而且運(yùn)用微處理器軟硬件技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程維護(hù)，對不間斷電源進(jìn)行智能化管理。

2.4 變頻器電源

作為交流電機(jī)的變頻調(diào)速，變頻器電源是電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，具有良好的節(jié)能效益。使用交流-直流-交流方案作為變頻器，整流器會(huì)對工頻電源進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其成為直流電壓，并由PWM高頻變換器、大功率，晶體管對直流電壓進(jìn)行逆變，完成交流輸出。例如日本某公司就在空調(diào)器中率先用了交流變頻調(diào)速技術(shù)，并取得了良好的應(yīng)用效果，該變頻空調(diào)具有節(jié)能、舒適的優(yōu)點(diǎn)[3]。

2.5 高頻逆變式整流焊機(jī)電源

作為一種高效、高性能的焊機(jī)電源，高頻逆變式整流焊機(jī)電源具有廣闊的發(fā)展前景。一般情況下，交流-直流-交流-直流是逆變式變焊機(jī)電源的主要變換方式。運(yùn)用全橋整流可以將50Hz交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳎绷麟娍梢酝ㄟ^PWM高頻變換部分轉(zhuǎn)化成為高頻矩形波，使用高頻變壓器對其進(jìn)行耦合，使其成為穩(wěn)定的直流。對濾波器及整流之后，濾波就會(huì)成為穩(wěn)定的直流。由于焊機(jī)電源具有比較惡劣的工作環(huán)境，因此必須不斷提高高頻逆變式整流焊機(jī)電源的可靠性。如果脈沖寬度調(diào)制的相關(guān)控制器選擇微處理器，則可以對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)知。

2.6 大功率開關(guān)型高壓直流電源

在CT機(jī)、醫(yī)用X光機(jī)、水質(zhì)改良、靜電除塵等方面都要用到大功率開關(guān)型高壓直流電源，其功率一般能夠超過100kW電流能夠超過0.5A，電壓為50-159 kV。通過逆變技術(shù)能夠使市電整流成為中頻， 該技術(shù)發(fā)展非常迅速，研制了靜電除塵高壓直流電源。主要是通過整流將市電變?yōu)橹绷?，直流電壓通過諧振逆變電路和全橋零電流開關(guān)的串聯(lián)，能夠成為高頻電壓，通過升壓之后得到直流高壓。

3 低壓高頻開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展

開關(guān)電源是電力電子技術(shù)的核心內(nèi)容，隨著低壓高頻開關(guān)電源技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，開關(guān)電源的重量等于減輕，體積也得到縮小，而且電源的利用效率得到了極大的提高。開關(guān)電源能夠?qū)ψ冾l傳動(dòng)和電動(dòng)汽車中的用電頻率進(jìn)行改變，使驅(qū)動(dòng)控制和負(fù)載匹配達(dá)到理想的狀態(tài)。低壓低高頻開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢為高頻化、模塊化和數(shù)字化。高頻化指的是將頻率提高，從而降低用電設(shè)備的體積和重量。根據(jù)該原理能夠?qū)⒅绷麟娫锤脑斐蔀殚_關(guān)變換的電源，達(dá)到節(jié)電、節(jié)約材料的目的，同時(shí)也能夠有效地提高功率電子器件的工作頻率上限。模塊化指的是電源單元和功率器件的?？旎?，以芯片的形式在一個(gè)模塊中安裝一臺(tái)整機(jī)的所有硬件，從而對系統(tǒng)進(jìn)行有效的優(yōu)化。數(shù)字化指的是將數(shù)字電路、數(shù)字式信號(hào)技術(shù)引進(jìn)電力電子技術(shù)。

4結(jié)語

隨著時(shí)代的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，電力電子及低壓電源技術(shù)也在不斷向前發(fā)展，不僅其產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，而且其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展，高品質(zhì)用電、高效率用電成為電子及低壓電源技術(shù)成熟的重要標(biāo)志。當(dāng)前我國正在積極運(yùn)用開關(guān)電源對傳統(tǒng)的相控電源和線性電源進(jìn)行代替，積極推動(dòng)電力操作電源系統(tǒng)市場的發(fā)展與成熟。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛玉翠，盛桂敏，李美麗，等.應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式下“電力電子技術(shù)”實(shí)踐教學(xué)改革研究[J].科技與企業(yè)，2015（24）.

[2]郭建.電力電子技術(shù)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].科技與企業(yè)，2015（24）.

[3]葛海亮，陳雨晴.電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2015（36）.