論電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用研究

董澤宇

摘 要：現(xiàn)如今全世界的能源消耗逐年遞增，而電力能源在所有能源中所占的比例大約是40%，而在電力能源之中，經(jīng)過電力電子設(shè)備轉(zhuǎn)換的電力能源也占有40%，根據(jù)現(xiàn)代電力能源的增長速度，電力電子設(shè)備的電子能源轉(zhuǎn)換預(yù)計達到80%，所以在二十一世紀中電力電子技術(shù)所發(fā)揮的作用將越來越大。本文對電力電子技術(shù)及開關(guān)電源進行了簡單介紹，并探討了電力電子技術(shù)在開關(guān)電源領(lǐng)域中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；開關(guān)電源；應(yīng)用

電力電子技術(shù)主要是控制和轉(zhuǎn)換電能的學(xué)科，通過電力電子器件的利用來展開相關(guān)的電力電子技術(shù)運用。電源是各種電子設(shè)備必不可缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)以及能否安全可靠地工作。隨著開關(guān)電源的電路拓撲、控制方式等理論和技術(shù)的不斷完善以及功率開關(guān)器件、控制芯片、磁性元件等的不斷發(fā)展，開關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，要求開關(guān)電源有更高的頻率、更高的功率密度、更高的效率、更高的功率因數(shù)和更高的可靠性，同時還要做好故障維護，有效控制好各個結(jié)構(gòu)的工作性能，確保開關(guān)電源的工作狀態(tài)。

一、電力電子技術(shù)

電力電子技術(shù)包括電力元件制造技術(shù)和電子電路的變流技術(shù)。電力電子技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了第一代半控型電力電子技術(shù)，第二代全控型電力電子技術(shù)和第三代復(fù)合型電力電子技術(shù)，目前電力電子技術(shù)的主要發(fā)展方向是小功率的集成電路。小功率的集成電路技術(shù)把驅(qū)動、控制和功率器件技術(shù)綜合在一起，最大的優(yōu)點是能夠降低功率。隨著自關(guān)斷器件的應(yīng)用，高頻化成為電力電子技術(shù)的發(fā)展方向。電力電子的控制技術(shù)在新階段的應(yīng)用還包括無功功率控制和神經(jīng)元控制等方面，目前，在電力電子控制技術(shù)中，傳統(tǒng)的模擬控制已經(jīng)不能滿足電力電子技術(shù)發(fā)展的需要，取而代之的則是微處理器的數(shù)字控制技術(shù)。

二、開關(guān)電源簡介

1.基本原理。開關(guān)電源作為人們?nèi)粘Ｉ钪斜容^常用的設(shè)備，也有著不同的類型，我們將其分成變換電能的電源以及發(fā)出電能的電源兩種類型。嚴格來說，自然界并沒有能夠直接利用的電源，所以這就需要通過轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，才能使電能得到有效的利用，而這一能夠?qū)⒛茉吹玫接行мD(zhuǎn)變獲得的電源就是付出電能的電源。很多時候這一電源并不能直接的被應(yīng)用，還要通過變壓器等電力設(shè)備進行電壓的轉(zhuǎn)換，這樣才能被實際的應(yīng)用。開關(guān)電源是變換電能的電源，開關(guān)電源的工作原理就是在電進入到電源之后，就要經(jīng)過整流以及濾波進行轉(zhuǎn)為高壓直流電，在開關(guān)電路以及高頻開關(guān)變壓器作用下，進行轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l低壓脈沖，最后就能夠輸出低電壓直流的電源。一般開關(guān)電源主要由功率回路和控制回路組成，如圖1所示。

2.發(fā)展趨勢。開關(guān)電源的主要發(fā)展趨勢有以下幾方面：第一，高頻化，為減小變換器體積，提高其功率密度，改善動態(tài)響應(yīng)，開關(guān)電源的工作頻率從幾十、幾百不斷提升至級；第二，提高效率，應(yīng)用各種軟開關(guān)技術(shù)，包括無源無損（吸收網(wǎng)絡(luò)）軟開關(guān)技術(shù)、有源軟開關(guān)技術(shù)，如諧振、準諧振、零電壓零電流轉(zhuǎn)換技術(shù)（以及恒頻零開關(guān)技術(shù)）等，減小開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力，以實現(xiàn)高效率的高頻化，提高變換器輸入端的功率因素，減少對電網(wǎng)的諧波污染；第三，模塊化，適應(yīng)分布式電源系統(tǒng)的需要，提高可維護性、降低設(shè)計風(fēng)險；第四，全數(shù)字化控制，電源的控制已經(jīng)由模擬控制，模數(shù)混合控制，進入到全數(shù)字控制階段。

三、電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用

開關(guān)電源主要是為了維持穩(wěn)定輸出電壓，通過現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制公路半導(dǎo)體器件的開通和關(guān)斷時間比率。開關(guān)電源與線性穩(wěn)壓電壓相比，開關(guān)電源具有一定的優(yōu)勢，主要有體積小和效率高以及重量輕等優(yōu)點，因此在電子設(shè)備中得到了廣泛的運用。二十世紀末期開關(guān)電源在電子和電氣設(shè)備領(lǐng)域中的運用逐漸增加，在通信、電子檢測設(shè)備和控制設(shè)備電源等領(lǐng)域展開廣泛的運用，有利于開關(guān)電源技術(shù)的快速發(fā)展，但是開關(guān)電源也有一些缺點，主要有開關(guān)電源的電路比較復(fù)雜，容易受到射頻和電磁干擾。但是隨著科學(xué)技術(shù)的進步，開關(guān)電源的缺點正在不斷被克服。在開關(guān)電源中征集電路可以分為主電路和控制電路兩種，而在主電路中，包含三個環(huán)節(jié)：首先是輸入整流濾波；其次是功率轉(zhuǎn)換；最后是輸出整流濾波。主電路主要有將電網(wǎng)能力傳遞給負載的功能。而結(jié)構(gòu)框圖除了主電路外為控制電路，主要是為了保護電路正常的工作。

1.同步整流技術(shù)。同步整流技術(shù)是在軟開關(guān)的基礎(chǔ)上進一步提升效率的技術(shù)，它通過對整流開關(guān)二極管的金屬絕緣體--半導(dǎo)體管反接，適用于低壓、大電流的電源上。同步電流通過零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)，驅(qū)動同步整流的脈沖信號與初始的脈沖信號聯(lián)動，將其上升沿超過原來的上升沿，降低延遲以實現(xiàn)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和零電壓的開關(guān)方式。

2.軟開關(guān)技術(shù)。IGBT功率器件控制的PWM電源可以克服傳統(tǒng)大功率電源逆變主電路結(jié)構(gòu)的高耗能問題，使能耗降低30%—40%。軟開關(guān)技術(shù)采用諧振原理，克服傳統(tǒng)電路使用緩沖電路消除電壓尖峰和浪涌電流的問題，從而使系統(tǒng)趨于簡單，降低故障發(fā)生的可能性。傳統(tǒng)電路在開關(guān)啟動和關(guān)閉的瞬間會產(chǎn)生極大的電流和電壓，瞬間產(chǎn)生的電壓無法被有效利用，從而增加能耗。諧振電路可以吸收高頻變壓器中電感以及電容等，降低晶體管等元件的壓力，從而提高電源的利用率和穩(wěn)定性。

3.數(shù)字化控制技術(shù)。開關(guān)電源的數(shù)字化控制技術(shù)層面，主要是在數(shù)字處理技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，能夠通過計算機軟件對開關(guān)電源實施有效的控制，避免了模擬信號傳遞中的波形畸變失真，而且在抗干擾的能力上表現(xiàn)的也比較突出。通過數(shù)字化的控制技術(shù)，使電路的安全可靠性得到了有效保證。同時，在模塊集成化層面，尤其是單元電路模塊化以及功率器件的模塊化方面，將開關(guān)電源的可靠性也進行了有效提升。

4.空間電源控制器技術(shù)?？臻g電源控制器是航天器電源系統(tǒng)的重要組成之一，作為大功率開關(guān)電源，主要功能是通過電能變換將太陽帆板產(chǎn)生的電能輸送給航天器載荷，適時對蓄電池充放電，維持航天器能量平衡及供電母線的穩(wěn)定。考慮到空間環(huán)境的復(fù)雜性，除對空間電源控制器小型化、輕量化的要求外，更重視其可靠性，因此，工業(yè)和民用領(lǐng)域的電力電子技術(shù)在向空間領(lǐng)域開關(guān)電源應(yīng)用拓展時還要進行充分驗證及可靠性評估。

四、結(jié)語

總而言之，開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制功率半導(dǎo)體器件開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。與線性穩(wěn)壓電源相比，開關(guān)電源具有體積小、效率高、重量輕等一系列優(yōu)點，在各種電子設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源將得到進一步完善和發(fā)展。

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