電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用研究

田淇元

摘 要 在生活中，任何的電子設(shè)備都離不開電源，可以說電源質(zhì)量的好壞和性能決定了電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性以及運(yùn)行狀態(tài)。一般來說，供電電源主要分為兩大類：線性電源和開關(guān)電源。線性電源的具有龐大的體積和重量，且傳輸?shù)男室话阒荒苓_(dá)到輸入功率的50%左右。這對于未來電源高效率、高功率密度的趨勢顯然是不符合要求的。如果想要減小電源的尺寸同時(shí)要求提高效率。這就體現(xiàn)出了開關(guān)電源的優(yōu)越性：體積小、效率高、功率密度高等。而電力電子技術(shù)正是開關(guān)電源的技術(shù)支持，只有圍繞著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源才能在應(yīng)用中得到更加全面的創(chuàng)新和突破。

關(guān)鍵詞 電力電子技術(shù);開關(guān)電源;效率高

1背景介紹

近幾年來，隨著我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對電的使用量和依賴度越來越高，電能已然成為社會(huì)中最重要的能源之一，電能具有易于產(chǎn)生、傳輸方便、傳輸效率高、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。在電能的配送過程中，高效率在設(shè)計(jì)電能變換電路中通常是最重要的指標(biāo)之一。隨著半導(dǎo)體行業(yè)的迅速發(fā)展，電力電子器件也得到了充分的全面發(fā)展。而電力電子技術(shù)就是在電力電子器件制造的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在全世界范圍內(nèi)，經(jīng)電力系統(tǒng)產(chǎn)生電能后，再通過電力電子控制與變換后使用的電量占總用電量的比例已成為衡量一個(gè)國家用電水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一[1]。

2開關(guān)電源簡介

開關(guān)電源的基本組成單元如圖1所示，其中的DC/DC電路主要用以進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，它是開關(guān)電源的核心部分，此外還有過壓保護(hù)、噪聲濾波，啟動(dòng)、過流保護(hù)電路。輸出采樣電路（R1，R2>0）可以檢測輸出電壓變化，并與基準(zhǔn)電壓Vref比較，誤差電壓經(jīng)過誤差放大器電產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）電路，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制電力電子器件的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的[2]。

圖1 開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)

3開關(guān)電源目前應(yīng)用現(xiàn)狀

開關(guān)電源的出現(xiàn)是20世紀(jì)60年代電源歷史上的一次重大革命，隨著開關(guān)電源技術(shù)的不斷成熟，在各行各業(yè)都有其應(yīng)用的范圍，包括汽車、筆記本、高鐵、軍事、航空航天、新能源開發(fā)等領(lǐng)域，幾乎所有需要電源的都可以找到開關(guān)電源的身影。盡管開關(guān)電源存在著一定的缺點(diǎn)，如電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜、抗電磁干擾能力不強(qiáng)等。但是隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展與進(jìn)步，開關(guān)電源中的一些缺點(diǎn)正在逐漸被人們克服。目前，開關(guān)電源電路主要分為主電路和控制回路，主電路主要涉及整流濾波輸入、功率轉(zhuǎn)換以及整流濾波輸出等三個(gè)環(huán)節(jié)?？刂苹芈分饕?qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測電路等[3]。

3.1 軟開關(guān)PWM技術(shù)

在現(xiàn)代電力電子電路中，脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。但在早期的DC-DC開關(guān)電源中，PWM技術(shù)是一種硬開關(guān)技術(shù)，因功率開關(guān)器件本身存在寄生電容，在快速的開通和關(guān)斷過程中，電壓和電流的波形會(huì)存在重疊的現(xiàn)象，因此產(chǎn)生開關(guān)損耗。而且如果采用硬開關(guān)PWM的技術(shù)，開關(guān)損耗會(huì)隨著頻率的增加而增加，這就限制了變換器的高頻化。

軟開關(guān)技術(shù)實(shí)在開關(guān)電源高頻化的背景下產(chǎn)生的，以PWM和諧振（LLC）技術(shù)為理論基礎(chǔ)，將二者的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合。本質(zhì)上是通過儲(chǔ)能元件電感L和電容C的諧振，使開關(guān)管兩端的電壓按正弦或準(zhǔn)正弦的規(guī)律變化，當(dāng)電壓電流諧振到零再繼續(xù)導(dǎo)通和關(guān)斷，使開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷損耗在理論上為零[4]。

3.2 同步整流技術(shù)

同步整流技術(shù)是提高開關(guān)電源效率的一種手段。一般認(rèn)為開關(guān)電源的損耗主要由功率管的開關(guān)損耗，變壓器損耗和輸出整流管損耗三部分構(gòu)成。尤其當(dāng)輸出電壓較低，輸出電流較大時(shí)。輸出整流管的損耗就特別明顯了。同步整流技術(shù)通過反接電力MOSFET替換掉整流二極管。因MOSFET具有極低的通態(tài)內(nèi)阻，可以減小輸出整流損耗，進(jìn)而可以大大提高效率。

與二極管整流相比，同步整流技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：正向壓降小、斷流能力強(qiáng)等。這種方法不但可以提高效率，也可以得到更好的軟開關(guān)性能。同步整流在低輸出電壓的小功率轉(zhuǎn)換器中已經(jīng)獲得了普遍的應(yīng)用[5]。

參考文獻(xiàn)

[1] 孔謀夫.新型半橋功率集成電路的研究[D].北京：電子科技大學(xué)，2013.

[2] 李潤楊.電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用探析[J].通信電源技術(shù)，2019，36（2）：113-114.

[3] 丁皓天.中國電力電子與電力傳動(dòng)應(yīng)用及發(fā)展分析[J].科技與創(chuàng)新，2019（22）：150-151.

[4] 王梓楠.電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用分析[J].電子世界，2019（14）：201-202.

[5] 顧德峰.電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（20）：227-228.