現(xiàn)代電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用

牛瀟昆

（北京信息科技大學(xué)，北京 100192）

我國在電力電子技術(shù)中普遍采用了信息電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)。作為電力工業(yè)的先驅(qū)技術(shù)，電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)主要有變流電路、電力電子元器件、控制電路等。開關(guān)電源主要是借助于先進(jìn)的電力電子技術(shù)和控制技術(shù)，來實現(xiàn)開關(guān)半導(dǎo)體元件的開通、關(guān)斷等自動化控制方式，以保證輸出電壓的穩(wěn)定。與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源相比，現(xiàn)代開關(guān)電源具有體積小、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已在各種電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用，如計算機(jī)使用的電源就是一種最為經(jīng)典的開關(guān)電源。但開關(guān)電源在實際應(yīng)用中，也會受到一些電磁干擾的影響，而且其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，射頻干擾也較為嚴(yán)重，尤其在開通和關(guān)斷的一瞬間會產(chǎn)生功率耗損。開關(guān)電源的整體電路是由控制電路和開關(guān)電源主電路共同組成。其中，整體電路的主電路是一個復(fù)雜的電網(wǎng)能量轉(zhuǎn)換和傳輸電路，包括輸入整流濾波器和功率轉(zhuǎn)換器。以目前較為常用的高頻開關(guān)電源為例，它在電力行業(yè)中的應(yīng)用有哪些主要特點(diǎn)？其未來發(fā)展前景如何？這是本文論述的重點(diǎn)所在。

1 高頻開關(guān)電源的特點(diǎn)

1.1 開關(guān)電源的分類

開關(guān)電源有很多種分類方式。首先，根據(jù)各種開關(guān)電源的驅(qū)動形式，可以將其大致分為他勵式和自勵式兩種類型。若按照各種開關(guān)電源的輸出及電能轉(zhuǎn)換類型進(jìn)行劃分，又可將其分為兩種不同的轉(zhuǎn)換器類型：AC/DC型和DC/DC型。若按照開關(guān)電源所需的控制方式和使用場合進(jìn)行分類，真正地實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，開關(guān)電源又可分為PWM脈寬調(diào)制式和PFM混合調(diào)制式。若按照諧振的標(biāo)準(zhǔn)來劃分，開關(guān)電源又可分為諧振式和非諧振式兩種。這些都是現(xiàn)實中較為常見的分類方式。

1.2 高頻開關(guān)電源的應(yīng)用

高頻開關(guān)電源技術(shù)，是指在技術(shù)實踐和推廣應(yīng)用的過程中，能夠直接以自動化的形式，實現(xiàn)對高頻交流電源的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而可以滿足各種大型電氣設(shè)備的交流電路供電性能要求。高頻開關(guān)電源在正常工作時，先是將220V工頻交流電整流為直流電，再通過大功率高頻開關(guān)電源的元器件所構(gòu)成的電壓型逆變電路，進(jìn)行直流電到交流電的轉(zhuǎn)換。最終，經(jīng)過采用PWM技術(shù)控制的整流電路，可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。現(xiàn)代高頻高壓開關(guān)電源具有整體重量輕、體積小等顯著的性能優(yōu)勢。

大功率高頻開關(guān)電源在實際工業(yè)應(yīng)用和生產(chǎn)的過程中只需要依靠一個工頻功率變壓器，這就使高頻開關(guān)電源的質(zhì)量和體積比普通開關(guān)電源更輕、更小，便于設(shè)備的快速安裝和正常運(yùn)行。大功率高頻開關(guān)電源不僅具有較大的輸出功率和峰值，同時可利用導(dǎo)體二氧化硅的電導(dǎo)率和導(dǎo)通角，直接控制逆變器和高壓整流器的實際輸出功率和峰值。高頻開關(guān)電源負(fù)載的變化也會直接影響功率因數(shù)的變化，當(dāng)負(fù)載性質(zhì)發(fā)生改變或負(fù)載增大時，相應(yīng)的功率因數(shù)會變小。此外，高頻開關(guān)電源的低噪聲也不可忽視，運(yùn)行時，其噪聲小于50dB，相比之下，高頻開關(guān)電源的噪聲比相控整流器要低35%以上，在開通和關(guān)斷的瞬間，電能消耗量相對較低，這不僅有利于降低能耗，還可以有效提高電路的工作效率。

2 電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的體現(xiàn)

2.1 電力電子技術(shù)的發(fā)展

目前，電力電子技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛。高頻開關(guān)電源可以支持較大功率晶體管的工作，能夠有效地提高整流器的功率和容量。近些年，人們對高頻集成電路的深入研究推動了開關(guān)電源在各種電氣工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，這也是高頻開關(guān)電源向著模塊化、小型化和高性能化方向發(fā)展的主要原因。

譬如，不間斷電源（UPS），其工作原理是：將220V交流電先通過整流電路轉(zhuǎn)換為直流電，轉(zhuǎn)換后的直流電一部分存入蓄電池，作為備用能源，另一部分供給后續(xù)的逆變電路，電能經(jīng)過逆變電路后，又從直流電再轉(zhuǎn)換成交流電，使用戶正常使用。一旦發(fā)生停電事故時，蓄電池中儲存的電能將被提供給后續(xù)的逆變電路，以確保用戶用電不間斷。在不間斷電源（UPS）設(shè)備當(dāng)中，高頻開關(guān)電源可以在整流電路中應(yīng)用，能將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電。采用高頻開關(guān)電源還能有效地減少噪音干擾，這在一定程度上可以保障電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在基于高頻開關(guān)電源的電氣傳動控制系統(tǒng)中，應(yīng)用高頻電壓變頻控制器可以直接實現(xiàn)電動機(jī)在運(yùn)行中的自動變頻和對電機(jī)轉(zhuǎn)速的實時自動化控制。高頻電壓變頻器的驅(qū)動電源通過高頻電壓變換器、大功率高頻晶體管等電力電子器件和電路，實現(xiàn)了無源電壓的自動轉(zhuǎn)換，改變了有源電壓的轉(zhuǎn)換效率，有效地降低了能耗。

電力電子技術(shù)綜合來講就是一項使用弱電來控制強(qiáng)電的技術(shù)，借助于現(xiàn)代電力電子技術(shù)，可以使傳統(tǒng)開關(guān)電源中的自動化強(qiáng)電和智能化弱電等不同的電路模塊進(jìn)行整合控制，從而大大降低傳統(tǒng)開關(guān)電源在技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)過程中的成本，具有節(jié)能、低碳環(huán)保的技術(shù)優(yōu)勢，在實際應(yīng)用中可以達(dá)到既實用又高效的效果。

2.2 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的優(yōu)勢

現(xiàn)代電力電子技術(shù)在工程中的應(yīng)用非常普遍，例如在軟開關(guān)技術(shù)中的應(yīng)用。軟開關(guān)相較于硬開關(guān)來說，使用電力電子器件，在開關(guān)開通或關(guān)斷前的一瞬間，控制電路中的電流和電壓當(dāng)中的某一個物理量為0，這樣一來，電流和電壓的乘積，也就是開通或關(guān)斷時的功率耗損就為0，大大減少了開通或關(guān)斷時的器件耗損，能夠有效地增加開關(guān)使用次數(shù)，實用性強(qiáng)。由此可見，借助于軟開關(guān)技術(shù)，可以延長許多電氣設(shè)備的使用壽命。

采用IGBT等新型電力電子器件和PWM脈沖寬度調(diào)制的控制方法，可以對開關(guān)電源進(jìn)行自動控制，尤其在功率方面，可以有效解決在傳統(tǒng)開關(guān)電源中整流電路、逆變電路和主電路所使用的大功率控制器件所造成的能量消耗過大，甚至發(fā)熱嚴(yán)重等問題，降低傳統(tǒng)開關(guān)電源的系統(tǒng)能耗。

與此同時，在諧振和電磁兼容方面，應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)控制原理可以有效解決傳統(tǒng)開關(guān)電源中的浪涌和電流過大等問題，有助于降低開關(guān)電源的電流尖峰，減少開關(guān)電源故障的概率。電路中的諧振吸收技術(shù)可以在高頻條件下，每當(dāng)開關(guān)電源正式開啟或正式關(guān)閉時，對高頻開關(guān)變壓器內(nèi)部的高頻電容、電感等儲能元件所產(chǎn)生的諧振干擾信號進(jìn)行吸收，可降低高頻開關(guān)電源的使用成本和電源能耗，同時還可以減少對電路中的高頻晶體管等其他電力電子開關(guān)元器件的沖擊。

在開關(guān)電源工作時，尤其是在開通或關(guān)斷的瞬間，由于電壓沖擊和電流沖擊，會造成開關(guān)損耗。現(xiàn)代高頻開關(guān)電源通過采用先進(jìn)的整流電路和自動微機(jī)控制技術(shù)，使它能夠充分保證在開關(guān)電源工作時，各個電路正常、穩(wěn)定地運(yùn)行，提高電能的綜合利用率。另外，通過使用現(xiàn)代電力電子器件以及高頻同步整流轉(zhuǎn)換技術(shù)，也同樣能有效改善并提高各類電力開關(guān)電源的實際工作效率。高頻同步整流驅(qū)動技術(shù)是將開關(guān)同步整流器與開關(guān)供電二極管連接部位的金屬片和絕緣體進(jìn)行反接，直流同步脈沖信號經(jīng)過零電壓和脈沖電流驅(qū)動開關(guān)后，可以實現(xiàn)對直流電壓的初始值和脈沖信號的同步驅(qū)動，零電壓同步整流器的開關(guān)就是以這樣的驅(qū)動方式來構(gòu)成的。

一般情況下，同步穩(wěn)壓電源技術(shù)廣泛適用于一些直流電壓相對較大的開關(guān)電源，而控制電路系統(tǒng)中的電流集成技術(shù)通?？梢杂脕韺崿F(xiàn)對多個傳輸路徑的電流、電壓輸出進(jìn)行控制。電路中的自動控制技術(shù)在大型電力系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，控制電路的主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計必須完全符合經(jīng)典開關(guān)電源變換器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，必須具備較高的電磁兼容性和抗干擾能力。

3 電源控制技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

3.1 開關(guān)電源在實際應(yīng)用中不斷改進(jìn)與完善

在現(xiàn)階段，開關(guān)電源已經(jīng)具備了安全、高效、可靠、低成本、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，然而大多數(shù)常用的開關(guān)電源所使用的電力電子器件仍然是雙極型晶體管和晶閘管，此類開關(guān)電源在工作頻率和控制方式等方面還有待提高。因此，開關(guān)電源今后應(yīng)該以大幅度提高各種電力電子開關(guān)元器件的啟動頻率和容量為基礎(chǔ)進(jìn)一步發(fā)展，在真正提高了開關(guān)電源的啟動頻率和容量后，才能降低能耗，節(jié)約能源。

如果開關(guān)電源的啟動頻率不夠高，就會對電路中的分布式電感和電容造成干擾，從而產(chǎn)生浪涌。在這種情況下，可以考慮采用諸如LC濾波緩沖器等其他具有輔助性的元器件所構(gòu)成的濾波電路，來精確控制輸出電壓波形和抑制浪涌電流。針對高頻開關(guān)電源的控制，可以優(yōu)先使用一些諧振、諧波轉(zhuǎn)換控制電路的核心技術(shù)，對開關(guān)電源高頻時的浪涌波動狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測和自動控制。諧振式高頻開關(guān)電源在目前雖然能夠有效減少開關(guān)電源在一次較長時間的啟動過程中所產(chǎn)生的功率耗損，但其中所用到的諧振信號轉(zhuǎn)換集成電路，在目前仍然存在著許多尚未解決的技術(shù)問題。就現(xiàn)階段而言，我國科學(xué)家已經(jīng)針對各類開關(guān)電源的正常工作模式和不同的系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行了許多相關(guān)的技術(shù)研究。例如，如何消除開關(guān)瞬間所產(chǎn)生的功率耗損？有一種方法就是通過降低開關(guān)電源的開啟電流，在一定程度上降低開通時的功率耗損以及浪涌、噪聲干擾，這種方法具有一定的實用性，但消除耗損在改進(jìn)方面仍有很大空間。

開關(guān)電源技術(shù)的快速發(fā)展極大地促進(jìn)了我國智能電網(wǎng)和數(shù)控微機(jī)等工業(yè)電子信息技術(shù)的進(jìn)步。通過配置開關(guān)電源的系統(tǒng)電路，使系統(tǒng)中的各個模塊能夠?qū)崿F(xiàn)自動化控制以及對各個模塊電路的分布式控制，目的是確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，也可以在開關(guān)電源的設(shè)計過程中為其增加啟動濾波器，對啟動頻率進(jìn)行有效地自動調(diào)節(jié)，提高其實用性?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使開關(guān)電源技術(shù)也在不斷革新，開關(guān)電源的性能也在逐年改進(jìn)、提高。

3.2 我國的電源控制技術(shù)正在逐步走向成熟

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電源控制技術(shù)和我國現(xiàn)代過程控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子工程技術(shù)等很多研究領(lǐng)域都有了緊密的聯(lián)系。近年來，我國的電源控制技術(shù)發(fā)展較快，如今已經(jīng)形成了一門由多個專業(yè)學(xué)科相互融合、滲透而來的綜合性電源技術(shù)培養(yǎng)課程，該課程對我國現(xiàn)代信息通信、電氣工程、電子機(jī)械儀表、計算機(jī)、控制工程自動化以及國防和某些重大高新技術(shù)行業(yè)所迫切需要的，針對各種電源的開發(fā)與設(shè)計，提供了可靠的保障。

許多現(xiàn)代高科技設(shè)備在電源使用方面都與其所在城市的供電系統(tǒng)的電流、電壓、相位、頻率等基本參數(shù)密切相關(guān)。通過電源控制技術(shù)，可以實現(xiàn)對這些參數(shù)較為精確的控制，特別是對大功率電器的變頻調(diào)節(jié)。電源控制技術(shù)已經(jīng)成為了十分重要的新興產(chǎn)業(yè)，它是一種從人們的日常生活中逐漸走向尖端化的科學(xué)技術(shù)，也是許多其他高新技術(shù)的重要基石。電力行業(yè)的相關(guān)技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，將成為我國現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會進(jìn)一步發(fā)展的必然趨勢，同時也會為我國現(xiàn)代化電源企業(yè)的發(fā)展節(jié)約能源和資金，為電源制造業(yè)在生產(chǎn)工藝和效率提升等方面提供重要的技術(shù)創(chuàng)新。

4 結(jié)束語

目前，各類開關(guān)電源由于采用了現(xiàn)代化的電力電子技術(shù)和電力電子器件，有效地提升了運(yùn)行效率，減少了開關(guān)電源設(shè)計時的工作量，使其朝著越來越智能化、高效化和節(jié)約能源的方向不斷改進(jìn)。隨著電氣工程和電子信息科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，電力電子技術(shù)作為一門實用性很強(qiáng)的技術(shù)，在我國的應(yīng)用領(lǐng)域也一定會越來越廣泛。

高頻開關(guān)電源的改進(jìn)和制造不僅標(biāo)志著我國近年來在電力行業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大突破，同時也標(biāo)志著我國已經(jīng)開始了對高頻開關(guān)電源技術(shù)的深入研究和探索。在不久的將來，新一代電氣工程和信息工程必將在開關(guān)電源技術(shù)的高頻化、智能化等方面不斷實現(xiàn)新的突破。