電力電子技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用分析

馬秋芝

（西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院，陜西 西安 710043）

0 引 言

電力電子技術(shù)關(guān)鍵對(duì)電磁能開(kāi)展操縱和轉(zhuǎn)換，運(yùn)用電子器件能源技術(shù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與能源有關(guān)的電子產(chǎn)品。電力電子技術(shù)關(guān)鍵分成3個(gè)部分，第一部分是電力電子元器件，第二部分是正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）電源電路，第三部分是控制回路。能源電子器件技術(shù)主要是根據(jù)電力工程、電子器件以及操縱三大電氣專(zhuān)業(yè)技術(shù)的交叉式完成。隨著社會(huì)與科學(xué)研究技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)做為一門(mén)結(jié)合三大技術(shù)行業(yè)的課程，與當(dāng)代控制理論的聯(lián)絡(luò)越來(lái)越密切。此外，它與能源科學(xué)、電氣工程以及信息科學(xué)息息相關(guān)，做為一般技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在很多行業(yè)充分發(fā)揮功效[1]。

1 電力電子技術(shù)特點(diǎn)

現(xiàn)階段，變換電源電路在電子器件熱傳遞全過(guò)程中起著重要作用，可以將交流電源變換為直流電源。隨著科學(xué)研究技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子技術(shù)展現(xiàn)出可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，電力電子器件的研發(fā)也推動(dòng)了當(dāng)前電力行業(yè)的進(jìn)步，使人們進(jìn)入了高頻智能電源時(shí)代[2,3]。絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的異步互聯(lián)，解決了許多功率開(kāi)關(guān)不穩(wěn)定的問(wèn)題，避免了電路中的短路和功率損耗。

影響電力傳輸?shù)囊蛩睾芏啵缇€路距離、電壓、傳輸線路質(zhì)量以及線路設(shè)備品牌等，都會(huì)影響線路的電流傳輸速率。如果電路距離過(guò)長(zhǎng)、電壓不足或電路設(shè)備不齊全，就有可能降低電源開(kāi)關(guān)響應(yīng)的靈敏度，增加電路功耗[4]。此外，部分用戶并不關(guān)心用電安全，頻繁使用電源開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致短路和熔斷器熔斷等問(wèn)題，甚至可能產(chǎn)生漏電風(fēng)險(xiǎn)，威脅用戶的人身安全。因此，新時(shí)代能源工作者必須提前預(yù)見(jiàn)這些潛在的安全隱患，制定有效的政策和解決方案[5]。

2 目前電力電子的應(yīng)用

事實(shí)上，電力電子技術(shù)已經(jīng)在社會(huì)中得到了廣泛應(yīng)用，具有整流、反相以及斬波功能，非常擅長(zhǎng)轉(zhuǎn)換電能，可以滿足人們的多樣化需求。電子技術(shù)在提高電力利用率方面具有不可替代的作用，但是目前我國(guó)應(yīng)用方面的實(shí)例并不多，能源電子技術(shù)在這方面的作用還沒(méi)有完全發(fā)揮作用?，F(xiàn)代高科技智能控制和模塊化開(kāi)發(fā)提高了生產(chǎn)效率，降低了能耗和研發(fā)成本，使電力電子技術(shù)能夠高效利用電能，電子電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[6]。此外，電力電子技術(shù)也可用于工業(yè)，提高電能使用效率和工作效率，減少對(duì)環(huán)境的污染。

高壓直流輸電有其自身的優(yōu)勢(shì)，可以降低電力消耗，調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行速度。電力電子技術(shù)的應(yīng)用可以更好地提高直流輸電技術(shù)，降低項(xiàng)目實(shí)施成本。電力電子技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，可以更好地控制交流輸電系統(tǒng)，快速有效地調(diào)整輸電系統(tǒng)參數(shù)，改變系統(tǒng)潮流分布，使系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)。電力電子技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越普及，電力系統(tǒng)的電力諧波需要適當(dāng)改善。有源濾波實(shí)質(zhì)上可以通過(guò)可控半導(dǎo)體將幅度相同或相反的電流泵入電網(wǎng)，目的是使電源的諧波電流為零，并隨時(shí)隨地對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償。電力的使用是連續(xù)不斷地輸入，所以要保證電源不切斷，電力輸入不停止，電力系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。電力系統(tǒng)安全可靠地工作，節(jié)約了更多的電力資源，保證了電力社會(huì)的發(fā)展以及電力的高效供給[7]。

3 電力電子技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源中的類(lèi)型

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，人們的生活中出現(xiàn)了各種能量開(kāi)關(guān)。根據(jù)電路類(lèi)型和電流傳輸方式的不同，開(kāi)關(guān)電源主要分為以下幾類(lèi)。

3.1 按照輸入輸出方式劃分

由于輸入輸出方式的不同，開(kāi)關(guān)電源可分為DC/DC轉(zhuǎn)換器和AC/DC轉(zhuǎn)換器。其中，DC/DC模式更注重電流的可靠性和安全性，而AC/DC更注重電源開(kāi)關(guān)的低功耗和低噪聲設(shè)計(jì)，為用戶提供更貼心的服務(wù)。根據(jù)兩種電流傳輸方式的不同，用戶需要為自己的需求選擇合適的電源開(kāi)關(guān)，以充分發(fā)揮DC/DC和AC/DC轉(zhuǎn)換器的價(jià)值和作用。

3.2 按照驅(qū)動(dòng)方式劃分

開(kāi)關(guān)電源按照按驅(qū)動(dòng)方式不同可分為接觸式和非接觸式兩種。其中，接觸式需要用戶觸摸電源開(kāi)關(guān)進(jìn)行相關(guān)操作，而非接觸式具有智能化和自動(dòng)化的特點(diǎn)，用戶可以遠(yuǎn)程控制電源開(kāi)關(guān)。前者雖比較傳統(tǒng)，但非常靈敏。

3.3 按照控制方式劃分

根據(jù)控制方式的不同，開(kāi)關(guān)電源還可以分為脈寬調(diào)制和脈沖頻率調(diào)制。每個(gè)電源開(kāi)關(guān)都有自己的價(jià)值和特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。只有掌握電子電力傳輸方法和技術(shù)，才能不斷提高功率開(kāi)關(guān)的性能，有效保證開(kāi)關(guān)電源的效率，減少不必要的功率損耗。

4 開(kāi)關(guān)電源與其他電子電氣技術(shù)實(shí)際結(jié)合應(yīng)用

4.1 高頻開(kāi)關(guān)電源

高頻率開(kāi)關(guān)電源在具體運(yùn)用全過(guò)程中能夠完成溝通交流電源變換，以達(dá)到用電量機(jī)器設(shè)備的供電系統(tǒng)要求。當(dāng)高頻率開(kāi)關(guān)電源接入時(shí)，電流量根據(jù)功率較大電子開(kāi)關(guān)的整流電路變換為低壓，最后產(chǎn)生平穩(wěn)的輸出電壓?？傮w來(lái)說(shuō)，當(dāng)代高頻電源具備重量較輕和體型較小等明顯特性。高頻變頻電源在應(yīng)用中不用電源變頻調(diào)速器，這促使高頻率變頻電源的品質(zhì)更高，容積比別的變頻電源更小，方便使用[8]。高頻率開(kāi)關(guān)電源能夠運(yùn)用硅的導(dǎo)通角來(lái)操縱實(shí)際功率改變率，更改高頻率開(kāi)關(guān)電源的負(fù)荷也會(huì)影響功率因素的轉(zhuǎn)變。高頻率開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)噪聲低于50 dB，比較之下，其噪聲比可控性整流器機(jī)器設(shè)備低35%，并且在電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)一瞬間功能損耗低，有益于節(jié)能降耗，能合理提升設(shè)備的運(yùn)作高效率。

電力電子技術(shù)廣泛運(yùn)用于高頻開(kāi)關(guān)電源，可合理提升電子整流器的輸出功率。根據(jù)對(duì)集成電路芯片的深層次產(chǎn)品研發(fā)，促進(jìn)了高頻率開(kāi)關(guān)電源在電氣行業(yè)的運(yùn)用，進(jìn)一步向造型設(shè)計(jì)化、微型化、高效性方位發(fā)展。電子信息技術(shù)和通信技術(shù)的運(yùn)用，使高頻開(kāi)關(guān)電源機(jī)器設(shè)備運(yùn)行更為平穩(wěn)[9]。開(kāi)關(guān)電源中的一部分流量傳送到變電器和逆變電源，以完成機(jī)器設(shè)備的正常運(yùn)作，另一部分注入充電電池為蓄電池充電。借助大功率IGBT，不間斷電源能夠在一定水平上合理減少高頻開(kāi)關(guān)電源的噪聲，增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度，提升系統(tǒng)軟件的可靠性。

4.2 高頻逆變式整流焊機(jī)電源

在發(fā)展前景方面，高頻逆變電源發(fā)展前景良好。高頻開(kāi)關(guān)器件可以進(jìn)行耦合過(guò)程，實(shí)現(xiàn)直流恒流。經(jīng)過(guò)整流過(guò)程后，過(guò)濾轉(zhuǎn)換為恒定恒流。實(shí)際中，焊機(jī)供電可以在環(huán)境惡劣的情況下使用，供電的穩(wěn)定性和可靠性非常高。

4.3 同步整流技術(shù)

同步整流技術(shù)不但合理地節(jié)省了電力能源，而且進(jìn)一步提高了電源的效率。該技術(shù)的產(chǎn)品研發(fā)根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，當(dāng)氫氧化物單電導(dǎo)體晶體三極管與整流二極管串聯(lián)時(shí)，開(kāi)關(guān)電源可以融入低壓和大電流量。當(dāng)浪涌電流在電源電路中流動(dòng)時(shí)，根據(jù)操縱金屬材料空氣氧化三極管最后做到零運(yùn)行工作電壓。

應(yīng)用同步整流技術(shù)有助于降低開(kāi)關(guān)電源的功率損耗，解決用戶開(kāi)關(guān)響應(yīng)慢的問(wèn)題，，但也可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)噪聲的增加，存在很多實(shí)際問(wèn)題。相關(guān)技術(shù)人員可以為用戶提供更高的服務(wù)保障，在實(shí)現(xiàn)高頻的同時(shí)降低噪音。隨著智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，不間斷電源逐漸出現(xiàn)在大眾視野中。其為一種集計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)于一體的高科技、高性能電源，可實(shí)現(xiàn)智能化管控，大大提高電源的轉(zhuǎn)換效率[10]?，F(xiàn)代電力電子設(shè)備也可作為不間斷電源應(yīng)用模塊，實(shí)現(xiàn)UPS的智能化管理，使電子電力系統(tǒng)更簡(jiǎn)單、更科學(xué)。此外，開(kāi)關(guān)電源的主電路設(shè)計(jì)也有特定要求，不能隨意搭配電器元件。電路中的電子設(shè)備必須滿足非線性特性，才能實(shí)現(xiàn)電路的多路控制，使控制系統(tǒng)更加有序和充實(shí)。

在電力電子技術(shù)中，使用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以有效降低開(kāi)關(guān)電源的故障率。開(kāi)關(guān)電源的脈寬調(diào)制由IGBT功率器件控制，解決大功率逆變器主電路結(jié)構(gòu)的功耗問(wèn)題，降低開(kāi)關(guān)電源的功耗。應(yīng)用諧振原理解決傳統(tǒng)電源的浪涌電流問(wèn)題，有助于減緩電壓浪涌，降低系統(tǒng)故障的可能性。當(dāng)諧振電路導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)，它可以吸收高頻轉(zhuǎn)換器的電容和電感，降低開(kāi)關(guān)電源的功耗，同時(shí)對(duì)晶體管等元件進(jìn)行減壓。與傳統(tǒng)電路開(kāi)關(guān)啟動(dòng)帶來(lái)的大量功率損耗相比，電子電源技術(shù)可以有效保證開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性，提高開(kāi)關(guān)電源的利用率。此外，電力電子技術(shù)中的同步整流技術(shù)可以有效提高開(kāi)關(guān)電源的工作效率。在同步整流技術(shù)中，將整流開(kāi)關(guān)二極管部分的金屬絕緣體一半反接，使同步電流通過(guò)零電壓/電流開(kāi)關(guān)。

開(kāi)關(guān)電源的使用頻率可以通過(guò)電路的時(shí)間周期來(lái)控制，必要時(shí)可通過(guò)引入模糊控制、微機(jī)控制以及手動(dòng)控制等多種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，為用戶提供高效的控制系統(tǒng)。一些用戶對(duì)家用電器的安全性有更高的要求，如兒童電器和家用熨斗等。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以采用靈活的交流輸電系統(tǒng)，主要增強(qiáng)家用電器的防漏電功能。隨著科學(xué)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，電力傳輸系統(tǒng)已成為各領(lǐng)域的重大研究課題。可以利用電源技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源中加入IGBT、FACTS等可旋轉(zhuǎn)器件，改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高電源開(kāi)關(guān)的靈敏度。無(wú)論電路傳輸系統(tǒng)是否一致，都需要制定詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)電路傳輸?shù)目煽啃?，并與電力電子技術(shù)應(yīng)用一起擴(kuò)大開(kāi)關(guān)電源的市場(chǎng)活動(dòng)。

5 結(jié) 論

隨著科學(xué)研究技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源在各個(gè)領(lǐng)域獲得了普遍運(yùn)用，對(duì)其要求也越來(lái)越高。除輸出功率和耗能的規(guī)定外，對(duì)穩(wěn)定性的規(guī)定也越來(lái)越高。因而必須依據(jù)技術(shù)在各領(lǐng)域的具體發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行持續(xù)探索和科學(xué)研究，確保在開(kāi)關(guān)電源基本特性持續(xù)提升的基礎(chǔ)上，外型和品質(zhì)也隨之提高。