現(xiàn)代電源技術(shù)發(fā)展趨勢探析

張曉宇，劉 濤

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300381）

現(xiàn)代電源技術(shù)是以電力電子半導體器件為主，利用計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和電磁技術(shù)建立的新型技術(shù)。現(xiàn)代開關(guān)電源的質(zhì)量非常高，使用安全、可靠，作為一種自動化、智能化、節(jié)能的電源，正在朝著高頻化、綠色化、模塊化的方向發(fā)展。相信隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，電力電子技術(shù)將推動現(xiàn)代電源技術(shù)朝著更加經(jīng)濟實用的方向發(fā)展，實現(xiàn)現(xiàn)代電源技術(shù)高品質(zhì)和高效率的結(jié)合，促進電源技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。

1 現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)代電源技術(shù)是軟開關(guān)與硬開關(guān)的結(jié)合

受到電源技術(shù)的限制，大部分傳統(tǒng)的電器都是使用硬開關(guān)技術(shù)。隨著軟開關(guān)技術(shù)的逐步成熟，其在電器行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，從理論上來看，軟開關(guān)不會造成任何的電損，能夠極大節(jié)省電量［1］。但是目前軟開關(guān)技術(shù)并沒有完全取代硬開關(guān)技術(shù)，而是軟開關(guān)技術(shù)與硬開關(guān)技術(shù)之間相互滲透，使開關(guān)能夠發(fā)揮出更高的性能。在設(shè)計電器產(chǎn)品時，既要充分發(fā)揮軟開關(guān)損耗小、效率高、頻率高的特性，又要充分利用硬開關(guān)技術(shù)電壓、電流定額小，易于濾波的特殊性能，實現(xiàn)兩種開關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢結(jié)合，實現(xiàn)更加優(yōu)良的性能。

1.2 現(xiàn)代電源技術(shù)的小型化發(fā)展趨勢

隨著科學技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)代電器不斷朝著小型化的方向發(fā)展。便于攜帶的小型電器用品越來越受到用戶的追捧，對于開關(guān)電源來說也有著同樣的發(fā)展趨勢，用戶也比較傾向于選擇那些體積較小、便于攜帶的開關(guān)電源，利用現(xiàn)代電源技術(shù)就能夠生產(chǎn)出這樣的產(chǎn)品?，F(xiàn)代電源技術(shù)的電容、變壓器體積和電感與電源工作的頻率平方根是成反比的，這也說明現(xiàn)代開關(guān)電源的體積越小，性能也就越好，不但能夠使開關(guān)電源變得輕便、易于攜帶，而且能夠使開關(guān)電源的性能變得更加優(yōu)良［2］。生產(chǎn)體積、質(zhì)量較小的開關(guān)電源還能夠節(jié)約材料，節(jié)省開關(guān)電源的生產(chǎn)成本，獲得更大的經(jīng)濟效益和社會效益，所以現(xiàn)代開關(guān)電源技術(shù)朝著更加小型化的方向發(fā)展。

2 現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展趨勢

在各種現(xiàn)代化的電源技術(shù)中，開關(guān)電源技術(shù)是最為核心的技術(shù)，很多大型的電器電路復雜，比較笨重，質(zhì)量非常大，使用傳統(tǒng)的電源技術(shù)越來越滿足不了大型電器的發(fā)展需求?，F(xiàn)代化的開關(guān)電源技術(shù)，不僅能夠使傳統(tǒng)的電路體積和質(zhì)量都得到較大的下降，而且能夠促進電源利用效率的大幅度提升，節(jié)約材料，降低成本。所以高頻開關(guān)電源成為現(xiàn)代社會中各種大功率電器的核心技術(shù)，對大功率電器有著至關(guān)重要的作用。

2.1 現(xiàn)代電源技術(shù)的高頻化發(fā)展趨勢

研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代電源技術(shù)的電容、變壓器體積和電感與電源工作的頻率平方根成反比［3］。把電氣設(shè)備的頻率從50 Hz調(diào)整到20 000 Hz時，電氣設(shè)備的體積和重量都能夠得到顯著下降，逆變式整流焊機、開關(guān)式整流器都是采取這種方式進行設(shè)計的。傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的設(shè)計也可以利用上述原理進行改造，利用開關(guān)變換類電源作為整流行業(yè)的電源，這樣的設(shè)計能夠節(jié)約90%的材料以上，還能夠節(jié)約30%左右的電量。隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，功率電子器件的工作頻率上限不斷提升，電力電子的技術(shù)含量越來越高，很多比較傳統(tǒng)的高頻電子設(shè)備開始出現(xiàn)固態(tài)化的發(fā)展趨勢，為企業(yè)帶來了很大的經(jīng)濟效益。

2.2 現(xiàn)代電源技術(shù)的模塊化發(fā)展趨勢

科學技術(shù)的快速發(fā)展使現(xiàn)代電源技術(shù)出現(xiàn)了模塊化的發(fā)展趨勢，工業(yè)生產(chǎn)過程中比較常見的器件模塊一般都包括很多單元類型，比如開關(guān)器件、二極管等都屬于標準功率模塊。有些企業(yè)在進行電源開關(guān)器件設(shè)計時，把驅(qū)動保護電路也安裝到了功率模塊中，形成了更加智能化的功率模塊系統(tǒng)，不但使整機的體積獲得了顯著的降低，也方便了對整機的設(shè)計與制造［4］。隨著電力電子器件頻率的不斷上升，導致很多引線寄生電感、寄生電容的出現(xiàn)。為了促進電力電子器件系統(tǒng)可靠性的快速提升，有些企業(yè)在系統(tǒng)中加入了用戶專享的功率模塊，就是把所有硬件統(tǒng)一安裝到一個固定的模塊之中，元器件之間無需使用引線進行連接，這樣的模塊在經(jīng)過科學的設(shè)計之后，能夠達到比較完美的效果。用戶專享的系統(tǒng)集成模塊實際上類似于微電子中的集成電路，簡單連接便可以形成一個開關(guān)電源裝置，所以對系統(tǒng)進行模塊化處理的目的不但能夠方便使用，還能夠大大縮小整機的體積，無需傳統(tǒng)的連線，大大提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。很多大功率的開關(guān)電源設(shè)計時為了降低電應(yīng)力，都是采取多個獨立單元并聯(lián)工作，使各個模塊能夠共同承載電流，在單個模塊失效的情況下，其他模塊能夠平分這個模塊所承載的電流，不但能夠提升系統(tǒng)的功率容量，還能夠充分利用有限的器件滿足大功率電流的輸出需求，提升系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，防止單模塊故障帶來的問題，保證整個系統(tǒng)的正常工作。

2.3 現(xiàn)代電源技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)的電子技術(shù)控制部分一般都是使用信號模擬器進行設(shè)計和工作的，在數(shù)字化尚未普及的時代，很多電力電子技術(shù)都是建立在模擬電路基礎(chǔ)上的。隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化發(fā)展趨勢不斷加快，數(shù)字式信號和數(shù)字電路在工業(yè)生產(chǎn)中變得越來越重要，數(shù)字信號處理技術(shù)也越來越完善，數(shù)字信號處理的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來［5］。使用計算機技術(shù)對各種信息進行處理，能夠防止模擬信號在傳輸過程中出現(xiàn)失真現(xiàn)象，減少小、雜、散信號對于電子信號的干擾，方便軟件的調(diào)試和遙感監(jiān)測，方便各種診斷技術(shù)和容錯技術(shù)的植入。在20世紀八九十年代模擬技術(shù)發(fā)揮了非常大的作用，尤其是在印制版的布圖、電磁兼容以及功率因數(shù)樣正方面。但是隨著現(xiàn)代化智能開關(guān)電源的快速發(fā)展，傳統(tǒng)模擬技術(shù)的弊端日趨顯露，使用計算機進行控制能夠很好地解決上述問題，這就是數(shù)字化時代帶來的優(yōu)勢。

2.4 現(xiàn)代電源技術(shù)的綠色化發(fā)展趨勢

現(xiàn)代電源技術(shù)的綠色化發(fā)展包括節(jié)電和環(huán)保兩個方面。現(xiàn)代化電源系統(tǒng)的發(fā)展能夠節(jié)省很多的電量，眾所周知，發(fā)電是造成環(huán)境污染的主要原因之一，減少電量的浪費也就意味著能夠減少發(fā)電帶來的環(huán)境污染問題。目前，很多的功率電子設(shè)備都存在著對電網(wǎng)產(chǎn)生污染的問題，很多企業(yè)會向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流，造成電流總功率因數(shù)的下降，這會導致電網(wǎng)電壓耦合的過程中出現(xiàn)很多的毛刺尖峰，更有甚者，還會導致電網(wǎng)電壓耦合的過程中出現(xiàn)很多的缺角和畸變［6］。在20世紀末期，很多有源濾波器和有源補償器的方案被提出，在現(xiàn)代電源技術(shù)處理方面出現(xiàn)了很多種校正功率因數(shù)的方法，這些技術(shù)為21世紀電源技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展是建立在電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，隨著科學技術(shù)不斷發(fā)展，很多新型的電力電子技術(shù)被研發(fā)出來，現(xiàn)代電源技術(shù)在電力電子技術(shù)的推動下也取得了很大的進步，發(fā)展前景十分廣闊。在傳統(tǒng)的技術(shù)條件下，由于功率器件性能的限制，電源開關(guān)的性能受到了很大的影響，為了充分發(fā)揮各種功率器件的特性，把器件性能對開關(guān)電源的影響降至最低水平，很多新型的電路拓撲技術(shù)和控制技術(shù)被研發(fā)出來，使功率開關(guān)工作在零電壓或者零電流狀態(tài)下，大大提升了電源開關(guān)的工作效率，使人們能夠設(shè)計出更加優(yōu)質(zhì)、高效的開關(guān)電源。

3 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷發(fā)展，很多新興的電力電子技術(shù)被研發(fā)出來，并廣泛應(yīng)用于社會的各個領(lǐng)域，新技術(shù)的出現(xiàn)催生了很多新產(chǎn)品，開拓出很多新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源向高頻化、模塊化、數(shù)字化以及綠色化的方面發(fā)展，實現(xiàn)了高效用電和高品質(zhì)用電，促進了現(xiàn)代電源科技的快速發(fā)展。