現(xiàn)代電源技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

楊 波，胡 鑫，邊黨偉

（西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng)712099）

1 現(xiàn)代電源技術(shù)的重要應(yīng)用范疇

1.1 計(jì)算機(jī)電源應(yīng)用

正常順利地運(yùn)行計(jì)算機(jī)應(yīng)該具備綠色、節(jié)能和高效的電源。自20世紀(jì)80年代起，開(kāi)關(guān)電源便已應(yīng)用于計(jì)算機(jī)，代替了先前的SCR相控電源和線性穩(wěn)壓電源[1]。

1.2 通信電源應(yīng)用

快速發(fā)展的通信業(yè)很大程度地促進(jìn)了通信電源的進(jìn)步。現(xiàn)代通信供電中，開(kāi)關(guān)電源的高頻小型化技術(shù)是主要應(yīng)用。關(guān)于通信范疇，一般稱整流器是一次電源，稱直流-直流變換器（DC/DC）是二次電源。一次電源是用作變換三相或單相交流電網(wǎng)成為直流電源擁有48 V的標(biāo)稱值。當(dāng)前應(yīng)用一次電源于程控交換機(jī)時(shí)，高頻開(kāi)關(guān)已經(jīng)替代了以往的相控式穩(wěn)壓電源，經(jīng)過(guò)IGBT或P-MOSFET高頻工作的高頻開(kāi)關(guān)電源，能夠控制開(kāi)關(guān)頻率于50～100 kHz，使小型化和高效率得以實(shí)現(xiàn)。

1.3 不間斷電源應(yīng)用

在不能中斷電力供應(yīng)的場(chǎng)合，需要擁有高性能和高可靠性的電源——不間斷電源。經(jīng)過(guò)整流器使得交流市電成為直流電，一些能源為蓄電池組充電，而其他的能源使用逆變器產(chǎn)生交流電，然后轉(zhuǎn)換負(fù)載狀態(tài)。為使逆變器產(chǎn)生故障時(shí)依然能提供能量給負(fù)載，備用的另一路電源需應(yīng)用電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。電力電子器件能夠使電源降低噪音，且提高可靠性和效率。引入微處理器軟硬件技術(shù)，能夠使智能化管理不間斷電源得以實(shí)現(xiàn)，并可以展開(kāi)遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)[2]。

1.4 變頻器電源應(yīng)用

進(jìn)行變頻調(diào)速的交流電機(jī)是變頻器電源的重點(diǎn)應(yīng)用。普遍采取變頻器形成交流-直流-交流的電源。采取整流器的方式將工頻電源轉(zhuǎn)換為固定直流電壓，接著通過(guò)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)整，然后由GIBT組成的PWM高頻變換器或大功率晶體管，經(jīng)過(guò)直流電壓的逆變，得到交流輸出電壓和頻率轉(zhuǎn)換。通常電源會(huì)輸出相似的正弦波和輸出波形，可用在實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)中。在家電范疇，日本東芝公司在20世紀(jì)80年代初首次于空調(diào)應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)。變頻空調(diào)具備的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能和舒適，不僅擁有變頻電源，還擁有可以變速和變頻的功能。完善控制對(duì)策，選擇良好的功能性部件，為變頻空調(diào)電源打下研制基礎(chǔ)[3]。

1.5 電力有源濾波器應(yīng)用

通過(guò)橋式開(kāi)關(guān)控制電路和功率變換器組成電力有源濾波器。運(yùn)行交換器采用交流-直流的變電方式，將大量諧波電流注入到電網(wǎng)中，使得諧波干擾和損耗產(chǎn)生，并產(chǎn)生惡化功率因數(shù)的狀況，又稱作諧波污染。例如，在整流加電容濾波不可控的情況下，僅存在0.5～0.6的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。電源有源濾波器是可以將諧波動(dòng)態(tài)控制的電力電子新型裝置，可以彌補(bǔ)LC濾波器以往存在的問(wèn)題。

1.6 開(kāi)關(guān)電源的分布式

開(kāi)關(guān)電源分布式的基本部件由大規(guī)?？刂坪托」β誓K集成電路，應(yīng)用最新技術(shù)和理論成果形成的供電電源具備大功率、智能化及積木式的特點(diǎn)，繼而密切結(jié)合弱電和強(qiáng)電，使得效率提高。分布式供電具備的優(yōu)點(diǎn)是方便維護(hù)、經(jīng)濟(jì)、高效、可靠及節(jié)能等，逐漸被應(yīng)用于工業(yè)控制、航空航天、通信設(shè)備以及大型計(jì)算機(jī)等。這種供電方式是最理想的低壓高速型集成電路電源。在大功率范疇，該電源擁有寬廣的發(fā)展空間，如電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電力機(jī)車牽引電源及電解電源等。

1.7 開(kāi)關(guān)電源的工作方式

（1）脈頻調(diào)制方式。這種方式具備的特點(diǎn)是維持脈沖原有寬度，采用改變開(kāi)關(guān)頻率的方式控制占空比，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓效果。脈頻調(diào)制器是重點(diǎn)。設(shè)計(jì)電路過(guò)程中，將鋸齒波脈寬發(fā)生器替換成固定脈寬發(fā)生器，采取電壓/頻率轉(zhuǎn)換器將頻率改變，如壓控振蕩器。它的穩(wěn)壓原理為：在輸出電壓升高的狀況下，控制器所輸出的周期變長(zhǎng)，但脈沖寬度不變，減小占比空間；在輸出電壓降低的情況下，輸出電壓在PFM式開(kāi)關(guān)電源中擁有很寬的調(diào)節(jié)范圍，輸出端不必接入負(fù)載。（2）脈寬調(diào)制式。這種方式具有維持開(kāi)關(guān)頻率不變的特點(diǎn)，可采用改變脈沖寬度的方式控制占空比，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓效果。脈寬調(diào)制器至關(guān)重要。固定開(kāi)關(guān)周期對(duì)設(shè)計(jì)濾波電路非常有利，然而仍存在顯著的缺點(diǎn)，受限于最小導(dǎo)通時(shí)間的功率。目前大多應(yīng)用PWM方式的集成開(kāi)關(guān)電源。（3）混合調(diào)制式。這種方式指的是不固定的開(kāi)關(guān)頻率和脈沖寬度，是混合PFM和PWM的方式，其包括脈頻與脈寬調(diào)制器[4]。因?yàn)槟軌騿为?dú)調(diào)節(jié)T和TP，所以擁有最寬調(diào)節(jié)范圍的占空比，適用于調(diào)節(jié)寬范圍的開(kāi)關(guān)電源和實(shí)驗(yàn)室輸出電壓。

2 現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展走向分析

2.1 高頻化發(fā)展

相關(guān)科學(xué)研究表明，現(xiàn)代電源技術(shù)中，電源電感的工作頻率的平方根與變壓器電容的體積成反相關(guān)關(guān)系。將電氣設(shè)備從50 Hz的頻率調(diào)整到20 000 Hz時(shí)，電氣設(shè)備的重量和體積明顯下降。該方法通常應(yīng)用于開(kāi)關(guān)式整流器和逆變式整流焊機(jī)的設(shè)計(jì)中。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，功率電子器件提高了工作頻率，使現(xiàn)代電源技術(shù)得到提高，許多高頻電子設(shè)備較為傳統(tǒng)的類型展現(xiàn)出固態(tài)化發(fā)展走向，提供給企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益較大。

2.2 模塊化發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸展現(xiàn)出模塊化的現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展走向，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，廣泛應(yīng)用的器件模塊存在的單元類型較多，如標(biāo)準(zhǔn)功率的開(kāi)關(guān)器件與二極管等。設(shè)計(jì)電源開(kāi)關(guān)時(shí)，有些企業(yè)將驅(qū)動(dòng)保護(hù)器安裝與功率模塊，獲得智能化的功率模塊系統(tǒng)，對(duì)整機(jī)的設(shè)計(jì)與制造十分有利。隨著現(xiàn)代電源器件逐漸上升工作頻率，寄生電感與寄生電容隨之產(chǎn)生。為使現(xiàn)代電源器件更加快速、更加可靠，部分企業(yè)將用戶專享的功能模塊加入到系統(tǒng)中，即在固定的模塊中統(tǒng)一安裝全部的硬件，不需要引線將各個(gè)元器件相互連接。用戶實(shí)際專享的集成模塊系統(tǒng)與微電子的集成電路較為相似，開(kāi)關(guān)電源裝置的形成只需要簡(jiǎn)單的連接。為使電壓應(yīng)力降低，企業(yè)通常要運(yùn)用多個(gè)獨(dú)立單元進(jìn)行并聯(lián)工作，令各模塊共同承載電流。通過(guò)與其他模塊平分承載的電流，避免了單模塊故障，保證了整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[5]。

2.3 數(shù)字化發(fā)展

以往的信息模擬器通常用于電子技術(shù)控制的工作和設(shè)計(jì)。數(shù)字時(shí)代，許多電力電子技術(shù)建設(shè)都是以模擬電路為基礎(chǔ)的。然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化的發(fā)展也在加速。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，數(shù)字電路與數(shù)字式信號(hào)變得愈發(fā)重要，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)逐漸完善與成熟，不斷展現(xiàn)出數(shù)字信號(hào)處理的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)處理各種信息，可以避免模擬信號(hào)在傳輸中產(chǎn)生失真狀況，可將干擾電子信號(hào)的散、雜、小信號(hào)減少，便于遙感監(jiān)測(cè)與調(diào)試軟件，有利于植入更多的容錯(cuò)技術(shù)與診斷技術(shù)。20世紀(jì)末期，模擬技術(shù)表現(xiàn)出較大的作用，特別是在功率因數(shù)校正、電磁兼容及印制版布圖等方面。與模擬電源相比，數(shù)字電源采用A/D轉(zhuǎn)換器采樣，單片機(jī)計(jì)算誤差，利用數(shù)字電源控制器FPGA、MCU及DSP等算法計(jì)算占空比，控制功率開(kāi)關(guān)管。數(shù)字電源主要由數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字電源PWM控制器及數(shù)字信號(hào)處理器等器件組成。控制數(shù)字開(kāi)關(guān)電源的方法有兩種。（1）數(shù)字芯片控制。開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)由高性能數(shù)字控制芯片（如DSP）采樣，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸出PWM控制信號(hào)。DSP輸出的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)由驅(qū)動(dòng)器放大并施加到開(kāi)關(guān)。數(shù)字電源具有模塊化程度高、數(shù)字智能芯片可操作性高及通信功能易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。但是，數(shù)字電源也存在許多需要解決的技術(shù)問(wèn)題，如長(zhǎng)控制周期、長(zhǎng)相位延遲時(shí)間等。（2）單片機(jī)控制。當(dāng)微控制器控制數(shù)字開(kāi)關(guān)電源時(shí)，系統(tǒng)首先對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。精確地計(jì)算和調(diào)整數(shù)字信號(hào)，將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)PWM控制芯片，間接實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字控制[6]。

2.4 綠色化發(fā)展

綠色化發(fā)展現(xiàn)代電源技術(shù)包含兩個(gè)方面——環(huán)保與節(jié)能。發(fā)展現(xiàn)代電源系統(tǒng)可以節(jié)約大量的電量。導(dǎo)致環(huán)境污染的關(guān)鍵問(wèn)題是發(fā)電，避免電量浪費(fèi)現(xiàn)象，可以減少發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染[7]?，F(xiàn)代電源技術(shù)產(chǎn)生了許多校正功率因數(shù)的處理辦法，奠定了發(fā)展電源技術(shù)的前提條件，現(xiàn)代供電技術(shù)的發(fā)展基本上是基于電力電子技術(shù)的發(fā)展。為使電源開(kāi)關(guān)性能得到充分發(fā)揮，研發(fā)出許多新型控制技術(shù)和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]。

3 結(jié) 論

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，逐漸研發(fā)出許多新型電源技術(shù)。本文詳細(xì)介紹了現(xiàn)代電源技術(shù)的的重要應(yīng)用范疇。現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源發(fā)展趨向于綠色化、數(shù)字化、模塊化和高頻化，使得用電效果更加高品質(zhì)、高效用，推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。