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

李潤(rùn)楊

（連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引 言

在社會(huì)諸多領(lǐng)域，電源技術(shù)都有著廣泛運(yùn)用，正是憑借該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，人們的日常生活與生產(chǎn)發(fā)生了重大變化。開(kāi)關(guān)電源憑借自身突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在電子設(shè)備、通信設(shè)備以及檢測(cè)設(shè)備等領(lǐng)域有著極高的應(yīng)用價(jià)值，并在進(jìn)行不斷完善與發(fā)展。毋庸置疑，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的普及與電子電力技術(shù)的發(fā)展有著十分密切的聯(lián)系，人們?cè)诔姓J(rèn)其應(yīng)用價(jià)值的同時(shí)要充分認(rèn)識(shí)到開(kāi)關(guān)電源在應(yīng)用實(shí)踐中存在的一些缺陷[1]?；诖?，人們有必要圍繞電力電子技術(shù)與電源技術(shù)的融合與發(fā)展進(jìn)行探討、研究，分析開(kāi)關(guān)電源存在的問(wèn)題并提出有效策略，將電力電子技術(shù)融入其中，提高開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)水平，克服技術(shù)難題，以此推動(dòng)電力電子技術(shù)及開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

1 現(xiàn)代電力電子技術(shù)

1.1 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷程

所謂電力電子技術(shù)，就是基于電力電子器件控制、轉(zhuǎn)化電能的一種方法，該項(xiàng)技術(shù)涉及到電子、電力以及控制等學(xué)科領(lǐng)域。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，現(xiàn)代電力電子技術(shù)集現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、微電子技術(shù)于一體，逐步發(fā)展成為了一門(mén)獨(dú)立學(xué)科，具有很強(qiáng)的綜合性和系統(tǒng)性。電力電子技術(shù)的發(fā)展歷程可以分為三個(gè)階段，即整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代、變頻器時(shí)代，具體闡述如下。

第一，整流器時(shí)代。在大功率背景下，工業(yè)用電主要源自于工頻為50 Hz的交流發(fā)電機(jī)，但其中有一部分電能屬于直流形式，所占比重約為1/5，最典型的領(lǐng)域?yàn)殡娊?、牽引以及直流傳?dòng)等。在這一階段，大功率硅整流管與晶閘管的應(yīng)用逐漸普及。第二，逆變器時(shí)代。這一階段為20世紀(jì)70年代，在微機(jī)得到普及的背景下，電力電子裝置的智能化水平有所提升。在電力電子電路不斷完善的背景下，工業(yè)領(lǐng)域開(kāi)始涌現(xiàn)由晶閘管組成的不同種類的電力電子裝置。這一階段，電力電子器件主要為大功率逆變用的晶閘管、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管以及巨型功率晶體管。逆變器時(shí)代，整流與逆變問(wèn)題已得到解決，電力電子技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐中，主要問(wèn)題在于工頻難以提升，大部分依然處于中低頻水平。第三，變頻器時(shí)代。20世紀(jì)80年代，大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路技術(shù)研究取得了重大突破，這對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展有著里程碑意義。基于集成電路技術(shù)的發(fā)展，憑借精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)，全控型功率器件得以形成。在新型器件不斷發(fā)展的背景下，交流電機(jī)的性能得到優(yōu)化；同時(shí)，高頻化成為電力電子技術(shù)的主要發(fā)展方向。在此背景下，電力設(shè)備的節(jié)能性得到極大提升，并且趨向于小型輕量化發(fā)展。就技術(shù)層面而言，機(jī)電一體化與智能化對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

1.2 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代背景下，技術(shù)創(chuàng)新成為社會(huì)各領(lǐng)域的焦點(diǎn)話題，政府與企業(yè)的創(chuàng)新意識(shí)不斷強(qiáng)化。作為一項(xiàng)新興技術(shù)，電力電子技術(shù)集多門(mén)學(xué)科于一體，在工業(yè)領(lǐng)域中具有重大應(yīng)用價(jià)值[2]?；诖耍磥?lái)建設(shè)電力電子技術(shù)的創(chuàng)新機(jī)制具有重要意義，是優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有效途徑。20世紀(jì)90年代，電力電子器件的發(fā)展趨于高頻化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化以及智能化。根據(jù)電力電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀可知，高頻化與智能化已經(jīng)成為電力電子技術(shù)的主流趨勢(shì)，在此背景下，機(jī)電設(shè)備的響應(yīng)速度與工作效率必然得到全面提升。

2 現(xiàn)代電源技術(shù)

現(xiàn)代電源技術(shù)與電力電子技術(shù)有著十分密切的聯(lián)系，多體現(xiàn)在電力電子半導(dǎo)體器件上，并融合了自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及電磁技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)手段，具有非常廣闊的應(yīng)用范圍。根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)可以將電源分為不同種類，例如根據(jù)輸入、輸出可將電源分為AC-AC、AC-DC、DC-AC、DC-DC等；以工作狀態(tài)為依據(jù)，可將電源分為線性電源、二極管穩(wěn)壓電源以及開(kāi)關(guān)電源。本文主要圍繞開(kāi)關(guān)電源中電力電子技術(shù)的運(yùn)用展開(kāi)探討。

在電力電子技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)逐漸趨于成熟，其發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。第一，技術(shù)模塊化、智能化。模塊化電源技術(shù)一方面指功率器件，另一方面指電源單元。在新型技術(shù)的支持下，電源對(duì)不同模塊進(jìn)行集成化處理，如此開(kāi)關(guān)電源占用空間就會(huì)變小，器件更加穩(wěn)定，系統(tǒng)的可靠性得到提升。輸出穩(wěn)壓電路模塊化發(fā)展提高了電源使用的靈活性與便捷性。第二，數(shù)字化與多元化是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。正如上文所述，電子技術(shù)具有很強(qiáng)的綜合性，涉及了諸多學(xué)科領(lǐng)域，其中電源技術(shù)主要包括功率轉(zhuǎn)換、數(shù)字化控制、高頻變換等技術(shù)內(nèi)容。為進(jìn)一步提高技術(shù)創(chuàng)新性，電源技術(shù)的發(fā)展必然要充分結(jié)合行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，不斷更新自身知識(shí)技能，從而實(shí)現(xiàn)多元化與數(shù)字化發(fā)展[3]。

3 電力電子技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源中的具體運(yùn)用

20世紀(jì)末，電子與電氣設(shè)備中，開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)逐漸凸顯，并廣泛運(yùn)用于電子檢測(cè)設(shè)備、控制設(shè)備以及通信設(shè)備等領(lǐng)域，這對(duì)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展也起到了巨大的推動(dòng)作用。不可否認(rèn)，開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)固然存在，例如開(kāi)關(guān)電源的電路有待簡(jiǎn)化，抗射頻與電磁干擾能力不強(qiáng)。在科技不斷發(fā)展的今天，人們開(kāi)始重視并逐漸解決開(kāi)關(guān)電源存在的一些問(wèn)題與缺陷[4]。目前，開(kāi)關(guān)電源的征集電路主要分為兩種，即主電路與控制電路。其中：主電路涉及到整流濾波輸入、功率轉(zhuǎn)換以及整流濾波輸出等三個(gè)環(huán)節(jié)，主要功能是向負(fù)載傳遞電網(wǎng)電能；控制電路以保護(hù)電路運(yùn)行為主。

3.1 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

基于IGBT功率器件控制的PWM電源在能耗上具有突出優(yōu)勢(shì)，相較于傳統(tǒng)大功率電源的逆變主電路結(jié)構(gòu)，PWM電源可以減少近40%的能耗。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)借助了諧振原理，改進(jìn)、優(yōu)化了傳統(tǒng)電路中緩沖電路對(duì)電壓尖峰的消除和浪涌電流問(wèn)題，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，有效控制了故障概率。傳統(tǒng)電路中，開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行操作的瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的電流和電壓，如果不能利用這部分電能，就會(huì)造成能量損耗?；谥C振電路的運(yùn)用，可以吸收高頻變壓器中的電感與電容，從而緩釋晶體管等元件的壓力，使電源得到充分利用，并有效維持電源的穩(wěn)定性[5]。

3.2 同步整流技術(shù)

同步整流技術(shù)是基于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，提升開(kāi)關(guān)電源效率的一種技術(shù)手段。同步整流技術(shù)通過(guò)反接的方式，處理整流開(kāi)關(guān)二極管中的金屬絕緣體與半導(dǎo)體管，使電源適應(yīng)低壓、大電流條件。在零電壓開(kāi)關(guān)與零電流開(kāi)關(guān)的驅(qū)使下，同步電流產(chǎn)生的脈沖信號(hào)會(huì)與初始的脈沖信號(hào)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，使其上升沿超遠(yuǎn)原有的上升沿，進(jìn)而有效控制金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)方式。

3.3 控制技術(shù)

當(dāng)設(shè)計(jì)主電路時(shí)，通常需要充分考慮開(kāi)關(guān)變換器的結(jié)構(gòu)，分析其離散非線性特點(diǎn)?；诖?，多路控制在開(kāi)關(guān)電源中具有很強(qiáng)的適用性。基于調(diào)整開(kāi)關(guān)電源的電子運(yùn)動(dòng)與時(shí)間周期，可以使開(kāi)關(guān)電源具有動(dòng)態(tài)性。利用基因算法、BP算法、模糊控制、微機(jī)控制以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以提高開(kāi)關(guān)電源的智能化程度。此外，MEMS技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源中具有很高的應(yīng)用價(jià)值，它可以提高微機(jī)運(yùn)行的效率，促使微機(jī)或DSP在大功率開(kāi)關(guān)的數(shù)字模塊中充分發(fā)揮作用，從而提升開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字化水平。

3.4 功率半導(dǎo)體技術(shù)

電力電子技術(shù)的發(fā)展催生了MOSFET與IGBT半導(dǎo)體器件。開(kāi)關(guān)電源中，運(yùn)用MOSFET與IGBT半導(dǎo)體器件，可以提升電源效率并充分利用能源。這兩種晶體管的內(nèi)部電阻非常小，對(duì)驅(qū)動(dòng)功率沒(méi)有過(guò)高要求，在能耗方面具有非常突出的優(yōu)勢(shì)?；谕秸骷夹g(shù)與控制技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的高頻化發(fā)展，從而提高開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)水平。

4 結(jié) 論

總而言之，電力電子技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。未來(lái)電源技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，人們應(yīng)致力于研究電力電子技術(shù)與電源技術(shù)的融合問(wèn)題，提高開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)水平，促使其在實(shí)踐中充分發(fā)揮應(yīng)有的作用與功能，為推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展提供有力支持。