現代電源技術發展趨勢探析

張曉宇，劉 濤

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300381）

現代電源技術是以電力電子半導體器件為主，利用計算機技術、自動控制技術和電磁技術建立的新型技術。現代開關電源的質量非常高，使用安全、可靠，作為一種自動化、智能化、節能的電源，正在朝著高頻化、綠色化、模塊化的方向發展。相信隨著科學技術的快速發展，電力電子技術將推動現代電源技術朝著更加經濟實用的方向發展，實現現代電源技術高品質和高效率的結合，促進電源技術的現代化發展。

1 現代電源技術的發展現狀

1.1 現代電源技術是軟開關與硬開關的結合

受到電源技術的限制，大部分傳統的電器都是使用硬開關技術。隨著軟開關技術的逐步成熟，其在電器行業中的應用越來越廣泛，從理論上來看，軟開關不會造成任何的電損，能夠極大節省電量［1］。但是目前軟開關技術并沒有完全取代硬開關技術，而是軟開關技術與硬開關技術之間相互滲透，使開關能夠發揮出更高的性能。在設計電器產品時，既要充分發揮軟開關損耗小、效率高、頻率高的特性，又要充分利用硬開關技術電壓、電流定額小，易于濾波的特殊性能，實現兩種開關技術的優勢結合，實現更加優良的性能。

1.2 現代電源技術的小型化發展趨勢

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

2 現代電源技術的發展趨勢

在各種現代化的電源技術中，開關電源技術是最為核心的技術，很多大型的電器電路復雜，比較笨重，質量非常大，使用傳統的電源技術越來越滿足不了大型電器的發展需求。現代化的開關電源技術，不僅能夠使傳統的電路體積和質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，節約材料，降低成本。所以高頻開關電源成為現代社會中各種大功率電器的核心技術，對大功率電器有著至關重要的作用。

2.1 現代電源技術的高頻化發展趨勢

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

2.2 現代電源技術的模塊化發展趨勢

科學技術的快速發展使現代電源技術出現了模塊化的發展趨勢，工業生產過程中比較常見的器件模塊一般都包括很多單元類型，比如開關器件、二極管等都屬于標準功率模塊。有些企業在進行電源開關器件設計時，把驅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，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。為了促進電力電子器件系統可靠性的快速提升，有些企業在系統中加入了用戶專享的功率模塊，就是把所有硬件統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，這樣的模塊在經過科學的設計之后，能夠達到比較完美的效果。用戶專享的系統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電源裝置，所以對系統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，無需傳統的連線，大大提升系統的穩定性。很多大功率的開關電源設計時為了降低電應力，都是采取多個獨立單元并聯工作，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，提升系統工作的穩定性，防止單模塊故障帶來的問題，保證整個系統的正常工作。

2.3 現代電源技術的數字化發展趨勢

傳統的電子技術控制部分一般都是使用信號模擬器進行設計和工作的，在數字化尚未普及的時代，很多電力電子技術都是建立在模擬電路基礎上的。隨著互聯網信息技術的快速發展，數字化發展趨勢不斷加快，數字式信號和數字電路在工業生產中變得越來越重要，數字信號處理技術也越來越完善，數字信號處理的優勢逐漸顯現出來［5］。使用計算機技術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失真現象，減少小、雜、散信號對于電子信號的干擾，方便軟件的調試和遙感監測，方便各種診斷技術和容錯技術的植入。在20世紀八九十年代模擬技術發揮了非常大的作用，尤其是在印制版的布圖、電磁兼容以及功率因數樣正方面。但是隨著現代化智能開關電源的快速發展，傳統模擬技術的弊端日趨顯露，使用計算機進行控制能夠很好地解決上述問題，這就是數字化時代帶來的優勢。

2.4 現代電源技術的綠色化發展趨勢

現代電源技術的綠色化發展包括節電和環保兩個方面。現代化電源系統的發展能夠節省很多的電量，眾所周知，發電是造成環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電帶來的環境污染問題。目前，很多的功率電子設備都存在著對電網產生污染的問題，很多企業會向電網注入嚴重的高次諧波電流，造成電流總功率因數的下降，這會導致電網電壓耦合的過程中出現很多的毛刺尖峰，更有甚者，還會導致電網電壓耦合的過程中出現很多的缺角和畸變［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，在現代電源技術處理方面出現了很多種校正功率因數的方法，這些技術為21世紀電源技術的發展奠定了堅實的基礎。現代電源技術的發展是建立在電力電子技術發展的基礎上，隨著科學技術不斷發展，很多新型的電力電子技術被研發出來，現代電源技術在電力電子技術的推動下也取得了很大的進步，發展前景十分廣闊。在傳統的技術條件下，由于功率器件性能的限制，電源開關的性能受到了很大的影響，為了充分發揮各種功率器件的特性，把器件性能對開關電源的影響降至最低水平，很多新型的電路拓撲技術和控制技術被研發出來，使功率開關工作在零電壓或者零電流狀態下，大大提升了電源開關的工作效率，使人們能夠設計出更加優質、高效的開關電源。

3 結束語

隨著現代科學技術的不斷發展，很多新興的電力電子技術被研發出來，并廣泛應用于社會的各個領域，新技術的出現催生了很多新產品，開拓出很多新的應用領域。開關電源向高頻化、模塊化、數字化以及綠色化的方面發展，實現了高效用電和高品質用電，促進了現代電源科技的快速發展。