現代電源技術的應用和發展

楊 波，胡 鑫，邊黨偉

（西北機電工程研究所，陜西 咸陽712099）

1 現代電源技術的重要應用范疇

1.1 計算機電源應用

正常順利地運行計算機應該具備綠色、節能和高效的電源。自20世紀80年代起，開關電源便已應用于計算機，代替了先前的SCR相控電源和線性穩壓電源[1]。

1.2 通信電源應用

快速發展的通信業很大程度地促進了通信電源的進步。現代通信供電中，開關電源的高頻小型化技術是主要應用。關于通信范疇，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成為直流電源擁有48 V的標稱值。當前應用一次電源于程控交換機時，高頻開關已經替代了以往的相控式穩壓電源，經過IGBT或P-MOSFET高頻工作的高頻開關電源，能夠控制開關頻率于50～100 kHz，使小型化和高效率得以實現。

1.3 不間斷電源應用

在不能中斷電力供應的場合，需要擁有高性能和高可靠性的電源——不間斷電源。經過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生交流電，然后轉換負載狀態。為使逆變器產生故障時依然能提供能量給負載，備用的另一路電源需應用電源轉換開關。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，能夠使智能化管理不間斷電源得以實現，并可以展開遠程診斷和維護[2]。

1.4 變頻器電源應用

進行變頻調速的交流電機是變頻器電源的重點應用。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換為固定直流電壓，接著通過脈沖寬度進行調整，然后由GIBT組成的PWM高頻變換器或大功率晶體管，經過直流電壓的逆變，得到交流輸出電壓和頻率轉換。通常電源會輸出相似的正弦波和輸出波形，可用在實現無級調速的驅動交流異步電動機中。在家電范疇，日本東芝公司在20世紀80年代初首次于空調應用交流變頻調速技術。變頻空調具備的優點是節能和舒適，不僅擁有變頻電源，還擁有可以變速和變頻的功能。完善控制對策，選擇良好的功能性部件，為變頻空調電源打下研制基礎[3]。

1.5 電力有源濾波器應用

通過橋式開關控制電路和功率變換器組成電力有源濾波器。運行交換器采用交流-直流的變電方式，將大量諧波電流注入到電網中，使得諧波干擾和損耗產生，并產生惡化功率因數的狀況，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的網側功率因數。電源有源濾波器是可以將諧波動態控制的電力電子新型裝置，可以彌補LC濾波器以往存在的問題。

1.6 開關電源的分布式

開關電源分布式的基本部件由大規模控制和小功率模塊集成電路，應用最新技術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，繼而密切結合弱電和強電，使得效率提高。分布式供電具備的優點是方便維護、經濟、高效、可靠及節能等，逐漸被應用于工業控制、航空航天、通信設備以及大型計算機等。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展空間，如電動機驅動電源、中頻感應加熱電源、電力機車牽引電源及電解電源等。

1.7 開關電源的工作方式

（1）脈頻調制方式。這種方式具備的特點是維持脈沖原有寬度，采用改變開關頻率的方式控制占空比，從而實現穩壓效果。脈頻調制器是重點。設計電路過程中，將鋸齒波脈寬發生器替換成固定脈寬發生器，采取電壓/頻率轉換器將頻率改變，如壓控振蕩器。它的穩壓原理為：在輸出電壓升高的狀況下，控制器所輸出的周期變長，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式開關電源中擁有很寬的調節范圍，輸出端不必接入負載。（2）脈寬調制式。這種方式具有維持開關頻率不變的特點，可采用改變脈沖寬度的方式控制占空比，從而實現穩壓效果。脈寬調制器至關重要。固定開關周期對設計濾波電路非常有利，然而仍存在顯著的缺點，受限于最小導通時間的功率。目前大多應用PWM方式的集成開關電源。（3）混合調制式。這種方式指的是不固定的開關頻率和脈沖寬度，是混合PFM和PWM的方式，其包括脈頻與脈寬調制器[4]。因為能夠單獨調節T和TP，所以擁有最寬調節范圍的占空比，適用于調節寬范圍的開關電源和實驗室輸出電壓。

2 現代電源技術的發展走向分析

2.1 高頻化發展

相關科學研究表明，現代電源技術中，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關系。將電氣設備從50 Hz的頻率調整到20 000 Hz時，電氣設備的重量和體積明顯下降。該方法通常應用于開關式整流器和逆變式整流焊機的設計中。隨著科學技術的發展，功率電子器件提高了工作頻率，使現代電源技術得到提高，許多高頻電子設備較為傳統的類型展現出固態化發展走向，提供給企業的經濟效益較大。

2.2 模塊化發展

隨著科學技術的不斷發展，逐漸展現出模塊化的現代電源技術的發展走向，工業生產過程中，廣泛應用的器件模塊存在的單元類型較多，如標準功率的開關器件與二極管等。設計電源開關時，有些企業將驅動保護器安裝與功率模塊，獲得智能化的功率模塊系統，對整機的設計與制造十分有利。隨著現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生。為使現代電源器件更加快速、更加可靠，部分企業將用戶專享的功能模塊加入到系統中，即在固定的模塊中統一安裝全部的硬件，不需要引線將各個元器件相互連接。用戶實際專享的集成模塊系統與微電子的集成電路較為相似，開關電源裝置的形成只需要簡單的連接。為使電壓應力降低，企業通常要運用多個獨立單元進行并聯工作，令各模塊共同承載電流。通過與其他模塊平分承載的電流，避免了單模塊故障，保證了整個系統的正常運行[5]。

2.3 數字化發展

以往的信息模擬器通常用于電子技術控制的工作和設計。數字時代，許多電力電子技術建設都是以模擬電路為基礎的。然而，隨著互聯網信息技術的快速發展，數字化的發展也在加速。工業生產過程中，數字電路與數字式信號變得愈發重要，數字信號處理技術逐漸完善與成熟，不斷展現出數字信號處理的技術優勢。采用計算機技術處理各種信息，可以避免模擬信號在傳輸中產生失真狀況，可將干擾電子信號的散、雜、小信號減少，便于遙感監測與調試軟件，有利于植入更多的容錯技術與診斷技術。20世紀末期，模擬技術表現出較大的作用，特別是在功率因數校正、電磁兼容及印制版布圖等方面。與模擬電源相比，數字電源采用A/D轉換器采樣，單片機計算誤差，利用數字電源控制器FPGA、MCU及DSP等算法計算占空比，控制功率開關管。數字電源主要由數字電源驅動器、數字電源PWM控制器及數字信號處理器等器件組成。控制數字開關電源的方法有兩種。（1）數字芯片控制。開關電源系統由高性能數字控制芯片（如DSP）采樣，然后通過A/D轉換輸出PWM控制信號。DSP輸出的脈沖寬度調制（PWM）信號由驅動器放大并施加到開關。數字電源具有模塊化程度高、數字智能芯片可操作性高及通信功能易于實現的優點。但是，數字電源也存在許多需要解決的技術問題，如長控制周期、長相位延遲時間等。（2）單片機控制。當微控制器控制數字開關電源時，系統首先對輸出信號進行采樣，并將采樣信號轉換為數字信號。精確地計算和調整數字信號，將運算結果轉換為模擬信號，從而驅動PWM控制芯片，間接實現開關電源的數字控制[6]。

2.4 綠色化發展

綠色化發展現代電源技術包含兩個方面——環保與節能。發展現代電源系統可以節約大量的電量。導致環境污染的關鍵問題是發電，避免電量浪費現象，可以減少發電對環境的污染[7]。現代電源技術產生了許多校正功率因數的處理辦法，奠定了發展電源技術的前提條件，現代供電技術的發展基本上是基于電力電子技術的發展。為使電源開關性能得到充分發揮，研發出許多新型控制技術和電路拓撲結構[8]。

3 結 論

隨著科學技術的快速發展，逐漸研發出許多新型電源技術。本文詳細介紹了現代電源技術的的重要應用范疇。現代開關電源發展趨向于綠色化、數字化、模塊化和高頻化，使得用電效果更加高品質、高效用，推動了社會經濟的快速發展。