電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應用

邊松濤 任偉

摘要：開關(guān)電源在電子設備、通信設備以及檢測設備等領(lǐng)域有著極高的應用價值。開關(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，人們在承認其應用價值的同時，要充分認識到開關(guān)電源在應用實踐中存在的缺陷。基于此，有必要分析開關(guān)電源存在的問題，并提出有效策略，以此推動電力電子技術(shù)及開關(guān)電源技術(shù)的進步與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù);開關(guān)電源;應用

1高頻開關(guān)電源主要特點

第一，高頻技術(shù)可以不使用工頻變壓器，使質(zhì)量和體積減少90%;第二，隨著可控硅導通角的變化使相變整流器的功率系數(shù)變化，負載較小時，系數(shù)較小，可以達到0.3，完全導通時可以使系數(shù)達到0.69以上;第三，開關(guān)電源噪聲只有45db左右，較工頻變壓器及濾波電感在相控整流設備中的噪聲降低30%;第四，減少開關(guān)瞬間消耗，而且由于整機的功率因數(shù)補償，可以使效率達到90%以上;第五，模塊式結(jié)構(gòu)可以便于整個開關(guān)的設計和研發(fā)，降低成本。

2現(xiàn)代電力電子的發(fā)展現(xiàn)狀

從產(chǎn)品角度來說，電力電子裝置具體包括變頻器裝置、電能質(zhì)量類產(chǎn)品、電子電源產(chǎn)品。例如SVC，其是使用晶閘管作為基本器件的固態(tài)開關(guān)，取代了電氣開關(guān)，在實際應用中，能夠?qū)崿F(xiàn)電抗器以及電容器的快速反復控制。電力電子技術(shù)發(fā)展的整個流程，具體如下：整流器時代;逆變器時代;變頻器時代。現(xiàn)代電力電子技術(shù)，集成了精細加工技術(shù)以及高壓大電流技術(shù)，涌現(xiàn)了系列全控型功率器件，例如MOSFET以及IGBT等，逐漸取代傳統(tǒng)電力電子。

3電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應用分析

20世紀末，電子與電氣設備中，開關(guān)電源的應用價值已經(jīng)逐漸凸顯，并廣泛運用于電子檢測設備、控制設備以及通信設備等領(lǐng)域，這對開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展也起到了巨大的推動作用。不可否認，開關(guān)電源的缺點固然存在，例如開關(guān)電源的電路有待簡化，抗射頻與電磁干擾能力不強。在科技不斷發(fā)展的今天，人們開始重視并逐漸解決開關(guān)電源存在的一些問題與缺陷。目前，開關(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環(huán)節(jié)，主要功能是向負載傳遞電網(wǎng)電能;控制電路以保護電路運行為主。

3.1軟開關(guān)技術(shù)

IGBT功率器件控制的PWM電源可以克服傳統(tǒng)大功率電源逆變主電路結(jié)構(gòu)的高耗能問題，是能耗降低30%～40%。軟開關(guān)技術(shù)采用諧振原理，克服傳統(tǒng)電路使用緩沖電路消除電壓尖峰和浪涌電流問題，從而使系統(tǒng)趨于簡單，降低故障發(fā)生的可能性。傳統(tǒng)電路在開關(guān)啟動和關(guān)閉的瞬間會產(chǎn)生極大的電流和電壓，瞬間產(chǎn)生的電壓無法有效利用，從而增加能耗。諧振電路可以吸收高頻變壓器中電感以及電容等，降低晶體管等元件的壓力，從而提高電源的利用率和穩(wěn)定性。

3.2同步整流技術(shù)

同步整流技術(shù)是基于軟開關(guān)技術(shù)，提升開關(guān)電源效率的一種技術(shù)手段。同步整流技術(shù)通過反接的方式，處理整流開關(guān)二極管中的金屬絕緣體與半導體管，使電源適應低壓、大電流條件。同步電流通過零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)，它們驅(qū)動同步整流的脈沖信號與初始的脈沖信號聯(lián)動，將其上升沿超過原來的上升沿，降低延遲以實現(xiàn)金屬氧化物半導體場效應晶體管和零電壓開關(guān)方式。

3.3控制技術(shù)

當設計主電路時，通常需要充分考慮開關(guān)變換器的結(jié)構(gòu)，分析其離散非線性特點。基于此，多路控制在開關(guān)電源中具有很強的適用性。基于調(diào)整開關(guān)電源的電子運動與時間周期，可以使開關(guān)電源具有動態(tài)性。利用基因算法、BP算法、模糊控制、微機控制以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)，可以提高開關(guān)電源的智能化程度。除此之外，MEMS技術(shù)在開關(guān)電源中具有很高的應用價值，它可以提高微機運行的效率，促使微機或DSP在大功率開關(guān)的數(shù)字模塊中充分發(fā)揮作用，從而提升開關(guān)電源的數(shù)字化水平。

3.4功率半導體

MOSFET和IGBT半導體器件的研發(fā)，使開關(guān)電源的高效利用能源的能力又得到極大的飛躍，兩種晶體管的內(nèi)部電阻都很小，驅(qū)動功率需求低，最重要的是能耗極其小。結(jié)合同步整流技術(shù)和控制技術(shù)，將高頻化開關(guān)電源的實現(xiàn)向前推進了極大的一步。

4發(fā)展趨勢分析

開關(guān)電源在運行過程中具備安全、高效、節(jié)能、可靠、低噪等顯著優(yōu)勢，當前，常見的開關(guān)電源中采用雙極性晶體管，這種型號的開關(guān)電源在頻率控制上仍有待提高。因此，開關(guān)電源的應用趨勢應以提升開關(guān)元器件的開關(guān)頻率為主，這樣才能夠有效保證開關(guān)電源的頻率，達到節(jié)能減排的目的。考慮到提升開關(guān)電源的開關(guān)速度會對電路中分布電感和電容產(chǎn)生干擾，致使二極管存儲電荷存在浪涌情況，為了對存儲電荷的浪涌情況進行控制，可以根據(jù)實際情況，選擇不同的應對方法。一般可采用L-C緩沖器、磁緩沖器等輔助元器件控制浪涌。針對高頻開關(guān)電源而言，可采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，對存儲電荷涌浪情況進行控制。諧振式開關(guān)電源能夠降低開關(guān)啟動過程中的能源損耗，但是在實際應用中，部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)在高頻開關(guān)電源應用中仍存在諸多技術(shù)難題。現(xiàn)階段，國際上針對開關(guān)電源的運行電流耗電情況，已展開了相關(guān)研究，有學者通過降低開關(guān)電源運行電流的方式，輔助降低結(jié)溫措施，控制開關(guān)電源中器件應力，從而保證開關(guān)電源產(chǎn)品的可靠性，能解決開關(guān)電源存儲電荷的涌浪以及噪聲等問題，具有一定的實用性。開關(guān)電源模塊化發(fā)展推進了電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應用成效。通過設置開關(guān)電源中的模塊化電源組，能夠?qū)㈤_關(guān)電源系統(tǒng)進行分布控制。為了能夠降低模塊化開關(guān)電源的開關(guān)功率，可在模塊化開關(guān)電源設計過程中加入濾波器，能實現(xiàn)對開關(guān)電源存儲電荷的涌浪的有效控制，從而提高模塊化開關(guān)電源的實用性。電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應用使得開關(guān)電源性能更加穩(wěn)定。

5結(jié)語

總之，隨著科學技術(shù)的不斷進步，電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應用會更加廣泛，高頻化、模塊化、智能化及節(jié)能化等必然成為其未來的應用方向。電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中具有很高的應用價值。未來電源技術(shù)的發(fā)展進程中，人們應致力于研究電力電子技術(shù)與電源技術(shù)的融合問題，提高開關(guān)電源的技術(shù)水平，促使其在實踐中充分發(fā)揮應有的作用與功能，為推動相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展提供有力支持。

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