現代電力電子技術在開關電源中的應用

牛瀟昆

（北京信息科技大學，北京 100192）

我國在電力電子技術中普遍采用了信息電子技術和半導體技術。作為電力工業的先驅技術，電力電子技術的基礎主要有變流電路、電力電子元器件、控制電路等。開關電源主要是借助于先進的電力電子技術和控制技術，來實現開關半導體元件的開通、關斷等自動化控制方式，以保證輸出電壓的穩定。與傳統的線性穩壓電源相比，現代開關電源具有體積小、應用范圍廣等優點，已在各種電子產品中得到了廣泛的應用，如計算機使用的電源就是一種最為經典的開關電源。但開關電源在實際應用中，也會受到一些電磁干擾的影響，而且其內部電路結構復雜，射頻干擾也較為嚴重，尤其在開通和關斷的一瞬間會產生功率耗損。開關電源的整體電路是由控制電路和開關電源主電路共同組成。其中，整體電路的主電路是一個復雜的電網能量轉換和傳輸電路，包括輸入整流濾波器和功率轉換器。以目前較為常用的高頻開關電源為例，它在電力行業中的應用有哪些主要特點？其未來發展前景如何？這是本文論述的重點所在。

1 高頻開關電源的特點

1.1 開關電源的分類

開關電源有很多種分類方式。首先，根據各種開關電源的驅動形式，可以將其大致分為他勵式和自勵式兩種類型。若按照各種開關電源的輸出及電能轉換類型進行劃分，又可將其分為兩種不同的轉換器類型：AC/DC型和DC/DC型。若按照開關電源所需的控制方式和使用場合進行分類，真正地實現精準控制，開關電源又可分為PWM脈寬調制式和PFM混合調制式。若按照諧振的標準來劃分，開關電源又可分為諧振式和非諧振式兩種。這些都是現實中較為常見的分類方式。

1.2 高頻開關電源的應用

高頻開關電源技術，是指在技術實踐和推廣應用的過程中，能夠直接以自動化的形式，實現對高頻交流電源的電壓進行轉換，從而可以滿足各種大型電氣設備的交流電路供電性能要求。高頻開關電源在正常工作時，先是將220V工頻交流電整流為直流電，再通過大功率高頻開關電源的元器件所構成的電壓型逆變電路，進行直流電到交流電的轉換。最終，經過采用PWM技術控制的整流電路，可以輸出穩定的直流電壓。現代高頻高壓開關電源具有整體重量輕、體積小等顯著的性能優勢。

大功率高頻開關電源在實際工業應用和生產的過程中只需要依靠一個工頻功率變壓器，這就使高頻開關電源的質量和體積比普通開關電源更輕、更小，便于設備的快速安裝和正常運行。大功率高頻開關電源不僅具有較大的輸出功率和峰值，同時可利用導體二氧化硅的電導率和導通角，直接控制逆變器和高壓整流器的實際輸出功率和峰值。高頻開關電源負載的變化也會直接影響功率因數的變化，當負載性質發生改變或負載增大時，相應的功率因數會變小。此外，高頻開關電源的低噪聲也不可忽視，運行時，其噪聲小于50dB，相比之下，高頻開關電源的噪聲比相控整流器要低35%以上，在開通和關斷的瞬間，電能消耗量相對較低，這不僅有利于降低能耗，還可以有效提高電路的工作效率。

2 電力電子技術在開關電源中的體現

2.1 電力電子技術的發展

目前，電力電子技術的應用十分廣泛。高頻開關電源可以支持較大功率晶體管的工作，能夠有效地提高整流器的功率和容量。近些年，人們對高頻集成電路的深入研究推動了開關電源在各種電氣工程領域中的應用，這也是高頻開關電源向著模塊化、小型化和高性能化方向發展的主要原因。

譬如，不間斷電源（UPS），其工作原理是：將220V交流電先通過整流電路轉換為直流電，轉換后的直流電一部分存入蓄電池，作為備用能源，另一部分供給后續的逆變電路，電能經過逆變電路后，又從直流電再轉換成交流電，使用戶正常使用。一旦發生停電事故時，蓄電池中儲存的電能將被提供給后續的逆變電路，以確保用戶用電不間斷。在不間斷電源（UPS）設備當中，高頻開關電源可以在整流電路中應用，能將輸入的交流電轉換為穩定的直流電。采用高頻開關電源還能有效地減少噪音干擾，這在一定程度上可以保障電路系統的穩定性。

在基于高頻開關電源的電氣傳動控制系統中，應用高頻電壓變頻控制器可以直接實現電動機在運行中的自動變頻和對電機轉速的實時自動化控制。高頻電壓變頻器的驅動電源通過高頻電壓變換器、大功率高頻晶體管等電力電子器件和電路，實現了無源電壓的自動轉換，改變了有源電壓的轉換效率，有效地降低了能耗。

電力電子技術綜合來講就是一項使用弱電來控制強電的技術，借助于現代電力電子技術，可以使傳統開關電源中的自動化強電和智能化弱電等不同的電路模塊進行整合控制，從而大大降低傳統開關電源在技術研發和生產過程中的成本，具有節能、低碳環保的技術優勢，在實際應用中可以達到既實用又高效的效果。

2.2 現代電力電子技術的優勢

現代電力電子技術在工程中的應用非常普遍，例如在軟開關技術中的應用。軟開關相較于硬開關來說，使用電力電子器件，在開關開通或關斷前的一瞬間，控制電路中的電流和電壓當中的某一個物理量為0，這樣一來，電流和電壓的乘積，也就是開通或關斷時的功率耗損就為0，大大減少了開通或關斷時的器件耗損，能夠有效地增加開關使用次數，實用性強。由此可見，借助于軟開關技術，可以延長許多電氣設備的使用壽命。

采用IGBT等新型電力電子器件和PWM脈沖寬度調制的控制方法，可以對開關電源進行自動控制，尤其在功率方面，可以有效解決在傳統開關電源中整流電路、逆變電路和主電路所使用的大功率控制器件所造成的能量消耗過大，甚至發熱嚴重等問題，降低傳統開關電源的系統能耗。

與此同時，在諧振和電磁兼容方面，應用現代電力電子技術控制原理可以有效解決傳統開關電源中的浪涌和電流過大等問題，有助于降低開關電源的電流尖峰，減少開關電源故障的概率。電路中的諧振吸收技術可以在高頻條件下，每當開關電源正式開啟或正式關閉時，對高頻開關變壓器內部的高頻電容、電感等儲能元件所產生的諧振干擾信號進行吸收，可降低高頻開關電源的使用成本和電源能耗，同時還可以減少對電路中的高頻晶體管等其他電力電子開關元器件的沖擊。

在開關電源工作時，尤其是在開通或關斷的瞬間，由于電壓沖擊和電流沖擊，會造成開關損耗。現代高頻開關電源通過采用先進的整流電路和自動微機控制技術，使它能夠充分保證在開關電源工作時，各個電路正常、穩定地運行，提高電能的綜合利用率。另外，通過使用現代電力電子器件以及高頻同步整流轉換技術，也同樣能有效改善并提高各類電力開關電源的實際工作效率。高頻同步整流驅動技術是將開關同步整流器與開關供電二極管連接部位的金屬片和絕緣體進行反接，直流同步脈沖信號經過零電壓和脈沖電流驅動開關后，可以實現對直流電壓的初始值和脈沖信號的同步驅動，零電壓同步整流器的開關就是以這樣的驅動方式來構成的。

一般情況下，同步穩壓電源技術廣泛適用于一些直流電壓相對較大的開關電源，而控制電路系統中的電流集成技術通常可以用來實現對多個傳輸路徑的電流、電壓輸出進行控制。電路中的自動控制技術在大型電力系統的應用過程中，控制電路的主電路結構設計必須完全符合經典開關電源變換器的基本結構設計要求，必須具備較高的電磁兼容性和抗干擾能力。

3 電源控制技術的未來發展趨勢

3.1 開關電源在實際應用中不斷改進與完善

在現階段，開關電源已經具備了安全、高效、可靠、低成本、低功耗和抗干擾能力強等顯著優點，然而大多數常用的開關電源所使用的電力電子器件仍然是雙極型晶體管和晶閘管，此類開關電源在工作頻率和控制方式等方面還有待提高。因此，開關電源今后應該以大幅度提高各種電力電子開關元器件的啟動頻率和容量為基礎進一步發展，在真正提高了開關電源的啟動頻率和容量后，才能降低能耗，節約能源。

如果開關電源的啟動頻率不夠高，就會對電路中的分布式電感和電容造成干擾，從而產生浪涌。在這種情況下，可以考慮采用諸如LC濾波緩沖器等其他具有輔助性的元器件所構成的濾波電路，來精確控制輸出電壓波形和抑制浪涌電流。針對高頻開關電源的控制，可以優先使用一些諧振、諧波轉換控制電路的核心技術，對開關電源高頻時的浪涌波動狀態進行實時監測和自動控制。諧振式高頻開關電源在目前雖然能夠有效減少開關電源在一次較長時間的啟動過程中所產生的功率耗損，但其中所用到的諧振信號轉換集成電路，在目前仍然存在著許多尚未解決的技術問題。就現階段而言，我國科學家已經針對各類開關電源的正常工作模式和不同的系統運行方式進行了許多相關的技術研究。例如，如何消除開關瞬間所產生的功率耗損？有一種方法就是通過降低開關電源的開啟電流，在一定程度上降低開通時的功率耗損以及浪涌、噪聲干擾，這種方法具有一定的實用性，但消除耗損在改進方面仍有很大空間。

開關電源技術的快速發展極大地促進了我國智能電網和數控微機等工業電子信息技術的進步。通過配置開關電源的系統電路，使系統中的各個模塊能夠實現自動化控制以及對各個模塊電路的分布式控制，目的是確保系統的穩定性。同時，也可以在開關電源的設計過程中為其增加啟動濾波器，對啟動頻率進行有效地自動調節，提高其實用性。現代電力電子技術的迅速發展，使開關電源技術也在不斷革新，開關電源的性能也在逐年改進、提高。

3.2 我國的電源控制技術正在逐步走向成熟

隨著科學技術的不斷發展，電源控制技術和我國現代過程控制理論、材料科學、電機工程、微電子工程技術等很多研究領域都有了緊密的聯系。近年來，我國的電源控制技術發展較快，如今已經形成了一門由多個專業學科相互融合、滲透而來的綜合性電源技術培養課程，該課程對我國現代信息通信、電氣工程、電子機械儀表、計算機、控制工程自動化以及國防和某些重大高新技術行業所迫切需要的，針對各種電源的開發與設計，提供了可靠的保障。

許多現代高科技設備在電源使用方面都與其所在城市的供電系統的電流、電壓、相位、頻率等基本參數密切相關。通過電源控制技術，可以實現對這些參數較為精確的控制，特別是對大功率電器的變頻調節。電源控制技術已經成為了十分重要的新興產業，它是一種從人們的日常生活中逐漸走向尖端化的科學技術，也是許多其他高新技術的重要基石。電力行業的相關技術和相關產業的不斷創新和發展，將成為我國現代經濟社會進一步發展的必然趨勢，同時也會為我國現代化電源企業的發展節約能源和資金，為電源制造業在生產工藝和效率提升等方面提供重要的技術創新。

4 結束語

目前，各類開關電源由于采用了現代化的電力電子技術和電力電子器件，有效地提升了運行效率，減少了開關電源設計時的工作量，使其朝著越來越智能化、高效化和節約能源的方向不斷改進。隨著電氣工程和電子信息科技的不斷發展和進步，電力電子技術作為一門實用性很強的技術，在我國的應用領域也一定會越來越廣泛。

高頻開關電源的改進和制造不僅標志著我國近年來在電力行業領域已經取得了重大突破，同時也標志著我國已經開始了對高頻開關電源技術的深入研究和探索。在不久的將來，新一代電氣工程和信息工程必將在開關電源技術的高頻化、智能化等方面不斷實現新的突破。