開關(guān)電源的發(fā)展及技術(shù)趨勢

摘 要：在電力電子技術(shù)的電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源是最基本也是最關(guān)鍵的部分。正因為它的重要性，所以如果能實現(xiàn)開關(guān)電源的高效率和低能耗，就可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和節(jié)能效益，所以全社會都紛紛關(guān)注開關(guān)電源的技術(shù)發(fā)展。為了提高用電的效率和品質(zhì)，筆者將在闡述開關(guān)電源發(fā)展流程的基礎(chǔ)上，對未來它的數(shù)字化、高頻化的技術(shù)發(fā)展趨勢進行了具體的分析。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；發(fā)展；技術(shù)趨勢

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 16-0000-01

開關(guān)電源又被稱為開關(guān)穩(wěn)壓電源，自上個世紀50年代問世以來，就因為它具有輕重量、小體積、高效率、低熱量和性能穩(wěn)定等優(yōu)勢獲得了廣泛應(yīng)用，并逐漸取代了傳統(tǒng)的電源技術(shù)。隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的快速發(fā)展和電子信息技術(shù)的進步，開關(guān)電源在人們生活中所扮演的角色也越來越重要。同時，高新科技的發(fā)展也促進了開關(guān)電源的技術(shù)進步。在開關(guān)電源的技術(shù)中，最重要的就是實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)化，這是其最核心的部分。換句話說，就是要將一次電源利用電能轉(zhuǎn)化技術(shù)，讓各種的對象都能使用電能的二次電源。從本質(zhì)上來說，開關(guān)電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)的范疇，通過電能的轉(zhuǎn)化來滿足不同用戶的用電需求。

一、開關(guān)電源的發(fā)展歷程

從上個世紀70年代開始，開關(guān)電源開始真正發(fā)展，這一發(fā)展階段的理論基礎(chǔ)就是電力電子理論的提出。這一理論的提出為開關(guān)電源的發(fā)展提供了必要條件。但是這一階段的電源開關(guān)技術(shù)并不成熟，所以導(dǎo)致產(chǎn)品存在頻率低、功率密度小和不穩(wěn)定等缺點。為了克服這些弱點，開關(guān)電源迎來了第二個發(fā)展階段。這一階段的發(fā)展方向就是實現(xiàn)開關(guān)電源的進一步完善，所以MOSFET（大功率場效應(yīng)管）和IGBT（絕緣柵晶體管）等產(chǎn)品開始出現(xiàn)，為大功率和高頻變換器的發(fā)展提供了有利條件。同時，這些新的元件和理論的提出也讓開關(guān)電源的技術(shù)逐漸成熟和可靠。到目前為止，開關(guān)電源已進入了第三個發(fā)展階段。這一階段的主要發(fā)展目標就是實現(xiàn)它的高功能密度和轉(zhuǎn)化效率的提高，并使之具有更好的動態(tài)性能和環(huán)保功效，促進開關(guān)電源的智能化發(fā)展。

二、開關(guān)電源的技術(shù)發(fā)展趨勢

（一）開關(guān)電源技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展

傳統(tǒng)的開關(guān)電源采用的是功率電子技術(shù)，其中控制模塊的功能是依靠對信號進行模擬和設(shè)計來完成工作的。但是隨著現(xiàn)代社會的技術(shù)進步和信息時代的發(fā)展，數(shù)字處理技術(shù)不斷成熟，其便于信息化處理、確保模擬信號的真實性和準確性、較強的抗干擾能力、便于技術(shù)調(diào)試和遙感等優(yōu)點也逐漸顯現(xiàn)出來，還能實現(xiàn)自我診斷，所以開關(guān)電源技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展已經(jīng)成為時代發(fā)展的必然要求。

從目前開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用的實際情況開看，反饋控制環(huán)路的形式比較單一，例如電流或者電壓等。其中電流的反饋對負載的變化非常敏感，而且在控制范圍不超過1/2時可以保障電路具有很好的穩(wěn)定性，但是卻存在輸出電壓不穩(wěn)定的缺陷。而且這種反饋在實際的控制過程中，如果負載發(fā)生變化，就會對PWM的斜坡電壓產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致脈寬抖動現(xiàn)象的發(fā)生。同時，電壓的反饋雖然具有保證準確輸出電源的優(yōu)點，但是這種控制反饋在相頻特性上存在2個拐點，所以會增加控制環(huán)路出現(xiàn)震蕩的可能性。如果不能準確它的負載特性，或者存在較大的滯后，就會增加電源調(diào)節(jié)的困難。但是如果采用數(shù)字化的控制方式，就可以很好地彌補以上模擬控制的缺陷，主要的原因就是因為數(shù)字化的元件本身并不具備離散性，所以可以實現(xiàn)主動控制。

在數(shù)字化開關(guān)電源中，它的主要變換電路結(jié)構(gòu)仍然和傳統(tǒng)的開關(guān)電源相同，其中的反饋控制環(huán)路采用誤差采樣，即數(shù)學控制方式。這也就意味著PWM的信號計算和遙感信號的接收和處理都需要使用數(shù)字控制技術(shù)。利用這種數(shù)字化的控制方式可以提高環(huán)路的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

（二）開關(guān)電源技術(shù)的高頻化發(fā)展

高頻化和結(jié)構(gòu)功能的模塊化是目前電子電力技術(shù)智能化發(fā)展的主要方向。因為開關(guān)電源的體積和重量都是由其中的儲能元件和電容所決定的，所以要實現(xiàn)開關(guān)電源的小型化，就需要將儲能元件的體積控制在最小的范圍之內(nèi)。從某種程度上來說，提高開關(guān)電源的使用頻率可以減少其中部分元件，例如電容、電感器和變壓器的體積。除此之外，開關(guān)電源的高頻化還能提高抗干擾能力，促進系統(tǒng)動態(tài)功能的優(yōu)化。從這兩點來看，開關(guān)電源的高頻化發(fā)展已經(jīng)成為繼數(shù)字化發(fā)展之后的主要發(fā)展方向。

從現(xiàn)有的理論和實踐經(jīng)驗，供電的頻率的平方根越高，那么電氣產(chǎn)品中的變壓器等的體積和重量就越小，兩者呈反比例關(guān)系。根據(jù)這一理論，如果我們將開關(guān)電源的頻率提400倍左右，那么其中電氣設(shè)備的體積和重量就只有原來設(shè)計的5%-10%左右，增加開關(guān)電源的節(jié)能和經(jīng)濟效益，體現(xiàn)出技術(shù)含量的價值。高頻開關(guān)電源通過MOSFET和IGBT的高頻工作，可以實現(xiàn)它的高效率和小型化。是目前高頻大功率應(yīng)用的最佳選擇。

三、結(jié)束語

綜上所述，開關(guān)電源在現(xiàn)代社會的發(fā)展中占據(jù)著非常重要的地位，為了適應(yīng)當前電力電子技術(shù)的發(fā)展需求，就需要開關(guān)電源技術(shù)不斷進行改進和創(chuàng)新。在上文中，筆者簡單介紹了開關(guān)電源的發(fā)展歷程，然后從數(shù)字化和高頻化兩個方面對開關(guān)電源的技術(shù)發(fā)展趨勢進行了詳細討論。這些技術(shù)的實現(xiàn)，不僅標志著開關(guān)電源技術(shù)的成熟，也會滿足用戶高效率和高質(zhì)量的用電需求。

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