電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用研究

曲子君（沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧　沈陽(yáng)　110159）

電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用研究

曲子君（沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧沈陽(yáng)110159）

電力電子技術(shù)的日新月異的發(fā)展，也促進(jìn)開關(guān)電源技術(shù)由低頻到高頻，由整體化到模塊化，由高能耗向低能耗發(fā)展。本文結(jié)合電力電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其在開關(guān)電源中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

電力電子；開關(guān)電源；應(yīng)用

1　緒論

著半導(dǎo)體和信息技術(shù)的推進(jìn)，電力電子技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)開關(guān)電源由低頻向高頻，整體化到模塊化，由高能耗向低能耗進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)變。高頻開關(guān)電源作用為將交流輸入的電流轉(zhuǎn)化為合適的直流輸出。經(jīng)過大功率開關(guān)元件，如金屬—絕緣體—半導(dǎo)體管等組成的逆變電路，將直流高壓轉(zhuǎn)換成方波，之后將方波電壓由高壓降低為低壓，最后輸出穩(wěn)定的直流電壓，在現(xiàn)代開關(guān)電源的應(yīng)用中得到極大推崇。

高頻開關(guān)電源主要特點(diǎn)如下：

1.1質(zhì)量低、體積小。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%。

1.2功率系數(shù)大。隨著可控硅導(dǎo)通角的變化使相變整流器的功率系數(shù)變化，負(fù)載較小時(shí)，系數(shù)較小，可以達(dá)到0.3；完全導(dǎo)通時(shí)可以使系數(shù)達(dá)到0.69以上。

1.3噪聲弱。開關(guān)電源噪聲只有45db左右，較工頻變壓器以及濾波電感在相控整流設(shè)備中的噪聲降低30%。

1.4效率高。減少開關(guān)瞬間消耗，而且由于整機(jī)的功率因數(shù)補(bǔ)償，可以使效率達(dá)到90%以上。

1.5結(jié)構(gòu)模塊化。模塊式結(jié)構(gòu)可以便于整個(gè)開關(guān)的設(shè)計(jì)和研發(fā)，降低成本。

2　現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域

高頻開關(guān)電源能通過大功率晶體管如ⅠGBT等進(jìn)行運(yùn)行，使頻率限制在區(qū)間60～110kHz。并且整流器功率容量也增大到48V/400A以上。大規(guī)模集成電路的突飛猛進(jìn)更是促進(jìn)電源模塊體積的減小，從而進(jìn)一步增加電源的功率密度，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的高效化和微小化。

整體科技的進(jìn)步需要計(jì)算機(jī)和通信設(shè)施具有更高的性能和穩(wěn)定性，UPS不間斷電源便順時(shí)而出。輸入它的交流電經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)換為直流輸出，一部分流入電池給其充電，另一部分經(jīng)過逆變器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等元器件到工作設(shè)備。不間斷電源使用脈寬調(diào)制技術(shù)和大功率ⅠGBT，降低噪聲強(qiáng)度，提高電源利用效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

變頻器主要在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速，具有節(jié)能環(huán)保作用。它的電源經(jīng)過大功率晶體管和高頻變換器將電壓轉(zhuǎn)換為交流輸出，其電壓和頻率可變，功率可以超過110kW［1］。通過模塊科學(xué)堆積、程序智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電有效結(jié)合，降低大功率設(shè)備的研發(fā)成本和研發(fā)難度，并且可以極大的提升生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能、經(jīng)濟(jì)高效、系統(tǒng)穩(wěn)定的卓越性能。

3　電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用

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(jiǎn)單，降低故障發(fā)生的可能性。傳統(tǒng)電路在開關(guān)啟動(dòng)和關(guān)閉的瞬間會(huì)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)時(shí)在軟開關(guān)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升效率的技術(shù)，它通過作整流開關(guān)二極管的金屬絕緣體～半導(dǎo)體管反接，適用于低壓、大電流的電源上。同步電流通過零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)，它們驅(qū)動(dòng)同步整流的脈沖信號(hào)與初始的脈沖信號(hào)聯(lián)動(dòng)，將其上升沿超過原來的上升沿，降低延遲以實(shí)現(xiàn)金屬～氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管和零電壓開關(guān)方式。

3.3控制技術(shù)

主電路的設(shè)計(jì)必須滿足開關(guān)變換器的結(jié)構(gòu)不同、離散非線性的特點(diǎn)，因此開關(guān)電源要使用多路控制。開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)性可以通過電子運(yùn)動(dòng)和時(shí)間周期的增減來控制實(shí)現(xiàn)，開關(guān)電源的智能性可以通過基因算法～BP算法、模糊控制、微機(jī)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。MEMS技術(shù)發(fā)展使微機(jī)運(yùn)算的速度巨大提升，微機(jī)或者DSP應(yīng)用到大功率開關(guān)的數(shù)字模塊的實(shí)現(xiàn)更加促進(jìn)電源數(shù)字化和高效化的實(shí)現(xiàn)。

3.4功率半導(dǎo)體

MOSFET和ⅠGBT半導(dǎo)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(dòng)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(shí)現(xiàn)向前推進(jìn)了極大的一步。

4　結(jié)語

電力電子技術(shù)在開關(guān)電源中的應(yīng)用會(huì)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步轉(zhuǎn)向更加廣泛的應(yīng)用，高頻化、模塊化、智能化、節(jié)能化等必然成為其未來的應(yīng)用方向。高頻開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用更是標(biāo)志著電子電力技術(shù)在開關(guān)電源上應(yīng)用的成熟，相信不遠(yuǎn)的未來，電力電子在開關(guān)電源中的應(yīng)用會(huì)進(jìn)一步的突破。

［1］楊威，盧俊.電力電子技術(shù)在高頻開關(guān)電源中的應(yīng)用［J］.城市建設(shè)理論研究，2012（36）.

［2］王予倩.電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在開關(guān)電源中的應(yīng)用［J］.四川電力電子，2005，28（5）：45～47.

［3］王新和，許建新.現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電源中的應(yīng)用是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)［J］.治黃科技信息，2006（3）：10～12.