論電力電子技術在開關電源中的應用研究

董澤宇

摘 要：現如今全世界的能源消耗逐年遞增，而電力能源在所有能源中所占的比例大約是40%，而在電力能源之中，經過電力電子設備轉換的電力能源也占有40%，根據現代電力能源的增長速度，電力電子設備的電子能源轉換預計達到80%，所以在二十一世紀中電力電子技術所發揮的作用將越來越大。本文對電力電子技術及開關電源進行了簡單介紹，并探討了電力電子技術在開關電源領域中的應用。

關鍵詞：電力電子技術；開關電源；應用

電力電子技術主要是控制和轉換電能的學科，通過電力電子器件的利用來展開相關的電力電子技術運用。電源是各種電子設備必不可缺的組成部分，其性能優劣直接關系到電子設備的技術指標以及能否安全可靠地工作。隨著開關電源的電路拓撲、控制方式等理論和技術的不斷完善以及功率開關器件、控制芯片、磁性元件等的不斷發展，開關電源的應用領域越來越廣泛。電力電子技術的不斷發展，要求開關電源有更高的頻率、更高的功率密度、更高的效率、更高的功率因數和更高的可靠性，同時還要做好故障維護，有效控制好各個結構的工作性能，確保開關電源的工作狀態。

一、電力電子技術

電力電子技術包括電力元件制造技術和電子電路的變流技術。電力電子技術的發展經歷了第一代半控型電力電子技術，第二代全控型電力電子技術和第三代復合型電力電子技術，目前電力電子技術的主要發展方向是小功率的集成電路。小功率的集成電路技術把驅動、控制和功率器件技術綜合在一起，最大的優點是能夠降低功率。隨著自關斷器件的應用，高頻化成為電力電子技術的發展方向。電力電子的控制技術在新階段的應用還包括無功功率控制和神經元控制等方面，目前，在電力電子控制技術中，傳統的模擬控制已經不能滿足電力電子技術發展的需要，取而代之的則是微處理器的數字控制技術。

二、開關電源簡介

1.基本原理。開關電源作為人們日常生活中比較常用的設備，也有著不同的類型，我們將其分成變換電能的電源以及發出電能的電源兩種類型。嚴格來說，自然界并沒有能夠直接利用的電源，所以這就需要通過轉換器進行轉換，才能使電能得到有效的利用，而這一能夠將能源得到有效轉變獲得的電源就是付出電能的電源。很多時候這一電源并不能直接的被應用，還要通過變壓器等電力設備進行電壓的轉換，這樣才能被實際的應用。開關電源是變換電能的電源，開關電源的工作原理就是在電進入到電源之后，就要經過整流以及濾波進行轉為高壓直流電，在開關電路以及高頻開關變壓器作用下，進行轉變為高頻低壓脈沖，最后就能夠輸出低電壓直流的電源。一般開關電源主要由功率回路和控制回路組成，如圖1所示。

2.發展趨勢。開關電源的主要發展趨勢有以下幾方面：第一，高頻化，為減小變換器體積，提高其功率密度，改善動態響應，開關電源的工作頻率從幾十、幾百不斷提升至級；第二，提高效率，應用各種軟開關技術，包括無源無損（吸收網絡）軟開關技術、有源軟開關技術，如諧振、準諧振、零電壓零電流轉換技術（以及恒頻零開關技術）等，減小開關損耗和開關應力，以實現高效率的高頻化，提高變換器輸入端的功率因素，減少對電網的諧波污染；第三，模塊化，適應分布式電源系統的需要，提高可維護性、降低設計風險；第四，全數字化控制，電源的控制已經由模擬控制，模數混合控制，進入到全數字控制階段。

三、電力電子技術在開關電源中的應用

開關電源主要是為了維持穩定輸出電壓，通過現代電力電子技術，控制公路半導體器件的開通和關斷時間比率。開關電源與線性穩壓電壓相比，開關電源具有一定的優勢，主要有體積小和效率高以及重量輕等優點，因此在電子設備中得到了廣泛的運用。二十世紀末期開關電源在電子和電氣設備領域中的運用逐漸增加，在通信、電子檢測設備和控制設備電源等領域展開廣泛的運用，有利于開關電源技術的快速發展，但是開關電源也有一些缺點，主要有開關電源的電路比較復雜，容易受到射頻和電磁干擾。但是隨著科學技術的進步，開關電源的缺點正在不斷被克服。在開關電源中征集電路可以分為主電路和控制電路兩種，而在主電路中，包含三個環節：首先是輸入整流濾波；其次是功率轉換；最后是輸出整流濾波。主電路主要有將電網能力傳遞給負載的功能。而結構框圖除了主電路外為控制電路，主要是為了保護電路正常的工作。

1.同步整流技術。同步整流技術是在軟開關的基礎上進一步提升效率的技術，它通過對整流開關二極管的金屬絕緣體--半導體管反接，適用于低壓、大電流的電源上。同步電流通過零電壓開關和零電流開關，驅動同步整流的脈沖信號與初始的脈沖信號聯動，將其上升沿超過原來的上升沿，降低延遲以實現金屬氧化物半導體場效應晶體管和零電壓的開關方式。

2.軟開關技術。IGBT功率器件控制的PWM電源可以克服傳統大功率電源逆變主電路結構的高耗能問題，使能耗降低30%—40%。軟開關技術采用諧振原理，克服傳統電路使用緩沖電路消除電壓尖峰和浪涌電流的問題，從而使系統趨于簡單，降低故障發生的可能性。傳統電路在開關啟動和關閉的瞬間會產生極大的電流和電壓，瞬間產生的電壓無法被有效利用，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定性。

3.數字化控制技術。開關電源的數字化控制技術層面，主要是在數字處理技術不斷發展的背景下，能夠通過計算機軟件對開關電源實施有效的控制，避免了模擬信號傳遞中的波形畸變失真，而且在抗干擾的能力上表現的也比較突出。通過數字化的控制技術，使電路的安全可靠性得到了有效保證。同時，在模塊集成化層面，尤其是單元電路模塊化以及功率器件的模塊化方面，將開關電源的可靠性也進行了有效提升。

4.空間電源控制器技術。空間電源控制器是航天器電源系統的重要組成之一，作為大功率開關電源，主要功能是通過電能變換將太陽帆板產生的電能輸送給航天器載荷，適時對蓄電池充放電，維持航天器能量平衡及供電母線的穩定。考慮到空間環境的復雜性，除對空間電源控制器小型化、輕量化的要求外，更重視其可靠性，因此，工業和民用領域的電力電子技術在向空間領域開關電源應用拓展時還要進行充分驗證及可靠性評估。

四、結語

總而言之，開關電源是利用現代電力電子技術，控制功率半導體器件開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。與線性穩壓電源相比，開關電源具有體積小、效率高、重量輕等一系列優點，在各種電子設備中得到廣泛的應用。隨著電力電子技術的發展，開關電源將得到進一步完善和發展。

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