電力電子技術在開關電源中的應用探析

李潤楊

（連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引 言

在社會諸多領域，電源技術都有著廣泛運用，正是憑借該項技術的發展，人們的日常生活與生產發生了重大變化。開關電源憑借自身突出的技術優勢，在電子設備、通信設備以及檢測設備等領域有著極高的應用價值，并在進行不斷完善與發展。毋庸置疑，開關電源技術的普及與電子電力技術的發展有著十分密切的聯系，人們在承認其應用價值的同時要充分認識到開關電源在應用實踐中存在的一些缺陷[1]。基于此，人們有必要圍繞電力電子技術與電源技術的融合與發展進行探討、研究，分析開關電源存在的問題并提出有效策略，將電力電子技術融入其中，提高開關電源的技術水平，克服技術難題，以此推動電力電子技術及開關電源技術的進步與發展。

1 現代電力電子技術

1.1 電力電子技術的發展歷程

所謂電力電子技術，就是基于電力電子器件控制、轉化電能的一種方法，該項技術涉及到電子、電力以及控制等學科領域。在科學技術不斷發展的背景下，現代電力電子技術集現代控制理論、材料科學、微電子技術于一體，逐步發展成為了一門獨立學科，具有很強的綜合性和系統性。電力電子技術的發展歷程可以分為三個階段，即整流器時代、逆變器時代、變頻器時代，具體闡述如下。

第一，整流器時代。在大功率背景下，工業用電主要源自于工頻為50 Hz的交流發電機，但其中有一部分電能屬于直流形式，所占比重約為1/5，最典型的領域為電解、牽引以及直流傳動等。在這一階段，大功率硅整流管與晶閘管的應用逐漸普及。第二，逆變器時代。這一階段為20世紀70年代，在微機得到普及的背景下，電力電子裝置的智能化水平有所提升。在電力電子電路不斷完善的背景下，工業領域開始涌現由晶閘管組成的不同種類的電力電子裝置。這一階段，電力電子器件主要為大功率逆變用的晶閘管、門極可關斷晶閘管以及巨型功率晶體管。逆變器時代，整流與逆變問題已得到解決，電力電子技術應用實踐中，主要問題在于工頻難以提升，大部分依然處于中低頻水平。第三，變頻器時代。20世紀80年代，大規模與超大規模集成電路技術研究取得了重大突破，這對電力電子技術的發展有著里程碑意義。基于集成電路技術的發展，憑借精細加工技術和高壓大電流技術，全控型功率器件得以形成。在新型器件不斷發展的背景下，交流電機的性能得到優化；同時，高頻化成為電力電子技術的主要發展方向。在此背景下，電力設備的節能性得到極大提升，并且趨向于小型輕量化發展。就技術層面而言，機電一體化與智能化對電力電子技術的發展發揮了重要作用。

1.2 現代電力電子技術的發展趨勢

在知識經濟時代背景下，技術創新成為社會各領域的焦點話題，政府與企業的創新意識不斷強化。作為一項新興技術，電力電子技術集多門學科于一體，在工業領域中具有重大應用價值[2]。基于此，未來建設電力電子技術的創新機制具有重要意義，是優化產業結構、推動產業發展的有效途徑。20世紀90年代，電力電子器件的發展趨于高頻化、標準化、模塊化以及智能化。根據電力電子技術發展現狀可知，高頻化與智能化已經成為電力電子技術的主流趨勢，在此背景下，機電設備的響應速度與工作效率必然得到全面提升。

2 現代電源技術

現代電源技術與電力電子技術有著十分密切的聯系，多體現在電力電子半導體器件上，并融合了自動控制技術、計算機技術以及電磁技術等多項技術手段，具有非常廣闊的應用范圍。根據分類標準可以將電源分為不同種類，例如根據輸入、輸出可將電源分為AC-AC、AC-DC、DC-AC、DC-DC等；以工作狀態為依據，可將電源分為線性電源、二極管穩壓電源以及開關電源。本文主要圍繞開關電源中電力電子技術的運用展開探討。

在電力電子技術不斷發展的背景下，開關電源技術逐漸趨于成熟，其發展方向主要體現在以下幾個方面。第一，技術模塊化、智能化。模塊化電源技術一方面指功率器件，另一方面指電源單元。在新型技術的支持下，電源對不同模塊進行集成化處理，如此開關電源占用空間就會變小，器件更加穩定，系統的可靠性得到提升。輸出穩壓電路模塊化發展提高了電源使用的靈活性與便捷性。第二，數字化與多元化是開關電源技術的發展趨勢。正如上文所述，電子技術具有很強的綜合性，涉及了諸多學科領域，其中電源技術主要包括功率轉換、數字化控制、高頻變換等技術內容。為進一步提高技術創新性，電源技術的發展必然要充分結合行業發展動態，不斷更新自身知識技能，從而實現多元化與數字化發展[3]。

3 電力電子技術在開關電源中的具體運用

20世紀末，電子與電氣設備中，開關電源的應用價值已經逐漸凸顯，并廣泛運用于電子檢測設備、控制設備以及通信設備等領域，這對開關電源技術的發展也起到了巨大的推動作用。不可否認，開關電源的缺點固然存在，例如開關電源的電路有待簡化，抗射頻與電磁干擾能力不強。在科技不斷發展的今天，人們開始重視并逐漸解決開關電源存在的一些問題與缺陷[4]。目前，開關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、功率轉換以及整流濾波輸出等三個環節，主要功能是向負載傳遞電網電能；控制電路以保護電路運行為主。

3.1 軟開關技術

基于IGBT功率器件控制的PWM電源在能耗上具有突出優勢，相較于傳統大功率電源的逆變主電路結構，PWM電源可以減少近40%的能耗。軟開關技術借助了諧振原理，改進、優化了傳統電路中緩沖電路對電壓尖峰的消除和浪涌電流問題，從而簡化了系統，有效控制了故障概率。傳統電路中，開關電源進行操作的瞬間會產生較大的電流和電壓，如果不能利用這部分電能，就會造成能量損耗。基于諧振電路的運用，可以吸收高頻變壓器中的電感與電容，從而緩釋晶體管等元件的壓力，使電源得到充分利用，并有效維持電源的穩定性[5]。

3.2 同步整流技術

同步整流技術是基于軟開關技術，提升開關電源效率的一種技術手段。同步整流技術通過反接的方式，處理整流開關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。在零電壓開關與零電流開關的驅使下，同步電流產生的脈沖信號會與初始的脈沖信號進行聯動，使其上升沿超遠原有的上升沿，進而有效控制金屬氧化物半導體場效應晶體管，并實現零電壓開關方式。

3.3 控制技術

當設計主電路時，通常需要充分考慮開關變換器的結構，分析其離散非線性特點。基于此，多路控制在開關電源中具有很強的適用性。基于調整開關電源的電子運動與時間周期，可以使開關電源具有動態性。利用基因算法、BP算法、模糊控制、微機控制以及人工神經網絡技術，可以提高開關電源的智能化程度。此外，MEMS技術在開關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在大功率開關的數字模塊中充分發揮作用，從而提升開關電源的數字化水平。

3.4 功率半導體技術

電力電子技術的發展催生了MOSFET與IGBT半導體器件。開關電源中，運用MOSFET與IGBT半導體器件，可以提升電源效率并充分利用能源。這兩種晶體管的內部電阻非常小，對驅動功率沒有過高要求，在能耗方面具有非常突出的優勢。基于同步整流技術與控制技術的結合，可以實現開關電源的高頻化發展，從而提高開關電源的技術水平。

4 結 論

總而言之，電力電子技術在開關電源中具有很高的應用價值。未來電源技術的發展進程中，人們應致力于研究電力電子技術與電源技術的融合問題，提高開關電源的技術水平，促使其在實踐中充分發揮應有的作用與功能，為推動相關領域發展提供有力支持。