论电力电子技术在开关电源中的应用研究

董泽宇

摘 要：现如今全世界的能源消耗逐年递增，而电力能源在所有能源中所占的比例大约是40%，而在电力能源之中，经过电力电子设备转换的电力能源也占有40%，根据现代电力能源的增长速度，电力电子设备的电子能源转换预计达到80%，所以在二十一世纪中电力电子技术所发挥的作用将越来越大。本文对电力电子技术及开关电源进行了简单介绍，并探讨了电力电子技术在开关电源领域中的应用。

关键词：电力电子技术；开关电源；应用

电力电子技术主要是控制和转换电能的学科，通过电力电子器件的利用来展开相关的电力电子技术运用。电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标以及能否安全可靠地工作。随着开关电源的电路拓扑、控制方式等理论和技术的不断完善以及功率开关器件、控制芯片、磁性元件等的不断发展，开关电源的应用领域越来越廣泛。电力电子技术的不断发展，要求开关电源有更高的频率、更高的功率密度、更高的效率、更高的功率因数和更高的可靠性，同时还要做好故障维护，有效控制好各个结构的工作性能，确保开关电源的工作状态。

一、电力电子技术

电力电子技术包括电力元件制造技术和电子电路的变流技术。电力电子技术的发展经历了第一代半控型电力电子技术，第二代全控型电力电子技术和第三代复合型电力电子技术，目前电力电子技术的主要发展方向是小功率的集成电路。小功率的集成电路技术把驱动、控制和功率器件技术综合在一起，最大的优点是能够降低功率。随着自关断器件的应用，高频化成为电力电子技术的发展方向。电力电子的控制技术在新阶段的应用还包括无功功率控制和神经元控制等方面，目前，在电力电子控制技术中，传统的模拟控制已经不能满足电力电子技术发展的需要，取而代之的则是微处理器的数字控制技术。

二、开关电源简介

1.基本原理。开关电源作为人们日常生活中比较常用的设备，也有着不同的类型，我们将其分成变换电能的电源以及发出电能的电源两种类型。严格来说，自然界并没有能够直接利用的电源，所以这就需要通过转换器进行转换，才能使电能得到有效的利用，而这一能够将能源得到有效转变获得的电源就是付出电能的电源。很多时候这一电源并不能直接的被应用，还要通过变压器等电力设备进行电压的转换，这样才能被实际的应用。开关电源是变换电能的电源，开关电源的工作原理就是在电进入到电源之后，就要经过整流以及滤波进行转为高压直流电，在开关电路以及高频开关变压器作用下，进行转变为高频低压脉冲，最后就能够输出低电压直流的电源。一般开关电源主要由功率回路和控制回路组成，如图1所示。

2.发展趋势。开关电源的主要发展趋势有以下几方面：第一，高频化，为减小变换器体积，提高其功率密度，改善动态响应，开关电源的工作频率从几十、几百不断提升至级；第二，提高效率，应用各种软开关技术，包括无源无损（吸收网络）软开关技术、有源软开关技术，如谐振、准谐振、零电压零电流转换技术（以及恒频零开关技术）等，减小开关损耗和开关应力，以实现高效率的高频化，提高变换器输入端的功率因素，减少对电网的谐波污染；第三，模块化，适应分布式电源系统的需要，提高可维护性、降低设计风险；第四，全数字化控制，电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。

三、电力电子技术在开关电源中的应用

开关电源主要是为了维持稳定输出电压，通过现代电力电子技术，控制公路半导体器件的开通和关断时间比率。开关电源与线性稳压电压相比，开关电源具有一定的优势，主要有体积小和效率高以及重量轻等优点，因此在电子设备中得到了广泛的运用。二十世纪末期开关电源在电子和电气设备领域中的运用逐渐增加，在通信、电子检测设备和控制设备电源等领域展开广泛的运用，有利于开关电源技术的快速发展，但是开关电源也有一些缺点，主要有开关电源的电路比较复杂，容易受到射频和电磁干扰。但是随着科学技术的进步，开关电源的缺点正在不断被克服。在开关电源中征集电路可以分为主电路和控制电路两种，而在主电路中，包含三个环节：首先是输入整流滤波；其次是功率转换；最后是输出整流滤波。主电路主要有将电网能力传递给负载的功能。而结构框图除了主电路外为控制电路，主要是为了保护电路正常的工作。

1.同步整流技术。同步整流技术是在软开关的基础上进一步提升效率的技术，它通过对整流开关二极管的金属绝缘体--半导体管反接，适用于低压、大电流的电源上。同步电流通过零电压开关和零电流开关，驱动同步整流的脉冲信号与初始的脉冲信号联动，将其上升沿超过原来的上升沿，降低延迟以实现金属氧化物半导体场效应晶体管和零电压的开关方式。

2.软开关技术。IGBT功率器件控制的PWM电源可以克服传统大功率电源逆变主电路结构的高耗能问题，使能耗降低30%—40%。软开关技术采用谐振原理，克服传统电路使用缓冲电路消除电压尖峰和浪涌电流的问题，从而使系统趋于简单，降低故障发生的可能性。传统电路在开关启动和关闭的瞬间会产生极大的电流和电压，瞬间产生的电压无法被有效利用，从而增加能耗。谐振电路可以吸收高频变压器中电感以及电容等，降低晶体管等元件的压力，从而提高电源的利用率和稳定性。

3.数字化控制技术。开关电源的数字化控制技术层面，主要是在数字处理技术不断发展的背景下，能够通过计算机软件对开关电源实施有效的控制，避免了模拟信号传递中的波形畸变失真，而且在抗干扰的能力上表现的也比较突出。通过数字化的控制技术，使电路的安全可靠性得到了有效保证。同时，在模块集成化层面，尤其是单元电路模块化以及功率器件的模块化方面，将开关电源的可靠性也进行了有效提升。

4.空间电源控制器技术。空间电源控制器是航天器电源系统的重要组成之一，作为大功率开关电源，主要功能是通过电能变换将太阳帆板产生的电能输送给航天器载荷，适时对蓄电池充放电，维持航天器能量平衡及供电母线的稳定。考虑到空间环境的复杂性，除对空间电源控制器小型化、轻量化的要求外，更重视其可靠性，因此，工业和民用领域的电力电子技术在向空间领域开关电源应用拓展时还要进行充分验证及可靠性评估。

四、结语

总而言之，开关电源是利用现代电力电子技术，控制功率半导体器件开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。与线性稳压电源相比，开关电源具有体积小、效率高、重量轻等一系列优点，在各种电子设备中得到广泛的应用。随着电力电子技术的发展，开关电源将得到进一步完善和发展。

参考文献：

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