现代电力电子技术在开关电源中的应用

2021-01-03牛潇昆

科技创新与应用 2021年18期

牛潇昆

（北京信息科技大学，北京 100192）

我国在电力电子技术中普遍采用了信息电子技术和半导体技术。作为电力工业的先驱技术，电力电子技术的基础主要有变流电路、电力电子元器件、控制电路等。开关电源主要是借助于先进的电力电子技术和控制技术，来实现开关半导体元件的开通、关断等自动化控制方式，以保证输出电压的稳定。与传统的线性稳压电源相比，现代开关电源具有体积小、应用范围广等优点，已在各种电子产品中得到了广泛的应用，如计算机使用的电源就是一种最为经典的开关电源。但开关电源在实际应用中，也会受到一些电磁干扰的影响，而且其内部电路结构复杂，射频干扰也较为严重，尤其在开通和关断的一瞬间会产生功率耗损。开关电源的整体电路是由控制电路和开关电源主电路共同组成。其中，整体电路的主电路是一个复杂的电网能量转换和传输电路，包括输入整流滤波器和功率转换器。以目前较为常用的高频开关电源为例，它在电力行业中的应用有哪些主要特点？其未来发展前景如何？这是本文论述的重点所在。

1 高频开关电源的特点

1.1 开关电源的分类

开关电源有很多种分类方式。首先，根据各种开关电源的驱动形式，可以将其大致分为他励式和自励式两种类型。若按照各种开关电源的输出及电能转换类型进行划分，又可将其分为两种不同的转换器类型：AC/DC型和DC/DC型。若按照开关电源所需的控制方式和使用场合进行分类，真正地实现精准控制，开关电源又可分为PWM脉宽调制式和PFM混合调制式。若按照谐振的标准来划分，开关电源又可分为谐振式和非谐振式两种。这些都是现实中较为常见的分类方式。

1.2 高频开关电源的应用

高频开关电源技术，是指在技术实践和推广应用的过程中，能够直接以自动化的形式，实现对高频交流电源的电压进行转换，从而可以满足各种大型电气设备的交流电路供电性能要求。高频开关电源在正常工作时，先是将220V工频交流电整流为直流电，再通过大功率高频开关电源的元器件所构成的电压型逆变电路，进行直流电到交流电的转换。最终，经过采用PWM技术控制的整流电路，可以输出稳定的直流电压。现代高频高压开关电源具有整体重量轻、体积小等显著的性能优势。

大功率高频开关电源在实际工业应用和生产的过程中只需要依靠一个工频功率变压器，这就使高频开关电源的质量和体积比普通开关电源更轻、更小，便于设备的快速安装和正常运行。大功率高频开关电源不仅具有较大的输出功率和峰值，同时可利用导体二氧化硅的电导率和导通角，直接控制逆变器和高压整流器的实际输出功率和峰值。高频开关电源负载的变化也会直接影响功率因数的变化，当负载性质发生改变或负载增大时，相应的功率因数会变小。此外，高频开关电源的低噪声也不可忽视，运行时，其噪声小于50dB，相比之下，高频开关电源的噪声比相控整流器要低35%以上，在开通和关断的瞬间，电能消耗量相对较低，这不仅有利于降低能耗，还可以有效提高电路的工作效率。

2 电力电子技术在开关电源中的体现

2.1 电力电子技术的发展

目前，电力电子技术的应用十分广泛。高频开关电源可以支持较大功率晶体管的工作，能够有效地提高整流器的功率和容量。近些年，人们对高频集成电路的深入研究推动了开关电源在各种电气工程领域中的应用，这也是高频开关电源向着模块化、小型化和高性能化方向发展的主要原因。

譬如，不间断电源（UPS），其工作原理是：将220V交流电先通过整流电路转换为直流电，转换后的直流电一部分存入蓄电池，作为备用能源，另一部分供给后续的逆变电路，电能经过逆变电路后，又从直流电再转换成交流电，使用户正常使用。一旦发生停电事故时，蓄电池中储存的电能将被提供给后续的逆变电路，以确保用户用电不间断。在不间断电源（UPS）设备当中，高频开关电源可以在整流电路中应用，能将输入的交流电转换为稳定的直流电。采用高频开关电源还能有效地减少噪音干扰，这在一定程度上可以保障电路系统的稳定性。

在基于高频开关电源的电气传动控制系统中，应用高频电压变频控制器可以直接实现电动机在运行中的自动变频和对电机转速的实时自动化控制。高频电压变频器的驱动电源通过高频电压变换器、大功率高频晶体管等电力电子器件和电路，实现了无源电压的自动转换，改变了有源电压的转换效率，有效地降低了能耗。

电力电子技术综合来讲就是一项使用弱电来控制强电的技术，借助于现代电力电子技术，可以使传统开关电源中的自动化强电和智能化弱电等不同的电路模块进行整合控制，从而大大降低传统开关电源在技术研发和生产过程中的成本，具有节能、低碳环保的技术优势，在实际应用中可以达到既实用又高效的效果。

2.2 现代电力电子技术的优势

现代电力电子技术在工程中的应用非常普遍，例如在软开关技术中的应用。软开关相较于硬开关来说，使用电力电子器件，在开关开通或关断前的一瞬间，控制电路中的电流和电压当中的某一个物理量为0，这样一来，电流和电压的乘积，也就是开通或关断时的功率耗损就为0，大大减少了开通或关断时的器件耗损，能够有效地增加开关使用次数，实用性强。由此可见，借助于软开关技术，可以延长许多电气设备的使用寿命。

采用IGBT等新型电力电子器件和PWM脉冲宽度调制的控制方法，可以对开关电源进行自动控制，尤其在功率方面，可以有效解决在传统开关电源中整流电路、逆变电路和主电路所使用的大功率控制器件所造成的能量消耗过大，甚至发热严重等问题，降低传统开关电源的系统能耗。

与此同时，在谐振和电磁兼容方面，应用现代电力电子技术控制原理可以有效解决传统开关电源中的浪涌和电流过大等问题，有助于降低开关电源的电流尖峰，减少开关电源故障的概率。电路中的谐振吸收技术可以在高频条件下，每当开关电源正式开启或正式关闭时，对高频开关变压器内部的高频电容、电感等储能元件所产生的谐振干扰信号进行吸收，可降低高频开关电源的使用成本和电源能耗，同时还可以减少对电路中的高频晶体管等其他电力电子开关元器件的冲击。

在开关电源工作时，尤其是在开通或关断的瞬间，由于电压冲击和电流冲击，会造成开关损耗。现代高频开关电源通过采用先进的整流电路和自动微机控制技术，使它能够充分保证在开关电源工作时，各个电路正常、稳定地运行，提高电能的综合利用率。另外，通过使用现代电力电子器件以及高频同步整流转换技术，也同样能有效改善并提高各类电力开关电源的实际工作效率。高频同步整流驱动技术是将开关同步整流器与开关供电二极管连接部位的金属片和绝缘体进行反接，直流同步脉冲信号经过零电压和脉冲电流驱动开关后，可以实现对直流电压的初始值和脉冲信号的同步驱动，零电压同步整流器的开关就是以这样的驱动方式来构成的。

一般情况下，同步稳压电源技术广泛适用于一些直流电压相对较大的开关电源，而控制电路系统中的电流集成技术通常可以用来实现对多个传输路径的电流、电压输出进行控制。电路中的自动控制技术在大型电力系统的应用过程中，控制电路的主电路结构设计必须完全符合经典开关电源变换器的基本结构设计要求，必须具备较高的电磁兼容性和抗干扰能力。

3 电源控制技术的未来发展趋势

3.1 开关电源在实际应用中不断改进与完善

在现阶段，开关电源已经具备了安全、高效、可靠、低成本、低功耗和抗干扰能力强等显著优点，然而大多数常用的开关电源所使用的电力电子器件仍然是双极型晶体管和晶闸管，此类开关电源在工作频率和控制方式等方面还有待提高。因此，开关电源今后应该以大幅度提高各种电力电子开关元器件的启动频率和容量为基础进一步发展，在真正提高了开关电源的启动频率和容量后，才能降低能耗，节约能源。

如果开关电源的启动频率不够高，就会对电路中的分布式电感和电容造成干扰，从而产生浪涌。在这种情况下，可以考虑采用诸如LC滤波缓冲器等其他具有辅助性的元器件所构成的滤波电路，来精确控制输出电压波形和抑制浪涌电流。针对高频开关电源的控制，可以优先使用一些谐振、谐波转换控制电路的核心技术，对开关电源高频时的浪涌波动状态进行实时监测和自动控制。谐振式高频开关电源在目前虽然能够有效减少开关电源在一次较长时间的启动过程中所产生的功率耗损，但其中所用到的谐振信号转换集成电路，在目前仍然存在着许多尚未解决的技术问题。就现阶段而言，我国科学家已经针对各类开关电源的正常工作模式和不同的系统运行方式进行了许多相关的技术研究。例如，如何消除开关瞬间所产生的功率耗损？有一种方法就是通过降低开关电源的开启电流，在一定程度上降低开通时的功率耗损以及浪涌、噪声干扰，这种方法具有一定的实用性，但消除耗损在改进方面仍有很大空间。

开关电源技术的快速发展极大地促进了我国智能电网和数控微机等工业电子信息技术的进步。通过配置开关电源的系统电路，使系统中的各个模块能够实现自动化控制以及对各个模块电路的分布式控制，目的是确保系统的稳定性。同时，也可以在开关电源的设计过程中为其增加启动滤波器，对启动频率进行有效地自动调节，提高其实用性。现代电力电子技术的迅速发展，使开关电源技术也在不断革新，开关电源的性能也在逐年改进、提高。

3.2 我国的电源控制技术正在逐步走向成熟

随着科学技术的不断发展，电源控制技术和我国现代过程控制理论、材料科学、电机工程、微电子工程技术等很多研究领域都有了紧密的联系。近年来，我国的电源控制技术发展较快，如今已经形成了一门由多个专业学科相互融合、渗透而来的综合性电源技术培养课程，该课程对我国现代信息通信、电气工程、电子机械仪表、计算机、控制工程自动化以及国防和某些重大高新技术行业所迫切需要的，针对各种电源的开发与设计，提供了可靠的保障。

许多现代高科技设备在电源使用方面都与其所在城市的供电系统的电流、电压、相位、频率等基本参数密切相关。通过电源控制技术，可以实现对这些参数较为精确的控制，特别是对大功率电器的变频调节。电源控制技术已经成为了十分重要的新兴产业，它是一种从人们的日常生活中逐渐走向尖端化的科学技术，也是许多其他高新技术的重要基石。电力行业的相关技术和相关产业的不断创新和发展，将成为我国现代经济社会进一步发展的必然趋势，同时也会为我国现代化电源企业的发展节约能源和资金，为电源制造业在生产工艺和效率提升等方面提供重要的技术创新。