电力电子技术在开关电源中的应用

孙艳凤，张金虎

（国网天津市电力公司蓟州供电分公司，天津 301900）

0 引 言

随着能源消耗的持续增加，电子电力技术的作用与价值逐渐凸显。在电力电子技术高速发展的背景下，开关电源逐渐由高耗能转化为低耗能。为了提高开关电源的应用效果，需要根据具体情况在开关电源中合理应用电力电子技术，提升开关电源的稳定性和可靠性，以期达到预期的应用目的。

1 电力电子技术和开关电源概述

电力电子技术和开关电源是2个相互关联的概念。电力电子技术是指将电力电子器件应用于电力系统，实现对电力的控制、调节、转换等。开关电源则是电力电子技术的一种具体应用，通过相关部件实现对电力系统的调节和控制。电力电子技术是开关电源的基础，开关电源是电力电子技术的具体实现[1]。在开关电源中，电力电子器件的主要作用是实现电能的转换和控制，从而实现对电源的调节和管理。电力电子技术的发展推动了开关电源的不断进步。开关电源通常由电源变压器、整流滤波电路、功率转换电路以及控制电路等组成。它的工作原理是将交流电通过整流滤波电路转化为直流电，再通过功率转换电路将直流电转换为高频矩形波，最后通过整流滤波电路将高频矩形波转换为直流电输出。开关电源的高频化、高效化、小型化和绿色化是其未来发展的重要方向[2]。

2 我国电力电子技术和开关电源发展现状

2.1 电力电子技术发展现状

我国电力电子技术在高效能转换、新能源利用、智能电网、工业应用和新能源汽车等领域取得了一定进展，但仍面临一些挑战，如技术创新、市场推广等问题，如图1 所示。未来，电力电子技术仍将是电力行业发展的重要方向之一，将为能源可持续发展和工业转型升级提供支撑。

图1 技术现状

第一，高效能转换。我国电力电子技术正在向高效能转换方向发展，通过采用新型电力电子器件和变换技术，提高电能转换效率，降低能源消耗，为能源可持续发展提供支撑。

第二，新能源利用。电力电子技术是实现新能源发电和利用的重要手段。我国电力电子技术在新能源领域取得了一定进展，如在太阳能、风能等新能源的并网、逆变、储能等方面得到了广泛应用。

第三，智能电网。电力电子技术是实现智能电网的关键技术之一。我国正在大力推进智能电网建设，而电力电子技术可以实现电网的灵活控制和调节，提高电网的可靠性和安全性。

第四，工业应用。电力电子技术在工业领域应用广泛，如电机驱动、过程控制以及电力质量保障等。我国电力电子技术在工业领域得到了广泛应用，提高了工业生产效率和产品质量。

第五，新能源汽车。新能源汽车是未来汽车行业的发展方向，而电力电子技术是实现新能源汽车的关键技术之一。我国电力电子技术在新能源汽车领域得到了广泛应用，如直流充电桩、交流充电桩等[3]。

2.2 开关电源发展现状

开关电源是一种高频、高效的电能转换装置，具有体积小、重量轻、效率高以及可靠性高等优点，被广泛应用于计算机、通信、工业控制以及照明等领域。

第一，技术创新。随着电力电子技术的发展，开关电源不断发展进步。新型的功率器件、控制技术、功率集成技术等不断涌现，为开关电源的创新提供了更多可能性。

第二，高效节能。高效节能是开关电源发展的重要方向之一。通过采用新型的功率器件、控制技术和功率集成技术，提高开关电源的效率，降低能源消耗，为节能减排做出贡献。

第三，智能化控制。智能化控制是开关电源发展的重要趋势。通过采用先进的控制算法和软件技术，实现开关电源的智能化控制，提高电源的稳定性和可靠性。

第四，高频化发展。高频化是开关电源发展的重要方向之一。通过采用高频化的电路设计和功率集成技术，提高开关电源的转换效率，减小体积和重量。

第五，绿色环保。绿色环保是开关电源发展的重要方向之一。通过采用新型的功率器件、控制技术和功率集成技术，降低开关电源的能耗和噪声，减少对环境的污染。

综上所述，开关电源在高效节能、智能化控制、高频化发展、绿色环保等方面取得了一定的进展。随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，开关电源将在更多领域得到广泛应用，为推动能源转型和工业升级做出贡献[4]。

3 电力电子技术在开关电源中的应用措施

3.1 优化功率器件

在开关电源中，功率器件是实现电能变换的关键元件，而应用电力电子技术有助于优化功能器件，提高开关电源效率。第一，采用新型功率器件。新型功率器件具有更高的效率、更低的能耗、更小的体积和重量等优点，可以大大提高开关电源的性能。例如，采用高频、高压、大功率的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）、集成门极换流晶闸 管（Integrated Gate Commutated Thyristors，IGCT）等新型功率器件，可以提高开关电源的转换效率和稳定性。第二，优化功率器件结构。例如，采用双极型功率晶体管、功率场效应管等新型功率器件，可以提高开关电源的性能和可靠性。第三，采用功率集成技术。通过将多个功率器件集成在一起，可以减小体积和重量，提高效率和可靠性。例如，采用IGCT、IGBT 等新型功率器件，可以实现高电压、大电流的电能变换。第四，优化控制技术。通过采用先进的控制技术，可以实现开关电源的智能化控制。例如，采用数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）和微控制器（Micro-Controller Unit，MCU）等技术，可以实现开关电源的智能化控制和数字化管理。

开关管的导通损耗Pconduct、开关损耗Pswitch和总功率损耗Ptotal，分别为

式中：Uon为开关管的导通电压降；Iload为负载电流；D为占空比；Uoff为开关管的关断电压降。

式中：Uf为整流二极管的导通电压降；Ur为整流二极管的反向恢复电压降。

输出滤波电感的功率损耗Ploss为

式中：Rloss为输出滤波电感的电阻。

3.2 优化系统设计

系统设计是实现开关电源高效、节能、环保的基础。应用电力电子技术有助于优化系统设计，提高开关电源效率。第一，采用新型系统设计，如实现数字化、模块化、紧凑型等设计。例如，采用数字化控制系统可以实现快速响应和精确控制，提高电源的效率和稳定性。第二，优化系统结构。例如，采用多路输出结构可以同时满足多个负载的需求，提高电源的利用率。第三，采用新型材料如高导热材料、高强度材料等，以降低散热器的温度，提高电源的稳定性和可靠性[5]。

3.3 优化散热设计

散热设计是保证开关电源稳定运行的关键。应用电力电子技术有助于优化散热设计，提高开关电源效率。第一，采用新型散热设计如液体冷却、热管散热等。液体冷却通过循环液体带走热量，可以快速降低电源温度，提高电源的稳定性和可靠性。热管散热则是通过热管将热量传递到散热器，然后通过散热器将热量散发出去，提高电源的散热效率。第二，优化散热结构。例如，采用大面积散热器可以提高散热效率，降低电源温度。同时，可以采用导热硅脂等材料提高散热器的导热效率，进而提高电源的稳定性和可靠性。第三，通过合理布局提高开关电源的效率和可靠性。例如，将发热元件和散热器放置在靠近墙壁的位置，将开关电源放置在通风良好的位置，确保空气流通，提高电源的散热效率。

3.4 优化控制策略

优化控制策略是提高开关电源效率的关键之一。应用电力电子技术，通过采用新型控制策略、优化控制算法的具体流程、实现智能化控制、考虑环境因素等措施，可以进一步提高开关电源的效率和可靠性。首先，采用比例-积分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）控制器、模糊逻辑控制器、神经网络控制器等新型控制策略，可以更好地适应不同的电源特性和负载情况。其次，优化控制算法的具体流程。例如，可以采用更快、更稳的控制算法，优化开关频率和占空比，减少开关损耗，提高电源效率。再次，分析开关电源的特性和负载情况，找出电源在不同条件下的最优运行方式，并针对不同的应用场景制定相应的控制策略。最后，通过传感器和微控制器等智能化器件，实现对开关电源的实时监控和远程控制。需要注意的是，在控制策略设计中应该考虑环境因素对电源效率的影响，如温度和湿度等，并采取相应的措施进行优化。

4 结 论

电力电子技术和开关电源的发展对社会经济的发展具有重要意义。因此，相关从业人员需要不断探索和创新，不断优化电力电子技术在开关电源中的应用措施，以实现开关电源应用的高效、节能、环保目标。