现代电源技术的应用和发展

2019-01-16边党伟

通信电源技术 2019年8期

关键词：电源模块数字

杨波，胡鑫，边党伟

（西北机电工程研究所，陕西咸阳712099）

1 现代电源技术的重要应用范畴

1.1 计算机电源应用

正常顺利地运行计算机应该具备绿色、节能和高效的电源。自20世纪80年代起，开关电源便已应用于计算机，代替了先前的SCR相控电源和线性稳压电源[1]。

1.2 通信电源应用

快速发展的通信业很大程度地促进了通信电源的进步。现代通信供电中，开关电源的高频小型化技术是主要应用。关于通信范畴，一般称整流器是一次电源，称直流-直流变换器（DC/DC）是二次电源。一次电源是用作变换三相或单相交流电网成为直流电源拥有48 V的标称值。当前应用一次电源于程控交换机时，高频开关已经替代了以往的相控式稳压电源，经过IGBT或P-MOSFET高频工作的高频开关电源，能够控制开关频率于50～100 kHz，使小型化和高效率得以实现。

1.3 不间断电源应用

在不能中断电力供应的场合，需要拥有高性能和高可靠性的电源——不间断电源。经过整流器使得交流市电成为直流电，一些能源为蓄电池组充电，而其他的能源使用逆变器产生交流电，然后转换负载状态。为使逆变器产生故障时依然能提供能量给负载，备用的另一路电源需应用电源转换开关。电力电子器件能够使电源降低噪音，且提高可靠性和效率。引入微处理器软硬件技术，能够使智能化管理不间断电源得以实现，并可以展开远程诊断和维护[2]。

1.4 变频器电源应用

进行变频调速的交流电机是变频器电源的重点应用。普遍采取变频器形成交流-直流-交流的电源。采取整流器的方式将工频电源转换为固定直流电压，接着通过脉冲宽度进行调整，然后由GIBT组成的PWM高频变换器或大功率晶体管，经过直流电压的逆变，得到交流输出电压和频率转换。通常电源会输出相似的正弦波和输出波形，可用在实现无级调速的驱动交流异步电动机中。在家电范畴，日本东芝公司在20世纪80年代初首次于空调应用交流变频调速技术。变频空调具备的优点是节能和舒适，不仅拥有变频电源，还拥有可以变速和变频的功能。完善控制对策，选择良好的功能性部件，为变频空调电源打下研制基础[3]。

1.5 电力有源滤波器应用

通过桥式开关控制电路和功率变换器组成电力有源滤波器。运行交换器采用交流-直流的变电方式，将大量谐波电流注入到电网中，使得谐波干扰和损耗产生，并产生恶化功率因数的状况，又称作谐波污染。例如，在整流加电容滤波不可控的情况下，仅存在0.5～0.6的网侧功率因数。电源有源滤波器是可以将谐波动态控制的电力电子新型装置，可以弥补LC滤波器以往存在的问题。

1.6 开关电源的分布式

开关电源分布式的基本部件由大规模控制和小功率模块集成电路，应用最新技术和理论成果形成的供电电源具备大功率、智能化及积木式的特点，继而密切结合弱电和强电，使得效率提高。分布式供电具备的优点是方便维护、经济、高效、可靠及节能等，逐渐被应用于工业控制、航空航天、通信设备以及大型计算机等。这种供电方式是最理想的低压高速型集成电路电源。在大功率范畴，该电源拥有宽广的发展空间，如电动机驱动电源、中频感应加热电源、电力机车牵引电源及电解电源等。

1.7 开关电源的工作方式

（1）脉频调制方式。这种方式具备的特点是维持脉冲原有宽度，采用改变开关频率的方式控制占空比，从而实现稳压效果。脉频调制器是重点。设计电路过程中，将锯齿波脉宽发生器替换成固定脉宽发生器，采取电压/频率转换器将频率改变，如压控振荡器。它的稳压原理为：在输出电压升高的状况下，控制器所输出的周期变长，但脉冲宽度不变，减小占比空间；在输出电压降低的情况下，输出电压在PFM式开关电源中拥有很宽的调节范围，输出端不必接入负载。（2）脉宽调制式。这种方式具有维持开关频率不变的特点，可采用改变脉冲宽度的方式控制占空比，从而实现稳压效果。脉宽调制器至关重要。固定开关周期对设计滤波电路非常有利，然而仍存在显著的缺点，受限于最小导通时间的功率。目前大多应用PWM方式的集成开关电源。（3）混合调制式。这种方式指的是不固定的开关频率和脉冲宽度，是混合PFM和PWM的方式，其包括脉频与脉宽调制器[4]。因为能够单独调节T和TP，所以拥有最宽调节范围的占空比，适用于调节宽范围的开关电源和实验室输出电压。

2 现代电源技术的发展走向分析

2.1 高频化发展

相关科学研究表明，现代电源技术中，电源电感的工作频率的平方根与变压器电容的体积成反相关关系。将电气设备从50 Hz的频率调整到20 000 Hz时，电气设备的重量和体积明显下降。该方法通常应用于开关式整流器和逆变式整流焊机的设计中。随着科学技术的发展，功率电子器件提高了工作频率，使现代电源技术得到提高，许多高频电子设备较为传统的类型展现出固态化发展走向，提供给企业的经济效益较大。

2.2 模块化发展

随着科学技术的不断发展，逐渐展现出模块化的现代电源技术的发展走向，工业生产过程中，广泛应用的器件模块存在的单元类型较多，如标准功率的开关器件与二极管等。设计电源开关时，有些企业将驱动保护器安装与功率模块，获得智能化的功率模块系统，对整机的设计与制造十分有利。随着现代电源器件逐渐上升工作频率，寄生电感与寄生电容随之产生。为使现代电源器件更加快速、更加可靠，部分企业将用户专享的功能模块加入到系统中，即在固定的模块中统一安装全部的硬件，不需要引线将各个元器件相互连接。用户实际专享的集成模块系统与微电子的集成电路较为相似，开关电源装置的形成只需要简单的连接。为使电压应力降低，企业通常要运用多个独立单元进行并联工作，令各模块共同承载电流。通过与其他模块平分承载的电流，避免了单模块故障，保证了整个系统的正常运行[5]。

2.3 数字化发展

以往的信息模拟器通常用于电子技术控制的工作和设计。数字时代，许多电力电子技术建设都是以模拟电路为基础的。然而，随着互联网信息技术的快速发展，数字化的发展也在加速。工业生产过程中，数字电路与数字式信号变得愈发重要，数字信号处理技术逐渐完善与成熟，不断展现出数字信号处理的技术优势。采用计算机技术处理各种信息，可以避免模拟信号在传输中产生失真状况，可将干扰电子信号的散、杂、小信号减少，便于遥感监测与调试软件，有利于植入更多的容错技术与诊断技术。20世纪末期，模拟技术表现出较大的作用，特别是在功率因数校正、电磁兼容及印制版布图等方面。与模拟电源相比，数字电源采用A/D转换器采样，单片机计算误差，利用数字电源控制器FPGA、MCU及DSP等算法计算占空比，控制功率开关管。数字电源主要由数字电源驱动器、数字电源PWM控制器及数字信号处理器等器件组成。控制数字开关电源的方法有两种。（1）数字芯片控制。开关电源系统由高性能数字控制芯片（如DSP）采样，然后通过A/D转换输出PWM控制信号。DSP输出的脉冲宽度调制（PWM）信号由驱动器放大并施加到开关。数字电源具有模块化程度高、数字智能芯片可操作性高及通信功能易于实现的优点。但是，数字电源也存在许多需要解决的技术问题，如长控制周期、长相位延迟时间等。（2）单片机控制。当微控制器控制数字开关电源时，系统首先对输出信号进行采样，并将采样信号转换为数字信号。精确地计算和调整数字信号，将运算结果转换为模拟信号，从而驱动PWM控制芯片，间接实现开关电源的数字控制[6]。

2.4 绿色化发展

绿色化发展现代电源技术包含两个方面——环保与节能。发展现代电源系统可以节约大量的电量。导致环境污染的关键问题是发电，避免电量浪费现象，可以减少发电对环境的污染[7]。现代电源技术产生了许多校正功率因数的处理办法，奠定了发展电源技术的前提条件，现代供电技术的发展基本上是基于电力电子技术的发展。为使电源开关性能得到充分发挥，研发出许多新型控制技术和电路拓扑结构[8]。