電力電子技術在開關電源中的應用研究

曲子君（沈陽理工大學，遼寧　沈陽　110159）

電力電子技術在開關電源中的應用研究

曲子君（沈陽理工大學，遼寧沈陽110159）

電力電子技術的日新月異的發(fā)展，也促進開關電源技術由低頻到高頻，由整體化到模塊化，由高能耗向低能耗發(fā)展。本文結合電力電子技術的發(fā)展，對其在開關電源中的應用進行分析。

電力電子；開關電源；應用

1　緒論

著半導體和信息技術的推進，電力電子技術的發(fā)展帶動開關電源由低頻向高頻，整體化到模塊化，由高能耗向低能耗進行技術轉(zhuǎn)變。高頻開關電源作用為將交流輸入的電流轉(zhuǎn)化為合適的直流輸出。經(jīng)過大功率開關元件，如金屬—絕緣體—半導體管等組成的逆變電路，將直流高壓轉(zhuǎn)換成方波，之后將方波電壓由高壓降低為低壓，最后輸出穩(wěn)定的直流電壓，在現(xiàn)代開關電源的應用中得到極大推崇。

高頻開關電源主要特點如下：

1.1質(zhì)量低、體積小。高頻技術可以不使用工頻變壓器，使質(zhì)量和體積減少90%。

1.2功率系數(shù)大。隨著可控硅導通角的變化使相變整流器的功率系數(shù)變化，負載較小時，系數(shù)較小，可以達到0.3；完全導通時可以使系數(shù)達到0.69以上。

1.3噪聲弱。開關電源噪聲只有45db左右，較工頻變壓器以及濾波電感在相控整流設備中的噪聲降低30%。

1.4效率高。減少開關瞬間消耗，而且由于整機的功率因數(shù)補償，可以使效率達到90%以上。

1.5結構模塊化。模塊式結構可以便于整個開關的設計和研發(fā)，降低成本。

2　現(xiàn)代電力電子的應用領域

高頻開關電源能通過大功率晶體管如ⅠGBT等進行運行，使頻率限制在區(qū)間60～110kHz。并且整流器功率容量也增大到48V/400A以上。大規(guī)模集成電路的突飛猛進更是促進電源模塊體積的減小，從而進一步增加電源的功率密度，以實現(xiàn)開關電源的高效化和微小化。

整體科技的進步需要計算機和通信設施具有更高的性能和穩(wěn)定性，UPS不間斷電源便順時而出。輸入它的交流電經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)換為直流輸出，一部分流入電池給其充電，另一部分經(jīng)過逆變器、轉(zhuǎn)換開關等元器件到工作設備。不間斷電源使用脈寬調(diào)制技術和大功率ⅠGBT，降低噪聲強度，提高電源利用效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

變頻器主要在電氣傳動系統(tǒng)中用于交流電機的變頻調(diào)速，具有節(jié)能環(huán)保作用。它的電源經(jīng)過大功率晶體管和高頻變換器將電壓轉(zhuǎn)換為交流輸出，其電壓和頻率可變，功率可以超過110kW［1］。通過模塊科學堆積、程序智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等現(xiàn)代高新技術實現(xiàn)強電和弱電有效結合，降低大功率設備的研發(fā)成本和研發(fā)難度，并且可以極大的提升生產(chǎn)效率，實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能、經(jīng)濟高效、系統(tǒng)穩(wěn)定的卓越性能。

3　電力電子技術在開關電源中的應用

3.1軟開關技術

ⅠGBT功率器件控制的PWM電源可以克服傳統(tǒng)大功率電源逆變主電路結構的高耗能問題，是能耗降低30%～40%。軟開關技術采用諧振原理，克服傳統(tǒng)電路使用緩沖電路消除電壓尖峰和浪涌電流問題，從而使系統(tǒng)趨于簡單，降低故障發(fā)生的可能性。傳統(tǒng)電路在開關啟動和關閉的瞬間會產(chǎn)生極大的電流和電壓，瞬間產(chǎn)生的電壓無法有效利用，從而增加能耗。諧振電路可以吸收高頻變壓器中電感以及電容等，降低晶體管等元件的壓力，從而提高電源的利用率和穩(wěn)定性。

3.2同步整流技術

同步整流技術時在軟開關的基礎上進一步提升效率的技術，它通過作整流開關二極管的金屬絕緣體～半導體管反接，適用于低壓、大電流的電源上。同步電流通過零電壓開關和零電流開關，它們驅(qū)動同步整流的脈沖信號與初始的脈沖信號聯(lián)動，將其上升沿超過原來的上升沿，降低延遲以實現(xiàn)金屬～氧化物半導體場效應晶體管和零電壓開關方式。

3.3控制技術

主電路的設計必須滿足開關變換器的結構不同、離散非線性的特點，因此開關電源要使用多路控制。開關電源的動態(tài)性可以通過電子運動和時間周期的增減來控制實現(xiàn)，開關電源的智能性可以通過基因算法～BP算法、模糊控制、微機控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等技術實現(xiàn)。MEMS技術發(fā)展使微機運算的速度巨大提升，微機或者DSP應用到大功率開關的數(shù)字模塊的實現(xiàn)更加促進電源數(shù)字化和高效化的實現(xiàn)。

3.4功率半導體

MOSFET和ⅠGBT半導體器件的研發(fā)，使開關電源的高效利用能源的能力又得到極大的飛躍，兩種晶體管的內(nèi)部電阻都很小，驅(qū)動功率需求低，最重要的是能耗極其小。結合同步整流技術和控制技術，將高頻化開關電源的實現(xiàn)向前推進了極大的一步。

4　結語

電力電子技術在開關電源中的應用會隨著技術的不斷進步轉(zhuǎn)向更加廣泛的應用，高頻化、模塊化、智能化、節(jié)能化等必然成為其未來的應用方向。高頻開關技術的應用更是標志著電子電力技術在開關電源上應用的成熟，相信不遠的未來，電力電子在開關電源中的應用會進一步的突破。

［1］楊威，盧俊.電力電子技術在高頻開關電源中的應用［J］.城市建設理論研究，2012（36）.

［2］王予倩.電力電子技術的發(fā)展及其在開關電源中的應用［J］.四川電力電子，2005，28（5）：45～47.

［3］王新和，許建新.現(xiàn)代電力電子技術在電源中的應用是今后發(fā)展的必然趨勢［J］.治黃科技信息，2006（3）：10～12.