周冲
湖南中车通信信号有限公司 湖南 长沙 410129
摘要:开关电源在电子设备、通信设备以及检测设备等领域有着极高的应用价值。开关电源技术的普及与电子电力技术的发展有着十分密切的联系,人们在承认其应用价值的同时,要充分认识到开关电源在应用实践中存在的缺陷。人们有必要围绕电力电子技术与电源技术的融合与发展进行探讨、研究,分析开关电源存在的问题并提出有效策略,将电力电子技术融入其中,提高开关电源的技术水平,克服技术难题,以此推动电力电子技术及开关电源技术的进步与发展。
关键词:电力电子技术;开关电源;应用
1开关电源的简介
开关电源的基本组成单元如图1所示,其中的DC/DC电路主要用于进行功率转换,它使开关电源的核心部分,此外,还有过压保护、噪声滤波,启动、过流保护电路。输出采样电路(R1,R2>0)可以检测输出电压变化,并与基准电压Vref比较,误差电压经过误差放大器电产生脉宽调制(PWM)电路,再经过驱动电路控制电力电子器件的占空比,从而达到调整输出电压大小的目的。
图1开关电源的基本结构
2高频开关电源主要特点
第一,高频技术可以不使用工频变压器,使质量和体积减少90%;第二,随着可控硅导通角的变化使相变整流器的功率系数变化,负载较小时,系数较小,可以达到0.3,完全导通时可以使系数达到0.69以上;第三,开关电源噪声只有45db左右,较工频变压器及滤波电感在相控整流设备中的噪声降低30%;第四,减少开关瞬间消耗,而且由于整机的功率因数补偿,可以使效率达到90%以上;第五,模块式结构可以便于整个开关的设计和研发,降低成本。
3电力电子技术的发展历程
第一,整流器时代。在大功率背景下,工业用电主要源自于工频为50Hz的交流发电机,但其中有一部分电能属于直流形式,所占比重约为1/5,最典型的领域为电解、牵引以及直流传动等。在这一阶段,大功率硅整流管与晶闸管的应用逐渐普及。第二,逆变器时代。这一阶段为20世纪70年代,在微机得到普及的背景下,电力电子装置的智能化水平有所提升。在电力电子电路不断完善的背景下,工业领域开始涌现由晶闸管组成的不同种类的电力电子装置。这一阶段,电力电子器件主要为大功率逆变用的晶闸管、门极可关断晶闸管以及巨型功率晶体管。逆变器时代,整流与逆变问题已得到解决,电力电子技术应用实践中,主要问题在于工频难以提升,大部分依然处于中低频水平。第三,变频器时代。20世纪80年代,大规模与超大规模集成电路技术研究取得了重大突破,这对电力电子技术的发展有着里程碑意义。基于集成电路技术的发展,凭借精细加工技术和高压大电流技术,全控型功率器件得以形成。在新型器件不断发展的背景下,交流电机的性能得到优化;同时,高频化成为电力电子技术的主要发展方向。在此背景下,电力设备的节能性得到极大提升,并趋向于小型轻量化发展。就技术层面而言,机电一体化与智能化对电力电子技术的发展发挥了重要作用。
4电力电子技术在开关电源中的应用
4.1技术应用
4.1.1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。
4.1.2控制技术
主电路的设计必须满足开关变换器的结构不同、离散非线性的特点,因此开关电源要使用多路控制。开关电源的动态性可以通过电子运动和时间周期的增减来控制实现,开关电源的智能性可以通过基因算法~BP算法、模糊控制、微机控制、人工神经网络等技术实现。MEMS技术发展使微机运算的速度巨大提升,微机或者DSP应用到大功率开关的数字模块的实现更加促进电源数字化和高效化的实现。
4.1.3同步整流技术
同步整流技术使提升开关电源效率的一种技术手段。同步整流技术通过反接的方式,处理整流开关二极管中的金属绝缘体与半导体管,使电源适应低压、大电流条件。同步电流通过零电压开关和零电流开关,它们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开关方式。
4.2绿色高效电源
对绿色电源的追求主要体现在计算机技术的应用方面,计算机技术人员对于绿色笔记本和电源的要求使比较高的,通俗来说就使要使用省电、效率高、环保的电源,绿色电源的应用对于电脑来说其实使很有必要的,能够使台式电脑的耗电量低,不使用时处于休眠状态,减少电能的损耗。电力电子技术的发展进步创造出绿色电源芯片,智能化控制电脑客户端,使电源发挥作用,准确输出电压频率,提高电能利用效率,运用同步整流技术和智能控制技术使同步电流更加方便地和其他控制电源地芯片结合,让芯片性能更加稳定,既节能又环保。
4.3功率半导体
电力电子技术的发展催生了MOSFET与IGBT半导体器件。开关电源中,运用MOSFET与IGBT半导体器件,可以提升电源效率并充分利用能源。这两种晶体管的内部电阻非常小,对驱动功率没有过高要求,在能耗方面具有非常突出的优势。基于同步整流技术与控制技术的结合,可以实现开关电源的高频化发展,从而提高开关电源的技术水平。
5结语
总之,开关电源一般都使比较小巧,比较轻,但使利用率高的设备,日常生活中随处可见,家家必备。开关电源技术也要随着社会的发展进步而不断进步,电力电子技术应用于开关电源中,主要使为了达到提高电能使用率,降低电能的消耗,提高开关电源的工作效率。未来电源技术的发展进程中,人们应致力于研究电力电子技术与电源技术的融合问题,提高开关电源的技术水平,促使其在实践中充分发挥应有的作用与功能,为推动相关领域发展提供有力支持。
参考文献
[1]张锦鹏.浅谈现代电力电子及低压电源技术的发展[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2016(02):244.
[2]曲子君.电力电子技术在开关电源中的应用研究[J].化工管理,2016(09):129.
[3]李润杨.电力电子技术在开关电源中的应用探析[J].通信电源技术,2019,36(2):113-114.
[4]丁皓天.中国电力电子与电力传动应用及发展分析[J].科技与创新,2019(22):150-151.
[5]王梓楠.电力电子技术在开关电源中的应用分析[J].电子世界,2019(14):201-202.
[6]顾德峰.电力电子技术在开关电源中的应用[J].电子技术与软件工程,2019(20):227-228.
作者介绍:
周冲(1984.7.9—);男;湖南汨罗;汉;本科;中级;研究方向:电力电子;湖南中车通信信号有限公司。