电力电子技术在开关电源中的应用

张春霞

摘要：电力电子技术在开关电源中的应用关乎到电源能耗。结合我国电力电子技术的发展，分析电力电子技术在开关电源中的应用。针对电力电子技术在开关电源中的应用展开研究。

关键词：电力电子；开关电源；高频开关。

中图分类号：TN86 文章编号：1674-2583(2019)04-0063-02

DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2019.04.022

中文引用格式：张春霞.电力电子技术在开关电源中的应用[J].集成电路应用, 2019, 36(04): 63-64.

Application of Power Electronics Technology in Switching Power Supply

ZHANG Chunxia

Abstract — The application of power electronics technology in switching power supply is related to power consumption. Combined with the development of power electronics technology in China, the application of power electronics technology in switching power supply is analyzed. The application of power electronics technology in switching power supply is studied.

Index Terms — power electronics, switching power supply, high frequency switch.

1 引言

我国电力电子技术中广泛引进信息电子技术以及半导体技术，这使得电力电子技术朝着高频方向发展。电力电子技术主要包括变流电路、电子器件、控制电路。开关电源主要借助电力电子技术，实现对半导体器件开通和关断的控制，保证电压输出稳定。开关电源相较传统的线性稳压电源占地较小且应用效率高，因此广泛应用于各类电子产品中。但与此同时，开关电源在实际应用过程中受到电磁干扰的影响，而且电路分布复杂，受到射频干扰程度较大。开关电源中的整机电路由控制电路以及主电路进行控制，其中，整机电路主电路复杂电网能量的转换和传递，包括输出整流滤波、输入整流滤波以及功率转换。本文中以当前较为常用的高频开关电源为例，阐述高频开关电源的应用特点，并分析电力电子技术在开关电源中的应用。

2 高频开关电源的特点

2.1 分类

根据开关电源的实际用途以及标准对其进行分类，有着多种分类方式。首先，根据开关电源的驱动方式进行分类，可将开关电源分成他励式、自励式两种[1]。如果按照开关电源的输出/入类型进行划分，则能够分为 AC/DC 以及 DC/DC 两种不同变换器。想要实现对开关电源进行精准控制，按照控制方式以及用途不同，可将开关电源分为 PFM 混合式、PWM 脉冲宽度调制式等等。对开关电源进行电路划分，可将开关电源分为谐振型开关电源、非谐振型开关电源。

2.2 应用

高频开关电源在实际应用过程中能够实现交流电源的转换工作，从而满足电气设备的供电需求。高频开关电源在运行时，电流经过大功率开关元件的逆变电路，进行低压转换，最终形成稳定的输出电压。一般来说，现代高频开关电源具有重量轻、体积小的显著特点。高频开关电源在使用过程中不需要借助工频变压器，这使得高频开关电源的质量和体积相较于其他开关电源更轻、更小，便于安装和使用。尽管高频开关电源体积以及重量不足其他开关电源的一半，但是高频开关电源却有着极大的功率系数，并且能够利用硅导通角对相变整流器实际功率进行控制。高频开关电源负载的变化也会影响到功率系数的变化，当负载产生变化变小时，对应的系数也会变小。此外，高频开关电源噪声较小也是一大特点[2]。高频开关电源在运行过程中的噪声还不到 50 db。相比之下，高频开关电源运行时的噪声比相控整流设备运行过程中的噪声降低了 35% 之多。而且，高频开关电源在开关的瞬间能源消耗较低，这有利于节能减排，并能够有效提升整机的运行效率。

3 电力电子技术

3.1 电力电子技术在高频开关电源中的应用

电力电子技术在高频开关电源中的应用十分广泛。高频开关电源支持大功率晶体管运行，并能够有效提升整流器功率容量。随着人们对于集成电路所展开的深入研发，促进了高频开关电源在电气工程领域的应用，也使得开关电源朝着模块化、微小化和高效化的方向发展。

计算机技术以及通信技术的应用，使得高频开关电源设备更具稳定性。借助 UPS 经过整流器能够实现电流的直流输出，将交流电转换为两部分。开关电源中的一部分电流传送至转换开关、逆变器等元器，实现设备的正常工作，另一部分则流入电池，为电池进行充电。不间断电源借助大功率 IGBT，能够有效降低噪声强度，并在一定程度上保提高了高频开关电源的系统稳定性。

高频变频器主要应用于开关电源的电气传动系统中，能够实现对电机变频速度的调控。高频变频器电源经过高频变换器、大功率晶体管，实现电压转换，改变电压的频率、功率，具有节能减排的作用。借助现代高新技术，能够将开关电源中强电和弱电进行结合，能够有效降低开关电源研发的成本，具有节能减排、经济高效的应用优势[3]。

3.2 技术优势

采用电力电子技术中的软开关技术能够有效降低开关电源的故障发生率。借助 IGBT 功率器件对开关电源中 PWM 进行控制，从而解决大功率电源逆变主电路结构的能源消耗问题，降低开关电源的能耗。应用谐振原理解决传统开关电源的浪涌电流问题，并有助于减缓电压尖峰，降低系统故障发生概率。谐振电路在进行开启和关闭时能够对高频变压器中的电容、电感进行吸收，降低开关电源的能耗，同时能够为晶体管等元件进行减压。

相比于传统电路开关启动造成的巨大能耗损失，采用电力电子技术能够有效保证开关电源运行的稳定性，提高开关电源的利用率。此外，电力电子技术中的同步整流技术能够有效提高开关电源的运行效率。同步整流技术将整流开关二极管部位的金属绝缘体的二分之一进行反接，使同步电流通过零电压/电流开关，实现对同步整流的初始脉冲信号驱动，以这种方式实现零电压开关。

通常情况下，同步整流技术适用于一些电压较低、电流较大的开关电源中。电力电子技术中的控制技术能够实现对多路电流/电压的控制。在控制技术实施过程中，主电路的设计需符合开关变换器结构要求，并具备离散非线性的特点。控制技术具有其动态性，能够利用时间周期的变化对开关电源进行控制。在开关电源控制技术中应用到的算法包括：基因算法、模糊算法、神经网络控制算法等等。这些算法的应用可以保证计算机的运行速度有所提升，并且使开关电源运行更加智能，实现开关电源的高效化、数字化、模块化。

3.3 发展趋势

开关电源在运行过程中具备安全、高效、可靠、节能、低噪等显著优势，现阶段，常见的开关电源中采用双极性晶体管，这种型号的开关电源在频率控制上仍有待提高。因此，开关电源的应用趋势应以提升开关元器件的开关频率为主，这样才能够有效的保证开关电源的频率，达到节能减排的目的。考虑到提升开关电源的开关速度会对电路中分布电感和电容产生干扰，致使二极管存储电荷存在浪涌情况。为例对存储电荷的浪涌情况进行控制，可根据实际情况选择不同的应对方法。

一般来说，可采用 L-C 缓冲器、磁缓冲器等辅助元器件控制浪涌。针对高频开关电源而言，可采用部分谐振转换电路技术对存储电荷涌浪情况进行控制。谐振式开关电源能够降低开关启动过程中的能源损耗，但在实际应用过程中，部分谐振转换电路技术在高频开关电源应用中仍存在诸多难以攻克的技术难题。现阶段，国际上针对开关电源的运行电流耗电情况，已经展开了相关研究，有学者通过降低开关电源运行电流的方式，辅助降低结温措施，控制开关电源中器件应力，从而保证开关电源产品的可靠性，能够解决开关电源存储电荷的涌浪以及噪声等问题，具有一定的实用性。

当前，开关电源模块化发展推进了电力电子技术在开关电源中的应用成效。通过设置开关电源中的模块化电源组，能够将开关电源系统进行分布控制。为了能够降低模块化开关电源的开关功率，可在模块化开关电源设计过程中加入滤波器，能够实现对开关电源存储电荷的涌浪的有效控制，从而提高模块化开关电源的实用性。电力电子技术在开关电源中的应用使得开关电源性能更加稳定。

4 结语

开关电源中电力电子技术的应用能够提升开关电源的运行效率，使得开关电源更加智能化、高效化、节能化。随着科技的进步，电力电子技术的应用范围将会不断扩大，应用领域也会不断深入。

高频开关电源的研发不仅标志着我国电力电子器件技术上的突破，更标志着我国在探索开关电源领域的技术已经走向成熟。未来，高频化、智能化的开关电源将成为电力电子技术在开关电源中的主要发展方向，电力电子技术将会在开关电源领域实现技术性的突破。

参考文献

[1] 单如琳.电力电子技术在感应加热电源中的应用[J].电子技术与软件工程,2018(15):212.

[2] 张耕华.探究我国现代电力电子以及电源技术的发展[J].电子技术与软件工程,2016(24):246.

[3] 刘继芝.高压电源管理芯片中低压电路用电源的研究[D].四川：电子科技大学,2009.

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