電力電子技術在開關電源中的應用

張春霞

摘要：電力電子技術在開關電源中的應用關乎到電源能耗。結合我國電力電子技術的發展，分析電力電子技術在開關電源中的應用。針對電力電子技術在開關電源中的應用展開研究。

關鍵詞：電力電子；開關電源；高頻開關。

中圖分類號：TN86 文章編號：1674-2583(2019)04-0063-02

DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2019.04.022

中文引用格式：張春霞.電力電子技術在開關電源中的應用[J].集成電路應用, 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

我國電力電子技術中廣泛引進信息電子技術以及半導體技術，這使得電力電子技術朝着高頻方向發展。電力電子技術主要包括變流電路、電子器件、控制電路。開關電源主要藉助電力電子技術，實現對半導體器件開通和關斷的控制，保證電壓輸出穩定。開關電源相較傳統的線性穩壓電源佔地較小且應用效率高，因此廣泛應用於各類電子產品中。但與此同時，開關電源在實際應用過程中受到電磁干擾的影響，而且電路分佈複雜，受到射頻干擾程度較大。開關電源中的整機電路由控制電路以及主電路進行控制，其中，整機電路主電路複雜電網能量的轉換和傳遞，包括輸出整流濾波、輸入整流濾波以及功率轉換。本文中以當前較爲常用的高頻開關電源爲例，闡述高頻開關電源的應用特點，並分析電力電子技術在開關電源中的應用。

2 高頻開關電源的特點

2.1 分類

根據開關電源的實際用途以及標準對其進行分類，有着多種分類方式。首先，根據開關電源的驅動方式進行分類，可將開關電源分成他勵式、自勵式兩種[1]。如果按照開關電源的輸出/入類型進行劃分，則能夠分爲 AC/DC 以及 DC/DC 兩種不同變換器。想要實現對開關電源進行精準控制，按照控制方式以及用途不同，可將開關電源分爲 PFM 混合式、PWM 脈衝寬度調製式等等。對開關電源進行電路劃分，可將開關電源分爲諧振型開關電源、非諧振型開關電源。

2.2 應用

高頻開關電源在實際應用過程中能夠實現交流電源的轉換工作，從而滿足電氣設備的供電需求。高頻開關電源在運行時，電流經過大功率開關元件的逆變電路，進行低壓轉換，最終形成穩定的輸出電壓。一般來說，現代高頻開關電源具有重量輕、體積小的顯著特點。高頻開關電源在使用過程中不需要藉助工頻變壓器，這使得高頻開關電源的質量和體積相較於其他開關電源更輕、更小，便於安裝和使用。儘管高頻開關電源體積以及重量不足其他開關電源的一半，但是高頻開關電源卻有着極大的功率係數，並且能夠利用硅導通角對相變整流器實際功率進行控制。高頻開關電源負載的變化也會影響到功率係數的變化，當負載產生變化變小時，對應的係數也會變小。此外，高頻開關電源噪聲較小也是一大特點[2]。高頻開關電源在運行過程中的噪聲還不到 50 db。相比之下，高頻開關電源運行時的噪聲比相控整流設備運行過程中的噪聲降低了 35% 之多。而且，高頻開關電源在開關的瞬間能源消耗較低，這有利於節能減排，並能夠有效提升整機的運行效率。

3 電力電子技術

3.1 電力電子技術在高頻開關電源中的應用

電力電子技術在高頻開關電源中的應用十分廣泛。高頻開關電源支持大功率晶體管運行，並能夠有效提升整流器功率容量。隨着人們對於集成電路所展開的深入研發，促進了高頻開關電源在電氣工程領域的應用，也使得開關電源朝着模塊化、微小化和高效化的方向發展。

計算機技術以及通信技術的應用，使得高頻開關電源設備更具穩定性。藉助 UPS 經過整流器能夠實現電流的直流輸出，將交流電轉換爲兩部分。開關電源中的一部分電流傳送至轉換開關、逆變器等元器，實現設備的正常工作，另一部分則流入電池，爲電池進行充電。不間斷電源藉助大功率 IGBT，能夠有效降低噪聲強度，並在一定程度上保提高了高頻開關電源的系統穩定性。

高頻變頻器主要應用於開關電源的電氣傳動系統中，能夠實現對電機變頻速度的調控。高頻變頻器電源經過高頻變換器、大功率晶體管，實現電壓轉換，改變電壓的頻率、功率，具有節能減排的作用。藉助現代高新技術，能夠將開關電源中強電和弱電進行結合，能夠有效降低開關電源研發的成本，具有節能減排、經濟高效的應用優勢[3]。

3.2 技術優勢

採用電力電子技術中的軟開關技術能夠有效降低開關電源的故障發生率。藉助 IGBT 功率器件對開關電源中 PWM 進行控制，從而解決大功率電源逆變主電路結構的能源消耗問題，降低開關電源的能耗。應用諧振原理解決傳統開關電源的浪湧電流問題，並有助於減緩電壓尖峯，降低系統故障發生概率。諧振電路在進行開啓和關閉時能夠對高頻變壓器中的電容、電感進行吸收，降低開關電源的能耗，同時能夠爲晶體管等元件進行減壓。

相比於傳統電路開關啓動造成的巨大能耗損失，採用電力電子技術能夠有效保證開關電源運行的穩定性，提高開關電源的利用率。此外，電力電子技術中的同步整流技術能夠有效提高開關電源的運行效率。同步整流技術將整流開關二極管部位的金屬絕緣體的二分之一進行反接，使同步電流通過零電壓/電流開關，實現對同步整流的初始脈衝信號驅動，以這種方式實現零電壓開關。

通常情況下，同步整流技術適用於一些電壓較低、電流較大的開關電源中。電力電子技術中的控制技術能夠實現對多路電流/電壓的控制。在控制技術實施過程中，主電路的設計需符合開關變換器結構要求，並具備離散非線性的特點。控制技術具有其動態性，能夠利用時間週期的變化對開關電源進行控制。在開關電源控制技術中應用到的算法包括：基因算法、模糊算法、神經網絡控制算法等等。這些算法的應用可以保證計算機的運行速度有所提升，並且使開關電源運行更加智能，實現開關電源的高效化、數字化、模塊化。

3.3 發展趨勢

開關電源在運行過程中具備安全、高效、可靠、節能、低噪等顯著優勢，現階段，常見的開關電源中採用雙極性晶體管，這種型號的開關電源在頻率控制上仍有待提高。因此，開關電源的應用趨勢應以提升開關元器件的開關頻率爲主，這樣才能夠有效的保證開關電源的頻率，達到節能減排的目的。考慮到提升開關電源的開關速度會對電路中分佈電感和電容產生干擾，致使二極管存儲電荷存在浪湧情況。爲例對存儲電荷的浪湧情況進行控制，可根據實際情況選擇不同的應對方法。

一般來說，可採用 L-C 緩衝器、磁緩衝器等輔助元器件控制浪湧。針對高頻開關電源而言，可採用部分諧振轉換電路技術對存儲電荷湧浪情況進行控制。諧振式開關電源能夠降低開關啓動過程中的能源損耗，但在實際應用過程中，部分諧振轉換電路技術在高頻開關電源應用中仍存在諸多難以攻克的技術難題。現階段，國際上針對開關電源的運行電流耗電情況，已經展開了相關研究，有學者通過降低開關電源運行電流的方式，輔助降低結溫措施，控制開關電源中器件應力，從而保證開關電源產品的可靠性，能夠解決開關電源存儲電荷的湧浪以及噪聲等問題，具有一定的實用性。

當前，開關電源模塊化發展推進了電力電子技術在開關電源中的應用成效。通過設置開關電源中的模塊化電源組，能夠將開關電源系統進行分佈控制。爲了能夠降低模塊化開關電源的開關功率，可在模塊化開關電源設計過程中加入濾波器，能夠實現對開關電源存儲電荷的湧浪的有效控制，從而提高模塊化開關電源的實用性。電力電子技術在開關電源中的應用使得開關電源性能更加穩定。

4 結語

開關電源中電力電子技術的應用能夠提升開關電源的運行效率，使得開關電源更加智能化、高效化、節能化。隨着科技的進步，電力電子技術的應用範圍將會不斷擴大，應用領域也會不斷深入。

高頻開關電源的研發不僅標誌着我國電力電子器件技術上的突破，更標誌着我國在探索開關電源領域的技術已經走向成熟。未來，高頻化、智能化的開關電源將成爲電力電子技術在開關電源中的主要發展方向，電力電子技術將會在開關電源領域實現技術性的突破。

參考文獻

[1] 單如琳.電力電子技術在感應加熱電源中的應用[J].電子技術與軟件工程,2018(15):212.

[2] 張耕華.探究我國現代電力電子以及電源技術的發展[J].電子技術與軟件工程,2016(24):246.

[3] 劉繼芝.高壓電源管理芯片中低壓電路用電源的研究[D].四川：電子科技大學,2009.

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