现代电力电子技术在开关电源中的应用

　　摘要:随着新时代的发展,电力电子技术已经被广泛地应用于各种电子产品,其中最典型的就是在开关电源中的应用。

　　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。

　　1 现代电力电子技术特点

　　电力电子技术经历了一个漫长的发展过程。最早应该追溯到第一个晶闸管(FGH)的诞生。“晶闸管”是美国一家通用电气公司的问世标志, 为电力电子技术的发展开了先河,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。目前很多家用电源开关内部使用的都是FGH,是第一代半控型器件,不能自行关断,需要使用者根据需求进行操作。以FGH 为核心的变流电路在电子能源转换过程中扮演着重要的角色,主要功能是使交流变成直流,为用户提供全面的安全服务。随着科学技术的不断进步,电力电子技术水平也呈现出不断发展的趋势。传统的FGH 逐渐被“GTR、GTO”等新颖的电力转换器件所代替,从“传统电力电子技术”向“现代电力电子技术”转变。电力电子器件的研究和开发,也推动了当前电力行业的进步,使人们进入高频化和智能化的电力时代。“IGBT”的出现,更是实现了电网之间的非同期互联,解决了很多电源开关的不稳定问题,避免电路中出现短路和功损。很多家居用品和用电器等,都需要配置相应的开关,才能为用户提供便利,有效的实现开关和电路互通。在电源开关系统中加入电力电子应用,是新时期的科技需求,也是每个家电设计工作者需要掌握的重点技术。影响电力传输的因素有很多,比如“电路的距离、电压的大小、传输电线的质量、电路设备的品牌”等,这些都会影响电流在线路中的传输速率。如果电路距离过长、电压强度不够、电路设备不够完善,就有可能降低电源开关的反应灵敏度,增加电路能量的消耗。此外,有的用户不注意用电安全,反复使用电源开关,就会导致短路电流,烧断保险丝等问题出现,甚至产生漏电的危险,对用户的人身安全产生威胁。所以新时期的电力工作者必须事先预想这些可能存在的安全隐患,做出有效的应对政策和解决措施,加大电力电子技术在电源开关中的应用。传统的电力传输系统比较简单,不存在电容充电电流,电力的功率损耗也相对较小,这适合小家电的用户使用。很多大型的家用电器,比如“电冰箱、洗衣机、电视机、跑步机”等,就需要改变传统的电力传输系统,采用高压直流输电输送的方式,使电源系统拥有较快的调节速度,方便用户的操作,并且投入到市场当中使用。这些大功率的电子器件,电流的传输形式和传统的小电路不同,用户在使用时必须注意安全,建立有效的防范意识,逐渐改善高压直流输电设备的性能。

　　2 现代电力电子技术在开关电源中的应用

　　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 现代电力电子技术在开关电源中的发展

　　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。

　　结语

　　目前,各类开关电源由于采用了现代化的电力电子技术和电力电子器件,有效地提升了运行效率,减少了开关电源设计时的工作量,使其朝着越来越智能化、高效化和节约能源的方向不断改进。随着电气工程和电子信息科技的不断发展和进步,电力电子技术作为一门实用性很强的技术,在我国的应用领域也一定会越来越广泛。高频开关电源的改进和制造不仅标志着我国近年来在电力行业领域已经取得了重大突破,同时也标志着我国已经开始了对高频开关电源技术的深入研究和探索。在不久的将来,新一代电气工程和信息工程必将在开关电源技术的高频化、智能化等方面不断实现新的突破。作为重要的科学技术支持,电力电子技术在经济各领域广泛使用,并具有非常有前途的发展前景。

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