簡論大功率數(shù)字電源產(chǎn)品

1 引言

上世紀(jì)60年代，開關(guān)電源問世，并逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和可控硅相控電源。40多年來，開關(guān)電源技術(shù)有了飛速發(fā)展和變化，經(jīng)歷了功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用、高頻化和軟開關(guān)技術(shù)、開關(guān)電源系統(tǒng)綜合集成的三大技術(shù)發(fā)展階段。從上世紀(jì)80年代開始，高頻化和軟開關(guān)技術(shù)的開發(fā)研究，使功率變換器效率更高、性能更好、重量更輕、體積更小。高頻化和軟開關(guān)技術(shù)是過去20年國際電力電子界研究的熱點之一。上世紀(jì)90年代中期，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊技術(shù)開始發(fā)展，成為近十幾年來國際電力電子業(yè)界努力解決的問題。提升功率半導(dǎo)體器件高效率性能，提高開關(guān)電源的功率密度，計算機(jī)輔助設(shè)計和測試技術(shù)應(yīng)用，高頻磁集成與同步整流技術(shù)的應(yīng)用，模塊化分布式電源結(jié)構(gòu)設(shè)計，電源系統(tǒng)高密度集成，低污染電磁兼容性設(shè)計等是現(xiàn)代電源技術(shù)關(guān)注的熱點。而電源數(shù)字控制同樣成為一個新的發(fā)展趨勢，已經(jīng)逐漸在功率變換設(shè)備中得到推廣應(yīng)用。業(yè)內(nèi)稱采用數(shù)字控制技術(shù)的功率變換產(chǎn)品為數(shù)字電源。最近幾年，以數(shù)字信號處理器為控制核心的大功率數(shù)字電源技術(shù)已經(jīng)成為受很多高校、電力電子技術(shù)專業(yè)機(jī)構(gòu)和電源系統(tǒng)提供商重視的研究課題，國內(nèi)外每年有很多相關(guān)的技術(shù)性論文發(fā)表，也有少數(shù)電源生產(chǎn)商經(jīng)過多年潛心研究開發(fā)，開始逐步推出全數(shù)字化的電源產(chǎn)品，尤其是大功率的不間斷電源和通信電源……

功率半導(dǎo)體器件高效率性能，提高開關(guān)電源的功率密度，計算機(jī)輔助設(shè)計和測試技術(shù)應(yīng)用，高頻磁集成與同步整流技術(shù)的應(yīng)用，模塊化分布式電源結(jié)構(gòu)設(shè)計，電源系統(tǒng)高密度集成，低污染電磁兼容性設(shè)計等是現(xiàn)代電源技術(shù)關(guān)注的熱點。而電源數(shù)字控制同樣成為一個新的發(fā)展趨勢，已經(jīng)逐漸在功率變換設(shè)備中得到推廣應(yīng)用。業(yè)內(nèi)稱采用數(shù)字控制技術(shù)的功率變換產(chǎn)品為數(shù)字電源。最近幾年，以數(shù)字信號處理器為控制核心的大功率數(shù)字電源技術(shù)已經(jīng)成為受很多高校、電力電子技術(shù)專業(yè)機(jī)構(gòu)和電源系統(tǒng)提供商重視的研究課題，國內(nèi)外每年有很多相關(guān)的技術(shù)性論文發(fā)表，也有少數(shù)電源生產(chǎn)商經(jīng)過多年潛心研究開發(fā)，開始逐步推出全數(shù)字化的電源產(chǎn)品，尤其是大功率的不間斷電源和通信電源。

2 數(shù)字電源概述

2.1 基本特點

數(shù)字電源是采用數(shù)字方式實現(xiàn)電源的控制、保護(hù)與通信接口的新型電源技術(shù)，可編程、優(yōu)良的響應(yīng)特性和數(shù)字環(huán)路控制是表征數(shù)字電源的3個主要特征。電源數(shù)字化后具有很強(qiáng)的適應(yīng)性與靈活性，具備直接監(jiān)測運行狀況的能力，能夠滿足絕大多數(shù)電源用戶需求數(shù)字電源的自動診斷、在線輸出調(diào)節(jié)的能力使調(diào)試和維護(hù)工作變得輕松還可通過遠(yuǎn)程診斷以確保持續(xù)工作的系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)故障告警管理、過電壓過電流多層次保護(hù)、自動冗余并聯(lián)等功能。

2.2 數(shù)字電源與模擬電源的對比

相對于模擬控制技術(shù)，數(shù)字電源大大減少了在模擬電源中常見的誤差、老化包括模擬器件的精度、溫度影響、漂移、非線性不易補(bǔ)償?shù)葐栴}，其穩(wěn)定的控制參數(shù)使得產(chǎn)品個體無須精細(xì)調(diào)節(jié)即可獲得很好的一致性，可靠性好，可生產(chǎn)性好?；诨蚋咚傥⑻幚砥鞯臄?shù)字控制技術(shù)，除了具備數(shù)字控制技術(shù)本身的特點，由于其更快速的數(shù)據(jù)處理能力，還有其獨特優(yōu)勢，包括實現(xiàn)更先進(jìn)的控制算法、更好的優(yōu)化效率、更高的數(shù)據(jù)采樣精度和控制開關(guān)調(diào)節(jié)頻率、更高的控制精確度和可靠性、優(yōu)秀的系統(tǒng)管理和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能。

基于高速高性能的數(shù)字電源控制算法采用軟件實現(xiàn)，軟件運算特性使它更易于實現(xiàn)非線性控制可改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)能力和采用多環(huán)路控制等更優(yōu)化的控制算法很多情況下更新軟件即可實現(xiàn)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法，更改電源輸出參數(shù)也無須變更板卡上的元器件，這樣一來就能提高硬件平臺的重復(fù)使用率，通過設(shè)計不同軟件即可滿足各種個性化電源系統(tǒng)的新需求，從而縮短開發(fā)周期、減少開發(fā)成本、加快產(chǎn)品上市速度，降低元器件生產(chǎn)性庫存與風(fēng)險。數(shù)字電源雖然具有很多優(yōu)點，但仍有一些缺點不能忽視。模擬控制對外界條件變化的反應(yīng)延時小，而數(shù)字電源需要一個采樣、量化和處理的過程來對變化做出反饋和調(diào)節(jié)控制，因此它對外界條件變化的響應(yīng)速度一般來說比不上模擬電源。數(shù)字電源由于存在轉(zhuǎn)換的量化誤差，在分辨率、帶寬、與功率元件的電壓兼容性、功耗、開關(guān)頻率，精度、效率和材料成本在小功率電源系統(tǒng)中等方面也比模擬電源稍差。不過，在大功率規(guī)?；娫串a(chǎn)品應(yīng)用方面，隨著專用于電源控制技術(shù)的高速高性能的推出，電源高頻化和軟開關(guān)技術(shù)更加容易實現(xiàn)，價格卻不斷降低，其構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)集成度更高，采用數(shù)字電源解決方案越來越具有優(yōu)勢，長期綜合成本并不一定就比模擬電源高，以技術(shù)獲取經(jīng)濟(jì)效益的空間更大，這在市場需求量大的通信用電源、工業(yè)用電源、電力控制電源，以及金融業(yè)、服務(wù)業(yè)用不間斷電源等較大功率的產(chǎn)品中，數(shù)字電源的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢更加顯現(xiàn)參見表1.

2.3 數(shù)字電源產(chǎn)品化趨勢分析

可以看出與模擬電源相比，數(shù)字電源中包含的技術(shù)無疑要復(fù)雜一些，還需要一些新的技術(shù)，但對用戶而言，數(shù)字電源的使用并不復(fù)雜，設(shè)計得好的則使用更加簡單，隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前數(shù)字電源的一些劣勢已經(jīng)可以滿足用戶需求，但其監(jiān)控管理功能提升和可測試性好，用戶維護(hù)更加方便，可以大大降低用戶的經(jīng)營管理成本，只是要求產(chǎn)品設(shè)計人員具備更高的設(shè)計能力，這一點用戶并不理會。當(dāng)然新的產(chǎn)品或技術(shù)，用戶往往會持一些懷疑的態(tài)度，可靠性能否保證真的能帶來效益嗎這些是需要引導(dǎo)的，市場推廣方面可以通過免費試用或者用后付款等方式解決。相比快速推出更加適應(yīng)市場需求的產(chǎn)品，從而占領(lǐng)更廣闊的市場，加上技術(shù)積累效應(yīng)和產(chǎn)品快速升級，降低不良庫存周轉(zhuǎn)，通過規(guī)模化生產(chǎn)降低綜合生產(chǎn)管理成本等，電源產(chǎn)品提供商長期經(jīng)濟(jì)效益會更好，因而這種高新技術(shù)要求，對于市場驅(qū)動研發(fā)或者以技術(shù)贏取效益的電源產(chǎn)品供應(yīng)商也很樂意接受，這樣，對買賣雙方都有利，從而會形成強(qiáng)大的市場推動力，未來的電源產(chǎn)品向全數(shù)字化控制技術(shù)發(fā)展的大趨勢就自然形成了。

基于的電源數(shù)字控制技術(shù)，涉及到電力電子、自動控制、數(shù)據(jù)處理、通信技術(shù)等多個學(xué)科，其技術(shù)難度自然不低，盡管已經(jīng)可以從學(xué)術(shù)刊物和網(wǎng)絡(luò)媒體上搜尋到很多這方面的技術(shù)論文，其中不乏對電源控制技術(shù)原理分析得很透徹的文章，然而從技術(shù)成果向產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化過程中，其難度比其他行業(yè)的產(chǎn)品數(shù)字化過程有過之而無不及，這或許是真正意義上的全數(shù)字化電源從世紀(jì)之初提出概念，至今仍然沒有大規(guī)模應(yīng)用的主要原因之一。筆者所在企業(yè)為國內(nèi)著名的高新科技上市公司，主要業(yè)務(wù)為通信設(shè)備產(chǎn)品，其中的一條通信用電源產(chǎn)品線，以研制生產(chǎn)通信用組合電源、通信用不間斷電源等產(chǎn)品，行銷國內(nèi)外年產(chǎn)值達(dá)幾十億元，產(chǎn)品研發(fā)投人很大，經(jīng)歷了高頻開關(guān)電源發(fā)展的整個過程，積累了很多關(guān)鍵技術(shù)和獨特的技術(shù)，近年來為推動數(shù)字化電源技術(shù)的發(fā)展做了很多努力，從電源監(jiān)控數(shù)字化到電源控制全數(shù)字化都進(jìn)行了深人研究，品嘗了產(chǎn)品開發(fā)過程中的酸甜苦辣，也從中獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。本文基于的電源數(shù)字控制技術(shù)在通信電源和不間斷電源方面的產(chǎn)品化研究過程，簡略介紹全數(shù)字電源產(chǎn)品化所要解決的部分非原理性技術(shù)問題，從中即可窺見技術(shù)成果產(chǎn)品化實踐的一斑。

要原因之一。筆者所在企業(yè)為國內(nèi)著名的高新科技上市公司，主要業(yè)務(wù)為通信設(shè)備產(chǎn)品，其中的一條通信用電源產(chǎn)品線，以研制生產(chǎn)通信用組合電源、通信用不間斷電源等產(chǎn)品，行銷國內(nèi)外年產(chǎn)值達(dá)幾十億元，產(chǎn)品研發(fā)投人很大，經(jīng)歷了高頻開關(guān)電源發(fā)展的整個過程，積累了很多關(guān)鍵技術(shù)和獨特的技術(shù)，近年來為推動數(shù)字化電源技術(shù)的發(fā)展做了很多努力，從電源監(jiān)控數(shù)字化到電源控制全數(shù)字化都進(jìn)行了深人研究，品嘗了產(chǎn)品開發(fā)過程中的酸甜苦辣，也從中獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。本文基于的電源數(shù)字控制技術(shù)在通信電源和不間斷電源方面的產(chǎn)品化研究過程，簡略介紹全數(shù)字電源產(chǎn)品化所要解決的部分非原理性技術(shù)問題，從中即可窺見技術(shù)成果產(chǎn)品化實踐的一斑。

3 產(chǎn)品化實例分析

3.1 通信電源

通信用組合電源的重要組成部分是整流器模塊，作為功率變換的主體，整流器模塊的作用是輸人來自電網(wǎng)的正弦交流電，通過整流變換為低壓直流電輸出，目前通信行業(yè)內(nèi)對電源的要求比較高，制定有嚴(yán)格的人網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，諸如變換效率、輸人電流諧波含量、輸人功率因數(shù)、輸出電壓紋波、輸出電壓穩(wěn)定度、輸出動態(tài)響應(yīng)等性能指標(biāo)等都是用戶高度重視的基本參數(shù)，因此普通的整流和變換方式難以滿足，需要采用功率因數(shù)校正和電磁兼容性設(shè)計等措施，這樣就提出了很多技術(shù)性課題，圖1示出了三相無中線輸人兩級電路結(jié)構(gòu)的整流器設(shè)計技術(shù)。