簡論大功率數字電源產品

1 引言

上世紀60年代，開關電源問世，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，開關電源技術有了飛速發(fā)展和變化，經歷了功率半導體器件應用、高頻化和軟開關技術、開關電源系統(tǒng)綜合集成的三大技術發(fā)展階段。從上世紀80年代開始，高頻化和軟開關技術的開發(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。高頻化和軟開關技術是過去20年國際電力電子界研究的熱點之一。上世紀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。提升功率半導體器件高效率性能，提高開關電源的功率密度，計算機輔助設計和測試技術應用，高頻磁集成與同步整流技術的應用，模塊化分布式電源結構設計，電源系統(tǒng)高密度集成，低污染電磁兼容性設計等是現代電源技術關注的熱點。而電源數字控制同樣成為一個新的發(fā)展趨勢，已經逐漸在功率變換設備中得到推廣應用。業(yè)內稱采用數字控制技術的功率變換產品為數字電源。最近幾年，以數字信號處理器為控制核心的大功率數字電源技術已經成為受很多高校、電力電子技術專業(yè)機構和電源系統(tǒng)提供商重視的研究課題，國內外每年有很多相關的技術性論文發(fā)表，也有少數電源生產商經過多年潛心研究開發(fā)，開始逐步推出全數字化的電源產品，尤其是大功率的不間斷電源和通信電源……

功率半導體器件高效率性能，提高開關電源的功率密度，計算機輔助設計和測試技術應用，高頻磁集成與同步整流技術的應用，模塊化分布式電源結構設計，電源系統(tǒng)高密度集成，低污染電磁兼容性設計等是現代電源技術關注的熱點。而電源數字控制同樣成為一個新的發(fā)展趨勢，已經逐漸在功率變換設備中得到推廣應用。業(yè)內稱采用數字控制技術的功率變換產品為數字電源。最近幾年，以數字信號處理器為控制核心的大功率數字電源技術已經成為受很多高校、電力電子技術專業(yè)機構和電源系統(tǒng)提供商重視的研究課題，國內外每年有很多相關的技術性論文發(fā)表，也有少數電源生產商經過多年潛心研究開發(fā)，開始逐步推出全數字化的電源產品，尤其是大功率的不間斷電源和通信電源。

2 數字電源概述

2.1 基本特點

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

2.2 數字電源與模擬電源的對比

相對于模擬控制技術，數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、非線性不易補償等問題，其穩(wěn)定的控制參數使得產品個體無須精細調節(jié)即可獲得很好的一致性，可靠性好，可生產性好?；诨蚋咚傥⑻幚砥鞯臄底挚刂萍夹g，除了具備數字控制技術本身的特點，由于其更快速的數據處理能力，還有其獨特優(yōu)勢，包括實現更先進的控制算法、更好的優(yōu)化效率、更高的數據采樣精度和控制開關調節(jié)頻率、更高的控制精確度和可靠性、優(yōu)秀的系統(tǒng)管理和互聯網絡監(jiān)控功能。

基于高速高性能的數字電源控制算法采用軟件實現，軟件運算特性使它更易于實現非線性控制可改善電源的瞬態(tài)響應能力和采用多環(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新的拓撲結構和控制算法，更改電源輸出參數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使用率，通過設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、加快產品上市速度，降低元器件生產性庫存與風險。數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延時小，而數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節(jié)控制，因此它對外界條件變化的響應速度一般來說比不上模擬電源。數字電源由于存在轉換的量化誤差，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品應用方面，隨著專用于電源控制技術的高速高性能的推出，電源高頻化和軟開關技術更加容易實現，價格卻不斷降低，其構成的數字系統(tǒng)集成度更高，采用數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，以技術獲取經濟效益的空間更大，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)、服務業(yè)用不間斷電源等較大功率的產品中，數字電源的經濟性優(yōu)勢更加顯現參見表1.

2.3 數字電源產品化趨勢分析

可以看出與模擬電源相比，數字電源中包含的技術無疑要復雜一些，還需要一些新的技術，但對用戶而言，數字電源的使用并不復雜，設計得好的則使用更加簡單，隨著技術的發(fā)展，當前數字電源的一些劣勢已經可以滿足用戶需求，但其監(jiān)控管理功能提升和可測試性好，用戶維護更加方便，可以大大降低用戶的經營管理成本，只是要求產品設計人員具備更高的設計能力，這一點用戶并不理會。當然新的產品或技術，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市場需求的產品，從而占領更廣闊的市場，加上技術積累效應和產品快速升級，降低不良庫存周轉，通過規(guī)?；a降低綜合生產管理成本等，電源產品提供商長期經濟效益會更好，因而這種高新技術要求，對于市場驅動研發(fā)或者以技術贏取效益的電源產品供應商也很樂意接受，這樣，對買賣雙方都有利，從而會形成強大的市場推動力，未來的電源產品向全數字化控制技術發(fā)展的大趨勢就自然形成了。

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

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

3 產品化實例分析

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)內對電源的要求比較高，制定有嚴格的人網標準，諸如變換效率、輸人電流諧波含量、輸人功率因數、輸出電壓紋波、輸出電壓穩(wěn)定度、輸出動態(tài)響應等性能指標等都是用戶高度重視的基本參數，因此普通的整流和變換方式難以滿足，需要采用功率因數校正和電磁兼容性設計等措施，這樣就提出了很多技術性課題，圖1示出了三相無中線輸人兩級電路結構的整流器設計技術。