現(xiàn)代電源技術發(fā)展歷程(下)

　　2.8 電力有源濾波器

　　傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時，將向電網注入大量的諧波電流，引起諧波損耗和干擾，同時還出現(xiàn)裝置網側功率因數惡化的現(xiàn)象，即所謂“電力公害”，例如，不可控整流加電容濾波時，網側三次諧波含量可達(70~80)%，網側功率因數僅有0.5~0.6。

　　電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足，是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流; (2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。

　　2.9 分布式開關電源供電系統(tǒng)

　　分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?，利用最新理論和技術成果，組成積木式、智能化的大功率供電電源，從而使強電與弱電緊密結合，降低大 功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力，提高生產效率。

　　八十年代初期，對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術的研究上。八十年代中后期，隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結構相繼出現(xiàn)，結合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術，使中小功率裝置的集成成為可能，從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始，這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點，論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。

　　分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納，也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合，如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。

　　3. 高頻開關電源的發(fā)展趨勢

　　在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源，傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重，如果采用高頓開關電源技術，其體積和重量都會大幅度下降，而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中，更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率，從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術，更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。

　　3.1 高頻化

　　理論分析和實踐經驗表明，電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍的話，用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的 5~l0%。無論是逆變式整流焊機，還是通訊電源用的開關式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合 閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造， 成為“開關變換類電源”，其主要材料可以節(jié)約90%或更高，還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化，帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經濟效益，更可體現(xiàn)技術含量的價值。

    3.2 模塊化

　　模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七元，包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實質上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年，有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去，構成了“智能化”功率模塊(IPM)，不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM)，它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、 機械方面的設計，達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片，再把整個模塊固定在相應的散熱器上，就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。另外，大功率的開關電源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術，所有模塊共同分擔負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔負載電流。這樣，不但提高了功率容量， 在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求， 而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復提供充分的時間。

　　3.3 數字化

　　在傳統(tǒng)功率電子技術中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是，現(xiàn)在數字式信號、數字電路顯得越來越重要，數字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調，也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以，在八、九十年代，對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說，模擬技術還是有用的，特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC) 問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決，離不開模擬技術的知識，但是對于智能化的開關電源，需要用計算機控制時，數字化技術就離不開了。

　　3.4 綠色化

　　電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染，國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準，如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上，許多功率電子節(jié)電設備，往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流，使總功率因數下降，使電網電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種修正功率因數的方法。這些為2l世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。

　　現(xiàn)代電力電子技術是開關電源技術發(fā)展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應用技術下，由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性，使器件性能對開關電源性能的影響減至最小，新型的電源電路拓撲和新型的控制技術，可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態(tài)，從而可大大的提高工作頻率，提高開關電源工作效率，設計出性能優(yōu)良的開關電源。

　　總而言之，電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展，新技術的出現(xiàn)又會使許多應用產品更新?lián)Q代，還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現(xiàn)，將標志著這些技術的成熟，實現(xiàn)高效率用電和高品質用電相結合。這幾年，隨著通信行業(yè)的發(fā)展，以開關電源技術為核心的通信用開關電源，僅國內有20多億人民幣的市場需求，吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨，因此，同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內市場正在啟動，并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們去開發(fā)。