电源技术范文

电源技术篇1

---当今的大多数电子产品（从手持式消费电子设备到庞大的电信系统）都需要使用多个电源电压。电源电压数目的增加带来了一项设计难题，即需要对电源的相对上电和断电特性进行控制，以消除数字系统遭受损坏或发生闭锁的可能性。

---微处理器、FPGA和ASIC在上电和断电期间通常要求内核与I/O电压之间具有某种特定的关系，而这种关系在实际操作中是很难控制的，尤其是当电源的数目较多的时候。当不同类型的电源（模块、开关稳压器和负载点转换器）混合使用时，该问题会进一步复杂化。最简单的解决方案就是将电源按序排列，但是，在某些场合，这种做法是不足够的。一种更受青睐而且往往是强制性的解决方案是使各个电源在上电和断电期间彼此跟踪。 电源排序

---简单地按某种预先确定的顺序来接通或关断电源的做法一般被称为“排序”。排序通常能够通过采用电源监控器或简单的数字逻辑电路来控制电源的接通/关断（或RUN/SS）引脚而得以实现。图1a和1b示出了采用一个LTC2902四通道电源监控器来对4个电源进行排序的情形。

---不幸的是，单靠排序有时是不够的。许多数字IC都在其I/O和内核电源之间规定了一个最大电压差，一旦它被超过则IC将会受损。在这些场合，对应的解决方案是使电源电压彼此跟踪。

电源跟踪

---排序只是简单地规定了电源斜坡上升或斜坡下降的顺序，并且假定每个电源都在下一个电源开始变化之前转换。电源跟踪可确保电源之间的关系在整个上电和断电过程中都是可以预测。

---图2示出了三种不同的电源跟踪形式。最常见是重合跟踪（见图2a），此时，各电压在达到其调节值之前是相等的。当采用偏移跟踪时（见图2b），各电压以相同的速率斜坡上升，但被预先设定的电压偏移或延时所分离。最后，当采用比例制跟踪时（见图2c），各电压同时开始斜坡上升，但速率不同。

---实际上，随着设计精细等级的不断提升，能够使各电源相互跟踪。三种最常见的方法是（1）在电源之间采用钳位二极管；（2）布设与输出端串联的MOSFET；（3）利用反馈网络来控制输出。

---如欲将各电源之间的电压差保持在一个或两个二极管压降之内，则可在电源轨之间采用钳位二极管或晶体管，这种解决方案虽然粗暴，但却简单（见图3）。在低电流条件下，该技术会是有效的，然而在高电流水平时，采用这种方法的后果则可能是灾难性。同步开关电源能够供应和吸收大量的电流。如果电压较高的电源斜坡上升速率高于电压较低的电源，则二极管或FET将接通，以便对电压较低的电源进行上拉操作。电压较低的电源将因此而吸收较多的电流，从而会有巨大的电流流过。这有可能导致电源超过容许的电压差，甚至引发器件故障。完全依靠二极管或FET钳位来实现跟踪功能并非最佳的解决方案。

---另一种跟踪解决方案是在电源的输出端与负载之间布设串联MOSFET。在图4中，一个LTC2921跟踪三个电源。当首次施加电源时，MOSFET被关断且电源被允许以其自然速率斜坡上升。当电压稳定下来之后，MOSFET被同时接通，使得负载上的电压相互跟踪。这种技术需要用于驱动MOSFET和监视电源电压的电路，而且，当电流水平上升时，MOSFET中的压降和功耗便成为了一个问题。此外，这种拓扑结构还因为每个电源上的负载电容和负载电流可能有所不同的缘故，而使得电压的同步斜坡下降比较难以实现。

---第三种方法是利用反馈网络来调节输出电压，以此来使电源相互跟踪。最简单的实现方法是将电流注入电源的反馈节点。在图5中，一个LTC2923跟踪两个电源。生成了一个主斜坡，而且电路被连接至其他从属电源的误差放大器反馈节点，从而使其输出跟随该主斜坡。该电路还使得电压能够一同斜坡下降。该技术是最精巧的，因为它不需要采用串联MOSFET或钳位二极管。然而，并不是所有的电源都具有可以使用的反馈节点，而且，虽然许多电源模块都具有一个修整引脚，但是一般来说输出电压只能在一个很小的范围内调节。因此，大多数实际解决方案均要求采用了上述几类技术的某种组合。

设计实例

---图6中的电路在利用3.3V电源生成2.5V和1.8V电源的情况下实现了电源跟踪。在本例中采用了LTC2923，3.3V电源受控于一个N沟道MOSFET，而2.5V和1.8V DC/DC转换器则是通过其反馈节点得以控制的。

---当3.3V输入电源接通时，晶体管Q1和两个DC/DC转换器被保持在关断状态。当3.3V输入上升（利用电阻器RONA和RONB在ON引脚上进行检测）之后，Q1的栅极由一个内部充电泵缓慢地接通。由于Q1被配置为一个N沟道源极跟随器，因此，RAMP引脚电平开始上升，并提供用于系统的主电压斜坡。

---当针对重合跟踪来对TRACK1和TRACK2引脚上的电阻器进行配置时，电流被强迫流入或流出DC/DC转换器反馈节点，这样其输出将跟踪RAMP引脚电平的变化。图2a中的示波器扫迹便是采用该电路生成的。

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--一旦达到最终电压，LTC2923的FB1和FB2引脚将呈高阻抗状态。如果ON引脚被一个漏极开路逻辑器件拉至低电平，则输出将尾随降至低电平。通过改变与TRACK1和TRACK2引脚相连的电阻器阻值，可使同一个电路进行比例制跟踪或偏移跟踪模式的斜坡上升。图2b和2c中给出的示波器扫迹便是以这种方式生成的。另一种电阻器选择能够采用3.3V电源作为基准电压斜坡来对1.8V和2.5V电源进行排序（见图7）。对于需要三个以上电源的系统，可通过RAMP引脚对多个LTC2923控制器进行菊链式连接，以便控制数目不限的电源。

---当不能使用DC/DC转换器模块的反馈节点时，可采用串联MOSFET来对电源进行跟踪。图8a中的电路采用LTC2922来跟踪三个电源。图8b示出了该电路的输出。当首次施加电源时，串联MOSFET被关断，且5V、3.3V和2.5V电源被允许上电。当电压稳定后，MOSFET被接通，输出电压一起上电。当输出电压达到其终值时，内部开关从输出端回接至模块上的正检测引脚。这将迫使模块对MOSFET的负载侧进行调节，以补偿FET两端的压降。采用一个检测电阻器来提供电路断路器功能，以保护主电源免遭短路故障的损坏，而一个电源良好（Power Good）引脚用于指示跟踪已完成。

结论

电源技术篇2

电源技术百花齐放

电源技术的发展大方向依然是高效、环保，但针对的应用领域不同，具体的技术特点也就不一样。各大电源厂商为了深耕细分市场，纷纷针对行业特点进行了细致的开发。

德州仪器公司是电源管理行业的领头者，本次大会上，他们推出了两个演讲题目，一个是“面向手持及低待机功耗器件的DC/DC解决方案”。目前，市场上以手机为代表的小型手持设备对供电提出了更高的要求，必须在更小的外型尺寸内提供效率更高的供电，并且满足散热及EMI要求。围绕市场需求，TI推出了各种满足低待机功耗要求的方案，面向不用应用的多种器件，包括带有DC-Control功能的器件、MicroSiP封装的DC/DC模块、面向处理器供电的多相DC/DC器件，以及TI新推出的一些具有超低待机功耗的DC/DC器件。其中，DCS-Control是TI推出的一种新技术，它支持优异的瞬态负载调节，可在高负载与低负载（节能）工作间实现无缝转换。另外，TI推出的MicroSiP封装的将开关元件、电感以及输入输出电容全都集成进去的高集成度DC/DC模块，可以大大减少整体方案尺寸，简化工程师的开发工作，同时提供优异的EMI性能，并具有同分立元件一样的高效率。另外，在演讲中，还介绍了针对高功率密度的处理器供电的多相DC/DC，这些多相电源方案可以满足处理器电源工作电流大、负载变化大的要求，在整个负载范围内实现高效率。TI不仅提供功能丰富的各类器件，而且针对一些特殊应用还推出具体方案和参考设计，帮助用户尽快地利用TI的器件完成自己个性化的设计。在TI的另一个演讲“基于TI C2000 MCU的3相PFC和APF应用”中，就介绍了一个这方面的案例，TI基于C2000 MCU开发的3相PFC和APF参考设计，可以提供免费的代码、原理图、PCB都可以开放给用户，从而节省用户的开发时间，把更多的精力用在自己的特色设计上。

英飞凌公司的演讲题目是“第五代SIC二极管在开关电源设计中的优势”。众所周知，开关电源一直朝着高效率、高功率密度的方向发展，同时，像IEC-610000-3-2、能源之星等行业标准对功率因数的要求也越来越严格。传统的硅二极管在性能上越来越无法满足这些技术的挑战，而碳化硅（SiC）这种革命性的功率半导体材料，其物理性能远优于硅功率器件，其具有标杆性的开关性能，且无反向恢复，开关特性不受温度影响，这些特性使得碳化硅功率器件有助于提高开关电源能效，缩小解决方案的占板空间，提高开关频率和大幅降低电磁干扰（EMI）。英飞凌的第五代650V thinQ！ SiC肖特基势垒二极管具有出色的特性，基于其的PFC电路达到了极高的能效，新一代器件具备更高的击穿电压：650V，完美匹配最新的coolMOS技术。对于太阳能逆变器等应用以及具有挑战性的开关电源环境而言，这种特性可实现更高的安全裕度。此外，第五代产品还具备高浪涌电流耐受性和更丰富的型号――包括具备更高额定电流和采用全新封装（如TO-247和ThinPAK）的产品。英飞凌第五代产品的目标应用是高端服务器和电信SMPS（开关模式电源）、PC银盒和照明应用、太阳能逆变器和UPS（不间断电源）系统等。

安森美半导体公司的演讲题目是“低待机能耗电源方案”，在演讲中介绍了其增强型PFC控制器NCPl61l的特点及应用。NCPl61l采用电流控制频率反走（CCFF）架构，工作在临界导电模式（CrM）/不连续导电模式（DCM）下，带谷底开关，在宽工作电源范围下能提供极佳的能效，并且在宽负载范围下可提供高功率因数以及良好的总惜波失真（THD）性能。相比传统的标准CrM PFC控制器，采用这种创新架构的NCP16ll的性能得到大大提升，具有更高的故障处理能力、更佳的瞬态响应同时可以灵活支持不同的偏置情形。NCPl61l专门针对平板电视、电源适配器、高能效计算机电源及LED驱动器电源进行了优化，是这些领域应用的理想选择。

新日本无线公司的电源产品主要是面向汽车、产业、家电等领域的电源IC。本次大会上，其重点介绍了应用在汽车领域的宽输入范围电源稳压器产品。这其中，有驱动外接MOSFET的升压型开关稳压器NJW4140，它具有宽工作电压范围，最适合于车载电池类型的电源。该产品驱动段的FET是外接形式，所以在大功率应用时，不会发热，有利于散热；并且，保证在125℃工作，也能对应绝缘型回扫方式应用，最适合于怠速熄火等各种升压电路。低压差稳压器NJW4184，具有低消耗电流，最适合于持续工作的监视系统用的微处理器电源。此外，针对汽车中开始越来越多应用的锂电池组，新日本无线也有自己的产品――串联稳压器NJW418l，其消耗电流为9μA，采用了小型、薄型的ESON封装，最适合于电池驱动产品。

锂电池的应用越广泛，其安全性也就越发受到重视。精工技术有限公司很早就着眼于这一领域，成功开发了一系列产品。S-8209A/S8209B系列是内置高精度电压检测电路和延迟电路的、用于保护锂离子/锂聚合物可充电电池的IC。由于配置了通信功能和2种电量平衡功能，它们也级联来构成多节串联电池的保护电路。这两个系列皆可通过外接电容在输出端子上设定延迟时间，在CTLC、CTLD端子上控制充电、放电和电量平衡，并且配置了充电/放电的2种电量平衡功能。此外，为了不给系统带来额外的负担，这两系列的最大工作电流只有7μA。另外，还有S-8244系列，它是内置高精度电压检测电路和延迟电路的锂离子可充电池二级保护用IC。精工公司的锂离子电池保护产品已有500余种，它们互相搭配组合，可以实现对绝大多数锂离子电池组的保护方案。

意法半导体公司为本次大会所做的报告主题是高功率因素的初级感应调节（PSR）LED驱动方案。该报告以意法半导体新近开发的HVLEDS07/815PF为例，专门介绍了目前正在兴起的高压LED的驱动解决方案。HVLED807/815PF都是带初级感应调节的离线式LED驱动器，两者的区别在于驱动的LED灯的功率不同。HVLED807最高能驱动7W，而HVLED815则能达到15W。这两款产品都内置了能耐压800V的MOSFET，具有3%精度的连续输出电流，具有ZVSI作模式，具有很高的功率因数（0.9），可进行三端双向可控硅调光，还能进行LED串的开路和短路管理功能。从报告的内容中可以看出，高压LED的驱动解决方案已经非常成熟，有助于高压LED的进一步普及。

降低电子产品的待机功耗是每个电源厂商都在追求的目标，恩智浦公司在本次大会上就介绍了其最新的技术和解决方案。降低传导损耗、降低开关损耗、提高电源在轻负载下的效率，这些都是恩智浦解决方案的重点。为了降低传到损耗，他们采取了降低高压MOSFET的Rdson，降低肖特基二极管的VF的做法；为了降低开关损耗，采取了降低线性频率，软开关等技术；而对于提高轻负载下的效率，恩智浦提供了TEAl738，其适用于反激拓扑，工作在峰值电流和频率控制模式，频率抖动器可降低EMI。同时，开关模式电源（SMPS）控制器IC TEAl716也在本次大会上得到了介绍，这是业界首款PFC和LLC谐振组合控制器，可在低负载下实现超低待机功耗，并且符合将于2013年生效的欧盟生态设计指令的要求。

益登科技是国内外知名的电子分销商，这次代表Silicon Labs公司介绍了其最新的隔离产品解决方案。隔离器市场在未来几年的增长率将大于20%，但是挑战也与日俱增。为了应对挑战，Silicon Labs的隔离器方案在技术上做了很多革新。本次大会介绍了最新的数字隔离器Si86xx，其拥有150Mbps数据传输速率，通道数最多可达6个，适用于12C和SMBUS总线；增强的隔离等级，工作电压最高可达1200V，在额定工作电压下，寿命可达60年以上，通过了UL、CSA以及VDE认证；内部差分信号和窄带接收器确保了较高的抗电磁干扰能力。该产品基于电容隔离，采用二氧化硅（SIO2）作为绝缘体，使用了可升级、高容量CMOS处理技术；高频信号通过电容隔离来传递信息，采用开关键控（OOK）调制技术，确保输出与输入完全一致，噪声非常小。

金升阳公司是本土电源企业的佼佼者。在本次大会上，结合自己的产品和设计经验，金升阳公司给大家介绍了电源与系统的电磁兼容（EMC）设计和应用技术。报告的开始，以几个具体的案例，先介绍了电磁兼容的重要性。然后，分析了EMC的基础架构和标准，再根据开发的要求和对应的标准，详述了EMC开发过程中的要点。最后，以金升阳的开发案例来剖析电源与系统EMC设计的误区。从报告当中，可以看出金升阳在电源开发方面的执着和付出。正是通过技术细节的孜孜以求，才使得他们在技术上有了很大的飞跃。这一点，也是值得国内同行所学习的。

很多人都知道瑞萨公司在MCU的市场占有率是第一的，其实，在电源管理方面，瑞萨也有着丰富的产品线。为了实现打造智能社会的目标，瑞萨公司提出了打造智能建筑、智能工厂、智能汽车、智能家居和智能电网的计划。这些计划的核心都是MCU，同时配合各种电源管理IC和功率器件，以实现智能化、高效化的解决方案。

瑞萨公司在本次大会上介绍了其数字电源方案。该方案以100MHz主频的32位MCU RX62T为核心；通过软件方式实现PFC功能，功率因数可达0.99；MCU内部高性能的PWM发生器可优化PFC及DC/DC电路设计，MCU内部ADC、AMP（带可编程增益放大器）、CMP（比较器），则能与PWM输出联动，可实现高速反馈，及过压过流、输出短路等保护功能；内置超低导通压降的IGBT可以有效提高PFC部分效率，低导通内阻Power MOSFET可以提高DC/DC部分效率。该方案还配有开发套件，非常适合不熟悉数字技术的工程师进行学习。

说数字电源，就不能少了爱立信公司。因为通信行业的需要，爱立信很早就推出了自己的数字电源产品。在本次大会上，爱立信公司介绍了其最新的数字电源产品――BMR457.BMR457包括一个32位ARM核数字微控制器，内嵌爱立信DC/DC能量优化固件。该固件集成了爱立信的一系列知识产权和为工业应用而优化的功能，能持续优化开关参数并降低能量损耗。BMR457有两个输入电压范围：36～75V输入，提供的输出功率为264W；40～60V输入，可提供300W输出。通过PMBus命令，输出电压可在6.9～13.2V内可调，这使BMR457非常适合动态总线电压操作，可在系统数据流量小的时候降低能量损耗。

值得一提的是，爱立信公司还专门为数字电源技术编写了一个手册，有兴趣的工程师不妨上网一看。

用先进的电源测试技术支持电源技术

在历届的电源技术研讨会上都能看到众多测试测量厂商的身影。这是因为，电源产品的研发离不开测试测量，工程师要想设计出高效率、高稳定性、低成本的产品，测试测量工具在其中起着关键的作用。在本届电源研讨会上，安捷伦、力科、横河、RIGOL等主流测试测量厂商给与会的观众带来了最新的电源测试方案及产品展示。

安捷伦科技公司已经多次参加电源技术研讨会，在本次大会上，其演讲题目是“安捷伦电源测试提示帮助您提升研发品质”。对于种类繁多的电源产品，测试需求多种多样，但对于研发工程师，不管是哪种电源产品，降低成本、提高效率、减小体积、延长工作寿命、提高稳定性并满足EMC要求，都是研发工程师必须面对的永久挑战。安捷伦的演讲围绕电源测试中的需求和技巧展开，将其多年从事电源测试的技术积累与应用方案介绍给用户，其内容包括：电源测试基础及主要测试参数、开关电源的测试方法、DC/DC电源输入噪声和文博仿真和一直测试方法、电磁兼容的测试等。并介绍了安捷伦提供的在电源测试中广受欢迎的一些测试仪器，例如：53200函数和任意波形发生器、N6705直流电源分析仪、3000X系列总线分析示波器、6000系列总线分析示波器、N9310A信号源、N9320B频谱分析仪、N9340BHSA手持频谱分析仪等产品。

北京普源精电科技有限公司也多次参加了电源技术研讨会，作为测量仪器领域的后起之秀，他们凭借自主研发和不断创新，从最初的数字示波器产品不断扩展，目前成为可以提供通用电子测量仪器、射频/通信测量仪器以及化学分析仪器的综合性测量仪器供应商，其中，RIGOL DS6000系列数字示波器获得有“科技创新奥斯卡”之称的美国R&D100 2011年度大奖，这是该奖创立以来中国仪器公司首次获奖，2012年，RIGOL DG4000系列函数任意波形发生器再次获得R&D100 2012年度大奖。在今年的演讲中，RIGOL介绍了电源测试产品如何选型以及RIGOL最新电源测试方案。RIGOL开关电源测试方案包括：DS6/4/2000示波器、电源分析软件、偏移校正夹具、差分探头、电流探头、无源探头，可以满足开关电源测试与分析的各种需求。

力科公司演讲的题目是“开关电源及小幅电压纹波信号的测量与分析”，作为一家专注于示波器的厂商，力科在开关电源测试中具有丰富的技术经验，在演讲中详细介绍了开关电源测试领域的一些重点和难点测试问题，例如：如何进行无参考地测量；如何消除测量误差源；如何进行开关器件参数测量；如何进行循环控制测量；如何测量输出纹波；如何进行EMI及开关噪声分析等，这些电源设计及测试工程师所必须面对的问题，力科都给出了具体的测试方法和测试技巧。另外，作为业界唯一推出12位高精度示波器的厂商，力科还详细介绍了如何利用12位高精度示波器进行电源纹波测试，帮助工程师解决这一电源测试中的普遍难题。

上海横河国际贸易有限公司令年的演讲题目是“并网光伏逆变器电气特性的测量”。在演讲中介绍了目前光伏逆变器相关的测试标准以及横河的解决方案，横河提供了WT3000高精度功率分析仪、DL850示波记录仪、701260高电压输入模块、Hitec电流传感器来满足光伏逆变器相关的各种测试需求，横河的解决方案具有测量精度高、测试效率高的特点，能满足最新并网发电机标准的测试需求，横河的解决方案目前支持IEC61400-21与FGW TR3国际标准。

结语

电源技术篇3

1．1基本拓扑

基本的拓扑包括BUCK、BOOST、BUCK－BOOST、CUK、正激变换器、反激、半桥、全桥、推挽变换器。在课堂教学中应该使学生熟练掌握其工作原理、应用场所、电流连续和电流断续的工作波形、拓扑中的关键参数的计算，为学生设计基本的开关电源电路打下坚实的基础，这是第一层次，要求学生必须熟练掌握。尤其要着重讲解基本拓扑BUCK变换器，因为很多拓扑结构甚至是基本拓扑都可以由BUCK变换器变换得来。如果能在课堂上重点讲解BUCK变换器，使学生完全掌握BUCK变换器的原理和波形，对学生后期的开关电源学习将会大有助益。第二层次是以基本拓扑为核心部分的主功率电路各部分参数计算，相当于电源工程师的项目计算书部分，这也是电源工程师必须掌握的基本技能。由于课上时间有限，教师在课上会把拓扑中关键器件主要参数的计算方法给出，不可能把所有的参数计算一遍，所以导致有些学生就停滞在这个层次上，没有在课下把所有的参数，尤其是关系到器件选型的参数进行设计，为了解决这个问题，在课程中后期安排学生团队制作实物开关电源，在这个过程中就必须要对每个计算参数都要反复核算，这个教学环节取得了较好的效果。第三层次是主功率电路器件选型和调试，基本上只有参加过实物制作、电子设计大赛、实习项目的学生有机会达到这一步，通过实际存在的问题，就问题去解决，才会在实践当中结合他们上课学习的电源理论切实地体会调试电路的乐趣。

1．2PWM和PFC控制芯片

这部分会通过调研报告的形式让学生先去搜集相关PWM和PFC控制芯片的最新信息，先让学生去感知、去了解现在出来最新的控制芯片已经可以做到哪些功能了，此外重要的是积累总结每一个拓扑可以有哪些控制芯片来控制。让他们自己去发现问题，感知问题，带着问题和好奇，在课堂上授课教师会深入讲解PWM控制芯片的基本控制原理，通过工程项目详细讲解如何快速掌握一个新的控制芯片每个引脚的功能，电路的设计方法、元器件参数计算方法，使学生掌握如何用控制芯片来控制变换器实现电能的变换，学会设计控制芯片与变换器的连接电路，即检测电路和功率管的驱动电路。在课堂上教会学生使用PWM控制芯片数据说明书设计控制电路达到层次一，在课程学时中专门安排学生学习控制芯片电路的设计方法和参数计算方法达到层次二，不仅让学生掌握一种控制芯片的电路设计方法，更重要的是举一反三，在以后的设计和工作岗位上面对新的平台和控制芯片依然可以设计出符合要求的电路。

1．3变压器和电感设计

授课教师在课堂教学中依据教学改革培养电源工程师为目标不仅要介绍变压器和电感的各个参数的计算方法，还会结合实际项目讲授变压器同名端和异名端在实际电源制作时的注意事项，变压器的制作方法，掌握电压器参数的测试方法和测试工具，掌握用示波器和信号发生器测试变压器的匝比和同名端的方法。变压器和电感的设计直接关系到隔离型变换器的性能，很多学生对变压器和电感磁路设计部分学习起来会有些困难，所以这部分将作为课程的难点来重点讲解。

1．4保护电路设计

课堂教学中一部分学时将用来着重讲解各种保护电路，包括输入输出过压保护、过温保护、过流保护、输入欠压保护等。将采用调研报告、启发式和讨论式等教学方法引导学生去积累这些保护电路，学会在不同平台、不同应用场合使用不同的保护电路。

1．5闭环电路调试

结合自动控制原理课程的相关知识，着重讲解开关电源闭环电路的设计和分析，尤其是PID调节器的调试方法，结合实际项目演示电源工程师闭环电路调试过程，激发学生学习开关电源的学习兴趣，通过实物和仿真软件让学生体验调试的乐趣，这部分是开关电源课程重点讲解的内容，要联系实际项目，是课程的核心内容。以上5个部分是课程的主要教学内容块，完全按照培养电源工程师的目标下制定的教学计划，可以做到较好地给学生从课堂到就业的过渡，而不再是到了工作岗位上感觉课堂学习的东西和实际工作联系不紧密，什么知识什么技能都要工作之后学习。在课堂上，保证学生完全掌握第一个层次，通过课后作业、课堂实际项目案例、电源制作等形式的教学方法使大部分学生掌握层次二，在平时的教学中注意动手能力强或者电路设计能力强的学生，通过带学生电子设计大赛、创新大赛，或者学生在项目中辅助教师担任研发助理的工作等，使一部分学生研发能力可以快速提高，培养成具有基本技能的初级电源工程师。

2课程考核方式改革

考虑到开关电源课程的实践性强的特点，着重考核学生掌握所学的基本电路拓扑理论和技能，能综合运用所学知识和技能去分析电路、调试和测试电路、分析电路故障及排除电路故障的能力。

2．1制作电源实物

基于课堂系统的理论学习，独立制作75W单管正激变换器实物的能力考核，该正激变换器采用何种磁复位技术不限，根据班级人数，3～4名同学为一个小组，明确不同分工，共同制作出一款正激变换器。同时培养学生的团队合作意识，考核的内容也要增加当该团队遇到分歧和困难的时候，是如何解决的。

2．2课堂表现

主要是包括回答问题的情况，对问题分析的程度，出勤率，在平时小组讨论时的表现和活跃程度。

2．3科研报告、口头汇报

通过让学生搜索近3年国内外开关电源、尤其是通信电源技术和产品的最新发展概况，增强学生的自我学习能力，在以后的学习和工作中掌握更新自己开关电源知识体系的能力，这是我们教学的重点，不只是教会学生电源的基本知识，还要教学学生学习探索开关电源领域的学习方法。选取部分优秀学生的科研报告由学生浓缩成5分钟的口头汇报结合PPT、实物动画等多媒体展示方法在上课前5分钟做口头汇报分享给学生们。不仅较好地激发学生学习开关电源的兴趣也能够充分锻炼学生的公开演讲能力。

2．4作业

作业着重在学生是否是自己独立完成的电路设计，而不是应付了事。哪怕学生的设计内容很少，但是只要是他们自己经过思考得来的就要比其参考其他人的作业效果要好很多。

3开关电源技术教学改革反思

结合课堂教学改革，让学生们一边理论学习一边同步到学校实训基地巩固学习效果进行电源制作和电路故障排除以及电源设计，注重对学生电源技术思维和创新能力的培养，加强校企合作，为学生营造良好的学习氛围，同时，每年通过大学生科研立项和大学生电子设计大赛、创新大赛充分锻炼学生在课堂上的学习效果，教研团队教师会专门跟踪和调研学生的理论与实践结合的效果，从而不断总结经验，更好地服务教学。通过学生全程参与大赛和项目的经历，充分挖掘学生的设计潜力和创新思维能力，让学生充分享受到学习的乐趣，形成良性循环，并且可以拓展到其他科目，提高学生的综合素质。

电源技术篇4

当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经 济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。

1. 电力电子技术的发展

现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

1.1 整流器时代

大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

1.2 逆变器时代

七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显着而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。

1.3 变频器时代

进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

2. 现代电力电子的应用领域

2.1 计算机高效率绿色电源

高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。

计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品,绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。

2.2 通信用高频开关电源

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。

2.3 直流-直流(DC/DC)变换器

DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。

2.4 不间断电源(UPS)

不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,

另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。 现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。

目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

2.5 变频器电源

变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。

国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。

2.6 高频逆变式整流焊机电源

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。

逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合, 整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。

2.7 大功率开关型高压直流电源

大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。

自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。

国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。

2.8 电力有源滤波器

传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。

电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流; (2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。

2.9 分布式开关电源供电系统

分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。

八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展,各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加,应用领域不断扩大。

分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。

3. 高频开关电源的发展趋势

在电力电子技术的应用及各种电源系统中,开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术,通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

3.1 高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合 闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造, 成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显着节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。

3.2 模块化

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块,它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微

电子中的用户专用集成电路。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量, 在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求, 而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。 3.3 数字化

在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC) 问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。

3.4 绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:首先是显着节电, 这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。

现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。

电源技术篇5

关键词：双电源；电动汽车；辅助电源（超级电容）；秒功率；仿真分析。

汽车作为环保机动车，正在得到更多的技术支持和发展，但这些技术发展均会受制于供电电池性能，也就是蓄电池性能。电动汽车蓄电池技术无论发展到怎样一种程度，使用中都会遇到以下几个较为普遍的技术问题，电动汽车在行驶过程中，蓄电池电能逐渐消耗，蓄电池内阻也不断增加，使蓄电池端电压产生电压降，当降到电动机额定电压10%以上时，电动机的转矩将大幅度下降，就无法满足电动汽车在启动、加速时动力需求，这些都会导致电动汽车性能，不能满足实际需要。采用双电源供电技术，就能改善纯电动汽车在行驶中产生较为普遍的技术问题。

1、双电源供电技术工作原理【1】

采用双电源供电技术目的在于提供一种改善供电系统提高电动汽车动力能源供给性能，双电源由一组蓄电池与另一组超级电容器（称辅助电源）组成，辅助电源与车载发电机及充电器连接，辅助电源与蓄电池同极性并联，辅助电路回路中连接有DC-DC转换器，控制、调整辅助电源工作状态可采用手动或自动方式来完成，辅助电源充电电压≥蓄电池充电电压，辅助电源输出电流数值是随着蓄电池电压降的数值而改变，辅助电源每次工作时间大约几十秒钟，工作区域在起动、加速爬坡与蓄电池欠压时，提供补充能源与蓄电池并联分流，共同输出电能，保证电动汽车能源供给的稳定性，使电动汽车动力性能，不能因为供电系统电压变化而造成的性能指标下降充分满足驱动力所需。

2、超级电容器的特点【2】

（a）、很高的功率密度：超级电容器的内阻很小，且在电极汇界面和电极材料本体内均能够实现电荷的快速储存和释放，因而它的输出功率密度高达数KW/kg，是一般蓄电池数的十倍。

（b）、极长的充放电循环寿命，其循环寿命可达一万次以上。

（c）、储存寿命极长：超级电容器充电之后储存过程中，虽然也有微小的漏电电流存在，理论上超级电容器的储存寿命几乎可认为是无限。

（d）、高可靠性：超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作极少，因而超级电容器的可靠性是非常高的。

（e）、非常短的充电时间：从目前已经做出的超级电容器充电实验结果看，全充电时间只要10-12min；蓄电池在这么短的时间内是无法实现全充电的。

3、辅助电源功率计算方法

电容元件是一种储能元件，某一时刻“t”的储能只取决于容器“c”及这一时刻的电压值，并与其电压的平方成正比，当电压增大时，电容从外界吸收能量，电压减小时，电容向外界释放能量，但电容元件在任何时刻不可能释放出多于它吸收的能量，在计算充放电“秒功率”时按平均充放电电压和平均充放电电流的乘积，即为平均充放电功率对充放电时间积分，称秒功率（1焦耳=1安培×1伏特×秒）

Ⅰ）.辅助电源额定功率约等于电动机额定功率20%左右（秒功率）。

Ⅱ）.超级电容容量法拉约等于直流电动机额定电流20%左右。

Ⅲ）.超级电容额定电压大于电动机额定电压10%（发电机效率与充电过程中损耗可设定为常数）。

4、辅助电源充电设备

充电功率大约是电动机额定功率10%左右。根据实际情况可采用以下几种发电设备：

1）车载发电机；2）车载柴油发电机；3）车载太阳能发电；4）车载燃料电池。

5、仿真分析

一台纯电动汽车，驱动功率10KW，直流电动机额定电压200V，额定电流50A，由一组蓄电池供电，充电最高电压220V，100安时；另一组辅助电流，由超级电容组成，超级电容容量法拉等于电动机额定电流20%等于10法拉，超级电容充电电压≥蓄电池充电电压220V，超级电容在串并联组合过程中应注意，超级电容额定电压>充电电压。

辅助电源由车载1KW发电机提供充电能源（恒流充电）通过10秒钟时间充电储存电能大约等于电动机额定功率，充电50秒时储存电能大约等于电动机额定功率5倍，存储电流可达250A，这时辅助电源在25秒内输出平均功率2KW与蓄电池并联分流供电，辅助电源输出控制可采用手动和自动方式调整其储能输出，基本实现辅助电源功能作用。

通过仿真数据，电动汽车在行驶中50%的时间内辅助电源可提供20%的电动机额定的平均功率的电能与蓄电池共同输出满足电动汽车动力所需。保正电动汽车在行驶过程中，蓄电池电能逐渐消耗，也能使纯电动汽车输出功率不降低，保持恒功率输出，使纯电动汽车在续行过程中始终保持有劲、给力。也是消费者希望拥有的电动汽车动力性能。

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6、结束语

综上所述，此项技术可以用于纯电动汽车电路中，解决了纯电动汽车存在一些问题，提高了续行里程，提高了电动汽车动力性能，为纯电动汽车发展，有着重要意义。纯电动汽车双电源供电技术是一个新的理念，目前可能还没有被认同，但是它需要一个平台让大家对它进行探索，通过实验和总结证明也他将成为未来电动汽车发展方向。

参考文献

【1】赵树杰 容性动力电池组 专利号201120359037.5，2011年9月

电源技术篇6

关键词：电力电子；开关电源；高频开关。

1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。本文中以当前较为常用的高频开关电源为例，阐述高频开关电源的应用特点，并分析电力电子技术在开关电源中的应用。

2高频开关电源的特点

2.1分类

根据开关电源的实际用途以及标准对其进行分类，有着多种分类方式。首先，根据开关电源的驱动方式进行分类，可将开关电源分成他励式、自励式两种[1]。如果按照开关电源的输出/入类型进行划分，则能够分为AC/DC以及DC/DC两种不同变换器。想要实现对开关电源进行精准控制，按照控制方式以及用途不同，可将开关电源分为PFM混合式、PWM脉冲宽度调制式等等。对开关电源进行电路划分，可将开关电源分为谐振型开关电源、非谐振型开关电源。

2.2应用

高频开关电源在实际应用过程中能够实现交流电源的转换工作，从而满足电气设备的供电需求。高频开关电源在运行时，电流经过大功率开关元件的逆变电路，进行低压转换，最终形成稳定的输出电压。一般来说，现代高频开关电源具有重量轻、体积小的显著特点。高频开关电源在使用过程中不需要借助工频变压器，这使得高频开关电源的质量和体积相较于其他开关电源更轻、更小，便于安装和使用。尽管高频开关电源体积以及重量不足其他开关电源的一半，但是高频开关电源却有着极大的功率系数，并且能够利用硅导通角对相变整流器实际功率进行控制。高频开关电源负载的变化也会影响到功率系数的变化，当负载产生变化变小时，对应的系数也会变小。此外，高频开关电源噪声较小也是一大特点[2]。高频开关电源在运行过程中的噪声还不到50db。相比之下，高频开关电源运行时的噪声比相控整流设备运行过程中的噪声降低了35%之多。而且，高频开关电源在开关的瞬间能源消耗较低，这有利于节能减排，并能够有效提升整机的运行效率。

3电力电子技术

3.1电力电子技术在高频开关电源中的应用

电力电子技术在高频开关电源中的应用十分广泛。高频开关电源支持大功率晶体管运行，并能够有效提升整流器功率容量。随着人们对于集成电路所展开的深入研发，促进了高频开关电源在电气工程领域的应用，也使得开关电源朝着模块化、微小化和高效化的方向发展。计算机技术以及通信技术的应用，使得高频开关电源设备更具稳定性。借助UPS经过整流器能够实现电流的直流输出，将交流电转换为两部分。开关电源中的一部分电流传送至转换开关、逆变器等元器，实现设备的正常工作，另一部分则流入电池，为电池进行充电。不间断电源借助大功率IGBT，能够有效降低噪声强度，并在一定程度上保提高了高频开关电源的系统稳定性。高频变频器主要应用于开关电源的电气传动系统中，能够实现对电机变频速度的调控。高频变频器电源经过高频变换器、大功率晶体管，实现电压转换，改变电压的频率、功率，具有节能减排的作用。借助现代高新技术，能够将开关电源中强电和弱电进行结合，能够有效降低开关电源研发的成本，具有节能减排、经济高效的应用优势[3]。

3.2技术优势

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。

3.3发展趋势

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。

4结语

电源技术篇7

【关键词】电力通信设备；电源新技术；应用

引言

伴随着我国电力通信技术的不断发展，电力管理水平不断提高，电力通信设备中电源技术也有了较大的发展。电源技术的发展主要表现在：电源集中组网的监控、免维护蓄电池研究开发与推广、整流器中电子新技术运用、供电方式向分散供电发展，这些成果对通信电源的稳定性提高有着促进作用。

1 电力通信设备电源的使用现状

就目前而言，集中供电是我国电力通信网络中最普遍的电源供电方式。集中供电主要指的是将各种电源设备集中安装于一个通信电源室之中，运用集中式的电池向所有通信设备供电，其主要运用普通的铅酸蓄电池与可控硅相控整流器作为基础，由于此种供电方式相对较为笨重并且设备的体积相对较大，酸雾污染与噪音污染也较大，因此其运行会对人们的身体健康岩土环境情况造成较为严重的影响。另外，此种供电方式的可靠性相对较差，安装、运行与维修的成本相对较高，直流输电消耗电能较大，还要与其他设备隔离。自从1980年以来，维护蓄电池与开关整流器的运用范围不断扩展，分散式供电方法日益得到人们的关注与认可，成为电力通信设备中点源研究的重要方向。对于分散式供电方式而言，集中供电依旧是主要的供电方式，由于此种供电方式能在通信设备的机房中进行有效设置，并根据其作用机制与原理进行综合摆放和设计。分散式的供电模式和原有供电方式两者相比较，具备自动化控制程度相对较高、扩充容量相对方便、运行质量相对较高、投资相对较低等等显著的优点，但是其中也存在一些问题，例如：电源的供电可靠性相对较差、蓄电池的数量相对较多、成本相对较高等等。

2 电力通信设备电源新要求

2.1 高频率

我国通信设备的容量不断增加，电源系统负荷也不断扩大。所以，从节能方面考虑，应该不断提高电源设备的运行效率。节能主要措施时运用高效率的通信电源设备，我国传统通信设备大多数运用相控型的整流器，此种电源效率较低，变压器损耗相对较大。但是，高频开关电源效率较高，通常可以达到90%以上，所以运用高频开关电源可以在很大程度上节约能源。

2.2 小型化

我国电力通信技术不断发展，集成电力日益向小型化与集成化的方向发展，为了不断满足通信设备运用方面的需要，电源设备也应该向小型化与集成化的方向不断发展。另外，航空航天系统中各种通信装置与移动通信装置等也应不断向着小体积、轻质量的方向发展。为了使得电源装置的体积不断减小、质量不断提高，各种开关电源、集成稳压器等等也得到了较为广泛的推广。

2.3 稳定性

为了保证各种电力通信设备能够安全运行，首先应该保证电源设备具有稳定电压，并且保证其在使用的过程中小于使用频率设计值，同时要求在电源的电压大于设计水平值时，能进行自我恢复与自我控制。究其主要原因在于：如果电源电压过低，会导致电力通信设备难以正常运行；如果电源电压过高，会导致电力通信设备内部电子元件损坏。

2.4 可靠性

为了保证电力通信系统正常运行，不仅应该提高通信设备的可靠性，还应该不断提高电源系统的可靠性与安全性。这就要求通信设备电源不能发生1ms以上的间断。

3 电力通信设备电源新技术

3.1 电源集中组网监控

在电力通信设备电源监控的范围中，运用集中化、自动化与先进化的管理与维护手段，实现通信电源与通信设备的有效管理。进行集中监控主要目的是遥测、遥信与遥控电源和其他的有关设备；对通信设备的运行状态进行实时监视，及时发现存在的故障并且进行准确的处理与有关数据的记录工作，必要时通知有关人员进行处理，从而不断提高供电系统的可靠性。

3.2 防雷网络

雷电现象会使得有些缺乏保护的设备在较短的时间内发生较为严重的损坏，并产生瞬间高压的问题，从而对通信设备和用电设备安全运行造成不良影响。通常情况下，较为常见的雷击类型是直击雷与感应雷。感应雷指的是雷云对滴放电与雷云之间放电的过程，并且在周围的用电设备或者是电缆等等导体之中形成相对较大的感应电压，从而危害通信设备的安全性与可靠性；直击雷会导致电缆与导线在短时间中承受较大的雷电流，并且在电源设备与线路装置上产生非常高的电压，这种现象会持续一段时间，产生较大的雷击危害。由于雷击危害每年都会导致巨大的损失，因此电力通信设备中电源的防雷网络建设问题日益成为电力通信系统研究的主要内容，并且具有较为深远的理论意义。

3.3 功率因数校正

一般情况下，开关整流器内部选择两级变换模式，也就是先使用DC-AC整流滤波电路将交流输入转变为直流，再使用DC-DC环节将其转变成与之对应的直流电。由于之前的整流滤波电路是储能元件与非线性元件组合中的一种，因此从电网的侧方面而言，开关整流器是一个容性负载，其会造成电网供电过程有明显畸变，而非单纯的基波频率正弦波，就会产生谐波过热、污染、噪音与误动作等等问题，较为严重时还会烧毁有关设备。另外，增加中线电流会提高变压器与配电系统损耗，甚至还会影响电力通信设备的有效运行。

3.4 开关器件

整流器在电力通信电源设备中是技术含量最高、更新速度最快的部分，其可靠性对于电力通信系统也有着较大的影响。伴随着科学技术的不断发展，高频开关整流器已经逐渐代替了传统开关器件，成为开关整流器核心部分。现在多采用MOSFET和IGBT等新一代开关器件，前者工作频率可达几百千赫，甚至上兆赫，后在采用软开关技术后，也可达上百千赫。为整流器的高频化和高功率密度奠定了基础。开关电源的主要组成部分是DC-DC变换器，DC-DC功率变换技术一直是全世界电力电子学科和行业研究的焦点，近30年来，DC-DC变换技术经过了一个由硬及软的过程。

4 结语

综上所述，电力通信设备中的电源是电力通信系统安全稳定运行的基础与前提。因此，在运用现代化的操作和维护措施时，应选用先进的设备技术，提高电力通信设备电源管理的专业化水平，保证良好的设备运行环境，强化设备运行监控，使其能够为电力通信系统的可靠、安全运行打下良好的基础。

参考文献：

[1]刘影，谢驰.基于并行扩频技术降低电力通信电源的电磁干扰研究[J].电网与清洁能源.2014（05）.

[2]常玉凤.电力系统通信电源的维护与管理[J].宁夏师范学院学报.2012（06）.

[3]朱世昌.电力系统通信电源技术发展方向及应急预案研究[J].中国高新技术企业.2010（31）.

电源技术篇8

【关键词】：含分布式电源；配电网保护技术；影响；技术策略

1、导言

近年来，随着DG接入配电网，其对电网结构、潮流、故障特征等产生了深远影响。配电网故障时短路电流大小及分布均有变化，变化的程度与DG的容量、接入位置等因素直接相关；网络各处保护所受影响也不尽相同，导致现有配电网保护无法准确判断故障的位置而出现拒动、误动现象。本文通过研究近几年有关分布式发电的文献资料和科研成果，对含分布式电源的各种配电网保护方案进行归类与分析，展望了其今后的发展方向。

2、含分布式电源对配电网保护技术的影响

2.1对重合闸的影响

目前，自动重合闸已被广泛使用，可能会使含DG的配电网在故障时出现以下几种现象：配网处于孤岛运行状态，部分负荷由DG供电，此时若自动重合闸动作，则会导致重合闸失败；DG在馈线断路器跳闸后持续供电，故障点电弧无法熄灭，导致自动重合闸失败。当瞬时性故障发生时，自动重合闸能够迅速恢复供电，但是当DG接入配网后，相应的配电线路会变成双侧电源供电，重合闸的动作需要考虑到两侧保护的时间配合问题与两侧电源的同步问题。

2.2计及保护影响限制DG准入容量

接入配电网DG容量越大，故障时DG对配网保护动作正确性产生的影响也越大，从限制DG对配网保护影响出发，可合理分析计算DG的准入容量。可通过PSCAD仿真软件，根据配电网电流保护定值，求取出网络各处DG的准入容量，在准入容量以内，可以避免因DG接入造成保护误动。分析了DG对配网保护的影响，并结合电网实际，提出了DG准入容量计算的约束条件。限制DG准入容量，虽然配网保护无需任何改动，但电网消纳DG的能力有限。

2.3对短路电流的影响

当DG并网运行时，即便潮流方向不变，在短路时短路电流值都会受到影响，流过保护的短路电流值会发生变化，并且这种变化是不定向的，无法预测，随着故障位置和DG的运行状态不同，流经保护处的故障电流值会增大或减小。这些故障电流值的具体变化情况随配电网中DG种类和接入数量的增加而变得更加的复杂。如配电网仍采用原有保护配置方案，从保护可靠性的角度考虑，DG的接入点、接入数量和准入容量等都会受到很大的限制。

3、含分布式电源的配电网保护技术策略

3.1采用距离保护

距离保护的测量量是保护安装处母线电压与线路电流之比，反映测量阻抗的降低而动作。正常时，距离保护测量的是负荷阻抗；故障时反映的是保护安装处到故障点的阻抗，其大小只与保护安装处到故障点距离相关。距离保护具有方向性、保护范围稳定、灵敏度高、不受运行方式变化影响等特点，比较适合作为含DG的配电网保护。并通过仿真分析表明，DG的接入位置对测量阻抗产生了一定影响，距离保护安装在DG上游时，DG的分流作用会使保护范围有所减小；距离保护安装在DG下游时，不影响距离保护的正确动作。对于长短线配合系统，距离保护可能失去选择性，但随着DG容量增加，此影响呈较小趋势甚至消失。

3.2运用合理的计算方法对分布式电源在配电网中进行规划

一切的对于分布式电源使用的规划都离不开合理的计算方法的支持。在进行分布式电源的规划中应该合理的采用遗传算法。在遗传算法的使用上，要注重对曾经的数据经验进行有效的应用，通过学习之前的经验，提出各种的问题方案，再根据问题提出相对应的解决方案，最终才能在规划的过程中找到最优的解决方案。另外还要合理的使用模拟计算法。在进行模拟计算法的使用上，要通过预设一个分布式电源在配电网规划中出现的问题，并通过在现实生活中一次次的进行有效的一对一的实验，最终得到整个问题的最全的解决方案。但是这种算法的使用也是存在着诸多的弊端的，因为它具有实脱离际，随意模拟现象的出现，所以应该配合着遗传算法上的使用。最后要合理的进行粒子群算法的使用。粒子群算法，就是在众多的粒子中寻找到最优的粒子进行发展，已达到通过一个粒子来影响全局的作用。在进行粒子群的计算上，可以明确的算出在进行分布式电源的规划中所要使用的费用，最后通过对比，选择出最有利最经济的规划方案。

3.3基于相邻电流保护间通信的三段式电流保护技术改造方案

将相邻线路保护作为一个保护单元，利用后级线路方向性电流保护闭锁前级三段式方向电流保护。该方案逻辑简单，新增辅助设备少；本线内故障全线速动切除，避免了DG投退造成保护定值频繁改动；通过本侧保护联跳对侧断路器，线路对侧无需安装保护装置，简化了保护配置。在实际应用中，通信设备的可靠性对保护的影响至关重要，需要设计通信系统冗措施确保保护动作正确性；需要考虑运行方式变化对该保护方案带来的不利影响并加以改进。

3.4做好自适应保护

自适应保护的思想是尽可能地让保护适应电力系统的变化，改善保护的性能。自适应保护的方法主要是存储基准信息，对线路的各个电气量实时采样计算，然后将两者比较，根据结果来确定故障范围和对此故障应该采取的保护方案。但是该方法需要对每个点进行信息采集，而配电网络的覆盖面广，运行维护较困难。明确自适应保护方法，可用计算机对电网的运行状况进行实时监控，依据系统运行方式的变化，使保护装置的定值能够进行动态调整。

4、结论

综上，对分布式发电继电保护技术的研究工作虽取得了一定的成果，但多数研究成果局限于理论研究，普遍缺乏工程实践。为适应分布式发电的发展，应着重开展以下几个方面的研究工作：可从实际工程应用的角度出发，强化理论成果的可移植性；加强高渗透率情况下的配电网保护技术的研究，提高电网对DG的消纳能力；将广域网保护与配电自动化系统有机结合，实现硬件资源与数据共享，随着配电网自动化建设的不断深入，广泛采集配电网实时运行参数，以逐步实现远方控制配电网开关设备。

【参考文献】：

[1]马静，王希，米超，王增平.含分布式电源的配电网自适应保护新方法[J].电网技术，2011，10：204-208.

[2]宫林国，高亮，王贺磊.含分布式电源的配电网保护方案研究[J].陕西电力，2014，01：32-36.