通信电源发展论文

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通信电源发展论文范文第1篇

[摘要]：通信电源是向通信设备提供交直流电的电能源，是整个通信电信网的能量保证。通信电源系统由交流供电系统、直流供电系统和相应的保护系统构成。通信电源系统的设备多，分布广，不仅单个电源设备的可靠性会影响系统的可靠性，电源系统的总体结构也会对自身的可靠性造成很大的影响。

一、通信电源的发展现状

（一）供电系统的现状

通信电源是通信系统必不可少的重要组成部分，其设计目标是安全、可靠、高效、稳定、不间断地向通信设备提供能源。通信电源必须具备智能监控、无人值守和电池自动管理等功能，从而满足网络时代的需求。通信电源系统由交流配电、整流柜、直流配电和监控模块组成。

（二）通信电源设备的更新换代

近年来，随着技术的进步，特别是功率器的更新换代，新型电磁材料的不断使用，功率变换技术的不断改进，控制方法的不断进步，以及相关学科的技术不断融合，通信电源在系统的可靠性、稳定性，电磁兼容性，消除网侧电流谐波、提高电能利用率、降低损耗、提高系统的动态性能等等方面都取得长足的进步。

（三）现行通信电源的电路模型和控制技术

目前通信电源的变换电路拓扑结构主要采用双单端电路，半桥电路和全桥电路，各有优缺点。一般认为，在中、小功率场合，采用双单端电路或半桥电路是适宜的；在大功率场合则采用全桥变换电路。

二、通信电源发展趋势

（一）开关器件的发展趋势

电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变化技术将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。其中，开关电源在电源技术中占有重要地位，从10kHz发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫兹级，开关电源的发展为高频变化提供了硬件基础，促进了现代电源技术的繁荣和发展。

（二）通信直流电源产品的技术发展市场需求发展

在需求与技术的共同推动下，通信直流电源产品体现了如下的发展态势：

体系架构相当长的一段时间内维持稳定。通信直流电源在相当长的时间内还是维持现有的交流配电、整流器模块(并联)、直流配电、监控单元、蓄电池等为主要组成部分的架构；功率变换模式也将维持现有的高频开关模式，暂时不会出现类似从线性电源到开关电源的阶跃性的变化。

功率密度不断提高。通信一次电源的核心部件整流器的功率密度不断提高，推动了通信直流电源整机的功率密度不断提高，但配电器件、蓄电池等密度基本维持稳定，一定程度制约了整机系统的功率密度的提高比率。

更高的可靠性。高可靠性是通信电源的最基本要求。随着器件技术、通信电源技术的成熟，以及各通信直流电源设备厂家在可靠性研究上大力投入，通信直流电源产品可靠性呈不断提高的趋势。

按照TRIZ理论(“创造性解决问题的理论”的俄语缩略语)描述的技术系统发展进化规律，一般而言，技术的生命周期包含四个阶段：婴儿期、成长期、成熟期和衰退期，种种迹象表明，通信直流电源的核心技术，开关电源技术基本上开始步入成熟期：效率的提升变得缓慢和困难、而电源损耗不能大幅度降低限制了功率密度的进一步提高，未来几年甚至十几年内，通信直流电源产品将进入一个缓慢发展的阶段，直至有一天，一种新的电源变换技术出现，通信直流电源产品就会再出现一个阶跃性的发展，就像开关稳压技术替代线性稳压技术，给电源带来了革命性的变化。

（三）通信用蓄电池技术研究的新进展

通信用蓄电池作为通信系统后备的能源供应手段，其研制、生产和应用技术一直备受世界各国通信行业的重视。随着科技的发展和技术的不断进步，国外正在研制和试验新一代的通信用蓄电池，有的已经进入商用化阶段。这些新的蓄电池，由于其材料、结构和技术上的先进性，在性能上具有传统的VRLA电池无可比拟的优越性。

1．钒电池（VanadiumRedoxBattery）。钒电池（VRB）是一种电解值可以流动的电池，目前正在逐步进入商用化阶段。

2．燃料电池。燃料电池是一种化学电池，也是一种新型的发电装置，它所需的化学原料由外部供给，如氢氧燃料电池，只要外部供给氢和氧，经过内部电极、催化剂和碱性电解液的作用，就能产生0.9V电压的直流电能，同时产生大量的热能。

3．电源监控系统的发展。随着互联网技术应用日益普及和信息处理技术的不断发展，通信系统从以前的单机或小局域系统逐渐发展至大局域网系统或广域网系统，大量人力、物力被投入到网络设备的管理和维护工作上。不过通信设施所处环境越来越复杂，人烟稀少、交通不便都会增大维护的难度，这对电源设备的监控管理提出了新的需求，保护通信互联网终端的电源设备必须具备数据处理和网络通信能力。此时，数字化技术就表现出了传统模拟技术无法实现的优势，数字化技术的发展逐步表现出传统模拟技术无法实现的优势。

4．通信电源的环保要求。环保问题，一方面的指标是通信电源的电流谐波要符合要求，降低电源的输入谐波，不但可以改善电源对电网的负载特性，减少给电网带来严重污染的情况，还可减少对其他网络设备的谐波干扰。另一个重要方面，是材料的可循环利用和环境的无污染，这方面需要产品满足WEEE/ROHS指令。

在通信电源开发、生产早期，人们主要集中研究电源的输出特性，较少考虑到电源的输入特性。例如：传统的在线式电源输入AC/DC部分通常采用桥式整流滤波电路，其输入电流呈脉冲状，导通角约为π/3，波峰因数大于纯电阻负载的1.4倍。这些谐波电流大的电源给电网带来了严重的污染，使电网波形失真，实际负荷能力降低，对于三相四线制的电网来说，还很有可能因中性线电流过大而出现不安全隐患。

参考文献：

朱雄世，《通信电源的现状与展望》

《浅析全球通信电源技术发展趋势》

《通信直流电源发展趋势》

孙向阳、张树治，《国外通信用蓄电池技术研究的新进展》

《通信电源技术发展趋势及标准研究方向》

曾瑛，《浅谈通信电源》

王改娥、李克民，《谈我国通信电源的发展方向》

王改娥、李克民，《我国通信电源的发展回顾与展望》

侯福平，《UPS系统在通信网络中使用的特点及要求》

《全球通信电源技术发展呈现五大趋势》

通信电源发展论文范文第2篇

【关键词】通信电源;功率因数;校正技术

1.引言

近年来，现代高频通信开关电源在日常生活中得到了广泛应用，特别是在直流、交流、工业电源等方面。现代化通信在微电子通信技术的领域高速发展，电源系统是所有通信设备必须具备的，其质量与通信效果和质量有着直接关系[1]。众所周知，通信设备往往由很多部分组成，关键组成部分之一就是通信开关电源，它常常被比作是通信设备的“心脏”。开关电源技术通过合理利用半导体功率器件，不仅实现高效率电能变换，还能将粗电转变为精电。在开关电源中，半导体功率器件工作方式有高效率、高功率密度、高可靠性的优点，是因为它工作在高频开关方式[2]。当今功率因数校正技术日益涌现出实用化、专业化和高性能化的各种新技术，PFC技术的持续发展会紧跟新需求、改进器件制造工艺、改善控制方法的方向稳步前进[3]。

图1 集中供电通信电源系统

（a）不间断;（b）可短时中断;（c）允许中断

2.通信电源系统介绍

交流和直流供电是通信电源系统中主机模块主要的两种供电标准，同理通信电源系统也分成交流不断续供电和直流不断续供电两种方式，依靠蓄系统中电池存储的电源来达到这两种类型系统不断续供电。主机不间断供电的电源是通信电源系统中不可缺少的，允许短时中断的存在是为了保证建筑负荷，机房电器例如空调等和允许中断的一般建筑负荷用的电源也是必需的。上面提到的供电两大系统又划分为3级：在集中供电通信电源系统中这1～3级的作用分别是保障能源供应、持续不间断供电、主机获得多电压多品种电源。如图1所示。

因为交流不间断供电系统工作方式比较简单，通常是交流整流为直流，再由直流逆变为交流的方式，这会直接关系到系统各项参数的优劣，并且交流的并联和旁路技术也不容易，所以，当今主要的通信设备及供电电源的选择仍旧是以直流不间断供电作为首选。

3.通信电源功率因数介绍

（1）功率因素的定义

由基本理论得，功率因素是有功功率（P）和视在功率（S）的比值，用公式：

功率因素=

其中I1是输入电流基波有效值;IR是电网电流有效值，，其中I1，I2，…，In是输入电流各次谐波有效值;U1是输入电压基波有效值;是输入电流的波形畸变因数;是基波电压和基波电流的位移因数。

（2）功率因数的考虑因素

功率因素在通信电源中很重要，需要考虑很多因素，例如操作不当整流电路部分后继令输出，造成电压显得平滑的滤波电容，通常都会干扰通信开关电源对应的功率因数，结果就是显示低，尖脉冲形式的电流波形就会输入，输入电流因为有不少成分的谐波，除了使得噪声干扰增加，而且AC-DC整流电路大受影响，那么在输入端就必须增加滤波器，而这又让制造成本更高、尺寸更大、重量参数增加。很多电流谐波分量在这个时候污染电网成分，主要包括：第一，出现二次效应现象，在工作电流通过对应的阻抗时，能造成电网电压发生变形。第二，对应谐波电流会造成电路工作不正常，损害设备。第三，在三相四线模式的电路中，三次成分谐波产生相同相位的电流，但合成相应中线的电流需很大，这样会让同相电流太大，假如中线位置没有保护电路的结构，那么中线过流后必然会导致中线过热的发生，这样会让相应电气设备损坏甚至造成火灾。第四，谐波成分的出现，带来各种副作用，常见的就是相邻通信电源系统互相干扰，假如是一般的噪声，通信效果与质量下降先不说，还可能让对应信息消失，造成无法挽回的损失。

（3）功率因数的校正技术

第一，多脉冲式整流方法。

它主要运用变压器的特性，达到N次不同谐波电流移相的结果，使奇次谐波抵消。这种做法在变压器负载匹配时，对减少输入端的低次谐波是有用的。

第二，引入滤波电感。

在电路整流器与电容之间串联电感，或在交流侧操作，接入谐振滤波器。在电路结构、成本话费、可靠性上、电磁干扰方面都具有很大优势;主要缺点是在尺寸、重量都很大，很难获得高功率因数，频率、负载和输入电压改变直接影响工作性能，电感、电容都具有大的充放电电流等。此方式在抑制高次谐波方面有一定作用，而因为滤波设备通常较多，并且系统阻抗能改变运行状况，如果不加入调谐电抗器，较容易跟系统电抗一起出现并联谐振。因为这个方法相对容易，目前还在用简单结构来改进。

第三，有源式功率因数校正方法。

该法利用有源开关或AC/DC转换技术，达到输入电流与电网电压的相同相位。整个系统的整流器跟负载部分间接入DC开关式的变换器，同时还有电流式反馈构架，为了让输入端对应的电流波形跟交流输入的对应正弦电压波形发生同步。这类方式特别的地方是能容易达到对应的高标准功率因数，让波形发生畸变可能性减小，适应和较宽输入电压工作，大小、重量适中，对应输出电压保持稳定。缺点是：电路构造不简单，平均无故障时间减小，话费大，效率不高。

4.结论

由于现代化生活人民群众生活质量普遍提高，因此在通信电源质量上的需求也在日益提高，在通信行业具有十分良好的前景。但是通信电源功率因数却在慢慢下降，这种情况不仅让高端复杂通信设备无法在各个方面达到各种应用要求，而且通信系统在效果、质量都会逐渐下降，从而造成社会资源利用低下、能源严重浪费、通信电源功率因数校正技术止步不前。当今正是通信领域蒸蒸日上的时候，要想持续快速发展，高功率因数通信因数校正技术还有很多待改善的空间。

参考文献

通信电源发展论文范文第3篇

关键词 管理；通信电源；监控；无线传输

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）20-0023-01

在通信领域，大多数的网元设备用到的都是直流电。但是民用的电源大多数都是交流的，所以需要通过整流的过程，将交流转化为直流，然后才能为通信系统中的交换单元、路由单元等设备供电，通信电源就是扮演了这样的角色。电源系统作为通信系统的重要组成部分，一旦发生故障，就有可能导致系统瘫痪，造成的危害将是灾难性的，因此，在实际的操作中，对通信电源的管理和维护就显得尤为重要。

1 通信系统总体设计

在实际的通信网络中，通信电源分布极为广泛，对这么庞大的系统进行管理并非易事。可以参照DCS集散控制系统（计算机集散控制系统）的基本原理：将一台机器作为主机，其他多个机器作为从计算机与主机互联，由此组成一个网络来完成数据的交互处理。并且在很多的场合，DCS机器的状态都是并联的。只有遇到了特殊的场合，DCS设备才与主机设备有数据信息的交换。

将DCS集散控制系统的这种层次化结构用到通信电源的监控和管理体系中来，结合DCS所具有的优点，就能够使得通信系统能够在保持高速控制的情况下仍能够可靠的运行。

通信系统的电源集中监控系统从整体上来说，可以划分为3部分：

1）监督控制模块：其功能是对数据的现场采集，并且在远端控制做出指示的时候，能够快速响应，以及对系统异常状态的监测。

2）监控管理中心： 其功能是收集、处理、遥控各个支局的数据信息，并且响应现场监控机的告警消息。

3）通信组网线路：其作用是作为底层传输，将数据消息从监控中心可靠地传输到当地监管控制机器设备。

2 监控管理中心系统架构

在监控系统的设计过程中，监控管理中心负责数据库管理和远程通信，其功能有很多，主要包括：每个现场监控室都会产生各自的监控数据，监控管理中心就是负责汇总并存储这些数据，一些更为智能化的系统还会对这些数据进行整理和分析，从而生成监测报告，当然，监控管理中心还需要提供监测报告打印的服务，并且能够响应下位机的报警信息，能够收到上层管理中心传递相关消息，并且要求具备远程设置和控制等功能。

借助于软件人机界面，下面介绍一个简易的软件结构：

从性能上来说，Windows2000较Widows98更为领先，且Windows 2000 server在文件服务器部署时较Widows98快了49%，在加载CPU的情况下，Windows 2000 的性能显得更为高效，较Windows NTServer4.0的系统而言，Windows 2000的性能改善了约为125%；从可靠性来说，Windows2000改进了系统体系结构，所以Windows2000提供的可用时间远高于其他竞争产品（包括Windows NT的）。考虑到上位机是直接面向用户的，一个良好的人机界面是很有必要的，并且综合上面考虑的因素，上位机的操作环境选择Windows 2000。

考虑到VisualBasic6.0 对数据库的管理操作简易方便，开发方便、周期短、并且高效，再者，从通讯方面来说，它支持了不同的方法来满足不同的需求。因此，综合考虑了上述的因素，最终决定在编程开发软件的选择上，将Visual Basic6.0这款软件作为首选的方案。

2.1 设计软件的基本流程及模块

通信电源集中监控系统软件由众多模块组成。主要包括如下模块：有好的用户界面模块、设置模块、远程信息交互模块、系统安全模块、维护管理模块、查询模块、报警模块、实时显示数据模块、监控模块的管控模块、生成报表模块、打印报告模块，还有其他模块，此处不一一叙述。

2.2 数据库的维护与开发

考虑到Microsoft Access 的内置数据库引擎——Microsoft Jet Engine同时也是Access数据库的内置引擎，所以选用Access作为此系统的数据库。

在监控管理中心的系统中有多个数据表，它们相对独立的存储，并且同时包含于同一个数据库中（该数据库名为RECORD. MDB）。将数据表按照类型来划分的话，数据库的数据表就分为如下4种：

1）存储各个现场监控室提供的实时数据的数据表。

2）存储历史数据的表。

3）能够存储系统安全性配置表中的数据表。

4）存储系统正确运行时配置的数据表。

用户无需维护和管理这么庞大的数据表，大多数都是通过后台进程来处理；只有极少数（比如：分支机构运营商与需要用户直接访问的数据库）的数据库需要进行直接的管理和维护。管理和维护的内容也很简单，只需要用结构化查询语言SQL进行诸如创建数据库，添加数据，删除数据，对数据进行排序，查询特定数据和定位数据的操作即可。

VB（Visual Basic）对数据库的操作方法有多种，比如可以用可视化数据管理数据库。此外，还可以用Data Control控件访问数据库，这是最为方便的做法，只需要在操作窗上加载带有数据的约束Data 控件，就可以完成对数据库的操作，但是此种方法的缺点是无法进行程序控制以及不能对信息进行检索。

此外，还可以通过ODBC方法来访问远程数据库的数据。同时，采用这种方法还能够对系统使用的变量进行访问。这种访问数据库的方法唯一的不足就是需要编写复杂的应用程序，虽然复杂，但是却有着很好的应用灵活性，因此可用于编写高效的数据库操作应用软件。

Visual Basic中，可以对数据库进行方便快捷的操作。通过SQL（结构化查询语言）命令您可以轻松地访问数据库，并且借助SQL语言可以方便的创建表和索引，并能够在数据表中添加或删除列或索引，借助SQL语言还可以在表中更新、删除、添加、检索记录。

3 结论

本论文设计的电源监控系统可以实现通信网元运行数据的收集和处理，为管理维护提供数据支撑，同时，还可以降低系统的故障风险，在系统故障时及时报警，准确定位，减少因为电源故障造成的停机，并且能够快速定位故障点，为排查和维修争取时间。从而促进整个通信领域向集约化、智能化方向发展。这无疑对整个通信系统都有着重要的意义。

参考文献

通信电源发展论文范文第4篇

论文摘要：依据茂名联通基站的实际情况，结合各大运营商的移动通信基站普遍存在的问题，提出了如何确保基站内的设备运行安全及防盗等问题。针对该问题设计出一套从根本上提高动力设备维护水平和效率，达到监控智能化的目的的系统，并对该系统进行需求分析和设计。

l概述

随着我国移动通信事业的飞速发展，各大运营商的移动通信基站的数量日益增加，身处城乡结合部或偏远山区的移动通信基站因常年无人值守成为盗窃分子的光顾目标，基站的各种附属设备如蓄电池、铁塔角钢、空调外机、铜地线(排)、馈线等设备也成了盗贼的主要偷窃目标。目前，如何确保基站内的设备运行安全及防盗，已成为基站维护的首要难题。

2目前基站的现状

目前，茂名联通基站环境监控设备仍为老式的环控箱接人监控，通过采集模拟量输入到基站主设备上，从而完成上报，且只能上报简单的停电、开门、高温、积水和烟雾等告警，无法远程测量和调整参数。另外，环控箱的告警上报依赖于主设备的运行，一旦BTS断站，其便无法工作。为缓解日益紧张的人员及维护工作的压力，从根本上提高动力设备维护水平和效率，达到监控智能化的目的，建设一套高水平的基站动力设备及环境集中监控系统是十分必要的。

3需求分析和设计思路

对茂名联通新建的动力环境集中监控系统，除了要达到基本的监控目的以外，更重要的是实现智能化监控要求。它包括以下三个方面：

(1)交、直流动力系统。监控对象包括：配电箱、开关电源、蓄电池等。监控范围包括：市电输入三相电压、三相电流、功率因数、频率、有功功率、电度、整流模块单体输出电流、总负载电流、蓄电池充电电流、市电状态(市电有／无，缺相，欠压／过压)、蓄电池组总电压、每组蓄电池充、放电电压等。通过对动力系统实时不间断的监控，了解每个基站电源输入输出、整流模块设备的运行情况，对电源设备出现的问题和故障能在最短的时间内做出反应和处理；蓄电池是整个直流供电系统的后备电源，我们通过监控，对蓄电池组总电压以及每组电池充、放电电压进行统计和分析，对有问题的电池及时进行更换，真正做到有备无患。

(2)空调、环境系统。监控内容包括：机房智能空调系统、基站分体空调(开关机、工作状态指示、空调工作电流)、温度、湿度、水浸地湿、娴雾告警以及动态图像等。保证设备运行在恒温恒湿的环境中。

(3)门禁系统。监控内容包括：远程开门、修改门禁内部的各种工作和控制参数、授权、删除用户、用户的准进时段管理，以及各种报警记录、进、出门记录、刷卡、出门按钮开门事件、门禁内部参数被修改的记录等。

4拓扑结构

茂名联通基站动力环境集中监控系统采用逐级汇接的结构，由省公司监控中心(PSC)、地市公司监控中心(SC)、监控单元(SU)和监控模块(SM)构成，采用监控中心(sc)与监控单元(su)直联的方式。具体结构如下：

省监控中心(PSC)主要对地市监控中心(sc)进行监督、维护管理。监控中心配有数据库服务器，各地市监控中心(SC)的数据直接上传省监控中心。

茂名监控中心(sc)主要对本地区的各个监控单元(su)进行管理，是本区域监控系统的管理中心，完成全网的监控信息的统计分析及处理，并对远端监控设备进行遥测、遥调，对监控对象(机房设备、环境、图像)进行管理，同时，还具有强大的门禁管理功能。所有的监控中心均可以通过D接口与广东联通综合网管系统相连。

监控单元(su)是集数据采集、处理、存储、传输为一体的智能化模块化单元，能够完成一个独立的物理通信基站内所有监控模块(SM)的管理工作，并将采集的数据集中通过1条2M电路上传到监控中心(SC)。

监控模块(SM)是面向具体的监控对象，具有完成数据采集和必要控制的功能。按照监控对象类型的不同，可分为：防盗、积水、电源管理、空调管理等模块。

5参考规范

(1)中国联通集团公司2009年3月《中国联通移动网基站动力及环境集中监控系统总体技术要求》；(2)《通信电源和空调集中监控系统技术要求》(XDN023—96)；(3)《通信局(站)电源系统总技术要求》(YD／T1051—2000)；(4)《通信电源集中监控系统设计规范》(YD／T5027—2005)；(5)《通信电源集中监控系统工程验收规范》(YD／T5058—2005)；(6)《通信开关电源系统监控技术要求和试验方法》(YD／TI104—2001)；(7)《通信局(站)电源、空调及环境集中监控系统技术规范》(GF006—2000)。

6具体功能和意义

(1)实时监控告警。无论基站距离远近，一旦设备产生告警都能在数秒内将告警信息上报至监控中心。值班人员能在第一时间发现告警并做通知相关专业人员进行处理。例如深夜情况下基站上报防盗告警，这时值班人员可以通过转动摄像头观察站内环境，从而判断是否有盗贼入侵，并及时通知代维和l1O前往。

(2)数据采集分析。本监控系统能够对设备数据进行24小时连续记录，能真实可靠地反映设备的运行情况。这些数据是设备障碍分析的得力工具。比如在蓄电池维护方而。密封式阀控电池对均浮充电压和温度条件要求较高。通过监控系统就可以随时查看电池电压和环境温度，省去了大量的现场测量工作。通过对采集的数据进行分析，还可以从中判断哪些基站的电池单体存在问题并及时加以解决。

(3)加强维护管理。本监控系统彻底改变了旧的电源、空调等设备的维护模式。以前的维护方式是等设备出现问题后进行应急抢修，现在可以运营商可以真正掌握所有电源、空调设备24小时的运行状况，实现有的放矢的主动维护，真正做到设备的预检预修。这种管理从根本上改变了过去维护的被动局面，对设备的故障告警可以实现派单式的闭环流程管理。

(4)降低维护成本。本监控系统能大大提高维护质量，降低运营成本，给公司带来直接的经济效益，真正实现了移动通信基站的无人值守。以日常维护的基站巡检为例，现在可以在监控中心对设备进行实时巡检，减少了无谓的维护支出。基站实行设备代维之后，还可通过监控系统对代维厂家进行考核，从而提高维护管理质量。

通信电源发展论文范文第5篇

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著而迅速发展。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。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,带来显著节能、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(ASPM),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(ASIC)。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:首先是显著节电,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。