【文章內(nèi)容簡介】 算機(jī)的電 源換代。 20 世紀(jì) 90 年代，開關(guān)電源在電子、電氣設(shè)備以及家電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期。 開關(guān)型穩(wěn)壓電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)管輸出脈沖信號(hào)的占空比調(diào)整輸出電壓。以功率晶體管（ GTR）為例，當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，集電極和發(fā)射極兩 車載逆變電源 設(shè)計(jì) 4 端的壓降接近零；當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，其集電極電流為零、所以，其功耗小，效率可高達(dá) 70%～95%。而功耗小，散熱器也隨之減小。開關(guān)型穩(wěn)壓電源直接對電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流、濾波調(diào)整，然后由開關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器。此外，開關(guān)工作頻率為幾十千赫，濾波電 容器、電感器數(shù)值較小。因此，開關(guān)電源具有數(shù)量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。另外，由于功耗小，機(jī)內(nèi)溫升低，提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。而且其對電網(wǎng)的適應(yīng)能力也有較大的提高，一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動(dòng)范圍為 220V（ 1177。 10%），而開關(guān)型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓在 110～ 260V 范圍內(nèi)變化時(shí)，都可獲得穩(wěn)定的輸出電壓。 開關(guān)電源的高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，高頻化帶來的效益使開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)了小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外，開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約資 源及保護(hù)環(huán)境方面都具有深遠(yuǎn)的意義。 目前市場上開關(guān)電源中的功率管多采用雙極性晶體管，開關(guān)頻率可達(dá)幾十千赫；采用功率 MOSFET 的開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)幾百千赫。為提高開關(guān)頻率，必須采用高速開關(guān)器件。對于兆赫以上開關(guān)頻率的電源可利用諧振電路，這種電路工作方式稱為諧振開關(guān)方式。它可以極大地提高開關(guān)速度，理論上開關(guān)損耗為零，噪聲也很小，是提高開關(guān)電源工作頻率的一種方式。采用諧振開關(guān)方式的兆赫級變換器已經(jīng)實(shí)用化。開關(guān)電源的技術(shù)追求和發(fā)展趨勢可以概括為以下 4個(gè)方面。 1)小型化、薄型化、輕量化、高頻化 —— 開關(guān)電源的體 積和重量主要是由儲(chǔ)能原件（磁性元件和電容）決定的，因此開關(guān)電源的小型化實(shí)質(zhì)上就是盡可能減小其中儲(chǔ)能元件的體積。在一定范圍內(nèi)，開關(guān)頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，高頻化是開關(guān)電源的主要發(fā)展方向。 2)高可靠性 —— 開關(guān)電源使用的元器件數(shù)量是連續(xù)工作線性電源的幾十分之一，因此提高了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光電耦合器及排風(fēng)扇等元器件和部件的壽命決定著電源的壽命。所以，要從設(shè)計(jì)方面著眼，盡可能使用較少的元器件，提高集成度。這樣不但解決了電路 復(fù)雜、可靠性差的問題，也增加了保護(hù)等功能，簡化了電路，提高了平均無故障時(shí)間。 3)低噪聲 —— 開關(guān)電源的缺點(diǎn)之一是噪聲大。單純地追求高頻化，噪聲也會(huì)隨之增大。采用諧振變換技術(shù)，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲。所以，盡可能地降低噪聲影響是開關(guān)電源的又一發(fā)展方向。 4)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制 —— 采用 CAA 和 CDD 技術(shù)設(shè)計(jì)最新變換拓?fù)浜妥罴褏?shù)，使開關(guān)電源具有最簡結(jié)構(gòu)和最佳工況。在電路中引入微機(jī)監(jiān)測和控制，可構(gòu)成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測、記錄并自動(dòng)報(bào)警等。 車載逆變電源 設(shè)計(jì) 5 開關(guān)電源的發(fā)展從來都是與半導(dǎo)體器件及磁性元件等 的發(fā)展休戚相關(guān)的。高頻化的實(shí)現(xiàn)，需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件。發(fā)展功率 MOSFET、 IGBT 等新型高速器件，開發(fā)高頻用的低損磁性材料，改進(jìn)此元件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法，提高濾波電容的介電常數(shù)及降低其等效串聯(lián)電阻等，對于開關(guān)電源小型化始終產(chǎn)生著巨大的推動(dòng)作用?？傊藗冊陂_關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域里，邊研究低損耗回路技術(shù)，邊開發(fā)新型元器件，兩者相互促進(jìn)并推動(dòng)著開關(guān)電源以每年超過兩位數(shù)的市場增長率向小型化、薄型化、高頻化、低噪聲以及高可靠性方向發(fā)展。 逆變電源技術(shù)的發(fā)展概況 逆變電源技術(shù) 逆變電源技術(shù)是電力電子技術(shù)的重要組成部分。逆變電源是一種采用開關(guān)方式的電能變換裝置。圖 12所示為典型的交流輸入、交流輸出隔離型逆變電源的基本結(jié)構(gòu)。從圖 12中可以看出，它從交流或直流輸入獲得穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流輸出。逆變電源中的能量轉(zhuǎn)換過程是：輸入的工頻交流電經(jīng)過整流電路成為直流電，直流電通過逆變電路變?yōu)榻涣?PWM波電壓，其基波頻率是逆變電源的輸出頻率， PWM波電壓經(jīng)輸出變壓器隔離，再由濾波器濾成正弦波。這一能量轉(zhuǎn)換、傳遞的過程通常表示為 AC— DC— AC。直流輸入、輸出隔離型的逆變電源結(jié)構(gòu)與圖 12基本相同， 只是不需要輸入端的整流電路，能量轉(zhuǎn)換傳遞的過程可表示為 DC— AC。在逆變電源中，逆變器及其控制是逆變電源的核心。 圖 12 逆變電源基本結(jié)構(gòu) 逆變電源技術(shù)的 發(fā)展概況 逆變電源出現(xiàn)于電力電子技術(shù)飛速發(fā)展的 20世紀(jì) 60年代，逆變電源的發(fā)展是和電力電子器件的發(fā)展聯(lián)系在一起的，器件的發(fā)展帶動(dòng)著逆變電源的發(fā)展。最初的逆變電源采用晶閘管 (SCR)作為逆變器的開關(guān)器件，稱為可控硅逆變電源。由于 SCR是一種沒有自關(guān)斷能力的器件，因此必須通過增加換流電路來強(qiáng)迫關(guān)斷 SCR， SCR的換流電路限制了逆變 電源的進(jìn) 車載逆變電源 設(shè)計(jì) 6 一步發(fā)展。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，自關(guān)斷的電力電子器件脫穎而出，相繼出現(xiàn)了電力晶體管 (GTR)、可關(guān)斷晶閘管 (GTO)、功率場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)等等。自關(guān)斷器件在逆變器中的應(yīng)用大大提高了逆變電源的性能。由于自關(guān)斷器件的使用，使得開關(guān)頻率得以提高。從而逆變橋輸出電壓中低次諧波的頻率比較高，使輸出濾波器的尺寸得以減小，而且對非線性負(fù)載的適應(yīng)性得以提高。最初，對于采用全控型器件的逆變電源在控制上普遍采用帶輸出電壓有效值或平均值反饋的 PWM控制技術(shù)，其輸出 電壓的穩(wěn)定是通過輸出電壓有效值或平均值反饋控制的方法實(shí)現(xiàn)的。采用輸出電壓有效值或平均值反饋控制的方法具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在以下缺點(diǎn)：①對非線性負(fù)載的適應(yīng)性不強(qiáng)；②死區(qū)時(shí)間的存在將使 PWM波中含有不易濾掉的低次諧波，使輸出電壓出現(xiàn)波形畸變；③動(dòng)態(tài)特性不好，負(fù)載突變時(shí)輸出電壓調(diào)整時(shí)間長。為了克服單一電壓有效值或平均值反饋控制方法的不足，實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)獲得應(yīng)用，它是近十年來發(fā)展起來的新型電源控制技術(shù)，目前仍在不斷地完善和發(fā)展之中，實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)的采用使逆變電源的性能有了質(zhì)的飛躍。實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù) 多種多樣，主要有以下幾種： (1)諧波補(bǔ)償控制 當(dāng)逆變電源的負(fù)載為整流負(fù)載時(shí)，由于負(fù)載電流中含有大量諧波，諧波電流在逆變電源內(nèi)阻上的壓降致使逆變電源輸出電壓波形畸變，諧波補(bǔ)償控制可以較好地解決這一問題，其是在逆變橋輸出 PWM波中加入特定的諧波，抵消負(fù)載電流中的諧波對輸出電壓波形的影響，減小輸出電壓的波形畸變。目前這種方法只能由高速的數(shù)字信號(hào)處理器來實(shí)現(xiàn)。 (2)無差拍控制 1959年， Kalman首次提出了狀態(tài)變量的無差拍控制理論。 1985年， Gokhale在 PESC年會(huì)上提出將無差拍控制應(yīng)用于逆變器控制。 逆變器的無差拍控制才引起了廣泛的重視。無差拍控制是一種基于微機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制方法。這種控制方法根據(jù)逆變電源系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出反饋信號(hào)來推算下一個(gè)采樣周期的開關(guān)時(shí)間，使輸出電壓在每個(gè)采樣點(diǎn)上與給定信號(hào)相等。無差拍控制的缺點(diǎn)是算法比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來不太容易，它對系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性要求較高，對負(fù)載大小的變化及負(fù)載的性質(zhì)變化比較敏感，當(dāng)負(fù)載大小變化及負(fù)載的性質(zhì)變化時(shí)不易獲得理想的正弦波輸出。 (3)重復(fù)控制 為了消除非線性負(fù)載對逆變器輸出的影響，在 UPS逆變器控制中引入了重復(fù)控制技術(shù)。Haneyoshi及 Kawamura等人首先在 PWM逆變器中采用重復(fù)控制消除周期性畸變。后來，鄒應(yīng)嶼等人進(jìn)一步完善了逆變器的重復(fù)控制理論，給出了一種重復(fù)控制器的設(shè)計(jì)方法，提出了自適應(yīng)重復(fù)控制的理論。重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制方法，它將一個(gè)基波周期的偏差存儲(chǔ)起來，用于下一個(gè)基波周期的控制，經(jīng)過幾個(gè)基波周期的重復(fù)可達(dá)到很高的控制 車載逆變電源 設(shè)計(jì) 7 精度。在這種控制方法中，加到控制對象的輸入信號(hào)除偏差信號(hào)外，還迭加了一個(gè)“過去的控制偏差”，這個(gè)“過去的控制偏差”是上一個(gè)基波周期中的控制偏差，把上一個(gè)基波周期的偏差反映到現(xiàn)在和“現(xiàn)在的偏差”一起加到控制對象進(jìn)行控 制，這種控制方式，偏差好像在被重復(fù)使用，所以稱為重復(fù)控制。它的突出特點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)特性好，控制魯棒性強(qiáng)。但重復(fù)控制的控制實(shí)時(shí)性差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢。因此，重復(fù)控制一般都不單獨(dú)使用來完成逆變器的控制，而是與其它控制方式相結(jié)合，共同來提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。 (4)滑模變結(jié)構(gòu)控制 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論起于 20世紀(jì) 50年代，它最顯著的特點(diǎn)是對參數(shù)變動(dòng)和外部擾動(dòng)不敏感，因此非常適用于閉環(huán)反饋控制的電能變換器。早期的滑模變結(jié)構(gòu)控制器采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于電力拖動(dòng)系統(tǒng)中。 20世紀(jì) 90年代中后期。臺(tái)灣的鄒應(yīng)嶼和香港大學(xué)的L． K． Wang等人將離散滑模變結(jié)構(gòu)控制理論應(yīng)用到 UPS逆變器中，獲得了良好的控制效果?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制實(shí)質(zhì)上是一種非連續(xù)的開關(guān)控制方法，它強(qiáng)迫系統(tǒng)的跟蹤誤差及其導(dǎo)數(shù)運(yùn)行于相平面的一條固定的滑模曲線上，與系統(tǒng)參數(shù)變動(dòng)及外部擾動(dòng)無關(guān)，因此系統(tǒng)有極強(qiáng)的魯棒性。但是，就波形跟蹤質(zhì)量來說，滑?？刂撇患爸貜?fù)控制和無差拍控制。 (5)單一的電壓瞬時(shí)值反饋控制 這種控制方法的基本思想是把輸出電壓的瞬時(shí)反饋值與給定正弦波進(jìn)行比較，用瞬時(shí)偏差作為控制量，對逆變橋輸出 PWM波進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。和傳統(tǒng) PWM控制方法相比，由于該方法能對 PWM波 進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，故系統(tǒng)的快速性、抗擾性、對非線性負(fù)載的適應(yīng)性、輸出電壓的波形品質(zhì)等都比傳統(tǒng) PWM控制方法有所提高。這種方法的缺點(diǎn)是系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好，特別是空載時(shí)，輸出電壓容易振蕩。系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題限制了電壓調(diào)節(jié)器增益的提高，因而輸出電壓的波形品質(zhì)還不是很好。 (6)帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制 帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制方法是在單一的電壓瞬時(shí)值反饋控制方法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。在這種方法中，不但引入輸出電壓的瞬時(shí)值反饋，還引入濾波電容電流或?yàn)V波電感電流的瞬時(shí)值反饋。電壓環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)。電流環(huán)具有將 濾波電容電流或?yàn)V波電感電流改造為可控的電流源的作用，這樣控制輸入和輸出電壓之間形成了具有單極點(diǎn)的傳遞函數(shù)，因而系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高，克服了單一的電壓瞬時(shí)值反饋控制系統(tǒng)空載容易振蕩的缺點(diǎn)。由于穩(wěn)定性的提高使得電壓調(diào)節(jié)器增益可以取比較大的值，所以突加突卸負(fù)載時(shí)輸出電壓的動(dòng)態(tài)特性大大提高，抗擾性大大提高，對非線性負(fù)載的適應(yīng)性也大大提高。 車載逆變電源 設(shè)計(jì) 8 逆變電源的發(fā)展趨勢 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對逆變器控制性能要求的提高，逆變電源也得到了深入的發(fā)展，目前，逆變電源的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個(gè)方面： (1)高頻化 提高逆變電源的開關(guān)頻率，可以有效地減小裝置的體積和重量，并可消除變壓器和電感的音頻噪聲，同時(shí)改善了輸入電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。此外，為了進(jìn)一步減小裝置的體積和重量，必須去掉笨重的工頻隔離變壓器，采用高頻隔離。高頻隔離可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn)：①在整流器與逆變器之間加一級高頻隔離的 DC— DC變換器；②采用高頻鏈逆變技術(shù)。高頻化僅限于小容量逆變電源。在大容量逆變電源中，由于工頻變壓器引起的矛盾相對不如小容量 UPS突出，而且大容量的高頻逆變器、整流器和高頻變壓器的制作也分別受到高頻開關(guān)器件的容量和高頻磁性材料的 限制。 (2)高性能化 高性能主要指輸出電壓特性的高性能，它主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①穩(wěn)壓性能好，空載及負(fù)載時(shí)輸出電壓有效值要穩(wěn)定；②波形質(zhì)量高，不但要求空載時(shí)的波形好，帶載時(shí)波形也要好，對非線性負(fù)載的適應(yīng)性要強(qiáng)；③突加突減負(fù)載時(shí)輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)特性好；④電壓調(diào)制量小；⑤輸出電壓的頻率穩(wěn)定性好；⑥對于三相電源，帶不平衡負(fù)載時(shí)相電壓失衡小。輸出電壓的高性能是用電設(shè)備對逆變電源的要求，控制方式的改進(jìn)是逆變電源達(dá)到高性能的主要手段。 (3)并聯(lián)及模塊化 當(dāng)今逆變電源的發(fā)展趨向是大功率化和高可靠性。雖然現(xiàn)在已經(jīng)能 生產(chǎn)幾千千伏安的大型逆變電源，完全可以滿足大功率要求的場合，但是，這樣整個(gè)系統(tǒng)的可靠性完全由單臺(tái)電源決定，無論如何是不可能達(dá)到很高的。為了提高系統(tǒng)的可靠性，就必須實(shí)現(xiàn)模塊化。模塊化意味著用戶可以方便地將小容量的模塊化電源任意組合，構(gòu)成一個(gè)較大容量的逆變電源。模塊化需要解決逆變電源之間的并聯(lián)問題，逆變電源的并聯(lián)要比直流電源的并聯(lián)復(fù)雜，它面臨著負(fù)荷分配、環(huán)流補(bǔ)償、通斷控制等多方面的