电子电源技术范文

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篇1

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

篇2

电源装置，无论是直流电源还是交流电源，都要使用由软磁磁芯制成的电子变压器（软磁电磁元件）。虽然，已经有不用软磁磁芯的空芯电子变压器和压电陶瓷变压器，但是，到现在为止，绝大多数的电源装置中的电子变压器，仍然使用软磁磁芯。因此，讨论电源技术与电子变压器之间的关系：电子变压器在电源技术中的作用，电源技术对电子变压器的要求，电子变压器采用新软磁材料和新磁芯结构对电源技术发展的影响，一定会引起电源行业和软磁材料行业的朋友们的兴趣。本文提出一些看法，以便促成电源行业与电子变压器行业和软磁材料行业之间就电子变压器和软磁材料的有关问题进行对话，互相交流，共同发展。

1 电子变压器在电源技术中的作用

电子变压器和半导体开关器件，半导体整流器件，电容器一起，称为电源装置中的4大主要元器件。根据在电源装置中的作用，电子变压器可以分为：

1）起电压和功率变换作用的电源变压器，功率变压器，整流变压器，逆变变压器，开关变压器，脉冲功率变压器；

2）起传递宽带、声频、中周功率和信号作用的宽带变压器，声频变压器，中周变压器；

3）起传递脉冲、驱动和触发信号作用的脉冲变压器，驱动变压器，触发变压器；

4）起原边和副边绝缘隔离作用的隔离变压器，起屏蔽作用的屏蔽变压器；

5）起单相变三相或三相变单相作用的相数变换变压器，起改变输出相位作用的相位变换变压器（移相器）；

6）起改变输出频率作用的倍频或分频变压器；

7）起改变输出阻抗与负载阻抗相匹配作用的匹配变压器；

8）起稳定输出电压或电流作用的稳压变压器（包括恒压变压器）或稳流变压器，起调节输出电压作用的调压变压器；

9）起交流和直流滤波作用的滤波电感器；

10）起抑制电磁干扰作用的电磁干扰滤波电感器，起抑制噪声作用的噪声滤波电感器；

11）起吸收浪涌电流作用的吸收电感器，起减缓电流变化速率的缓冲电感器；

12）起储能作用的储能电感器，起帮助半导体开关换向作用的换向电感器；

13）起开关作用的磁性开关电感器和变压器；

14）起调节电感作用的可控电感器和饱和电感器；

15）起变换电压、电流或脉冲检测信号的电压互感器、电流互感器、脉冲互感器、直流互感器、零磁通互感器、弱电互感器、零序电流互感器、霍尔电流电压检测器。

从以上的列举可以看出，不论是直流电源，交流电源，还是特种电源，都离不开电子变压器。有人把电源界定为经过高频开关变换的直流电源和交流电源。在介绍软磁电磁元件在电源技术中的作用时，往往举高频开关电源中的各种电磁元件为例证。同时，在电子电源中使用的软磁电磁元件中，各种变压器占主要地位，因此用变压器作为电子电源中软磁元件的代表，称它们为“电子变压器”。

2 电源技术对电子变压器的要求

电源技术对电子变压器的要求，像所有作为商品的产品一样，是在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。有时可能偏重价格和成本，有时可能偏重效率和性能。现在，轻、薄、短、小成为电子变压器的发展方向，是强调降低成本。从总的要求出发，可以对电子变压器得出四项具体要求：使用条件，完成功能，提高效率，降低成本。

2.1 使用条件

电子变压器的使用条件，包括两方面内容：可靠性和电磁兼容性。以前只注意可靠性，现在由于环境保护意识增强，必须注意电磁兼容性。

可靠性是指在具体的使用条件下，电子变压器能正常工作到使用寿命为止。一般使用条件中对电子变压器影响最大的是环境温度。决定电子变压器受温度影响强度的参数是软磁材料的居里点。软磁材料居里点高，受温度影响小；软磁材料居里点低，对温度变化比较敏感，受温度影响大。例如锰锌铁氧体的居里点只有215℃，比较低，磁通密度、磁导率和损耗都随温度发生变化，除正常温度25℃而外，还要给出60℃，80℃，100℃时的各种参数数据。因此，锰锌铁氧体磁芯的工作温度一般限制在100℃以下，也就是环境温度为40℃时，温升必须低于60℃。钴基非晶合金的居里点为205℃，也低，使用温度也限制在100℃以下。铁基非晶合金的居里点为370℃，可以在150℃～180℃以下使用。高磁导坡莫合金的居里点为460℃至480℃，可以在200℃～250℃以下使用。微晶纳米晶合金的居里点为600℃，取向硅钢居里点为730℃，可以在300℃～400℃下使用。

电磁兼容性是指电子变压器既不产生对外界的电磁干扰，又能承受外界的电磁干扰。电磁干扰包括可听见的音频噪声和听不见的高频噪声。电子变压器产生电磁干扰的主要原因是磁芯的磁致伸缩。磁致伸缩系数大的软磁材料，产生的电磁干扰大。铁基非晶合金的磁致伸缩系数通常为最大（27～30）×10－6，必须采取减少噪声抑制干扰的措施。高磁导Ni50坡莫合金的磁致伸缩系数为25×10－6，锰锌铁氧体的磁致伸缩系数为21×10－6。以上这3种软磁材料属于容易产生电磁干扰的材料，在应用中要注意。3％取向硅钢的磁致伸缩系数为（1～3）×10－6，微晶纳米晶合金的磁致伸缩系数为（0.5～2）×10－6。这2种软磁材料属于比较容易产生电磁干扰的材料。6.5％硅钢的磁致伸缩系数为0.1×10－6，高磁导Ni80坡莫合金的磁致伸缩系数为（0.1～0.5）×10－6，钴基非晶合金的磁致伸缩系数为0.1×10－6以下。这3种软磁材料属于不太容易产生电磁干扰的材料。由磁致伸缩产生的电磁干扰的频率一般与电子变压器的工作频率相同。如果有低于或高于工作频率的电磁干扰，那是由其他原因产生的。

2.2 完成功能

电子变压器从功能上区分主要有变压器和电感器2种。特殊元件完成的功能另外讨论。变压器完成的功能有3个：功率传送、电压变换和绝缘隔离。电感器完成功能有2个：功率传送和纹波抑制。

功率传送有2种方式。第一种是变压器传送方式，即外加在变压器原绕组上的交变电压，在磁芯中产生磁通变化，使副绕组感应电压，加在负载上，从而使电功率从原边传送到副边。传送功率的大小决定于感应电压，也就是决定于单位时间内的磁通密度变量ΔB。ΔB与磁导率无关，而与饱和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有关。从饱和磁通密度来看，各种软磁材料的Bs从大到小的顺序为：铁钴合金为2.3～2.4T，硅钢为1.75～2.2T，铁基非晶合金为1.25～1.75T，铁基微晶纳米晶合金为1.1～1.5T，铁硅铝合金为1.0～1.6T，高磁导铁镍坡莫合金为0.8～1.6T，钴基非晶合金为0.5～1.4T，铁铝合金为0.7～1.3T，铁镍基非晶合金为0.4～0.7T，锰锌铁氧体为0.3～0.7T。作为电子变压器的磁芯用材料，硅钢和铁基非晶合金占优势，而锰锌铁氧体处于劣势。

功率传送的第二种是电感器传送方式，即输入给电感器绕组的电能，使磁芯激磁，变为磁能储存起来，然后通过去磁变成电能释放给负载。传送功率的大小决定于电感器磁芯的储能，也就是决定于电感器的电感量。电感量不直接与饱和磁通密度有关，而与磁导率有关，磁导率高，电感量大，储能多，传送功率大。各种软磁材料的磁导率从大到小顺序为：Ni80坡莫合金为（1.2～3）×106，钴基非晶合金为（1～1.5）×106，铁基微晶纳米晶合金为（5～8）×105，铁基非晶合金为（2～5）×105，Ni50坡莫合金为（1～3）×105，硅钢为（2～9）×104，锰锌铁氧体为（1～3）×104。作为电感器的磁芯用材料，Ni80坡莫合金、钴基非晶合金、铁基微晶纳米晶合金占优势，硅钢和锰锌铁氧体处于劣势。

传送功率大小，还与单位时间内的传送次数有关，即与电子变压器的工作频率有关。工作频率越高，在同样尺寸的磁芯和线圈参数下，传送的功率越大。

电压变换通过变压器原绕组和副绕组匝数比来完成，不管功率传送大小如何，原边和副边的电压变换比等于原绕组和副绕组匝数比。

绝缘隔离通过变压器原绕组和副绕组的绝缘结构来完成。绝缘结构的复杂程度，与外加和变换的电压大小有关，电压越高，绝缘结构越复杂。

纹波抑制通过电感器的自感电势来实现。只要通过电感器的电流发生变化，线圈在磁芯中产生的磁通也会发生变化，使电感器的线圈两端出现自感电势，其方向与外加电压方向相反，从而阻止电流的变化。纹波的变化频率比基频高，电流纹波的电流频率比基频大，因此，更能被电感器产生的自感电势抑制。

电感器对纹波抑制的能力，决定于自感电势的大小，也就是电感量大小，与磁芯的磁导率有关，Ni80坡莫合金、钴基非晶合金、铁基微晶纳米晶合金磁导率大，处于优势，硅钢和锰锌铁氧体磁导率小，处于劣势。

2.3 提高效率

提高效率是对电源和电子变压器的普遍要求。虽然，从单个电子变压器来看，损耗不大。例如，100VA电源变压器，效率为98％时，损耗只有2W并不多。但是成十万个、成百万个电源变压器，总损耗可能达到上十万W，甚至上百万W。还有，许多电源变压器一直长期运行，年总损耗相当可观，有可能达到上千万kW·h。显然，提高电子变压器的效率，可以节约电力。节约电力后，可以少建发电站。少建发电站后，可以少消耗煤和石油，可以少排放CO2，SO2，NOx，废气，污水，烟尘和灰渣，减少对环境的污染。既具有节约能源，又具有保护环境的双重社会经济效益。因此，提高效率是对电子变压器的一个主要要求。

电子变压器的损耗包括磁芯损耗（铁损）和线圈损耗（铜损）。铁损只要电子变压器投入工作，一直存在，是电子变压器损耗的主要部分。因此，根据铁损选择磁芯材料，是电子变压器设计的主要内容，铁损也成为评价软磁材料的一个主要参数。铁损与电子变压器磁芯的工作磁通密度和工作频率有关，在介绍软磁材料的铁损时，必须说明是在什么工作磁通密度下和什么工作频率下的损耗。例如，P0.5/400，表示在工作磁通密度0.5T和工作频率400Hz下的铁损。P0.1/100k表示在工作磁通密度0.1T和工作频率100kHz下的铁损。

软磁材料包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。涡流损耗又与材料的电阻率ρ成反比。ρ越大，涡流损耗越小。各种软磁材料的ρ从大到小的顺序为：锰锌铁氧体为108～109μΩ·cm，铁镍基非晶合金为150～180μΩ·cm，铁基非晶合金为130～150μΩ·cm，钴基非晶合金为120～140μΩ·cm，高磁导坡莫合金为40～80μΩ·cm，铁硅铝合金为40～60μΩ·cm，铁铝合金为30～60μΩ·cm，硅钢为40～50μΩ·cm，铁钴合金为20～40μΩ·cm。

因此，锰锌铁氧体的ρ比金属软磁材料高106～107倍，在高频中涡流小，应用占优势。但是当工作频率超过一定值以后，锰锌铁氧体磁性颗粒之内的绝缘体被击穿和熔化，ρ变得相当小，损耗迅速上升到很高水平，这个工作频率就是锰锌铁氧体的极限工作频率。

金属软磁材料厚度变薄，也可以降低涡流损耗。根据现有的电子变压器使用金属软磁材料带材的经验，工作频率和带材厚度的关系为：工频50～60Hz用0.50～0.23mm（500～230μm），中频400Hz至1kHz用0.20～0.08mm（200～80μm），1kHz至20kHz用0.10～0.025mm（100～25μm），中高频20kHz至100kHz用0.05～0.015mm（50～15μm），高频100kHz至1MHz用0.02～0.005mm（20～5μm），1MHz以上，厚度小于5μm。金属软磁材料带材只要降到一定厚度，涡流损耗可显著减少。不论是硅钢、坡莫合金，还是钴基非晶合金和微晶纳米晶合金都可以在中、高频电子变压器中使用，和锰锌铁氧体竞争。

2.4 降低成本

降低成本是对电子变压器的一个主要要求，有时甚至是决定性的要求。电子变压器作为一种商品和其他商品一样，都面临着市场竞争。竞争的内容包括性能和成本两个方面，缺一不可。不注意成本，往往会在竞争中被淘汰。

电子变压器的成本包括材料成本、制造成本和管理成本。降低成本要从这三个方面来考虑。

软磁材料成本在电子变压器的材料成本中占有相当大的比例。根据现行的市场价格，每kg重量的软磁材料的价格从小到大的顺序是：锰锌软磁铁氧体，硅钢，铁基非晶合金，Ni50坡莫合金，钴基非晶合金，Ni80坡莫合金。锰锌铁氧体在中高频范围内广泛应用，硅钢在工频范围内广泛应用，最主要的原因之一就是价格便宜。

制造成本与设计和工艺有关。电子变压器所用的磁芯、线圈和总体结构的加工和装配工艺是复杂还是简单？需要人工占的比例多大？是否需要工模具？质量控制中需要检测的工序和参数有多少？要用什么检测仪器和设备？这些都是降低制造成本时要考虑的问题。

管理成本一般约占材料和制造成本之和的30％左右。如果管理得好，充分利用人力和财力，有可能降到20％左右。充分利用人力，是指工时利用率要高，减少管理人员和工人比例等等。充分利用财力，是指缩短生产周期，减少库存，加快资金流转等等。

所以，一个好的电子变压器设计者，除了要了解电子变压器的理论和设计方法而外，还要了解各种软磁材料，电磁线，绝缘材料的性能和价格；还要了解磁芯加工和热处理工艺，线圈绕制和绝缘处理工艺和结构组装工艺；还要了解实现质量控制的检测参数和仪器设备；还要了解生产管理的基本知识以及电子变压器的市场动态等等。只有知识全面的设计者，才能设计出性能好，价格低的电子变压器。

3 新软磁材料在电子变压器中的应用

电子变压器中的软磁材料，根据上面的分析，在工频及中频范围内主要采用硅钢，在高频范围内主要采用软磁铁氧体。现在硅钢遇到非晶纳米晶合金的挑战，软磁铁氧体既遇到非晶纳米晶合金的挑战，又遇到软磁复合材料的竞争。在挑战和竞争中，不但使新软磁材料迅速发展，也使硅钢和软磁铁氧体得到发展。新发展起来的软磁材料在电子变压器中的应用，使电子变压器的性能提高，成本下降。而且也使电源技术在向短、小、轻、薄的变革中遇到的难点——磁性元件小型化问题逐步得到解决。

下面分别介绍硅钢，软磁铁氧体，非晶纳米晶合金，软磁复合材料在电子变压器中应用的一些新进展。这里不介绍薄膜软磁材料，它是用于1MHz以上的，高频小型电子变压器的新一代软磁材料，留待以后专文介绍。

3.1 硅钢

电源技术中的工频电子变压器大量使用3％取向硅钢，现在厚度普遍从0.35mm减到0.27mm或0.23mm。国内生产的23Q110的0.23mm厚，3％取向硅钢，饱和磁通密度Bs为1.8T，其P1.7/50为1.10W/kg；27QG095的0.27mm厚，3％Hi?B取向硅钢，Bs为1.89T，P1.7/50为0.95W/kg。日本生产的0.23mm厚，3％取向硅钢Bs为1.85T，P1.7/50为0.85W/kg。与国内产品相差不多。但是0.23mm厚的3％取向硅钢经过特殊处理，即用电解法将表面抛光至镜面，再涂张力涂层，最后细化磁畴，可以使P1.7/50下降到0.45W/kg。同时，对要求损耗低的电子变压器，日本还进一步把厚度减薄到0.15mm，经过特殊处理，可以使P1.3/50下降到0.082～0.11W/kg和铁基非晶合金水平基本相当。

日本还用温度梯度炉高温退火新工艺，使0.15mm厚，3％取向硅钢的Bs达到1.95～2.0T，经过特殊处理，使P1.3/50为0.15W/kg，P1.7/50为0.35W/kg。采用三次再结晶新工艺，制成更薄的硅钢，Bs为2.03T，P1.3/50为0.19W/kg（0.075mm厚），0.17W/kg(0.071mm厚)和0.13W/kg0.032mm厚）。

电源装置中的中频（400Hz至10kHz）电子变压器，除了使用0.20～0.08mm厚，3％取向硅钢外，日本已采用6.5％无取向硅钢。6.5％硅钢，磁致伸缩近似为零，可制成低噪声电子变压器，磁导率为16000～25000。ρ比3％硅钢高一倍，中频损耗低，例如：0.10mm厚的6.5％无取向硅钢P1/50为0.6W/kg，P1/400为6.1W/kg，P0.5/1K为5.2W/kg，P0.1/10k为8.2W/kg，Bs为1.25T。采用温轧法可以生产6.5％取向硅钢，Bs提高到1.62～1.67T。0.23mm厚的6.5％取向硅钢P1/50为0.25W/kg。日本已用6.5％硅钢制成1kHz音频变压器，在1.0T时，噪声比3％取向硅钢下降21dB，铁损下降40％，还用6.5％硅钢取代3％取向硅钢用于8kHz电焊机中，铁芯重量从7.5kg减少到3kg。6.5％硅钢国内已进行小批量生产。

与研制6.5％硅钢的同时，日本还开发了硅含量呈梯度分布的硅钢。

1）中高频低损耗梯度硅钢，表层硅含量6.5％，电阻率高，磁导率高，磁通集中在表面，涡流也集中表面，损耗小。内部硅含量低于6.5％。总的损耗低于6.5％硅钢。例如：0.20mm厚的6.5％硅钢的P0.1/10k为16W/kg，梯度硅钢为13W/kg；P0.05/20k6.5％硅钢为14W/kg，梯度硅钢为9W/kg。由于总的硅平均含量低于6.5％，Bs比6.5％硅钢高，可达1.90T。延伸性即加工性也比6.5％硅钢好。已经用这种梯度硅钢制成家用电器逆变器用电感器，由于Bs高，损耗低，既体积小，又发热少。

2）低剩磁梯度硅钢，表层硅含量高，磁致伸缩小，中心层硅含量低，磁致伸缩大。表层与中心层存在的磁致伸缩差而引发应力。出现的弹性能导致剩磁低，一般饱和磁通密度Bs为1.96T，剩磁Br为0.34T。ΔB=Bm－Br超过1.0T（Bm为工作磁通密度）。损耗也低，P1.2/50为1.27W/kg。可以用于脉冲变压器，单方向磁通变化电源变压器等。作为电源变压器铁芯时，还可以抑制合闸时的突发电流浪涌。

篇3

1　美国所有电力应用中的6％～10％是在电源从交流(AC)转换到直流(DC)。

2　由于现有电源效率欠佳，美国所有电力消耗的3％～4％是在电源内部消耗的。

3　以更好的设计、使用IC控制器、场效应管(FET)和二极管等最新的电子元器件来增加电源的效率，能节省美国所有电力消耗的1％～2％，也就是每年30～60亿美元的节省潜能。

上述分析提供了电源转换机会的宽泛估计，但缺乏必要的详细数据，那么，就让我们研究得更深一点……

住宅用电部分

美国每年的住宅电能消耗总量达13000亿kWh。其中，17％来自“插头负载(plug load)”，耗电量达到2210亿kWh。这部分的电能消耗可划分为占31.1％(687亿kWh)的信息技术产品，占41.3％(913亿kWh)娱乐产品，“其他”占27.6％(610亿kWh)。图1显示了这种电能消耗划分。

如果只计算IT和娱乐产品的话，其电能消耗就是1600亿kWh。按照每0.1美元／kWh计算，每年的电能支出就是160亿美元。将这些用电设备的效率提升20％(务实的目标)，就能够节省32亿美元，可与早前30～60亿美元的数字相比，而后者还包含了商业用电部分。

商业用电部分

美国每年的商业部分电能消耗为12300亿kWh，其中9％(1107亿kWh)来自办公设备。假设办公设备的电能消耗能够降低15％，潜在的电能节省达166亿kWh，以0.10美元／kWh计算，就接近17亿美元。

将不同部分的节省潜能相加

对于美国而言，如果提升常见电子产品的电源效率，结合住宅和商业用电部分能够节省总额达49亿美元的电能开支。更高效的产品工作模式设计所带来的节省还能够产生更多的效益。

功率是如何损耗的，针对功率损耗采取了什么措施

在电子设备，功率损耗分为两部分，分别是待机损耗和工作损耗。待机损耗在设备(计算机、电池充电器、电视机等)关闭时出现，这时设备仍在消耗功率；而工作损耗则是由通常在电源中的电源转换阶段的低效所导致。在家庭应用中，待机损耗预计占到总损耗的25％，而工作损耗占余下的75％。

近年来，所做的很多工作都旨在提升公众对电能节省的兴趣，而世界各国政府启动了很多自愿性和强制性的项目来促进更高效产品的设计和电能更被善用。在美国，最成功的一个例子就是“能源之星”(ENERGY STAR)，这是一个自愿性项目，旨在推广更高效的产品，并鼓励消费者来购买这些产品。“能源之星”项目的基本途径是调查现有产品，并设定一个产品要获得ENERGY STAR标签所必须符合的阈值，如图2所示。

另外一个例子：80 PLUS计划

如省略/网站上所述，“80 PLUS计划是一个开创的平台，联合电力公用机构、计算机产业和消费者，在计算机和服务器应用中，以突破性的方法来推广高能效电源。”这规范要求在满载的20％、50％和80％下都具有80％或更高的电源效率，并具有0.9或更高的功率因数。这个计划启动于2004年，由美国的Ecos Consulting管理。如今，超过450款台式电脑电源已经获得80PLUS标签认证。此后世界各地出现了越来越多的类似规范。

功率因数校正

除了低待机能耗和高工作效率，第三个要求――高功率因数，通常也非常重要，80 PLUS规范对此就有要求。在大多数国家，在连接至主电源的输入功率为75W或更高的产品中需要低输入电流谐波。在开关电源中，这个要求通常以增加功率因数校正(PrC)升压预稳压器来实现。这种升压预稳压器改变输入电流，来匹配输入电压。这就将输入谐波减到最少，并降低了输入电流的均方根(rms)值。这就节省了电力公司生产无功功率的成本，并将电力基础设施高昂的扩展成本减到最小，为电网提供更大的电流。

电源电子设计人员面对的三重挑战

在待机能耗和工作效率要求之外再增加PFC要求，就构成了当今节能型电源转换的景象。如今的电子产品包括电源的设计人员，必须洞悉这三项要求，并且随时准备在设计的时候将其考虑在内。仅就清楚这三项要求而言就是一项挑战，因为世界各地围绕这些要求的规范标准正不断涌现。

为了符合这些不断演进的要求所面对的挑战，电源管理制造商协会(PSMA)，省略，已经开发出一个交互式能量规范数据库，方便电源设计人员快速地浏览不同地区、应用、国家或机构的规范。如今，随着不同规范易于获知，设计人员已经准备好为拯救地球展开工作!

篇4

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

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    (一)存在问题

    《决定》是指导新时期地质工作的纲领性文件。《决定》的实施是我国地质工作发展史上的里程碑。《决定》指出:地质工作是经济社会发展重要的先行性、基础性工作,服务于经济社会的各个方面。《决定》提出加强地质工作的根本目的在于:增强地质勘查对经济社会发展的资源保障能力和服务功能,促进地质工作更好地满足经济社会发展的需要。因此,加强地质工作,不能简单地理解为仅仅是地勘单位的改革。加强地质工作的主体应该是地质勘查单位。一方面要通过推动国土资源管理部门切实履行好地勘行业管理职责,认真执行国家有关矿产资源管理法律法规和方针政策,研究制定管理、保护与合理利用矿产资源的方针政策,依法规范地质勘查行业准人,引导、监督和检查地质勘查单位实施矿产资源勘查规划、计划执行情况,整顿和规范矿产资源勘查开发秩序。另一方面,地质勘查单位要发挥好人才、技术设备手段、已掌握的地质资料等组合优势,认真履行好实施地质矿产勘查中、长期规划和年度计划职责;组织实施好全省基础性、公益性、战略性地质矿产勘查工作;完成全省地质灾害预防治理、应急调查、地质环境监测任务,为我省经济社会发展提供资源保障和地质技术服务;通过循序渐进的改革,最终实现事企分体运行。由于处于由计划经济向市场经济转轨时期,地矿改革存在诸多不适应我省社会与经济发展与地质有关的主要问题:

    1.地质矿产勘查与资源开发利用方面矿产资源的保障涉及国家安全,地质科学研究与地质工作程度不高,保障程度不够。如饮水安全、地热资源勘测查与开发利用、地学旅游资源调查、地质公园建设等方面。

    2.生态、城市及矿山环境治理方面石漠化治理任务艰巨、“西电东送”、交通建设、矿产资源开发等一批重大工程、矿山建设安全与生态保护、地下水污染治理都需要作大量地质调查工作。

    3.地质灾害预报与环境监渊方面贵州省地处高原斜坡地带,又为岩溶区,地质环境条件复杂,生态环境条件脆弱,突发性地质灾害多。随着社会和经济的发展,预测未来新的地质灾害预报与环境监测工作任务将不断增加。

    (二)对策建议

    从制度的第一层次看,要以科学发展观为指导,按《决定》要求,转变观念,促进改革。

    1.按照政事分开的原则,完成“厅管政务,局管事务”的目标

    2.建立适应社会主义市场经济的地质工作组织机构,切实履行职责①在省政府的层次上,首先要明确省公益性地质调查队伍建设方向。关于几家省级地勘单位改革重组问题,鉴于省地矿局、省煤田地质局、省有色地勘局等主要地质勘查单位在20。。年前后才分别下放省政府管理,时间比较短,各项管理工作正在规范。这三个单位队伍大,内部管理、队伍结构等存在较大差异,除共性问题外,个性问题还比较多。重组改革是方向,但进程过急,势必会影响到队伍的稳定。建议在队伍管理体制改革上,应稳妥推进。各局完成内部改革后,再适时推进此项工作。②全局干部职工要提高认识,统一思想,共同主动稳妥推进内部改革,建立适应社会主义市场经济的地质工作体制。把公益性地质工作与商业性地质工作分体运行,其核心就是将投资主体、运行机制和队伍分开。对于地方地勘队伍而言,改革的一个难点就是很难把现有队伍分成两支性质不同的队伍,即公益性地质调查队伍与商业性矿产勘查队伍。按公益性地质和商业性地质工作分开运行原则,公益性地质调查工作需要人员精干并相对稳定、装备精良,以高新技术为支撑、调查与科研相结合,能担当重大战略任务、善于攻坚打硬仗的高素质、专业化队伍。同样,商业性矿产勘查队伍也需要一支适应全球化竞争、能在市场中立足的队伍。在一个地质勘查局范围内,如果专门抽调骨干人员组成公益性地质队伍,并从地质勘查局分离出去,而把非骨干人员、甚至家属留给商业性地勘队伍,很难想象这支队伍还能闯市场。由于人才资源是地质工作最主要的战略资源,因此,公益性与商业性地质工作分离过程中,要想从原有队伍中分离出两支都是“精英”的队伍,显然是十分困难的。建议地勘单位改革的原则为:积极探索有利于加强地质工作的改革途径,按照统一部署、分类推进、逐步深人、择机到位的原则,继续推进国有地勘单位的改革,激发活力,促进地勘事业发展。因此,对地勘单位内部改革应先做好定位,分类进行指导,强化公益性事业职能,稳步推进准公益性企业职能,渐进过渡,最终实现事企分体运行。

    二、组织的环境

    (一)存在问题从制度的第二层次分析,面对竞争与地矿改革的制度环境极待改善.(l)政府规划指导不力。统一协调布局差,造成部门之间相互封锁、力量分散、工作重复,超前意识不够。

    (2)投人保障不足,勘查资金短缺。总体_L看从“八五”至“十五”三个五年计划期间总的勘查资金严重不足,极大地影响了新的资源地的发现和已发现的资源地工作程度的提高。

    (3)政府监管不力。实施《矿产资源法》管理不到位,矿业权是产权,产权不是指人与物的关系,而是指由物的存在及关于它们的使用所引起的人们之问相互认可的行为关系。产权可归结为四种基本权利,即所有权、使用权、用益权和让渡权。在一个资源不稀缺的世界里,产权是不起作用的。但是,人类社会面临的是一个资源十分稀缺的环境,每个人的自利行为都要受到资源的约束。如果不对人们获取资源的竞争条件和方式作出具体的规定,亦即设定产权安排,就会发生争夺稀缺资源的利益冲突,以产权界定为前提的交易活动就无法进行。因此,产权制度对资源使用决策的动机有重要影响,并因此影响经济行为和经济绩效。对矿业权产权保护不力,最明显的是矿业权的申办程序,其过程存在“权力寻租”的漏洞,干扰地质勘查和矿业开展市场的健康成长。

    (4)政事不分,既当运动员,又当裁判员,体制不顺,权责不明,不利于地质工作的加强。

    (5)改革成本不足。地勘单位有很多长期遗留问题没有得到解决。

    (二)对策建议从制度的第二层次看,要落实地勘单位改革政策。1999年地勘队伍管理体制改革后,〔1999〕37号文、[2003〕76号出台了许多支持地勘队伍改革的优惠政策,这些政策部分得到了落实,但是,为进一步支持地勘单位的发展,还需落实的政策有:

    (l)按照《决定》精神和我省“十一五”规划纲要目标要求,切实实行政事分开,围绕中心,服务大局。

    (2)进一步健全和完善地质工作投资体制。①按照“十一五”计划对地质工作的要求,在用好中央财政国土资源大调查和各类专项经费的基础上,努力争取加大投人,解决事关民生的基础地质研究和调查工作。②改革一家独营,形成多元(国有、民营、国外及混合型)投资格局。③设立专项基金,保障重点投人。主要设立“风险地质勘查专项基金”,严格审批和筛选对地勘单位自身发展有利的矿产勘查项目,用于地质勘查前期投人,建立风险地质勘查经费补偿机制,加强矿产地质工作,为矿业开发提供有力的资源保障。④保障风险收益,形成风险投资机制。

    (3)财税等政策支持。

    (4)加强监督、规范市场,扩大地质勘查和矿业开发领域开放。

    (5)解决历史欠账,促进改革发展。

    三、组织治理机制