时间：2023-01-06 23:02:53
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇通信电源论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
[论文摘要]：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。
中国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：
[1]朱雄世，《通信电源的现状与展望》.
[2]《浅析全球通信电源技术发展趋势》.
[3]《通信直流电源发展趋势》.
[4]孙向阳、张树治，《国外通信用蓄电池技术研究的新进展》.
[5]《通信电源技术发展趋势及标准研究方向》.
[6]曾瑛，《浅谈通信电源》.
[7]王改娥、李克民，《谈我国通信电源的发展方向》.
[8]王改娥、李克民，《我国通信电源的发展回顾与展望》.
[9]侯福平，《UPS系统在通信网络中使用的特点及要求》.
[10]《全球通信电源技术发展呈现五大趋势》.
1.1UPS实现交流不间断供电，将外电源净化为稳定、纯净的交流电。同时与蓄电池组配合，实现断电情况下的持续供电。UPS设备为工频双变换在线式产品，即在外电源正常时，外电源先经过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成交流，经过电气隔离后向负载输出，以保证输出的电能是与外电源完全无关的再生的净化电能。外电源中断时，由电池通过逆变器变换成交流输出，以保证对负载的不间断的正常供电。
1.2双电源切换屏双电源切换屏由双电源切换开关、断路器、接触器、配电装置、故障告警装置等组成。双电源切换屏主要是将引入的两路交流电源，分配一路作为主用输出，另一路作为备用输出。当主用回路停电时，自动切换至备用回路输出，并可实现人工切换。输入开关为自动时，具有短路保护功能，输入电源自动或手动切换时，具有可靠的电气连锁和机械连锁装置。两个输入电源电路中，具有主用电路优先输入功能。电源切换屏将经过切换的交流引入电源分配若干输出回路，配电供给UPS电源和其他运营商设备。
1.3蓄电池组蓄电池组由独立的开关进行控制。无外电源情况下，允许用电池启动UPS。停电后，UPS转由电池供电，在UPS将电池组电能放完后自动关机，当外电源恢复正常后UPS可自动开机启动，恢复对设备的供电，同时对电池组进行充电。蓄电池主要技术指标：（1）蓄电池符合YD/T799-2002标准。（2）蓄电池能在-15～+45℃环境条件下正常工作。（3）蓄电池的壳、盖符合GB/T2408-1996中的第8.3.2FH-1（水平级）和第9.3.2FV-0（垂直级）的要求。（4）蓄电池能承受50kPa正压或负压而不破裂、不开胶，压力释放后壳体不变形。（5）标称值为2V、12V的蓄电池按规定试验，10h率的容量第1次循环不低于0.95C10，第3次循环达到C10；3h和1h率的容量在第4次和第5次以前达到，放电终止电压符合规定。（6）蓄电池以30I10（A）放电30min，脊柱、内部汇流排不融断，其外观不会出现异常。（7）蓄电池静置28天后，其容量保持率不低于96%。（8）蓄电池密封反效率不低于95%。（9）蓄电池在正常工作过程中，没有酸雾逸出；在充电过程中遇有明火，内部不引燃、不引爆。（10）蓄电池的安全阀有自动开启和关闭的功能，开阀压是10～35kPa，闭阀压是3～15kPa。（11）单体蓄电池和由若干单体组成一体的组合蓄电池组中各电池间的开路电压最高与最低差值不大于20mV（2V）、100mV（12V）。（12）电池间连接电压降U≤10mV。（13）采用封口剂的蓄电池，在温度－30℃～＋65℃之间，封口剂没有裂纹与溢流现象。（14）蓄电池的折合浮充寿命不低于10年。
1.4电源网管系统商用通信电源网管系统软件功能如下：系统管理，主要用于系统的安全性管理，分为用户管理、权限管理、班次管理、门禁管理以及系统日志查询五个部分。用户管理中，可注册新用户，定义用户的有效时间，分配用户权限，划分用户组等；权限管理是用于设置权限级别以及分解权限等；内容系统日志查询用于查询不同类型的操作日志及系统运行日志。监控系统控制平台具有严格的权限管理，可以对设备的浏览权限和控制权限进行细分，对用户访问权限有详细的设置，将访问权限从高到低定义不同层次，不同层次对应不同的访问权限，保证系统的安全和可靠性。设置三级操作权限：值班人员只具有第一级操作权限以完成日常工作，如查看实时曲线，打印告警记录，统计报表等；管理人员具有第二级操作权限，能够修改系统配置和告警阀值等；超级用户具有第三级权限，能够设置和查看每位操作人员的操作权限和口令。此外，还有职员管理、设备管理、告警管理、数据管理、工程资料管理等。商用电源网管系统的主要技术指标参考值：（1）交流电压、电流测量精度≤1%；（2）直流电流、电压测量精度≤2%；（3）频率测量精度≤2%；（4）蓄电池单体电压测量精度≤1%；（5）温度测量精度≤±0.5℃；（6）湿度测量精度≤5%；（7）监测数据刷新时间≤2s；（8）告警准确率大于99.99%；
2商用通信电源系统系统设计方案
2.1商用通信电源系统控制中心设计方案（1）控制中心电源系统由定制的双路电源切换屏、UPS、蓄电池组、电源监控设备（UPS、双电源切换屏、蓄电池组监控设备）以及电源网管设备和软件构成。（2）双电源切换屏输出1路交流电源接UPS输入端。经UPS输出稳定的交流电源，由双电源切换屏配电输出，为商用传输系统、集中监测告警系统供电。同时输出端预留运营商端口，并配置电度表，分别计量运营商用电量。（3）UPS为商用传输设备、集中监测告警系统供电，蓄电池后备时间约为1小时。UPS采用单机供电方式。（4）控制中心电源设备的状态信息和故障告警通过本地传输接入商用电源网管系统，所有商用电源系统设备的运行状态数据都在商用电源网管终端上显示，还可以通过商用电源网管系统对控制中心的UPS、双电源切换屏、蓄电池组等进行远端遥信、遥测、遥控和遥调，并可对蓄电池组进行远端定期放电维护。
2.2商用通信电源系统车站设计方案在车站两路独立的三相交流电源送入双路电源切换屏，该屏具有二次配电功能，一次配电为UPS和运营商分路配电，并配置电度表。UPS输出经过双电源切换屏进行二次配电，为商用传输系统、商用集中监测告警系统、光纤直放站、RRU等设备供电。（1）车站商用通信电源系统由双路电源切换屏、UPS、蓄电池组、电源监控设备构成。（2）UPS为商用通信系统供电，蓄电池后备时间为1小时。UPS采用单机供电方式。（3）双电源切换屏具有二次配电功能，一次配电为UPS和运营商分路配电，并配置电度表。UPS输出经过交流配电屏进行二次配电，为商用传输系统、商用集中监测告警系统、光纤直放站、RRU等设备供电。（4）各车站的电源设备均设有监控显示模块，通过机房监控网络适配器模块归置集成系统汇总后，通过RJ45接口，接入商用传输系统，到达控制中心，从而在网管界面显示各个车站的电源设备实时运行数据。
2.3商用通信电源系统网管设计方案电源网管系统在车站和控制中心电源室设置监控接入单元，所有监控单元统一接入机房监控网络，利用相应接口接入传输系统，把运行状态数据和告警数据传送到商用电源网管系统。通讯主机和模块之间以网络连接，采用主从方式通过各种通讯协议相互通讯，取得各设备的实时数据。为保障系统实时性，系统采用多线程方式，同时与各端口的设备通讯，便于对事件即时响应。商用电源网管系统采用完全图形化的人机交互界面，可以有组织地管理机房各种设备，并且采用了IP的数据采集方式，确保了系统的扩容性。今后如需扩充设备监控时，只需要增加相应的监控模块，便可纳入到现有的商用电源网管平台。商用通信电源网管系统与商用集中告警系统相连，并将商用电源系统的各种状态信息输出到商用集中监测告警服务器上。
3总结
关键词：通信电源通信网现状发展趋势
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：
[1]朱雄世，《通信电源的现状与展望》.
[2]《浅析全球通信电源技术发展趋势》.
[3]《通信直流电源发展趋势》.
[4]孙向阳、张树治，《国外通信用蓄电池技术研究的新进展》.
[5]《通信电源技术发展趋势及标准研究方向》.
[6]曾瑛，《浅谈通信电源》.
[7]王改娥、李克民，《谈我国通信电源的发展方向》.
[8]王改娥、李克民，《我国通信电源的发展回顾与展望》.
[9]侯福平，《UPS系统在通信网络中使用的特点及要求》.
[10]《全球通信电源技术发展呈现五大趋势》.
关键词：通信电源开关技术
引言
通信电源是通信行业的动力，在电信网络中发挥着不可替代的作用，具有无可比拟的重要基础地位。通信电源又是通信设备系统的心脏，即使是瞬间的中断也是不允许的，因为通信电源系统发生直流供电中断故障是灾难性的，往往会造成整个通信局（站）和通信网络的全部中断和瘫痪。通信电源是电信网络中不可缺少的重要组成部分，是一个完整、规模日趋庞大和复杂的交换、传输、数据、信息、业务、智能等通信网的基石和后台保障，因此通信电源直接关系到整个网络的稳定、可靠和畅通，而开关电源因效率高、体积小、重量轻等优点被大量运用在通信设备供电中。
一、开关电源占据通信电源的主导地位
通信直流稳压电源按照其实现直流稳压方法的不同，可分为：线性电源、相控电源和开关电源三种。
1.1线性电源是通过串联调整管来连续控制，其功率调整管总是工作在放大区。由于调整管上功率损耗很大，造成电源效率较低，只有20～40%，发热损耗严重，安装有体积很大的散热器，因而功率体积系数只有20～30W/dm3。因此线性电源主要用于小功率、对稳压精度要求很高的场合，如通信设备内部电路的辅助电源等。
1.2相控电源是将市电直接经整流滤波后提供直流，通过改变晶闸管的导通相位来控制直流电压。由于相控电源的工作频率低，工频变压器的体积和噪声大，造成对电网干扰和负载变化的响应慢，设备笨重，且危害维护人员的身体健康。另外，其功率因数较低，只有0.6～0.7，严重污染电力电网，效率较低，只有60～80%，造成能源的极大浪费。因此传统的相控电源已逐渐被淘汰。
1.3开关电源的功率调整管工作在开关状态，主要的优点在"高频"上。其工作频率高，大都在40kHz以上，无烦人的噪声。体积小，重量轻，适用于分散供电，可与通信设备放在同一机房。效率高，大于90%，在当前能源比较紧张的情况下，能够在节能上做出很大的贡献。功率因数高，大于0.92，当采用有效的功率因数校正电路时，功率因数可接近于1，且对公共电网基本上无污染。模块化的设计，可实行N+1配置，可靠性高。维护方便，可在运行中更换模块，而不影响系统供电，扩容方便、分段投资，可在初建时，预留终期模块的机架，随时扩容。调试方便，内设模拟测试电路，无需另配假负载。具有监控功能，并配有标准通信接口，可实现集中监控，无人值守。
二、开关电源的关键技术
开关电源中具有技术突破主要有体现在以下四个方面：
2.1均流技术
大功率电源系统需要用若干台开关电源并联，以满足负载功率的要求，另外通信电源必须通过并联技术来实现模块备份，以提高电源系统的可靠性。因此并联技术在供电系统中必不可少，而并联运行的整流模块间需要采用均流措施，它是实现大功率电源系统的关键，用以保证模块间电流应力和热应力的均匀分配，防止一台或多台模块运行在限流或满载状态，同时延长电源系统的寿命和平均无故障时间。
2.2软开关技术
DC-DC变换器是开关电源的主要组成部分，因此功率变换技术一直受到全世界电力电子学科和行业研究的关注。而如何降低开关损耗，提高开关电源的频率和开关电源的系统效率，代表了开关电源的发展趋势。在经过了硬开关PWM（或PFM）技术和硬开关加吸收网络技术后，软开关技术得到了广泛应用。这样能够极大地降低开关损耗，减小功率器件电和热应力，改善器件工作环境，降低电磁干扰，提高功率密度等，为开关电源实现高效、节能、体积小、重量轻和高可靠性的要求做出了贡献。软开关技术有：谐振技术、准谐振技术、PWM和准谐振相结合的技术。
2.3功率因数校正技术
功率因数校正技术有：采用三相三线制整流，即无中线整流方式，可使谐波含量大大降低，功率因数可达0.86以上；采用无源功率因数校正技术，即在三相三线整流方式下加入一定的电感，可使功率因数达0.93以上，谐波含量降到10%以下；采用有源功率因数校正技术，即在输入整流部分加入一级功率处理电路，使无功功率几乎为0，功率因数可达0.99以上，谐波含量降到5%以下。
2.4智能化监控技术
开关电源大量应用控制技术、计算机技术，进行各种异常保护、信号检测、电池自动管理等，实时监视通信电源设备运行状态，记录和处理有关数据，及时发现故障，以先进的、集中的、自动化的维护管理方式来管理通信电源设备，从而提高供电系统的可靠性。智能化监控技术的应用，使得维护人员面对的不再是复杂的器件和电路，而是一个人机表达和交流的信息，大大改进了维护管理方式。
三、开关电源的发展
开关电源在发展，今后仍要不断提高开关电源和供电系统的高新技术含量，以支撑高速发展的现代化通信网络的建设和运行维护管理为主导方向，以高可靠性、高稳定性和可维护性为最终目的。具体有以下几个方面：
3.1小型化
随着通信设备日益集成化、小型化和分散化的发展，以及势在必行的分散供电的广泛应用，要求开关电源也相应小型化，而开关电源工作频率高频化和控制电路集成化，使开关电源的小型化成为可能。特别是随着小型化开关电源的市场迅速扩大，如接入网、数据产品、移动基站、无线市话等，一些小功率模块插件形式的开关电源将应运而生，大有蓬勃发展之势。如中兴通讯的ZXDU45嵌入式电源，在结构上采用标准的19英寸插框设计，高度为4U，功能齐全，使用起来极为安全方便。
3.2高智能化
随着开关电源在通信领域多方面的广泛使用，而维护人员又不是专业电源维护人员，只有借助其智能化，对电源设备的运行状态自动检测，对电源故障及时发现、诊断和处理。这就要求智能化在原有监控功能的基础上，增加诊断功能，即故障诊断专家系统，以指导维护人员处理问题，加快故障诊断和检修过程。
3.3电池管理
电池在通信电源系统中的重要性，要求开关电源应具备完善的电池管理功能，充分考虑到电池对管理的需求，全方位地管理电池。也就是说，我们不能满足于对电池的均/浮充、温度补偿、电池保护等方面的管理，还要在电池的充/放电曲线、容量测试、容量恢复等方面进行高层次的管理。
【关键词】通信电源 功率因数 校正技术
1 引言
自改革开放以来，电力系统发展迅速，各级各类的用户的数量也是呈直线上升，尤其是在计算机、电动机极易服务器等各种高科技先进产品得到推广之后，导致了阻抗在整个电力系统中也随之增大，增大的后果是使得电力系统中的无功功率消耗过快，超出额定的要求，同时也严重的降低了电力系统中的很多功率因素，降低了整个发电机的输出功率，最终使得电力传输线上的线损明显增多。与此同时，非线性的电子装置在电力系统中广泛使用，使得电网中的谐波越来越多，出现了谐波污染的现象，这也导致了正弦波形发生了畸变，供电的质量越来越得不到保障。所以，研究与分析为什么会产生谐波以及找到相应解决谐波问题的方法是现在的当务之急。
2 谐波分析
（1）谐波产生原因。在整个通信领域里，计算机等非线性设备以及如UPS、整流器、高频开关电源的变流装置中极易产生电源系统中的谐波，这些设备的主要原理是利用如IGBT和晶闸管的整流元器件并利用它们的导通特性跟开关特性来切换运行的电流，即将较高频率的电流强行断开或接通，这样就会使得产生的正弦电流发生形变，跟常见的正弦波形会有一定程度上的差别，我们运用数学方法——傅里叶对这种畸变的波形进行分解，所得的结果是基波分量和它整数倍的谐波分量，前者是指理想的正弦交流电能，后者指的就是谐波。
（2）谐波的影响范围。电压的幅值在我国是有着十分明确的要求的，理想的情况下，电网中电源所提供的电压大小为50赫兹，并且这种电压是单一频率跟稳定的，但是现在的问题就是随着谐波的加入，电网也受到了不小的影响，使得电压的幅值远远超过了我国要求的大小，频率也不再是单一的，使得负载的运行环境的稳定性极差，严重影响了负载。
对电网也产生了一下的影响：第一，谐波会产生电流，这种电流会加剧变压器的漏磁、铜损现象，谐波产生的电压也会增加铁损的程度，另外，谐波功率会产生非常大的噪声，增大了整个线圈的电流，导致了变压器的铁芯在磁通量发生高频交变时出现涡流现象。电源系统本身也会受到谐波极大的影响，它会严重降低电网的运行效率，使得输出的电能得不到有效的利用，白白浪费了能源，同时仪表的精确度也大大降低了。
3 谐波的分析
（1）谐波治理的必要性。供电系统之所以出现如此多的谐波，主要原因是在通信楼中，尤其是在机房中安装了大量的UPS、变频空调等非线性设备。出现谐波的最严重的后果就是会对供电系统提供的电能质量造成很大的影响，为了使得通信设备受到谐波的危害降到最低甚至避免，治理谐波的重要性便充分体现出来了。另外通信系统中的负载主要分为保障负载和非保障负载，保障负载主要包括上述的UPS、开关电源以及机房专用空调，非保障负载就是指我们日常生活或者办公所使用的照明、电梯等负载。
由于整流、滤波等非线性元器件的功率非常大，当它们运用到UPS、开关电源时会使整个供电系统产生很多的谐波电流，这些谐波电流又会使得电压波形严重变形，降低了整个系统的功率因素。在UPS中，治理谐波之前，谐波电流的含量不超过50%，谐波电压的含量仅在5%到11%之间，功率因素大于0.7小于0.85，在早些年，部分厂家的开关电源产品中含有大量的谐波电流，例如一个3000A的开关电源，如果接的负载率在50%左右是，其中包含的谐波电流就达到了40%，但是功率仅大约0.8。
一般通信枢纽楼内UPS开关和开关电源中大容量系统占大多数，具体的数据是UPS的容量一般是300KV到500KV之间为主，2000A到3000A的开关电容量也是经常用到的，它的输入电流一般都比较大；另外，UPS、开关电源与低压配电系统一般不会同时安装在同一个楼层，这样必然会使输入电缆的长度增加，增大了线路压降，导致严重发热，因此我们治理像UPS跟开关电源这样的谐波问题，最好的办法就是采取就近的原则来解决。
（2）谐波的抑制方法。经过长期的研究发现，通常抑制谐波有如下几种方法：第一、在整个供电系统中我们选择合适的位置安置部分无源滤波器，L-C无源滤波器是经常被使用到谐波补偿的一种无源滤波器，这种方法的好处就是装置简易、运行环境等也比较安全，但是这种方法需要大量的元器件，通常会造成资源上的不合理使用，不利于节能。第二、因此第二种方法就是在供电系统中带有电力的有源滤波器，通常情况下，如果时间因素发生了变动，电源系统中的谐波也会随着相应的出现波动，而电力有源滤波器很好的解决了这一问题，能够消除系统中的谐波能力十分强劲。
4 结论
改革开放以来，由于越来越多的半导体元件和大功率非线性负荷被广泛使用，整个电力系统遭受到了谐波的重度“污染”，这些谐波之间又可以相互叠加，使其自身具有一定的功率，降低了电网的有效利用，本文针对电网系统中出现的谐波问题进行了分析，参考目前国内外谐波的研究的发展方向，提出可以在以下几个方面加强研究：首先，可以深入探究一下通信电源系统的谐波源，如果我们知道了谐波源的种类，谐波源的特性以及谐波产生的机理，才能对其进行针对性的根治，才能合理有效的采用各种消谐的技术来控制谐波；其次，在分析与测量技术上，应加强对不同工况下谐波测量问题的研究，提高谐波测量精度的方法，研制多通道实时谐波监测分析仪和电质量分析仪。最后，进一步加强畸变波形的评估方法的研究，制定出合乎现场实际的、规范化的通信电源系统谐波标准。
参考文献
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[3]孙鹏博.通信电源系统的谐波分析与治理[D].天津大学硕士论文，2012.
关键词：通信电源；维护；管理；方法；效益
中图分类号：S972 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2013） 02-0000-02
通信电源是通信生产的基础专业。其设备是保证通信供电的安全稳定，不间断地供电。近年来，科技不断发展，通信电源产品更新换代的速度也得到了很大提高。其安全性、可靠性、稳定性也有了非常大的保障。既使这样，随着社会的进步，现代企业的发展，通信电源设备功能的逐渐强大，旧的维护管理也应该不断满足现实需要。所以我们对维护目标提出了更高、更大的要求和设想。为此改变维护观念和思想，探讨通信电源的维护管理也具有划时代的现实意义和经济效益。
针对上述，现从以下方面进行阐述。通信电源主要有直流和交流两大类。
1 直流电源
直流电源是通信生产的核心和主要供电设备。对直流电源维护的好坏不仅影响着通信的安全而且影响着维护成本及运行效益。
1.1 开关电源。开关电源是当今普遍用于通信电源专业的设备。虽然较相控电源有较大节能但仍可以从中挖掘效能，创造更大经济效益。
为发挥最大效能，首先应做好基础保障。具体是：（1）定期巡检整流模块的输出电流、电压、限流值和日常工作数据发现问题及时调整。（2）认真做好《通信电源维护规程》中各维护项目。（3）适时检查整流模块风扇情况，保证散热效果，发现问题及时解决。（4）视环境情况做好整流模块过滤网，内部清洁。保证整流模块工作性能良好。
保证了通信安全的同时，要不断学习开关电源的原理、结构。深入探讨研究其内涵逐步提高技术水平。减少对厂家依托，努力做到自己修理故障设备，节约开支。因为，让厂家修理一块整流模块约两千元左右，对于一个地区或一个省来说，仅此项费用每年就有几十万元支出。如果我们组织技术骨干集中攻关，实现这一目标完全可以。（实践证明：不仅不需较大开支且可行。同时也锻炼队伍，发挥了员工的积极性，主动性。）例如：在一个省或地区建立一个技术交流平台，经常组织业务学习，交流经验。也可以在一个地区组织部分技术骨干利用维护之余研究学习新技术，新知识。
另外视市电情况，做好整流模块的关闭可以节约电能。一般地，万门以上的模块局基本采用100A整流模块10个以上。但是，实际中因为市电现在比较稳定，一套开关电源的所有整流模块全部工作，造成极大的电力浪费且损耗着设备。例如：一个100A整流模块输入功率约是1.4KW。一年消耗电能是：1.4KW×24小时×365=12264KW，按非普工业用电价0.53元计算电费是6500元.若日常工作中在不影响供电情况下，关闭一个整流模块一年节约电费6500元.像包头网通有万门局15个，可关闭数量有50个左右，一年节约电费近30多万元.再考虑近200个接入网点（一个整流模块输入功率约是300W―400W）。每年共节约电费40多万元。这样不仅节约大量电费且能延长整流模块寿命，减少维修费用。有较大的经济效益和社会效益。
关闭整流模块需注意：（1）已关闭的整流模块在市电来前要做好开机，防止因来电蓄电池进行均充时整流模块的负荷电流过大烧毁已工作的整流模块。有条件的可以利用监控遥控。（2）定期做好整流模块的倒换工作，做到每个整流模块工作寿命均匀。（3）做好无人值守机房的停电和来电巡检与告警事项。
1.2 蓄电池。蓄电池维护主要掌握其原理，通过了解原理进而延长使用寿命。达到发挥其最大效能，降低维护成本来提高经济效益。目前，通信中随着科技的发展.蓄电池基本使用的是相对环保型的阀控铅酸蓄电池即VRLA蓄电池。因为VRLA蓄电池具有少维护，无腐蚀，无污染等优点。所以就VRLA蓄电池作为讨论对象：
（1）VRLA蓄电池属于密封电池，对温度要求较高。因此我们在维护中要防止热失控。保持温度在要求的范围内（25℃），环境温度在20℃―30℃。同时调好浮充电压。蓄电池在浮充状态下浮充电流随浮充电压升高而增大，随温度升高而升高。因此做好温度补偿非常关键。（2）放电后及时充电（开关电源有此功能）。尤其放电时间长或负荷较大时，开关电源自动充电不能及时满足要求，有时需均充。（3）充电不要过于频繁。充电过于频繁也会影响电池寿命且消耗不必要的电能。既不经济又影响电池寿命。（4）定期测试单体电池电压、每组电池总电压、环境温度。保持每只电池间压差在100MV内，发现落后电池及时处理。（5）定期检查电池间的连接条的松紧度，电池阀是否完好。
通过以上方法实现延长电池使用寿命，节约维护成本，增加效益完全可以。也符合企业降成本增效益的规律。
1.3 其它直流设备。其它直流设备包括直流变换器、直流屏等。只要按照《通信电源维护规程》要求认真做好就能达到目的。
2 交流电源
交流电源主要由市电引入和自备柴油发电机发电保障，用于通信生产及非生产。所以从自身交流设备考虑。
2.1 高压配电设备。
（1）高压配电设备中的直流供电电源C直流电源屏改为直流-直流变换器，不仅减少投资，而且节约较多的电能，减少电费支出。（2）有条件的地方可以与供电部门协商适当调低市电输入电压，达到降低输入功率，节约电耗，减少电费。（3）使用新型节能环保变压器，减少设备本身电耗，降低维护费用。
2.2 低压配电设备。低压配电设备要确保电容补偿柜功率因数在0.99以上。这样可以节约很大电能损耗。
通过上面分析，根据公式即可明白：W=1.732×UICOS?U―COS?―W
高低压配电设备维护保证维护规程项目完成后，做到上述工作节约相当大电能，经济效益和社会效益双丰收。
2.3 柴油发电机。柴油发电机在保证供电的前提下，发电时尽可能使输出低电压，低频率。条件允许时，配备两个油箱，一个储备0#柴油，一个储备-35#柴油。低温季节使用0#柴油；高温季节使用-35#柴油。从源头节约油费，处于高油价的今天这样做很有必要。且节约很大支出。
2.4 UPS电源。按照上面蓄电池维护方法做好UPS电池维护，UPS禁止接入感性负载。就能延长UPS寿命，节约维护费用。
对于交流电源维护，还注意机房的空调机的使用，因为空调机耗电很大，不要为了一时省事让空调不停的做过分的工作。一个较大局若使用或管理不好空调一年会浪费几十万的电费，这样一来不知不觉就提高了维护成本，浪费了电能。
根据以上对通信电源维护分析：一个地市局一年能减少几十万元开支，而且创造很大经济效益。也适应建设节约型社会的理念。
从远古时代以来，阳光、空气、食物和水一直是人们赖以生存的必需品，而今在科学技术飞跃发展的时代，电也已成为人们的必需品。因为有了电，我们的生活才有了欢乐。正是由于通信系统的安全优质运转，无处不在的通信电源则是坚实的基础和根本保障。实施集中监控管理是网络技术发展的必然趋势，是现代通信网的要求，也是企业减员增效的有效措施。各种电源设备要智能化、标准化，符合开放式通信协议。若电源系统不能输出规定电流，电压超出允许波动范围，杂音电压高于允许值时间并持续10s以上者均判定为系统故障。原交流系统中的电压、频率或波形畸变超出规定范围持续时间大于60s者均判定为故障。为此，要保证通信电源系统的可靠性，有条件的通信部门应尽量从两个不同的地方引入2路市电输入，并设置2路市电电能自动倒换装置；所用设备要选用可靠性高的高频开关整流设备，采用模块化、热插拔式结构以便于更换，并合理配置备份设备。任何新技术、新设备未经充分验证、试运行前均不得进入供电系统。供电方式要大力推广分散供电，使用同一种直流电压的通信设备采用两个以上的独立供电系统，这也是今后通信网络容量和规模不断扩大、各种新业引入的新要求。为了尽量缩短设备的平均故障修复时间，要经常分析运行参数，预测故障发生的时间并及时排除。还要提高技术维护水平，采用集中维护、远程遥信、遥测维护。在实施过程中，三遥点的设置要合理，绝不是越多越好，要以可靠性、实用性为基本原则，宜简勿繁。
2电源系统使用中应重视的问题
电源系统目前广泛使用高频开关电源系统设备，其智能化程度高，电池采用了免维护蓄电池，这虽给用户带来了许多便利，但在使用过程中还应在多方面引起注意，确保使用安全。
2.1按电源系统的使用要求和功率余量大小来分，在使用中要避免随意增加大功率的额外设备，也不允许在满负载状态下长期运行。工作性质决定了电源系统几乎是在不间断状态下运行的，增加大功率负载或在基本满载状态下工作，都会造成整流模块出故障，严重时将损坏变换器。自备发电机的输出电压、波形、频率和幅度应满足电源系统对输入电压的要求，另外发电机的功率要大于开关电源设备的额定输入功率，否则，将会造成电源系统设备工作异常或损坏。
2.2电池应避免大电流充放电，理论上充电时可以接受大电流，但在实际操作中应尽量避免，否则会造成电池极板膨胀变形，使得极板活性物质脱落，电池内阻增大且温度升高，严重时将造成容量下降，寿命提前终止。在任何情况下都应防止电池短路或深度放电，因为电池的循环寿命和放电深度有关。放电深度越深循环寿命越短。在容量试验或放电检修中，通常放电达到容量的30％－50％就可以了。
2.3铅酸蓄电池的容量和电解液的比重是线性关系，通过测量比重可以了解电池的存储能量情况。阀控式密封蓄电池是贫液电池，且无法进行电解液比重测量，所以如何判定它的好坏，预测贮备容量已成为当今业界的一大难题。用电导仪测电池的内阻是判定蓄电池好坏的一种有参考价值的方法，但尚不能准确测定电池的好坏程度。目前，最可靠的方法还是放电法。在可靠性、经济性、可使用性、维护性等方面综合比较，应选用四冲程油机为原动机发电机组。四冲程油机结构简单，采用多缸均衡做功、增压等一系列成熟技术适合于大容量机组的要求。其噪音小、污染小、性价比高。使用中把机组产生的热量排到室外，保证机组周围环境湿度不超过指标要求。
3电源系统的维护与检修
当电源系统出现故障时，应先查明原因，分清是负载还是电源系统，是主机还是电池组。虽说开关电源系统主机有故障自检功能，但它对面而不对点，对更换配件很方便，但要维修故障点，仍需做大量的分析、检测工作。另外如自检部分发生故障，显示的故障内容则可能有误。对主机出现击穿、断保险或烧毁器件的故障，一定要查明原因并排除故障后才能重新启动，否则会接连发生相同的故障。再好的设备也有寿命期，也会出现各类故障，但维护工作做得好可以延长寿命并减少故障的发生，不要因为高智能、免维护而忽略了本应进行的维护工作，预防在任何时候都是安全运行的重要保障。高频开关电源设备在正常使用情况下，主机的维护工作量很少，主要是防尘和定期除尘。特别是气候干燥的地区，空气中的灰粒较多，灰尘将在机内沉积，当遇空气潮湿时会引起主机控制紊乱造成主机工作失常，并发生不准确告警。另大量灰尘也会造成器件散热不好。一般每季度应彻底清洁一次。其次就是在除尘时检查各连接件和插接件有无松动和接触不牢的情况。由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。蓄电池除有存储直流电能的功能外，其等效电容量的大小与蓄能电池容量大小成正比。因此，维护检修蓄电池的工作是非常重要的，虽说蓄电池组目前都采用了免维护电池，但这只是免除了以往的测比、配比、定时添加蒸馏水的工作。但因工作状态对电池的影响并没有改变，不正常工作状态对电池造成的影响没有变，所以蓄电池的工作全部是在浮充状态，在这种情况下至少应每年进行一次放电。放电前应先对电池组进行均衡充电，以达全组电池的均衡。放电过程中如有一只达到放电终止电压时，应停止放电，继续放电须先排除落后电池后再放。核对性放电不是追求放出容量的百分比，而是关注并发现和处理落后电池，经对落后电池处理后再作核对性放电实验。这样可防止事故，以免放电中落后电池恶化为反极电池。平时每组电池至少应有8只电池作标示电池，作为了解全电池组工作情况的参考，对标示电池应定期测量并做好记录。在日常维护中需经常检查的项目有：清洁并检测电池两端电压、温度；连接处有无松动腐蚀现象，检测连接条压降；电池外观是否完好，有无壳变形和渗漏；极柱、安全阀周围是否有酸雾逸出；主机设备是否正常等。免维护电池要做到运行、日常管理周到、细致和规范，保证设备保持良好的运行状况，从而延长使用年限；保证直流母线经常保持合格的电压和电池的放电容量；保证电池运行和人员的安全可靠。这是电池维护的目的，也是电池运行规程中包括的内容和运行规则。当电池组中发现电压反极、压降大、压差大和酸雾泄漏的电池时，应及时采用相应的方法恢复和修复，对不能恢复和修复的电池要换掉。但不能把不同容量、不同性能、不同厂家的电池联在一起，否则可能会对整组电池带来不利影响。对寿命已过期的电池组要及时更换，以免影响到电源系统和设备主机。
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从这么多年从事通信网络设计工作的经验中，笔者了解到传统的核心网络架构是相当复杂的，不仅一二级核心网络层次多，而且大量的网元导致网络复杂，整网能耗偏高。以笔者设计的机房为例：机房空间有限，服务器的能耗非常高，导致散热程度差，而且需要加装空调，再加上每年扩容的需要，交换机走线和设备布局的不合理，使机房无法实施更进一步的节能降耗措施。因此建立绿色核心网络势在必行。建立绿色核心网络首先应该优化核心网络架构，实行网络的扁平化管理，减少核心网中网元的数量，使核心设备上移，逐步使用集成度高，电信级别的平台代替传统的服务器，同时建立专业的机房散热管理方案，如采用自下而上的回风流方式提高冷风的利用率，尤其是在北方城市，这样就可以有效减少机房空调的使用。
笔者还要强调一下，在工程前期调研及初设阶段首先考虑选择拥有绿色基站技术的供应商和运营商，例如华为和Vodafone。他们拥有IP组网、分布式基站、先进功放、智能电源管理、多载频技术、统一架构等关键绿色技术。这样设计的基站稳定性、可靠性高，功耗能够得到进一步优化，而且更有利于网络的平稳升级。
二、充分利用软件技术降低能耗
除提高设计水平和利用硬件升级等手段降低能耗以外，充分利用软件技术实现节能降耗也越来越重要。随着软件技术的飞速发展，其应用领域也越来越广泛，大到网络转型，小到CPU超频。以笔者所在单位为例，通信网络转型的速度远远高于其他单位基础设施的更新换代，如果频繁地对网络转型，将造成大量在线设备的退网淘汰以及更多的资源消耗，那么利用软件技术提高现有网络设备的工作效率，从而降低能耗也是非常重要的手段。通过对上网用户在线时间的统计分析，全网在忙时和闲时网络负荷变换最大，那么就可以通过软件调整核心网络设备的主频，让它随网络负荷变化，在闲时自动将设备处理能力降低，减少电能的消耗。
三、提高空间利用率降低设备冗余度
随着通信产业的蓬勃发展，每年入网用户日益增多，基站和设备间能够利用的空间越来越小，设备密度也越来越大，电力消耗明显提高，因此采用高集成度或分布式设计方案来减少基站和设备间的空间占用，使用体积更小，重量更轻，支持端口更多的设备来有效降低设备冗余度，对于降低能耗也是重要的绿色手段。对于高端网络设备来讲，性能和功能无疑是最重要的，功耗降低会以性能的降低为代价。一般的情况下，为保证功能、性能、业务卡的数量和运行可靠，设备的功耗也会较大。这类设备数量较少，放置位置的环境情况也比较好。因此，在选择高端设备方面我们只是把功耗指标作为一个辅助的参考指标。
对于低端的网络产品，如数量巨大的接入层交换机，虽然他们的功能都很强大，但是我们实际应用时只会用到它的部分功能，完全可以通过牺牲一些我们不需要的性能来换取设备的功耗降低。现在有一些接入层交换机因为自身功耗小，已经实现了设备内部无风扇，这类产品就能很好地降低设备的功耗。对于低端网络设备来说，采购过程中会把功耗作为一个比较重要的指标来考虑
四、推崇绿色环保能源的使用
利用太阳能和风能等混合能源，可更好地保护环境，减少污染物排放。在有条件的地区充分利用太阳能、风能作为辅助能源，降低电能消耗，分解能源问题。在北方城市，利用季节明显，冬季日夜温差较大的特点，优化基站、核心机房、设备间的通风设计方案和温度控制方案，充分利用自然环境温度实现温控的目的，减少冷却系统和大功率空调的使用，降低能耗，建立更多能源使用的绿色通道，使能源利用率更高。
为了使通信产业向着更加绿色的方向发展，节能降耗势在必行，让我们共同努力，打造出更多的绿色通道，从技术上提高设备、能源的使用效率，减少不必要的损耗，以实际行动来保护环境，推动通信产业持续健康发展。
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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。
（北京中唐科华电力设备有限公司河北分公司 河北 邯郸 056003）
【摘要】电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。
关键词 电力电子技术；发展
现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用。
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。
2.现代电力电子的应用领域?
2.1计算机高效率绿色电源。?
（1）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。?
（2）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外围设备，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。?
（1）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。?
（2）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。?
（1）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。?
（2）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)。?
（1）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。?
（2）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。?
（3）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。?
（1）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。?
（2）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。?
（1）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。?
（2）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。?
（3）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。?
（4）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。?
（1）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。?
（2）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。?
（3）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。?
（1）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。?
（2）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。?
（1）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。?
（2）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。?
（3）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。?
（1）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。?
（2）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。?
（1）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。?
（2）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。
4.总而言之?
论文关键词：开关电源,纹波,滤波器
1.引言
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，纹波系数通常要大一些，但是纹波系数又是开关电源的一项重要指标，如果纹波大就会影响电子电路的正常工作，出现信号源的不纯净，放大器噪声与过载等问题。本文针对开关电源的纹波进行研究，并提出抑制开关电源纹波的方法。
2.开关电源的原理
开关稳压电源的核心是电压深度负反馈的脉冲宽度调制器，功率器件工作于开关状态，因此功率低，效率高。开关电源因省去了笨重的工频变压器而使体积和重量都有不同程度的减少和减轻，被广泛地应用在许多输出电压、输出电流较为稳定的场合，开关电源的主电路图如图1。
图1开关电源主电路图
由电路图可以看出，市电经整流滤波后变为311V高压，经K1K4功率开关管有序工作后，变为脉冲信号加至高频变压器的初级，脉冲的高度始终为311V。当K1、K4开通时，311V高压电流经K1正向流入主变压器初级，经K4流出，在变压器初级形成一个正向脉冲，同理，当K2、K3开通时，311V高压电流经K3反向流入主变压器初级，经K2流出，在变压器初级形成一个反向脉冲。由于开关电源的工作原理，使其纹波噪声不可避免，而开关电源发展的重要方向是高频、高可靠、低纹波。为了抑制干扰纹波，减少在感应回路中的电压，防止电源纹波影响下一级电路的性能有必要先分析一下开关电源纹波产生的原因。
3.开关电源纹波产生的原因
我们最终的目的是要把输出纹波降低到可以忍受的程度，达到这个目的最根本的解决方法就是要尽量避免纹波的产生，随着SWITCH的开关，电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与SWITCH同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个。
另外，SWITCH一般选用双极性晶体管或者MOSFET，不管是哪种，在其导通和截止的时候，都会有一个上升时间和下降时间。这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十兆赫。
如果是AC／DC变换器，除了上述两种纹波（噪声）以外，还有AC噪声，频率是输入AC电源的频率，为50～60Hz左右。还有一种共模噪声，是由于很多开关电源的功率器件使用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的。
4.开关电源纹波抑制方法
对于开关电源纹波，理论上和实际上都是一定存在的。为了实现开关电源的低纹波输出，对低频电源噪声必须采取滤波措施；对于高频噪声，开关电源需要依靠功率器件对输入直流电压进行高频变脉宽波斩波而后整流滤波实现稳压输出的。受功率器件开关损耗的限制，电源的开关频率一般取20KHz-100KHz，开关频率越高，电感电容越大，则输出波纹越小。在其输出端含有与斩波频率同频的高噪声，其大小主要和开关电源的开关频率及输出滤波器的结构和参数有关。下面我们提出抑制或减少电源纹波的有效方法：
1．加大电感和输出电容滤波
根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。
同样，输出电容Co与纹波电压Vp_p的关系：Co=Ipk（Ton+Toff）/8Vripple（p_p），可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。通常的做法，对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且等效串联电阻（ESR）也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。同时，开关电源工作时，输入端的电压Vin不变，但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端，并联电容来提供电流。
2．二级滤波，再加一级LC滤波器。
LC滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。但是这种情况下需要考虑反馈比较电压的采样点。采样点选在LC滤波器之前，输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低，而且这个压降是随输出电流变化的。
采样点选在LC滤波器之后，这样输出电压就是我们所希望得到的电压，这样的缺点是在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。
3．开关电源输出之后，接低压差线性稳压器（LDO）滤波。
这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本最高，功耗最高的办法。任何一款LDO都有一项指标：噪音抑制比。对几百千赫的开关纹波，LDO的抑制效果非常好。但在高频范围内，该LDO的效果就不那么理想了。
4．正确合理的印制电路板（PCB）布线
开关电源PCB排版是开发电源产品中的一个重要过程。
对减小纹波，开关电源的PCB布线也非常关键，许多情况下，一个在纸上设计得非常完美的电源可能在初次调试时无法正常工作，原因是该电源的PCB排版存在着许多问题。开关电源的纹波太大，或者开关电源产生的电磁干扰影响到其电子产品的正常工作，所以正确合理的电源PCB排版就变得非常重要。注意PCB的布局、布线和接地，可以减少开关电源波纹。
在选用滤波元件时，一般只说要满足脉动要求，在安装尺寸容许的前提下，采用较大的L较小的C或采用较小的L较大的C均可。但是在实际中需要考虑输出电压冲击值及其动态响应特征，电感量愈大，冲击值越大，动态响应也越大。
滤波器的计算式复杂的，在设计中，常常是按照一定的范围选取L和C，通过在线路中试验，测试各项指标，并根据测试值修正元件值，以选取合适的元件，电容器要选高频性能好的无感聚苯乙烯电容、陶瓷电容、铝电解电容等。
5.结束语
开关电源由于功耗小效率高，体积小，重量轻，稳压范围广，电路形式灵活等特点，广泛地应用于计算机、通信等各类电子设备。本文提出的抑制开关电源波纹方法我们在设计开关电源的时都有研究及使用，这些方法有各自的优缺点，选择合适的方法关键是根据自己的设计要求，比如产品体积，成本，开发周期等。
参考文献
1 孟建辉.开关电源的基本原理及发展趋势[J].通信电源技术,2009.6
2 郑宪龙,和军平等.DC/DC开关电源共模EMI滤波器的研制[J].电力电子技术,2007.12
3 张国安,翟长生.冲量控制技术消除开关电源低频波纹的研究[J].电力电子技术,2009.4
【关键词】 直流系统 变电站 蓄电池 均衡回路
一、蓄电池及现行监测方法
1.1蓄电池
阀控式密闭铅酸蓄电池因其日常维护的方便以及稳定性较强、占地小、不用加水等优点被广泛的应用在各供电企业，但是阀控式密闭对工作环境和充放电要求比较严格，不允许对蓄电池进行过充和欠充，但还是常常由于过充和欠充对蓄电池产生影响，大大缩短了蓄电池的使用寿命，因此研发一种有效防止蓄电池过充和欠充的监测技术将会大大延长现有蓄电池的使用寿命。
1.2现有蓄电池监测方法及效果
1、核对性容量测试法：该方法主要是将蓄电池组以0.1C的电流进行放电，原理上是可以测量出该组蓄电池的容量（即在交流掉电时，蓄电池组能持续对外供电的能力），但是这种方法在放电时会让原本蓄电池中容量小的蓄电池提前放电完毕产生过放，充电时会让原本蓄电池中没有将容量放完的蓄电池提前充电完成产生过充，仅仅能发现问题，而不能解决问题，且该方法操作复杂，中间间隔周期一般较长。
2、内阻测试法：该方法通过测试蓄电池组中各节蓄电池的内阻进行检测蓄电池的好坏，但是由于内阻测试会受到蓄电池组中各节蓄电池的差异、电压、温度等影响，在早期无法发现问题，不能进行有效的预防，当发现时各节蓄电池的差异已相差过大。
3、电压巡检法：该方法通过实时电压巡检来判断电池的状态，由于蓄电池组平时都处在充电机的浮充状态，各节蓄电池的电压虽有差异但是不经过断掉充电机无法发现真实的差异，只能检测出性能已非常劣化的电池。
二、电压均衡回路对蓄电池维护的研究
2.1导致蓄电池过充过放的原因
阀控式密闭铅酸蓄电池由于其自身的差异即使是同批次的蓄电池也不能做到容量完全的一致，在组成蓄电池组后经过一段时间的运行差异会越来越大，以2V蓄电池浮充状态为标准，假如浮充电压为2.25V，每组电池20节，那么浮充电压为2.25V*20=45V，当蓄电池组的组压为45V时，由于电池的差异会导致某几节高于2.25V，某几节低于2.25V，电压高的电池就会长期处于过充状态，会导致电池板栅腐蚀加速，活性物质松动，严重时甚至导致电池鼓肚变形。如此下去会导致这种差异越来越大。由于蓄电池串联在一起进行充电放电，而现有的蓄电池在线监测装置又无法针对某几节电池单独进行放电，因此这种差异无法消失，导致蓄电池组整组性能越来越差，进入恶性循环状态。怎样让蓄电池组跳出这种恶性循环状态，这是本文的重点研究方向。
2.2电压均衡回路在蓄电池在线监测装置中的应用
2.2.1电压均衡回路设计思想
在整组蓄电池中，由于充电机设置的组压是根据全部蓄电池完全处于浮充状态计算得来，因此有过充的蓄电池存在便会有欠充的蓄电池存在，不将过充的蓄电池电压降下来充电机就不会对蓄电池组进行充电，欠充的蓄电池便会继续存在。所以解决问题的关键在于能否将过充的蓄电池恢复至正常状态，由于蓄电池串联的特性，整组放电会连带欠充的蓄电池一起放电，只有单节蓄电池构成一个小型的均衡回路，通过该回路进行小电流的放电，才会使欠充的蓄电池进行充电，如图1所示：
2.2.2电压均衡回路工作原理
1、系统构成及各部分功能：如图1所示蓄电池在线监测设备可分为实时监测和均衡回路两部分：实时监测为监测蓄电池的电压、温度以及监测流经均衡回路的电流也可通过监测充电机当前的状态计算出蓄电池的状态（充电状态或放电状态、当前的电流值等）；均衡回路为一横跨蓄电池两端的小型放电回路，根据实时监测传回的数据进行工作。
2、电压均衡回路的工作：假设系统工作的蓄电池组为某一变电站的108节蓄电池，浮充电压为2.25V，充电机的浮充电压为：108*2.25V=243V，在最理想的状态下，蓄电池组中各蓄电池的电压应都为2.25V，显然这种情况是不可能发生的，各蓄电池之间一定会存在一定的电压差，对于新投运或维护较好的蓄电池组有时这种差值会比较小处于一种可接受的范围内，但随着投运时间越来越长这种差值便不断扩大，而电压均衡回路则能将这种差异不断缩小并维持在一定的范围内。
具体的工作为：（1）、先由监测装置根据蓄电池组的相关参数计算出每节蓄电池的平均电压Vave，可人工设置均衡均差值，也可使用默认值；（2）、监测装置对实时监测电路传输回的当前各节蓄电池电压值进行计算后与设置的均衡均差值进行比较，当差值大于设定的均差值后，监测装置下发均衡命令和平均电压值；（3）、均衡回路控制电路受到均衡命令后通过判断所监测蓄电池电压与平均电压大小后，控制均衡回路的通断；（4）、当电压高的蓄电池通过均衡回路放电后，便会使蓄电池组的组压降低，诱导充电机对蓄电池组充电，此时蓄电池组中没有开通均衡回路的电池（即电压低的电池）进入充电状态；（5）、根据设置的均差值对电池进行充放电，进入动态平衡。
2.2.3电压均衡回路意义
（1）、延长蓄电池使用寿命：解决了蓄电池组中各节蓄电池因电压差值过大产生的过充和欠充，动态的并将这种差值维持在一定的范围内，避免了蓄电池因过充和欠充造成的寿命缩短等问题；（2）、提高蓄电池组可靠性：以前的蓄电池组中因存在欠充的蓄电池会导致在对外供电或核对性放电时，无法达到蓄电池组设计的容量要求，电池电压的均衡是满足蓄电池容量的充分条件，从这个意义上讲，均衡回路保证了蓄电池组的可靠性，也保证了直流系统的可靠性；（3）、减轻人员维护负担、保护环境：由于均衡的自动化进行，维护人员可通过后台监测电压数据便可清晰得知当前电池的状态和均衡效果，减轻人员到现场维护的负担，同时由于延长了蓄电池组的更换周期，减少了旧电池对环境造成的影响。
三、结论
本文主要就电压均衡回路在变电站蓄电池在线监测装置的应用的课题，通过从可靠性、经济性、实用性等方面探讨了应用的可行性，能够很好解决现有蓄电池组因电压不均衡造成的蓄电池过充和欠充的问题，但是由于阀控式密闭铅酸蓄电池结构的复杂，在日常的维护工作中，不论是在维护理论还是测试设备上都需要不断的改进、完善，来确保蓄电池组的安全稳定的工作，不断提高知识水平，使电力系统更加安全、稳定、可靠运行，提升电力企业的良好社会形象。
参 考 文 献
[1] 术守喜.亓学广.陶鑫.刘惠萍，阀控式密封铅酸蓄电池的寿命及失效分析.《通信电源技术》， 2006年06期
