時間：2022-05-07 14:56:40
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇電力電子技術論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
現(xiàn)代電源技術是應用電力電子半導體器件,綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科邊緣交又技術。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用,是現(xiàn)代電力電子技術的具體應用。
當前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結(jié)構模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來,電力電子技術將使電源技術更加成熟、經(jīng)濟、實用,實現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。
1.電力電子技術的發(fā)展
現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內(nèi)燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產(chǎn)物。
1.2逆變器時代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標志。據(jù)統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現(xiàn)代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構,目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關來實現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調(diào)速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術應用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結(jié)構相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數(shù)量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經(jīng)驗表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造,成為"開關變換類電源",其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益,更可體現(xiàn)技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實質(zhì)上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復提供充分的時間。3.3數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術擬電路基礎上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數(shù)字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設備,往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。
總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展,新技術的出現(xiàn)又會使許多應用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn),將標志著這些技術的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。
參考文獻：
[1]林渭勛:淺談半導體高頻電力電子技術,電力電子技術選編,浙江大學,384-390,1992。
一、電力電子技術仿真教學改革
電力電子技術課程內(nèi)容量大、知識點多、既有理論分析又有實際電路應用。以我校自動化專業(yè)為例，采用王兆安老師主編的《電力電子技術》第五版教材，課程內(nèi)容將涉及電力電子器件、電力電子電路（AC-DC整流電路、DC-AC逆變電路、DC-DC直流-直流變流電路、AC-AC交流-交流變流電路）及電路控制技術（PWM、軟開關），課時安排為56學時，其中8學時為實驗教學。在48學時的理論教學內(nèi)容中，除緒論、習題課和總復習占4學時外，電力電子器件占4學時，電力電子電路占34學時，PWM控制與軟開關技術占6學時。由上可見，電力電子電路占理論教學學時的70%，但是該部分的實際教學內(nèi)容非常多，以整流電路部分為例，將主要涉及到兩大類（單相整流、三相整流）、四小類（單相半波整流、單相橋式整流、三相半波整流、三相橋式整流）、三種負載（電阻性、阻感性、反電動勢）及多種電路變換形式（如帶續(xù)流二極管），其中每種電路還要分析不同觸發(fā)角（如30度、60度、90度、120度等）控制下的電路工作原理、電壓和電流波形圖（如負載直流電壓、負載直流電流、晶閘管承受電壓、晶閘管流過電流、交流電流等）、電量參數(shù)計算（如直流平均值、交流有效值）。如此復雜的電路教學過程，若僅靠傳統(tǒng)黑板板書及幻燈片教學模式進行講解，將不能在有限的課時時間內(nèi)，既完成教學內(nèi)容，又讓學生深入理解各種電路的工作過程，其結(jié)果是學生沒能抓住電力電子電路學習的根本，不具有分析和設計電力電子電路的能力。電力電子技術的仿真教學改革就是要改變上述由于教學內(nèi)容多、課程內(nèi)容復雜、課時分配少而帶來的教學和學習問題，其改革的內(nèi)容就是在有效的教學時間內(nèi)，通過仿真軟件搭建電力電子電路并進行仿真波形分析與工作原理講解的教學模式，該模式不僅能把教學基本內(nèi)容講授清楚，同時能大大提高學生對課程教學重點與教學難點的理解和把握，達到事半功倍的效果。仿真教學改革中采用MATLAB仿真軟件，其中的電力系統(tǒng)模型庫包含電源模塊庫、電器元件模塊庫、電機模塊庫、電力電子元件模塊庫、連接件模塊庫、測量儀器模塊庫和其他電氣模塊庫。通過使用Simulink模塊庫組成電力電子控制電路，使用電力系統(tǒng)模塊庫組成電力電子主電路和驅(qū)動電路，可以較為容易的分析和設計更為復雜的電力電子電路，可以深入的研究和觀察電力電子電路的動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)響應。
二、仿真教學過程實例分析
由于電力電子技術課程中的各種電路形式復雜多樣，因此以三相橋式全控整流電路為例，來說明電力電子技術的仿真教學過程。三相橋式全控整流電路在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要位置，大量用于電解、電鍍、直流電機傳動、勵磁等場合，因此該電路是電力電子技術課程的重點內(nèi)容。三相橋式全控整流電路為如上所述教材的3.2.2節(jié)內(nèi)容，主要包括電路原理圖、電阻性負載、阻感性負載工作情況三部分內(nèi)容。該節(jié)課程的知識目標定位于掌握三相橋式全控整流電路的組成、特點及應用，理解三相橋式全控整流電路的工作原理；能力目標定位于能夠根據(jù)電路圖搭建相應電路并進行測量，同時能夠根據(jù)任務要求開展相關實驗。該節(jié)課程的仿真教學過程中首先讓學生掌握電路結(jié)構，然后針對不同負載情況下，讓學生理解工作原理并學會波形分析及參數(shù)定量計算，最后結(jié)合“自動控制原理”及“電機學”課程相關內(nèi)容，給出仿真實驗任務，目的讓學生逐步進入狀態(tài)，逐步掌握學習這門課的方法，下面給出仿真教學中需要注意的教學重點，其它教學部分可參考相應教材，這里不再贅述。
1.三相橋式全控整流電路結(jié)構該部分首先介紹三相橋式全控整流電路是目前應用最廣泛的整流電路，它區(qū)別于單相整流與三相半波整流，具有功率大、直流脈動小等優(yōu)點，同時采用幻燈片播放實際應用案例的形式，來增強學生對該部分內(nèi)容的感性認識，并提高學生的學習興趣。其次，介紹該電路中包含六個晶閘管元件，是目前學習中器件最多的電路，需要學生們認真理解六個晶閘管器件的觸發(fā)工作過程。再次，采用MATLAB仿真軟件搭建三相橋式全控整流電路原理圖，如圖1所示。搭建的過程中，一定要強調(diào)以下幾點：①晶閘管器件編號務必為共陰極組內(nèi)VT1、VT3、VT5，共陽極組內(nèi)VT4、VT6、VT2；②晶閘管門極觸發(fā)脈沖順序務必為VT1-VT6；③晶閘管觸發(fā)脈沖相位間隔60度。
2.帶電阻性負載情況分析前面講解完三相橋式全控整流電路搭建后，真正進入到電路工作原理、波形分析及定量計算部分。進一步完善上面仿真電路原理圖，將負載選擇為電阻性負載，并增加若干示波器觀察點，其中三相電源設置為幅值100V、頻率50Hz，電阻負載2Ω，仿真參數(shù)設置為仿真起始時間0.0s，結(jié)束時間0.1s，算法選擇ode23tb。帶電阻性負載情況下的教學重點為：①不同觸發(fā)角下的波形分析；②負載電流的連續(xù)與斷續(xù)分析；③晶閘管的單觸發(fā)脈沖與雙觸發(fā)脈沖形式。其中難點內(nèi)容為連續(xù)與斷續(xù)狀態(tài)下的脈沖形式。首先通過仿真詳細講解30度觸發(fā)角時的波形情況，要求學生在給定電源條件下能夠正確理解觸發(fā)脈沖、直流負載電壓、直流負載電流、晶閘管承受電壓和交流電源電流的波形。講授過程中需要注意：①觸發(fā)角的觸發(fā)時刻，由于三相整流電路的自然換相點對應A相電壓波形的30度位置，因此30度觸發(fā)角情況下的晶閘管VT1觸發(fā)時刻為60度位置，換算成時間為0.0033s；②將整個電源周期分成6段，每段先確定6個晶閘管的導通與關斷狀態(tài)，再分析其他電量；③特別注意強調(diào)線電壓波形及波形畫法。然后，利用仿真教學的優(yōu)勢進一步講解如上教學重點要求，如圖3所示為60度和90度觸發(fā)角下的晶閘管觸發(fā)脈沖情況和直流輸出電壓波形情況。圖中可以清楚的看到60度觸發(fā)角為負載電壓和電流連續(xù)與斷續(xù)的臨界點，90度觸發(fā)角時清楚的看到負載電流為斷續(xù)狀態(tài)，同時各個觸發(fā)脈沖為保證電流斷續(xù)下正常工作而變成雙觸發(fā)脈沖形式。為了讓學生能夠更深入的理解電阻性負載時的工作情況，在仿真教學過程中，可以采取更小的脈沖角度間隔對多個觸發(fā)角進行多次仿真，這樣更能深入理解隨著觸發(fā)角的增加，直流負載電壓不斷降低的過程。
3.帶阻感性負載情況分析當三相橋式全控整流電路帶阻感性負載工作時，其特點就是能保證負載電流續(xù)流而不出現(xiàn)斷續(xù)的狀態(tài)，因此該部分的教學重點為：①讓學生能夠清楚的理解整個移相范圍內(nèi)負載電流總是連續(xù)的工作狀態(tài)；②由于電感的作用，負載電壓會出現(xiàn)負的部分；③大電感狀態(tài)下，負載電流近似為一條直線。圖4為觸發(fā)角為90度時三相橋式全控整流電路的波形情況，與圖3中觸發(fā)角為90度情況進行對比，可以清楚的看出阻感性負載時的直流負載電壓波形既有正向波形，又有負向波形，負載電流波形始終處于連續(xù)狀態(tài)，同時還可以通過仿真教學清楚的展示電感為5mH和200mH時的直流電流波形，其中5mH時電流波形脈動較大，而200mH時電流波形脈動較小，近似為一條直線，這也充分說明當電感值為200mH時，感抗相對于阻抗來說充分大。
4.仿真實驗任務：直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)完成如上規(guī)定的仿真教學任務后，可以給學生布置相應的仿真實驗任務，結(jié)合直流電機原理和閉環(huán)控制原理，安排直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真實驗，可以安排在實驗課中完成或課后自行完成。仿真實驗任務如下：（1）仿真參數(shù)設置：仿真起始時間0.0s，結(jié)束時間5s，算法選擇ode23tb。（2）系統(tǒng)要求跟蹤恒值速度給定500r/min。（3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設定為比例控制，要求分析不同負載轉(zhuǎn)矩、不同轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)下的電機電壓、電流和轉(zhuǎn)速波形。這里給出用于教學參考的系統(tǒng)仿真結(jié)構圖及電機電壓和電流波形，如圖5和圖6所示。由于直流電機為阻感性負載，因此通過仿真實驗可以更深入的認識阻感性負載下的三相橋式全控整流電路的工作過程，直流負載電壓即電機供電電壓有正負波形，直流負載電流即電機電樞電流為連續(xù)狀態(tài)且近似為一條直線，轉(zhuǎn)速波形由學生在仿真實驗中自行觀察。
三、結(jié)論
本文提出的電力電子技術仿真教學模式，通過搭建電力電子系統(tǒng)主電路和控制電路并進行波形仿真的方法，能夠使學生更加深入的理解電路結(jié)構圖、電路工作原理、電量波形及參數(shù)計算。仿真教學模式不僅能夠大大提高學生對教學重點與教學難點的正確理解，同時對學生進行后續(xù)課程設計、開放性實驗、創(chuàng)新性實驗及相關畢業(yè)設計工作奠定了知識能力基礎。
作者：曹勇吳峰單位：遼寧工業(yè)大學電氣工程學院
1.“1循環(huán)互輔”實踐教學方法
“循環(huán)互輔”實踐教學方法建立在“建構主義的學習觀”的基礎上，建構主義的學習觀認為：知識不能簡單地通過教師傳授得到，而是每個學生在一定的情境下通過自主探索、小組協(xié)作等學習方式，達到對所學知識意義的主動建構。傳統(tǒng)的電力電子技術實踐教學，學生的自主學習能力沒有得到有效培養(yǎng)。因此，探索新的實踐教學方法具有十分重要的意義?！把h(huán)互輔”即老師分項目分別輔導N個學生，然后由學生分項目相互循環(huán)輔導。“循環(huán)互輔”實踐教學方法主要分以下步驟進行：
1)調(diào)整優(yōu)化教學內(nèi)容，教師在授課前對教學內(nèi)容要認真篩選，注意課程體系的前后銜接，理論夠用原則，降低理論的難度，以應用為主線，精心選擇N個教學項目。
2)根據(jù)學生的興趣特點和基礎，由學生自主選擇自己負責的項目，選擇同一項目的同學為一組，把全班同學分成N組。針對每個項目，教師輔導負責該項目的一組學生。
3)經(jīng)教師培訓后的項目負責人指導其他同學完成該項目，教師監(jiān)控各個項目的完成情況，及時解決項目負責人無法解決的問題，保證項目順利進行。實踐教學過程中，教師多采用啟發(fā)式進行指導，主要是多引導，多啟發(fā)，提出分析問題的方法，指出解決問題的途徑，讓學生通過獨立思考和小組合作，找出解決問題的具體方案，并在實踐中加以檢驗，提高學生分析問題和解決問題的能力。
4)為了保證“循環(huán)互輔”實踐教學方法順利進行，需要改革原有的課程考核評價方式，課程評價主體和評價內(nèi)容應多元化，評價方式應多樣化，可構建“教師評價、學生自評、學生互評”相結(jié)合的評價機制。在學生考核評價中，應全面客觀地反映學生的真實情況，重點考核與評價學生的職業(yè)技能和職業(yè)素質(zhì)，對學生的學習態(tài)度、學習能力、溝通與合作能力、創(chuàng)新精神等進行全面考察。堅持過程性評價和結(jié)果性評價相結(jié)合，過程性評價是在學生自主學習過程中對學生的學習態(tài)度、日常表現(xiàn)等各方面情況進行的評價，結(jié)果性評價是學生學習完成后對學生整體技能情況的評價。
1.2“循環(huán)互輔”實踐教學方法在電力電子技術課程中的具體應用
下面從教學項目的選取和實踐教學過程的實施兩個方面探討“循環(huán)互輔”實踐教學方法在電力電子技術課程中的具體應用。
1)隨著電力電子新器件的不斷涌現(xiàn)以及各種變流電路的不斷發(fā)展，電力電子技術課程的教學內(nèi)容日益增長，在學時有限的情況下，以電力電子技術應用最廣泛的實際案例為載體，設計了以下六個項目作為教學內(nèi)容：
(1)單相半波整流調(diào)光燈電路；
(2)單相橋式全控整流調(diào)光燈電路；
(3)單相交流調(diào)壓調(diào)光燈電路；
(4)同步電機勵磁電源電路；
(5)開關電源電路；
(6)中頻感應加熱電源電路。
2)根據(jù)學生的興趣特點和基礎，由學生自主選擇自己負責的項目，選擇同一項目的同學為一組，把全班同學分成6組。以單相半波整流調(diào)光燈電路為例，教師負責輔導選擇該項目的7-8個學生。再由這些學生負責指導班上其余同學完成該項目。教師監(jiān)控各個項目的完成情況，及時糾正錯誤。
3)循環(huán)互輔實踐教學方法，不僅要求學生自己學會，還要教會別人。這就要求學生對自己選擇的項目需要進行大量的準備工作。教師利用大學城空間，建設電力電子技術空間資源課程，包括多媒體課件、參考教材、各種變換電路的仿真模型及仿真參數(shù)設置實例，實驗指導、各章習題及其學習指導等。學生進入教師空間后，可自主開展學習，通過發(fā)表評論在線分享學習心得，通過電力電子技術交流群組與教師、同學進行在線交流?！把h(huán)互輔”實踐教學方法在電力電子技術課程中的應用實踐表明：
(1)實踐教學過程中，由于每位同學都得到了充分有效指導，因此故障率、儀器設備損壞率降低了。
(2)該方法最大限度地調(diào)動了學生學習的積極性和主動性，發(fā)展每一個學生的優(yōu)勢潛能，有效培養(yǎng)了學生自主學習和分析問題解決問題的能力，取得了較好的教學效果。
2結(jié)束語
關鍵詞：電力電子技術；發(fā)展趨勢；應用
0 前言
現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展經(jīng)歷了幾個不同的階段，整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，現(xiàn)代電力電子技術屬于變頻器時代，同時又與微電子技術有效地進行了結(jié)合，這不僅使其應用范圍十分廣泛，而且在國民經(jīng)濟中的地位也變得越來越重要。
1 現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展趨勢
在當前科學技術快速發(fā)展的新形勢下，隨著電力電子技術的不斷革新，其發(fā)展達到了一個較高的水平?，F(xiàn)代電力電子技術主要是對電源技術進行開發(fā)和應用，可以說電源技術的發(fā)展是當前電力電子技術發(fā)展的主要方向。
1.1 現(xiàn)代電力電子技術向模塊化和集成化轉(zhuǎn)變
電源單元和功率器件作為現(xiàn)代電力電子技術的重要組成部分，是電子器件智能化的核心所在，其組成器件具有微小性，因此電力電子器件結(jié)構也更為緊湊，體積較小，但其能夠與其他不同器件的優(yōu)點進行有效綜合，所以其具有顯著的優(yōu)勢。也加快了現(xiàn)代電力電子技術向模塊化和集成化轉(zhuǎn)變的進程，為電力系統(tǒng)使用性能的提升奠定了良好的基礎。
1.2 現(xiàn)代電力電子技術從低頻向高頻化轉(zhuǎn)變
變壓器供電頻率與變壓器的電容體積、電感呈現(xiàn)反比的關系，在電力電子器件體積不斷縮小的情況下，現(xiàn)代電力電子技術必然會加快向高頻化方向轉(zhuǎn)化。可控制關斷型電力電子器件的出現(xiàn)即是現(xiàn)代電力電子技術向高頻轉(zhuǎn)化的重要標志。而且隨著科學技術發(fā)展速度的加快，電力電子技術也必然會向著更高頻的方向發(fā)展。
1.3 現(xiàn)代電力電子技術向全控化和數(shù)字化轉(zhuǎn)變
傳統(tǒng)的電力電子器件在使用過程中存在著一些限制，而且關斷電器時還會產(chǎn)生一些危險，自關斷的全控型器件在市場上出現(xiàn)后，有效地彌補了這些限制和避免了危險的發(fā)生，這也是現(xiàn)代電力電子技術變革的重要體現(xiàn)，表明現(xiàn)代電力電子技術加快了數(shù)字化發(fā)展的進程。
1.4 現(xiàn)代電力電子技術向綠色化轉(zhuǎn)變
現(xiàn)代電力電子技術向綠色化轉(zhuǎn)變主要表現(xiàn)在節(jié)能和電子產(chǎn)品兩個方面。相比于傳統(tǒng)的電力電子技術來講，現(xiàn)代電力電子技術的節(jié)能性更好，這也實現(xiàn)了發(fā)電容量的有效節(jié)約，對環(huán)境保護帶來了較好的效果。一直以來一些電子設備會將嚴重的高次諧波電流入到電網(wǎng)中，給電網(wǎng)帶來較大的污染，導致電網(wǎng)總功率質(zhì)量下降，電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不同程序的畸變。到了上世紀末期，各種有源濾波器和補償器的面世，實現(xiàn)了對功率參數(shù)的修正，從而為現(xiàn)代電力電子技術的綠色化發(fā)展奠定了良好的基礎。
2 現(xiàn)代電力電子技術的應用
現(xiàn)代電力電子技術的功能具有多樣性的特點，其在多個領域都有著廣泛的應用，這也決定了現(xiàn)代電力電子技術在國民經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)非常重要的地位，有著不可替代的作用。
2.1 電源方面
（1）一般電源?，F(xiàn)代電力電子技術在開關電源和供電電源方面都取得了較大的進展，交流電直接由整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，這部分直流電一部分由逆變器轉(zhuǎn)換為交流，然后經(jīng)由轉(zhuǎn)換開關到達負載，而另一部分則直接對蓄電池組進行充電。一旦逆變器發(fā)生故障，蓄電池組則作為備用電源開始直接向負載提供能量。在現(xiàn)在的電力電子器件中普遍采用MOSFET和IGBT作為電源，不僅具有較好的降噪性，而且電源的效率和可靠性也能夠得到有效的保障。
（2）專用電源。高頻逆變式焊機電源和大功率開關型高壓直流電源是比較典型的兩種應用現(xiàn)代電力電子技術的專用電源。高頻逆變式焊機電源是一種高性能的電源，由于大容量模塊IGBT的普遍使用，使得這種電源有著更加廣闊的應用前景，逆變式焊機電源基本采用的都是交流-直流-交流-直流的轉(zhuǎn)換方法，由于焊機工作的環(huán)境條件惡劣，所以燃弧、短路等就成為了司空見慣的問題，而采用IGBT組成的PWM相關控制器，能夠提取和分析參數(shù)和信息，進而預先對系統(tǒng)做出處理和調(diào)整。大功率開關型高壓直流電源主要應用CT機、靜電除塵等比較大型的設備上，因為這類設備電壓比較高，甚至達到了50 ～ 159kV，將市電經(jīng)過整流器整流變?yōu)橹绷?，然后與諧振逆變電路串聯(lián)，逆變?yōu)楦哳l電壓，再升壓，最后整流成為直流高壓。
2.2 傳動控制及牽引
這主要應用在無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制等等方面，通過將一個固定的直流電壓轉(zhuǎn)換為一個可以變化的直流電壓，這樣就能夠使控制更加的平穩(wěn)和快速，而且還可以節(jié)能。
2.3 在電力系統(tǒng)中的應用
在發(fā)電系統(tǒng)中現(xiàn)代電力電子技術的應用更是廣泛，比如說水力風力發(fā)電、用電系統(tǒng)、配電、輸電等等都和現(xiàn)代電力電子技術有著密切的聯(lián)系。目前的風力電力機組已經(jīng)結(jié)合了機械制造、空氣動力學、計算機控制技術、電力電子技術等等，而現(xiàn)代電力電子技術就是發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的重要技術，它對于電能的轉(zhuǎn)換、機組的控制和改善電能質(zhì)量等都很重要。
2.4 在節(jié)能和改造傳統(tǒng)行業(yè)中的應用
現(xiàn)代工作的開展離不開電能的支持，電能是現(xiàn)代工業(yè)的重要動力和能量源頭。隨著我國工業(yè)用電量不斷增加，用電的不合理及浪費現(xiàn)象也日益顯現(xiàn)出來。這就需要有效地降低能源的消耗，提高電能的利用效率，以便于能夠?qū)Ξ斍澳茉淳o缺的局面起到一定的緩解作用。因此需要充分的發(fā)揮現(xiàn)代電力電子技術的性能優(yōu)勢，有效地提高現(xiàn)代電力電子技術的效率，應用現(xiàn)代電力電子技術，通過工業(yè)控制有效地將電能轉(zhuǎn)換為勞動力，建成現(xiàn)代化的智能車庫，從而降低工人的勞動強度，實現(xiàn)人力資源的節(jié)約，確保勞動生產(chǎn)力的提高，以便于推動傳統(tǒng)行業(yè)的改造進程。
2.5 在家用電器方面的應用
現(xiàn)代電力電子技術在我們?nèi)粘Ｉ钪袘靡草^為廣泛，當前家用電器普遍應用現(xiàn)代電力電子技術，給我們的日常生活帶來了較大的便利。許多電器都只需要按下按鈕就能進行工作，而不需要人們親自動手。
3 應用展望
在今后現(xiàn)代電力電子技術應用過程中，需要重視以下幾個方面的問題：首先，需要對節(jié)能和環(huán)保給予充分的重視，通過完善控制設備和設計專用的電機來有效地提高電機系統(tǒng)的使用性能和效率；其次，為了實現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保，則需要使用中高壓直流轉(zhuǎn)電系統(tǒng)，使其實現(xiàn)低能耗及低污染；最后，需要加快解決電力系統(tǒng)中儲電裝置的設置問題，需要電力系統(tǒng)設計者從控制技術等方面來制定切實可行的解決方案，從而對電能儲備中存在問題進行有效解決，更好地推動電力系統(tǒng)的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。
4 結(jié)語
現(xiàn)代電力電子技術在多個領域都得到了廣泛的應用，特別是對電網(wǎng)的控制和轉(zhuǎn)換上發(fā)揮著非常重要的作用。通過現(xiàn)代電力電子技術的應用，使大功率電能成為其他高新技術的重要基礎，這也決定了現(xiàn)代電力電子技術在國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要地位具有不可替代性，對推動經(jīng)濟和社會的發(fā)展發(fā)揮著非常重要的作用。
參考文獻：
[1] 劉增金.電力電子技術的發(fā)展及應用探究[J].電子世界，2011（9）：19+25.
[2] 冷海濱.現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展趨勢探析[J].電子技術與軟件工程，2014（1）：156-157.
[3] 韋和平.現(xiàn)代電力電子及電源技術的發(fā)展[J].現(xiàn)代電子技術，2005（18）：102-105.
作者簡介：益聰（1994―），男，陜西西安人，沈陽理工大學學生。
論文首先介紹了電力電子技術及器件的發(fā)展和應用,具體闡明了國內(nèi)外開關電源的發(fā)展和現(xiàn)狀,研究了開關電源的基本原理,拓撲結(jié)構以及開關電源在電力直流操作電源系統(tǒng)中的應用,介紹了連續(xù)可調(diào)開關電源的設計思路、硬件選型以及TL494在輸出電壓調(diào)節(jié)、過流保護等方面的工作原理和具體電路,設計出一種實用于電力系統(tǒng)的開關電源,以替代傳統(tǒng)的相控電源。該系統(tǒng)以MOSFET作為功率開關器件,構成半橋式Buck開關變換器,采用脈寬調(diào)制(PWM)技術,PWM控制信號由集成控制TL494產(chǎn)生,從輸出實時采樣電壓反饋信號,以控制輸出電壓的變化,控制電路和主電路之間通過變壓器進行隔離,并設計了軟啟動和過流保護電路。該電源在輸出大電流條件下,能做到輸出直流電壓大范圍連續(xù)可調(diào),同時保持良好的PWM穩(wěn)壓調(diào)節(jié)運行。 開關電源結(jié)構
以開關方式工作的直流穩(wěn)壓電源以其體積小、重量輕、效率高、穩(wěn)壓效果好的特點,正逐步取代傳統(tǒng)電源的位置,成為電源行業(yè)的主流形式?？烧{(diào)直流電源領域也同樣深受開關電源技術影響,并已廣泛地應用于系統(tǒng)之中。
開關電源中應用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。
SCR在開關電源輸入整流電路及軟啟動電路中有少量應用, GTR驅(qū)動困難,開關頻率低,逐漸被IGBT和MOSFET取代。在本論文中選用的開關器件為功率MOSFET管。
開關電源的三個條件:
1. 開關:電力電子器件工作在開關狀態(tài)而不是線性狀態(tài);
2. 高頻:電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻;
3. 直流:開關電源輸出的是直流而不是交流。
根據(jù)上面所述,本文的大體結(jié)構如下:
第一章,為整個論文的概述,大致介紹電力電子技術及器件的發(fā)展,簡單說明直流電源的基本情況,介紹國內(nèi)外開關電源的發(fā)展現(xiàn)狀和研究方向,闡述本論文工作的重點;
第二章,主要從理論上討論開關電源的工作原理及電路拓撲結(jié)構;
第三章,主要將介紹系統(tǒng)主電路的設計;
第四章,介紹系統(tǒng)控制電路各個部分的設計;
關鍵詞：電力電子；教學方法；教學改革；考核方式
作者簡介：姚志壘（1981-），男，江蘇溧陽人，鹽城工學院電氣工程學院，副教授。（江蘇 鹽城 224051）
基金項目：本文系鹽城工學院2013年度校級教改研究項目（項目編號：32）的研究成果。
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0052-02
“電力電子裝置及技術”是電類專業(yè)的一門專業(yè)選修課。[1]該課程是在“電力電子技術”課程的基礎上，進一步介紹變流電路的結(jié)構、工作原理、功能指標，電力電子實用裝置的構成、基本電量的計算方法和所有裝置需解決的共同技術問題。[2-3]該課程涵蓋知識的內(nèi)容多、面廣、難度大、實用性強，能培養(yǎng)學生將知識融會貫通，提高學生綜合應用知識解決實際問題的能力。因此，如何從教學內(nèi)容、教學方法和手段以及考核方式等方面進行改革值得探討。
一、教學內(nèi)容的改革
1.理論教學內(nèi)容的改革
該課程的課時數(shù)為40學時。由于它是一門應用性課程，因此需要在書本內(nèi)容的基礎上，緊跟時代前沿，增加一些當今熱門課題的內(nèi)容，如：電力電子裝置在新能源發(fā)電系統(tǒng)和節(jié)能環(huán)保中的應用等，以便為學生找工作或讀研找課題提供參考。
選用楊蔭福等編寫的《電力電子裝置及系統(tǒng)》作為本課程的教材。[3]由于該教材第1章中半導體電力電子開關器件和第2章高頻開關電源的內(nèi)容已分別在“電力電子技術”和“開關電源及技術”課程中詳細講述，因此該課程不再贅述。
所選教學內(nèi)容具體如下：
（1）電力電子裝置及系統(tǒng)概述（2學時）：電力電子裝置及系統(tǒng)的概念；電力電子裝置的主要類型；電力電子裝置的應用概況；電力電子裝置的發(fā)展前景。
（2）逆變器（4學時）：逆變器概論；單相和三相恒頻恒壓正弦波逆變器；感應加熱電源。
（3）不間斷電源UPS（6學時）：UPS的功能及原理；UPS的組成和設計（包括蓄電池組、整流器和PFC電路、逆變器、切換電路、濾波電路、旁路控制電源和系統(tǒng)輔助電源、接地裝置、保護和報警系統(tǒng)）；UPS輸出電壓控制。
（4）晶閘管變流裝置（6學時）：晶閘管交流變換器；交流凈化型穩(wěn)壓電源；晶閘管諧振型逆變器。
（5）電力系統(tǒng)用電力電子裝置（6學時）：電力系統(tǒng)無功補償；電力系統(tǒng)有源濾波裝置；電力系統(tǒng)諧波與無功功率綜合補償；遠距離直流輸電。
（6）電力電子裝置的研制與試驗（14學時）：電力電子裝置研制流程；研究對象的方案論證；主電路設計（包括輸出濾波器、輸出變壓器、緩沖電路、直流濾波電路和主開關器件設計）；控制系統(tǒng)及輔助電源設計（包括抗沖擊負荷電路、調(diào)壓環(huán)節(jié)、過溫保護、輔助電源和驅(qū)動電路的設計）；電磁兼容技術和措施；電路仿真；整機調(diào)試與電性能試驗；結(jié)構設計和例行試驗。
（7）電力電子裝置在當今熱門課題中的應用（2學時）：選擇應用于當今熱門課題的某個電力電子裝置作為教學內(nèi)容，如：直直變換器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用、并網(wǎng)逆變器在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應用等內(nèi)容。
2.開設實驗教學內(nèi)容
為了進一步驗證理論分析，提高學生的實踐能力，應開設一定的實驗教學內(nèi)容。該課程的實驗教學可以充分利用江蘇省電氣與新能源實驗教學示范中心的新能源實驗室和電力系統(tǒng)無功補償實驗室，完成一些高頻電力電子裝置實驗項目，如：電力系統(tǒng)無功補償、電力系統(tǒng)有源濾波、升壓變換器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用和并網(wǎng)逆變器在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用等實驗項目。
二、教學方法和手段的改革
1.興趣教學，激發(fā)學生學習積極性
緊貼社會的要求進行學前教育，把社會的需求和學生學習的需求有機統(tǒng)一，從而激發(fā)學生的學習積極性。
學生從高中進入大學后，學習的目標改變了，如果說學生在中小學時是以升學作為他們的目標，那么，進入大學后他們的目標已經(jīng)轉(zhuǎn)向了就業(yè)。因此，要使學生了解社會對人才知識結(jié)構的需求及其變化，使學生意識到該課程作為大四的專業(yè)選修課對今后工作以及再深造的重要性，從而使他們一開始就認識到該課程必須學，而且要學得非常好。
第一次上課，在講完電力電子裝置的應用概況后，了解每個學生對電力電子裝置感興趣的應用領域，布置學生通過網(wǎng)絡搜索或圖書館查找其感興趣應用領域的相關資料，并做成PPT，以備上該應用領域課時做報告。此后，每次上課時，先讓對該節(jié)課教學內(nèi)容感興趣的學生用PPT做報告（每個學生報告5分鐘，學生提問2分鐘），講述相應應用領域的研究背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后由教師講解具體教學內(nèi)容。通過該興趣教學的方法，可以激發(fā)學生的學習積極性，培養(yǎng)學生做科技報告的能力，為學生畢業(yè)設計選題和答辯奠定良好的基礎。
2.提高多媒體教學質(zhì)量
隨著現(xiàn)代化水平的不斷提高，上課基本都已采用多媒體進行教學。但多媒體課件也不能是黑板板書的簡單復制，最好配以一定的動畫和聲音，以便吸引學生的注意力，調(diào)動學生學習的積極性。如：在講解電路工作模態(tài)時，采用“動作路徑”的動畫格式，讓學生清楚地看到電流在電路中的流通路徑，更深刻地理解所學知識；學生在下半節(jié)課時往往會開小差，注意力不集中，可通過在切換幻燈片時配以一定的聲音，吸引學生的注意力；在講解習題或舉例時，先以某個習題為例進行講解，解題步驟逐步顯示，而不是一下子顯示所有答案，保留了板書的優(yōu)點，然后總結(jié)歸納解題方法，最后再以習題對所述方法進行鞏固。
3.采用仿真輔助教學
用仿真的方法不僅可以初步驗證電路原理和參數(shù)設計的正確性，還能仿真試驗極限條件下的特殊情況，從而有效地減少電力電子裝置的設計費用，縮短電力電子裝置的設計周期，優(yōu)化參數(shù)設計，提高裝置的可靠性。常用的電力電子仿真軟件有：Saber、Pspice和Matlab中的Simulink等。以其中的Saber仿真軟件為例對所設計4kW、400Hz的中頻電源進行仿真驗證。學生可以通過仿真進一步加深對理論知識的理解，此外，對較復雜或不易懂的電路可以通過仿真查看電路各點的波形反推電路工作過程，從而掌握電路的工作原理。
三、考核方式的改革
該課程采用小論文的考核方式?？己说目偝煽儼ㄆ綍r成績（20%）、平時PPT報告成績（30%）和小論文考核成績（50%）。其中，平時成績包括學生的出勤和平時作業(yè)；平時PPT報告成績主要是檢查學生對電力電子裝置感興趣應用領域相關知識的預習情況，考核學生運用Powerpoint軟件制作PPT的能力、口頭表達能力和回答同學提問時的應變能力；小論文考核成績主要包括測試學生書寫小論文的能力（包括中英文摘要、引言、正文、結(jié)論和參考文獻）、利用word軟件書寫小論文和排版的能力。小論文要求學生從電源設計領域、電機調(diào)速用電力電子裝置、電力系統(tǒng)領域、汽車電子領域、綠色照明領域、新能源開發(fā)領域和其他與電力電子裝置相關的領域中選擇1種領域撰寫。此外，要求寫相同領域小論文的學生相互商量各自研究方向，確保每個學生的小論文題目和內(nèi)容不雷同。通過上述小論文考核，杜絕了學生相互抄襲小論文的現(xiàn)象，學生在選題上發(fā)揮了主觀能動性，選題范圍比較寬。學生在查閱資料完成小論文的過程中，了解了國內(nèi)外電力電子裝置相關領域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，初步掌握了電力電子裝置主電路設計、控制系統(tǒng)設計、仿真及結(jié)果分析這一流程。
四、結(jié)束語
近年來，我們緊跟時代前沿，及時更新“電力電子裝置及技術”課程的教學內(nèi)容，在實際教學中采用興趣教學、高質(zhì)量的多媒體教學和仿真輔助教學的教學方法，采用“一人一題”的小論文考核方式，對“電力電子裝置及技術”課程進行了一系列改革，取得了良好的教學效果，得到了學院領導和學生的一致好評。
參考文獻：
[1]陳仲.“電力電子裝置及控制”課程教學設計的研究與探索[J].電氣電子教學學報，2008，（S1）.
關鍵詞：多元化；互動教學；應用能力
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）38-0185-02
一、引言
近年來，隨著電力電子器件的不斷更新以及各種變換電路的應用范圍不斷增大，電力電子技術再一次迎來了快速發(fā)展時期。作為電氣工程專業(yè)研究生的主干課程，電力電子技術的教學至關重要，它關系到學生能否熟練掌握本專業(yè)的知識和技能。在傳統(tǒng)的教學中，大多數(shù)高校采用的教學方法依舊是采用本科的教學方式，老師按指定的教材講，學生按部就班地學習，這樣極易造成學生難以理解復雜的理論，導致學習興趣的丟失[1]。針對這種情況，本文提出了多元化的電力電子教學方法，讓學生參與互動，并增加實驗課程的開設，真正引起學生對于電力電子學科的學習興趣。
二、理論教學應從多角度進行
通常情況下，電力電子得理論教學都是按照教科書的章節(jié)順序進行，難免枯燥乏味，高深難懂。電力電子學科涉及面比較廣，如果將電力電子學科理論劃分為多個部分會起到更好的效果。比如劃分為四大變換電路部分、器件與控制部分以及電力電子前沿技術等三部分進行教學，三部分既可以先后進行也可以同時穿行。
1.分析電路盡量使用多媒體。電力電子技術的核心就是整流、逆變、斬波和交交變換四大基本電路，在電路工作過程的分析中，通常一個電路都有多個工作狀態(tài)，不同的工作狀態(tài)又分別對應著不同的電壓電流波形，也就是說電路的工作過程往往都是動態(tài)的過程，而傳統(tǒng)的書本上的文字和原理圖是無法很好地展現(xiàn)動態(tài)過程的[2]。這時，如果采用幻燈片等多媒體形式，可以將電路工作的動態(tài)過程很好地展現(xiàn)給學生們觀看，把書本上靜態(tài)的電路以及波形圖動起來，這樣就能夠讓學生們更好地理解電力電子電路的工作過程。與此同時，結(jié)合書本上的理論，再將不同電路的特點進行總結(jié)，使同學們復習時結(jié)合著書中的理論，頭腦中聯(lián)想著多媒體演示動畫，便會在學習中事半功倍，容易記憶，提高學生的分析計算和實際解題的能力。
2.器件與控制部分應注重練習。電力電子器件及控制部分具有覆蓋面大、定性與定量相結(jié)合的特點，學好這一部分，就必須將概念的理解與相關的計算進行練習，在習題式的教學中，不斷提高分析問題和解決問題的能力。研究生階段，各高校幾乎很少帶領學生做與課程相關的習題，多數(shù)學生也只有在考試的時候才有機會在試卷中解答一些問題，雖說現(xiàn)在不提倡傳統(tǒng)針對考試的題海戰(zhàn)術，但是平時適當做一些典型的練習還是有必要的，電力電子器件種類多、特點各不相同，而控制方法也有很多，甚至與自動控制原理等其他學科相關聯(lián)，在教學中適當找一些典型例題進行講解，可以讓同學們在繁雜的知識中抓住重點內(nèi)容進行突破，最終掌握這部分知識要點。
3.學生自主參與新技術教學。電力電子技術具有發(fā)展速度快的特點，新的技術和應用領域不斷出現(xiàn)，加強電力電子新技術的教學可以擴展學生知識面，掌握電力電子技術發(fā)展新方向[3]。這一部分的特點是沒有定量計算、難度不大、但對于資料的收集工作量比較大，根據(jù)這些特點，在教學中，可以將這部分安排給每個學生進行講解，在講解前每個同學查找相關資料，然后對資料進行分類總結(jié)，加入自己的理解，在講解過程中既可以使用多媒體也可使用板書的形式，講解后學生之間可以相互提出問題，相互討論，形成良好的研究氛圍。在這種學生自主教學的過程中，既提高了學生查找資料的能力，也能提高學生的概括的創(chuàng)新能力，還為研究生畢業(yè)學術論文的撰寫提供了相關的經(jīng)驗。
三、實驗教學應進行分類
電力電子技術是一個應用性很強的一門學科，在理論教學的同時一定要有相應的實驗來配合和補充，開設實驗課是對理論課的延伸和補充，更能夠突出應用型學科的特色。在實驗教學上，應分為驗證實驗、探究實驗、拓展實習三個部分進行教學。
1.驗證實驗應緊密結(jié)合課本。驗證性實驗的特點是對已經(jīng)有的理論進行實驗驗證，與學生的理論教學緊密銜接，通過書上的理論來指導實驗的操作，同時實驗的結(jié)果又可以加深學生對于書本理論的深度理解。在理論課程之后，應當有相應的實驗課程相跟進，在實驗開始前，老師帶領學生對課本知識點進行回顧，確定實驗目的和實驗步驟，同學們按照實驗要求完成相應的實驗操作，并能夠運用書本上的知識來解釋實驗中的現(xiàn)象，最后通過實驗報告的形式進行總結(jié)，得出驗證性的結(jié)論。
2.鼓勵開展探究性試驗。電力電子技術是一門正在快速發(fā)展的學科，在實驗教學中，應當鼓勵學生進行自主探究，通過對已有知識的學習讓學生們充分發(fā)揮想象力，制作一些相關的小制作、小發(fā)明，在探究性試驗的過程中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力[4]。學生根據(jù)自己掌握的知識，結(jié)合當今電力電子發(fā)展的前沿技術，加上自己的想象力和創(chuàng)造力，獨立設計出屬于自己的電子作品，而在探究的過程中難免會遇到一些問題，這時老師應進行適當指導，給出一些方案，讓學生自主解決實際問題。平時盡可能地開放實驗室，使學生增加動手操作機會。此外還應當鼓勵學生參加“挑戰(zhàn)杯”等科技比賽，增加在創(chuàng)新方面的交流合作，從而學會更多解決問題的新方法。
3.拓展實習應突出實際應用。在傳統(tǒng)的教學環(huán)節(jié)之外，對于電力電子技術這種應用型很強的學科，應適當組織學生到某個單位進行參觀學習。學習的目的是為了應用，當今電力電子技術已經(jīng)應用在了許多領域之中，在實驗教學中可以聯(lián)系某個具體單位進行參觀，在實際的生產(chǎn)過程中，讓學生們更加具體地了解電力電子技術的應用[5]。除了參觀之外，也可由老師或者學生找一些與電力電子技術應用相關的視頻資料，分享給大家進行觀看，也可以起到非常好的效果。實習結(jié)束之后，學生以報告的形式寫出自己學到了什么或者是心得體會。這樣，理論聯(lián)系實際，對于理工科的教學是有很大幫助的。
四、總結(jié)
針對電氣專業(yè)研究生電力電子技術這門主干課程涉及面廣、發(fā)展速度快、應用性強的特點，本文提出了多元化的教學方案。在實際的教學中分成理論與實驗兩部分進行教學，在這兩個部分中再分成幾個部分，并根據(jù)所分的各部分特點進行教學，理論教學中應結(jié)合現(xiàn)代多媒體技術、適當?shù)牧曨}化教學、學生參與互動的教學等方式，實驗教學中應注意結(jié)合課本、鼓勵創(chuàng)新、突出應用的教學方式。這樣，將一門課進行多元化教學，既可以激發(fā)學生們的學習興趣，也可以培養(yǎng)學會生多方面的能力。
參考文獻：
[1]陶俊珍.“電力電子技術”教學內(nèi)容更新例析[J].中國電力教育：下，2011，（3）.
[2]高鐵剛，王馨，寇海蓮.信息技術環(huán)境下教學評價的理論與方法[M].北京：清華大學出版社，2011.
[3]梁永春，閆彩紅.“電力電子技術”課程立體化教學方式探索[J].中國電力教育：上，2010，（11）.
[4]劉晉，牛印鎖，文俊.國內(nèi)外“電力電子技術”課程教學研究[J].中國電力教育：下，2012，（2）.
[5]王春鳳，李旭春，薛文軒，等.電力電子技術實驗教學改革的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2011，30（9）.
關鍵詞：IEET工程認證；電力電子；項目教學改革
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）04（c）-0000-00
1前言
中華IEET工程認證學會簡稱IEET，評估受認證的課程或機構是否符合認證機構的學術或?qū)I(yè)標準，通過認證的大學院系畢業(yè)生，代表其已具備執(zhí)行工程專業(yè)所需之基礎教育，且國內(nèi)學歷將為各會員國所承認，擴大國內(nèi)畢業(yè)生的學歷適用地區(qū)。
電力電子技術這門課程在“機械電子工程專業(yè)人才需求”企業(yè)調(diào)研活動中，84.66%的畢業(yè)生主要從事與電力電子技術課程相關的產(chǎn)品開發(fā)與設計工作，一般從事機械工業(yè)及維修、電子傳動、汽車、車床、電路設計、售后服務，產(chǎn)品檢修與分析、產(chǎn)品測試以及產(chǎn)品研發(fā)等行業(yè)，說明了這門課程的工程認證的必要性。
2教學現(xiàn)狀
電力電子技術是一門橫跨電力、電子、自動控制三門課程的交叉邊緣學科，是利用大功率半導體器件對電能進行變換與控制的專業(yè)基礎課程。
基于種種原因，以往電力電子技術理論學習難較大，課堂教學將學生置于一種被動地位，不利于學生主動進行知識建構，所以急需一種新的教學模式，以此來吸引學生的關注，加強基礎理論與工程實例的結(jié)合應用，結(jié)合電力電子領域的新技術和工程應用技術，為專業(yè)模塊化課程“機電傳動控制”、“機電產(chǎn)品創(chuàng)新設計”、“工業(yè)機器人”、“機電一體化系統(tǒng)設計”，以及復合型課程“電動汽車”、“汽車電器與電子技術”、“電動汽車驅(qū)動技術”、“智能裝置設計”、“智能家居”做知識儲備。
隨著各高校教學改革的深入，電力電子技術課程的課時量越來越少，實驗學時也不斷壓縮，同時實體的實驗設備極易損壞，軟件仿真又不能讓學生完全的理解概念。只是仿真，見不到實物，對驅(qū)動模塊和控制模塊沒有研究，對課程的學習效果大打折扣。例如：簡單的整流橋電路，仿真只要選擇模塊即可，學生根本不知道做實物整流橋用電力電子器件應該如何搭建，若是選集成的芯片也不知道應該選擇哪一個，是半控芯片還是全控芯片，控制引腳該如何連接，芯片需要不需要驅(qū)動？這些問題都是軟件仿真無法解決的，不是單純改革實驗教學就可以解決的，因此需要一種工程認證的思路來進行教學改革，讓學生學有所得。
3 教學改革
3.1IEET理念下教師角色的轉(zhuǎn)變
IEET強調(diào)七大核心能力：具備資訊工程相關知識的能力，具備設計與執(zhí)行實驗及分析解釋數(shù)據(jù)的能力，具備工程實務流程規(guī)劃及資訊軟硬體系統(tǒng)整合的能力，具備協(xié)調(diào)、領導及溝通、整合的能力，具備適應職場變化的能力及持續(xù)終身學習的習慣，具備第二外語溝通與表達的能力，具備工程倫理與善盡社會責任的能力。這些不是對教師主導作用的弱化，而是對教師在整個教學活動中的掌控能力、自身的知識水平提出了更高的要求，老師的角色要求既不能一味的灌輸知識也不能完全的不干涉，而是要作為一名引路人，為學生設計短期或是長期的學習目標，激勵學生尋找到達目標的路徑和方法，這就要求理論知識的掌握不僅要有廣度還要有深度，并且具備解決問題的能力。例如講解“電力電子器件”時，應當重視各種器件的外部特性的講解，從使用角度讓學生了解其應用的場合，參數(shù)的含義，設置這幾個參數(shù)的意義。而內(nèi)部結(jié)構和工作原理的詳細分析可以讓學生自行查閱資料深入了解。介紹國內(nèi)一些大型企業(yè)（“株洲南車時代電氣股份有限公司”）的最新電力電子器件―脈沖功率組件、集成門極換流晶閘管，然后讓學生自己查資料了解這些器件的具體應用范圍，擴展學生的知識面。在講每一種電量變換電路之前，應當把學生引導到某一個應用場景下，這時學生會主動思考在這種情境下電量要如何變換才能滿足應用需求。例如，在講解整流電路之前，可以先引出大家日常會用到的“手機充電器”的場景。手機充電器是從城市電網(wǎng)當中獲得交流電，在充電器內(nèi)部通過整流電流轉(zhuǎn)化成直流電給手機充電的設備，目前手機充電器的充電時間如何縮短？各種不同型號的手機充電器是否可以通用？又有怎樣的缺陷？野外如何充電？沒有充電線的情況下又是怎樣的充電結(jié)構？針對這結(jié)問題學生會積極的思考，并且和復合型的課程緊密結(jié)合在一起，知識點的講解也就更顯通俗易懂。
3.2運用項目
項目教學法是將傳統(tǒng)的學科體系中的章節(jié)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為若干個教學項目，圍繞項目組織和展開教學，使學生直接參與項目全過程的一種教學方法。學生在項目實踐的過程中，理解知識點的要求，掌握知識點的技能，體驗項目建立和實現(xiàn)的艱難與樂趣，培養(yǎng)分析問題與解決問題的能力，建立團隊意識和組織協(xié)調(diào)能力，這正是IEET工程認證理念的完整體現(xiàn)。
恰當設置項目的題目：巧妙的設計題目是項目教學法運用成功的保證，這要求教師平時的知識更新以及積累，才能既涵蓋知識點，又符合社會實際需求，所以項目的題目類型要從―跨學科理論驗證、校企結(jié)合、創(chuàng)新設計等方面入手，題目層次要分明--包括易、適中、難幾個難度。例如：A.每一章節(jié)可以首先給學生提出一個設計要求，比如在學習逆變電路時，要求設計一個基于SPWM的三相電壓型逆變電路，給出具體性能指標，把問題拋給學生，等課堂知識點講完之后，學生已經(jīng)有了大體的調(diào)劑思路，完成主電路的設計。B.全部課程上完之后的課程設計的項目會與企業(yè)需求相結(jié)合，完成時間周期長，如“直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動電源的設計”。C.此外，項目的題目可以跨學科綜合，如“模糊控制下家電產(chǎn)品的電子設計”。
項目完成的考核方法：IEET工程認證模式，更關心的是項目完成的過程而不是結(jié)果，所以可以以小組討論的形式來完成考核。教師從項目組織情況、設計思路、設計文檔、技術指標、創(chuàng)新性、項目完成情況等各方面來給學生打分，并且可以在小組討論時，評出組織者、設計能力者、文檔編撰者等有不同優(yōu)勢的同學，檢測學生技術層面和團隊協(xié)作層面的差異。
Matlab、Simplorer等仿真軟件的應用：隨著新技術的發(fā)展，目前高校實驗室條件跟不上新技術發(fā)展的步伐，學生動手做實驗的機會少，許多理論需要通過實驗來驗證，除了項目教學法的運用，采用軟件對電力電子進行仿真可以解決這些矛盾。這兩個軟件強大的協(xié)同仿真功能，建模更容易，和實際電路模型極為相似，易為學生所接受
3.3擬解決的關鍵問題
按照上述設想，本課程擬解決的主要問題如下：
（1）鍛煉學生團隊協(xié)同合作的能力，為各級比賽提供一批有電子設計基礎的學生；
（2）設置電力電子技術的課程設計環(huán)節(jié)；
（3）調(diào)整教學大綱；
（4） 通過項目，培養(yǎng)較強的項目開發(fā)、設計和建造的能力；
（5）組織興趣小組進行實際工程項目作業(yè)，理論聯(lián)系實際，加強對理論內(nèi)容的理解。以社會需求為教學依據(jù)，讓學生學有所需，學能所用。
3.4實施計劃及可行性分析
電力電子技術課程為專業(yè)限選課，一般機電專業(yè)學生必選，學生數(shù)約100人，擬打算在每年的電力電子技術課程中，分別按照教學改革思路進行對照教學，觀察其教學效果，具體實施計劃如下：
1）去同類獨立院校調(diào)研，學習他們電力電子技術類課程的建設經(jīng)驗；
2）調(diào)研本專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)情況；以畢業(yè)生就業(yè)行業(yè)分布，就業(yè)難易程度等情況為依據(jù)討論電力電子技術課程建設，并對教學大綱做相應修正；
3）以企業(yè)用人需求情況統(tǒng)計表的統(tǒng)計情況，來設置課程項目的題目，決定以下三個方向的題目“電子電工產(chǎn)品生產(chǎn)與加工”、“機電產(chǎn)品開發(fā)與設計”以及“企業(yè)工程項目管理工作”的側(cè)重點和比例。
4）通過教學日歷的完成情況和就業(yè)趨勢對項目的題目進行微調(diào)，令學生自行組織項目合作小組，通過做電力電子技術項目的形式，把課堂理論直接與實踐相結(jié)合，通過結(jié)合實踐課程增加學生動手能力、協(xié)同合作能力、提高專業(yè)素養(yǎng)。
5）對整個教改過程進行總結(jié)分析，整合課程項目的題目，根據(jù)學生的反饋改進教學方式，為本課程深入教改做準備。
6）作品展示：進行電力電子技術課程的項目實物展示活動，從電力電子的課程項目成品當中，選擇具有創(chuàng)新性和實用性的作品進行公開答辯和實物展示，為大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目提供作品，豐富畢業(yè)設計作品的內(nèi)容，也提升了本專業(yè)在學校的影響力。
4創(chuàng)新點
特色與創(chuàng)新：
1）電力電子技術是一門理論與實踐緊密結(jié)合的課程，為了解決理論知識學習難度大的問題，設立項目教學環(huán)節(jié)。針對理論學科性質(zhì)拓展了課堂教學的問答環(huán)節(jié)、實驗教學的軟件仿真環(huán)節(jié)、課程設計的項目研發(fā)等環(huán)節(jié)，使該課程教學過程更加生動，使學生主動地學習，加強基礎理論與工程實例的結(jié)合應用，拓寬學生知識面寬，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和實踐能力，從實踐過程中通過項目學習來獲取工程能力；
2）形成了校內(nèi)首個將電力電子技術課程IEET工程模式下的理論與實踐相結(jié)合的教學模式；
3）本課程所設的項目為“畢業(yè)設計選題”、“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的項目”以及“校、企合作的項目”提供了豐富的題目資源，豐富畢業(yè)設計作品的內(nèi)容，也提升了本專業(yè)在學校的影響力。
5總結(jié)
本論文旨在通過IEET工程認證模式的培養(yǎng)和鍛煉，以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程。從資訊工程相關知識的能力，設計與執(zhí)行實驗及分析解釋數(shù)據(jù)的能力，工程實務流程規(guī)劃及資訊軟硬體系統(tǒng)整合的能力，協(xié)調(diào)、領導及溝通、整合的能力，適應職場變化的能力及持續(xù)終身學習的習慣，第二外語溝通與表達的能力，工程倫理與善盡社會責任的能力等七個層面達到預定目標。學生可以直接參與本專業(yè)的最新應用與工程項目，培養(yǎng)出的學生得到企業(yè)的認同，該成果可在獨立學院相近專業(yè)推廣，對本校其它專業(yè)也有一定的參考意義。
參考文獻：
[1]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002
[2]劉海波.《電力電子技術》實驗教學改革探索與實踐[J].實驗科學與技術.2012
【三峽電力職業(yè)學院】4月1日，三峽電力職業(yè)學院與中國葛洲壩集團股份有限公司簽訂人才培養(yǎng)協(xié)議，雙方?jīng)Q定由該公司預定水利水電建筑工程、工程測量技術、工程起重機械運用與維護、發(fā)電廠及電力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)繼電保護與自動化、電力設備運行與維護、工程造價、機電一體化技術、建筑工程技術等專業(yè)學生300人。
【河海大學】4月12日，河海大學舉行“新能源發(fā)電與智能電網(wǎng)學科創(chuàng)新引智基地”建設啟動儀式暨學術報告會。引智基地以中國能源學會副理事長、國家杰出青年科學基金獲得者、江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”人選、河海大學副校長鞠平教授為負責人，匯聚英國皇家工程院院士麥克•斯德林爵士等10名國際大師、國外著名學者和河海大學10名專家教授組成學術團隊，圍繞新能源發(fā)電與智能電網(wǎng)設計、建設、運行與調(diào)度中的關鍵技術問題開展深入的國際合作研究。
【武漢大學】4月12日至13日，第八屆中國高校電力電子與電力傳動學術年會（SPEED 2014）暨第八屆電力櫻花論壇在武漢大學召開，論壇圍繞電力電子技術發(fā)展的前沿問題進行了充分的交流。本屆年會組委會主任、武漢大學電氣工程學院副院長查曉明等國內(nèi)外學者分別作了專題報告，內(nèi)容涉及電力電子建模與控制、電機及其控制、電力電子新技術等多個方面。此次年會有國內(nèi)外40余所高校200多名學者參加，投稿約200篇學術論文。
【華北電力大學】4月29日，華北電力大學與中國電科院聯(lián)合成立電力系統(tǒng)繼電保護聯(lián)合研究中心。中心選取“分布式電源保護控制策略及故障特性研究”“特高壓高補償度串補系統(tǒng)繼電保護關鍵技術研究”等5個項目作為首批啟動的聯(lián)合研發(fā)項目。
【華北電力大學】日前，根據(jù)北京市科委的《關于認定2014年北京市國際科技合作基地的通知》，華北電力大學新增4個北京市國際科技合作基地：智能電網(wǎng)安全北京市國際科技合作基地、高效聚光化合物太陽能電池北京市國際科技合作基地、火力發(fā)電過程節(jié)能與清潔運行北京市國際科技合作基地、能源與環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化及工程應用北京市國際科技合作基地。
【山東大學】4月29日，山東大學電氣工程學院與國家電網(wǎng)許繼集團有限公司共同組建聯(lián)合創(chuàng)新中心戰(zhàn)略合作框架協(xié)議簽約儀式舉行?！爸行摹睂⒃谛履茉窗l(fā)電、智能變電站、配電與微網(wǎng)、用電與能效、電動汽車充換電和電力電子技術領域開展深入研究，形成相關科技成果轉(zhuǎn)化機制和模式，開展聯(lián)合人才培養(yǎng)和技術服務工作。
關鍵詞：電力電子技術；開關電源
現(xiàn)代電源技術是應用電力電子半導體器件，綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科邊緣交又技術。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用，是現(xiàn)代電力電子技術的具 體應用。
當前，電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎，正朝著應用技術高頻化、硬件結(jié)構模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來，電力電子技術將使電源技術更加成熟、經(jīng) 濟、實用，實現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。
1. 電力電子技術的發(fā)展
現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展方向，是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學，向以高頻技術處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。
1.1 整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供，但是大約20%的電能是以直流形式消費的，其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內(nèi)燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮，目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產(chǎn)物。
1.2 逆變器時代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機，交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代，隨著變頻調(diào)速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出，靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在中低頻范圍內(nèi)。
1.3 變頻器時代
進入八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世，導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn)，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標志。據(jù)統(tǒng)計，到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現(xiàn)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展，為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能，實現(xiàn)小型輕量化，機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2. 現(xiàn)代電力電子的應用領域
2.1 計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會，同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代，計算機全面采用了開關電源，率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發(fā)展，提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源，根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規(guī)定，桌上型個人電腦或相關的外圍設備，在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦，就符合綠色電腦的要求，提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言，電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2 通信用高頻開關電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中，通常將整流器稱為一次電源，而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中，傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代，高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作，開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi)，實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年，開關整流器的功率容量不斷擴大，單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多，其電源電壓也各不相同，在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊，從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓，這樣可大大減小損耗、方便維護，且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上，對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加，通信電源容量也將不斷增加。
2.3 直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關電源)， 同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化，模塊采用高頻PWM技術，開關頻率在500kHz左右，功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求電源模塊實現(xiàn)小型化，因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構，目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊，功率密度有較大幅度的提高。
2.4 不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流，一部分能量給蓄電池組充電，另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流，經(jīng)轉(zhuǎn)換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量，另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關來實現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件，電源的噪聲得以降低，而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入，可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理，進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速，已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
2.5 變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調(diào)速，其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要，已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓，然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器， 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出，電源輸出波形近似于正弦波，用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期，日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術應用于空調(diào)器中。至1997年，其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào)，96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器，逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外，還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略，精選功能組件，是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6 高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源，代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化，這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流，IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波，經(jīng)高頻變壓器耦合， 整流濾波后成為穩(wěn)定的直流，供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣，頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中，因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題，也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關控制器，通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析，達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的，進而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理，解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A，負載持續(xù)率60%，全載電壓60~75V，電流調(diào)節(jié)范圍5~300A，重量29kg。
2.7 大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV，電流達到0.5A以上，功率可達100kW。
自從70年代開始，日本的一些公司開始采用逆變技術，將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻，然后升壓。進入80年代，高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件，將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源，取消了高壓變壓器油箱，使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制，市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?，采用全橋零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓，然后由高頻變壓器升壓，最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下，輸出直流電壓達到55kV，電流達到15mA，工作頻率為25.6kHz。
2.8 電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時，將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流，引起諧波損耗和干擾，同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象，即所謂"電力公害"，例如，不可控整流加電容濾波時，網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(70~80)%，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足，是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流; (2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9 分布式開關電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?，利用最新理論和技術成果，組成積木式、智能化的大功率供電電源，從而使強電與弱電緊密結(jié)合，降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力，提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期，對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術的研究上。八十年代中后期，隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結(jié)構相繼出現(xiàn)，結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術，使中小功率裝置的集成成為可能，從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始，這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點，論文數(shù)量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納，也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合，如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3. 高頻開關電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源，傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重，如果采用高頓開關電源技術，其體積和重量都會大幅度下降，而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中，更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率，從而達到近于理想的負載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關電源技術，更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1 高頻化
理論分析和實踐經(jīng)驗表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍的話，用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的 5~l0%。無論是逆變式整流焊機，還是通訊電源用的開關式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合 閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造， 成為"開關變換類電源"，其主要材料可以節(jié)約90%或更高，還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化，帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益，更可體現(xiàn)技術含量的價值。
3.2 模塊化
模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實質(zhì)上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年，有些公司把開關器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去，構成了"智能化"功率模塊(IPM)，不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM)，它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、 機械方面的設計，達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片，再把整個模塊固定在相應的散熱器上，就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。這樣，不但提高了功率容量， 在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求， 而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復提供充分的時間。
轉(zhuǎn)貼于 3.3 數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術 擬電路基礎上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào)，也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以，在八、九十年代，對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說，模擬技術還是有用的，特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC) 問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決，離不開模擬技術的知識，但是對于智能化的開關電源，需要用計算機控制時，數(shù)字化技術就離不開了。
3.4 綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電， 這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準，如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上，許多功率電子節(jié)電設備，往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流，使總功率因數(shù)下降，使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種修正功率因數(shù)的方法。
總而言之，電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展，新技術的出現(xiàn)又會使許多應用產(chǎn)品更新?lián)Q代，還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn)，將標志著這些技術的成熟，實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年，隨著通信行業(yè)的發(fā)展，以開關電源技術為核心的通信用開關電源，僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求，吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨，因此，同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動，并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。
參考文獻：
[1]林渭勛:淺談半導體高頻電力電子技術，電力電子技術選編，浙江大學，384-390，1992。
[2]季幼章:迎接知識經(jīng)濟時代，發(fā)展電源技術應用， 電源技術應用，N0.2，l998。
現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內(nèi)燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產(chǎn)物。
1.2逆變器時代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標志。據(jù)統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現(xiàn)代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構,目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關來實現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調(diào)速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術應用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結(jié)構相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數(shù)量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經(jīng)驗表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造,成為“開關變換類電源”,其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益,更可體現(xiàn)技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實質(zhì)上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。另外,大功率的開關電源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮,一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術,所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復提供充分的時間。
3.3數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數(shù)字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設備,往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀批量生產(chǎn)各種綠色開關電源產(chǎn)品奠定了基礎。
現(xiàn)代電力電子技術是開關電源技術發(fā)展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現(xiàn),現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應用技術下,由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓撲和新型的控制技術,可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態(tài),從而可大大的提高工作頻率,提高開關電源工作效率,設計出性能優(yōu)良的開關電源。
總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展,新技術的出現(xiàn)又會使許多應用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn),將標志著這些技術的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。
參考文獻
(l)林渭勛:淺談半導體高頻電力電子技術,電力電子技術選編,浙江大學,384-390,1992
(2)季幼章:迎接知識經(jīng)濟時代,發(fā)展電源技術應用,電源技術應用,N0.2,l998
（北京中唐科華電力設備有限公司河北分公司 河北 邯鄲 056003）
【摘要】電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展，新技術的出現(xiàn)又會使許多應用產(chǎn)品更新?lián)Q代，還會開拓更多更新的應用領域。
關鍵詞 電力電子技術；發(fā)展
現(xiàn)代電源技術是應用電力電子半導體器件，綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科邊緣交又技術。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用，是現(xiàn)代電力電子技術的具體應用。
當前，電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎，正朝著應用技術高頻化、硬件結(jié)構模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來，電力電子技術將使電源技術更加成熟、經(jīng)濟、實用，實現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。
1.電力電子技術的發(fā)展?
現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展方向，是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學，向以高頻技術處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。
2.現(xiàn)代電力電子的應用領域?
2.1計算機高效率綠色電源。?
（1）高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會，同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代，計算機全面采用了開關電源，率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。?
（2）計算機技術的發(fā)展，提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源，根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星”計劃規(guī)定，桌上型個人電腦或相關的外圍設備，在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦，就符合綠色電腦的要求，提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言，電源自身要消耗50瓦的能源。?
2.2通信用高頻開關電源。?
（1）通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中，通常將整流器稱為一次電源，而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中，傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代，高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作，開關頻率一般控制在50～100kHz范圍內(nèi)，實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年，開關整流器的功率容量不斷擴大，單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。?
（2）因通信設備中所用集成電路的種類繁多，其電源電壓也各不相同，在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊，從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓，這樣可大大減小損耗、方便維護，且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上，對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加，通信電源容量也將不斷增加。?
2.3直流-直流(DC/DC)變換器。?
（1）DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關電源)，同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。?
（2）通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化，模塊采用高頻PWM技術，開關頻率在500kHz左右，功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求電源模塊實現(xiàn)小型化，因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構，目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊，功率密度有較大幅度的提高。?
2.4不間斷電源(UPS)。?
（1）不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流，一部分能量給蓄電池組充電，另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流，經(jīng)轉(zhuǎn)換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量，另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關來實現(xiàn)。?
（2）現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件，電源的噪聲得以降低，而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入，可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理，進行遠程維護和遠程診斷。?
（3）目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速，已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。?
2.5變頻器電源。?
（1）變頻器電源主要用于交流電機的變頻調(diào)速，其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要，已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓，然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器，將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出，電源輸出波形近似于正弦波，用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。?
（2）國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期，日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術應用于空調(diào)器中。至1997年，其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào)，96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器，逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外，還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略，精選功能組件，是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。?
2.6高頻逆變式整流焊機電源。?
（1）高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源，代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化，這種電源更有著廣闊的應用前景。?
（2）逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流，IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波，經(jīng)高頻變壓器耦合，整流濾波后成為穩(wěn)定的直流，供電弧使用。?
（3）由于焊機電源的工作條件惡劣，頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中，因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題，也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關控制器，通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析，達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的，進而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理，解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。?
（4）國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A，負載持續(xù)率60%，全載電壓60~75V，電流調(diào)節(jié)范圍5~300A，重量29Kg。?
2.7大功率開關型高壓直流電源。?
（1）大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV，電流達到0.5A以上，功率可達100KW。?
（2）自從70年代開始，日本的一些公司開始采用逆變技術，將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻，然后升壓。進入80年代，高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件，將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源，取消了高壓變壓器油箱，使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。?
（3）國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制，市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?，采用全橋零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓，然后由高頻變壓器升壓，最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下，輸出直流電壓達到55kV，電流達到15mA，工作頻率為25.6kHz。?
2.8電力有源濾波器。?
（1）傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時，將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流，引起諧波損耗和干擾，同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象，即所謂“電力公害”，例如，不可控整流加電容濾波時，網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(70~80)%，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。?
（2）電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足，是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是：(l)不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流；(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。?
2.9分布式開關電源供電系統(tǒng)。?
（1）分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件，利用最新理論和技術成果，組成積木式、智能化的大功率供電電源，從而使強電與弱電緊密結(jié)合，降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力，提高生產(chǎn)效率。?
（2）八十年代初期，對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術的研究上。八十年代中后期，隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結(jié)構相繼出現(xiàn)，結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術，使中小功率裝置的集成成為可能，從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始，這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點，論文數(shù)量逐年增加，應用領域不斷擴大。?
（3）分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納，也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合，如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發(fā)展趨勢?
在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源，傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重，如果采用高頓開關電源技術，其體積和重量都會大幅度下降，而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中，更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率，從而達到近于理想的負載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關電源技術，更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。?
3.1高頻化。
理論分析和實踐經(jīng)驗表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍的話，用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機，還是通訊電源用的開關式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造，成為“開關變換類電源”，其主要材料可以節(jié)約90%或更高，還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化，帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益，更可體現(xiàn)技術含量的價值。?
3.2模塊化。?
（1）模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實質(zhì)上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年，有些公司把開關器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去，構成了“智能化”功率模塊(IPM)，不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM)，它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計，達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片，再把整個模塊固定在相應的散熱器上，就構成一臺新型的開關電源裝置。?
（2）由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。另外，大功率的開關電源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術，所有模塊共同分擔負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔負載電流。這樣，不但提高了功率容量，在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復提供充分的時間。?
3.3數(shù)字化。
在傳統(tǒng)功率電子技術中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點：便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào)，也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以，在八、九十年代，對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說，模擬技術還是有用的，特別是：諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決，離不開模擬技術的知識，但是對于智能化的開關電源，需要用計算機控制時，數(shù)字化技術就離不開了。?
3.4綠色化。?
（1）電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義：首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染；其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準，如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上，許多功率電子節(jié)電設備，往往會變成對電網(wǎng)的污染源：向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流，使總功率因數(shù)下降，使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀批量生產(chǎn)各種綠色開關電源產(chǎn)品奠定了基礎。?
（2）現(xiàn)代電力電子技術是開關電源技術發(fā)展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應用技術下，由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性，使器件性能對開關電源性能的影響減至最小，新型的電源電路拓撲和新型的控制技術，可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態(tài)，從而可大大的提高工作頻率，提高開關電源工作效率，設計出性能優(yōu)良的開關電源。
4.總而言之?
