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简论大功率数字电源产品

2015-7-16 17:35:43      点击:

1 引言

  上世纪60年代,大功率开关电源问世,并逐步取代了线性稳压电源和可控硅相控电源。40多年来,开关电源技术有了飞速发展和变化,经历了功率半导体器件应用、高频化和软开关技术、开关电源系统综合集成的三大技术发展阶段。从上世纪80年代开始,高频化和软开关技术的开发研究,使功率变换器效率更高、性能更好、重量更轻、体积更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。上世纪90年代中期,集成电力电子系统和集成电力电子模块技术开始发展,成为近十几年来国际电力电子业界努力解决的问题。提升功率半导体器件高效率性能,提高开关电源的功率密度,计算机辅助设计和测试技术应用,高频磁集成与同步整流技术的应用,模块化分布式电源结构设计,电源系统高密度集成,低污染电磁兼容性设计等是现代电源技术关注的热点。而电源数字控制同样成为一个新的发展趋势,已经逐渐在功率变换设备中得到推广应用。业内称采用数字控制技术的功率变换产品为数字电源。最近几年,以数字信号处理器为控制核心的大功率数字电源技术已经成为受很多高校、电力电子技术专业机构和电源系统提供商重视的研究课题,国内外每年有很多相关的技术性论文发表,也有少数电源生产商经过多年潜心研究开发,开始逐步推出全数字化的电源产品,尤其是大功率的不间断电源和通信电源……

  功率半导体器件高效率性能,提高开关电源的功率密度,计算机辅助设计和测试技术应用,高频磁集成与同步整流技术的应用,模块化分布式电源结构设计,电源系统高密度集成,低污染电磁兼容性设计等是现代电源技术关注的热点。而电源数字控制同样成为一个新的发展趋势,已经逐渐在功率变换设备中得到推广应用。业内称采用数字控制技术的功率变换产品为数字电源。最近几年,以数字信号处理器为控制核心的大功率数字电源技术已经成为受很多高校、电力电子技术专业机构和电源系统提供商重视的研究课题,国内外每年有很多相关的技术性论文发表,也有少数电源生产商经过多年潜心研究开发,开始逐步推出全数字化的电源产品,尤其是大功率的不间断电源和通信电源。

  2 数字电源概述

  2.1 基本特点

  数字电源是采用数字方式实现电源的控制、保护与通信接口的新型电源技术,可编程、优良的响应特性和数字环路控制是表征数字电源的3个主要特征。电源数字化后具有很强的适应性与灵活性,具备直接监测运行状况的能力,能够满足绝大多数电源用户需求数字电源的自动诊断、在线输出调节的能力使调试和维护工作变得轻松还可通过远程诊断以确保持续工作的系统可靠性,实现故障告警管理、过电压过电流多层次保护、自动冗余并联等功能。

  2.2 数字电源与模拟电源的对比

  相对于模拟控制技术,数字电源大大减少了在模拟电源中常见的误差、老化包括模拟器件的精度、温度影响、漂移、非线性不易补偿等问题,其稳定的控制参数使得产品个体无须精细调节即可获得很好的一致性,可靠性好,可生产性好。基于或高速微处理器的数字控制技术,除了具备数字控制技术本身的特点,由于其更快速的数据处理能力,还有其独特优势,包括实现更先进的控制算法、更好的优化效率、更高的数据采样精度和控制开关调节频率、更高的控制精确度和可靠性、优秀的系统管理和互联网络监控功能。

  基于高速高性能的数字电源控制算法采用软件实现,软件运算特性使它更易于实现非线性控制可改善电源的瞬态响应能力和采用多环路控制等更优化的控制算法很多情况下更新软件即可实现新的拓扑结构和控制算法,更改电源输出参数也无须变更板卡上的元器件,这样一来就能提高硬件平台的重复使用率,通过设计不同软件即可满足各种个性化电源系统的新需求,从而缩短开发周期、减少开发成本、加快产品上市速度,降低元器件生产性库存与风险。数字电源虽然具有很多优点,但仍有一些缺点不能忽视。模拟控制对外界条件变化的反应延时小,而数字电源需要一个采样、量化和处理的过程来对变化做出反馈和调节控制,因此它对外界条件变化的响应速度一般来说比不上模拟电源。数字电源由于存在转换的量化误差,在分辨率、带宽、与功率元件的电压兼容性、功耗、开关频率,精度、效率和材料成本在小功率电源系统中等方面也比模拟电源稍差。不过,在大功率规模化电源产品应用方面,随着专用于电源控制技术的高速高性能的推出,电源高频化和软开关技术更加容易实现,价格却不断降低,其构成的数字系统集成度更高,采用数字电源解决方案越来越具有优势,长期综合成本并不一定就比模拟电源高,以技术获取经济效益的空间更大,这在市场需求量大的通信用电源、工业用电源、电力控制电源,以及金融业、服务业用不间断电源等较大功率的产品中,数字电源的经济性优势更加显现参见表1.

  

  2.3 数字电源产品化趋势分析

  可以看出与模拟电源相比,数字电源中包含的技术无疑要复杂一些,还需要一些新的技术,但对用户而言,数字电源的使用并不复杂,设计得好的则使用更加简单,随着技术的发展,当前数字电源的一些劣势已经可以满足用户需求,但其监控管理功能提升和可测试性好,用户维护更加方便,可以大大降低用户的经营管理成本,只是要求产品设计人员具备更高的设计能力,这一点用户并不理会。当然新的产品或技术,用户往往会持一些怀疑的态度,可靠性能否保证真的能带来效益吗这些是需要引导的,市场推广方面可以通过免费试用或者用后付款等方式解决。相比快速推出更加适应市场需求的产品,从而占领更广阔的市场,加上技术积累效应和产品快速升级,降低不良库存周转,通过规模化生产降低综合生产管理成本等,电源产品提供商长期经济效益会更好,因而这种高新技术要求,对于市场驱动研发或者以技术赢取效益的电源产品供应商也很乐意接受,这样,对买卖双方都有利,从而会形成强大的市场推动力,未来的电源产品向全数字化控制技术发展的大趋势就自然形成了。

  基于的电源数字控制技术,涉及到电力电子、自动控制、数据处理、通信技术等多个学科,其技术难度自然不低,尽管已经可以从学术刊物和网络媒体上搜寻到很多这方面的技术论文,其中不乏对电源控制技术原理分析得很透彻的文章,然而从技术成果向产品化、产业化的转化过程中,其难度比其他行业的产品数字化过程有过之而无不及,这或许是真正意义上的全数字化电源从世纪之初提出概念,至今仍然没有大规模应用的主要原因之一。笔者所在企业为国内着名的高新科技上市公司,主要业务为通信设备产品,其中的一条通信用电源产品线,以研制生产通信用组合电源、通信用不间断电源等产品,行销国内外年产值达几十亿元,产品研发投人很大,经历了高频开关电源发展的整个过程,积累了很多关键技术和独特的技术,近年来为推动数字化电源技术的发展做了很多努力,从电源监控数字化到电源控制全数字化都进行了深人研究,品尝了产品开发过程中的酸甜苦辣,也从中获得了很好的经济效益。本文基于的电源数字控制技术在通信电源和不间断电源方面的产品化研究过程,简略介绍全数字电源产品化所要解决的部分非原理性技术问题,从中即可窥见技术成果产品化实践的一斑。

  要原因之一。笔者所在企业为国内着名的高新科技上市公司,主要业务为通信设备产品,其中的一条通信用电源产品线,以研制生产通信用组合电源、通信用不间断电源等产品,行销国内外年产值达几十亿元,产品研发投人很大,经历了高频开关电源发展的整个过程,积累了很多关键技术和独特的技术,近年来为推动数字化电源技术的发展做了很多努力,从电源监控数字化到电源控制全数字化都进行了深人研究,品尝了产品开发过程中的酸甜苦辣,也从中获得了很好的经济效益。本文基于的电源数字控制技术在通信电源和不间断电源方面的产品化研究过程,简略介绍全数字电源产品化所要解决的部分非原理性技术问题,从中即可窥见技术成果产品化实践的一斑。

  3 产品化实例分析

  3.1 通信电源

  通信用组合电源的重要组成部分是整流器模块,作为功率变换的主体,整流器模块的作用是输人来自电网的正弦交流电,通过整流变换为低压直流电输出,目前通信行业内对电源的要求比较高,制定有严格的人网标准,诸如变换效率、输人电流谐波含量、输人功率因数、输出电压纹波、输出电压稳定度、输出动态响应等性能指标等都是用户高度重视的基本参数,因此普通的整流和变换方式难以满足,需要采用功率因数校正和电磁兼容性设计等措施,这样就提出了很多技术性课题,图1示出了三相无中线输人两级电路结构的整流器设计技术。

  

  对于全数字化的通信电源整流器模块,产品化过程中需要解决的包含但不限于上述技术课题,由于其控制已经实现了大部分信号采集并且数字化,在监控通信的部件设计中可以省去一些信号采集的电路,与控制所需的信息共享。

  3.2 不间断电源

  不间断供电电源在国内外都具有非常广阔的市场,尤其是双变换在线式,其良好的输人输出性能更是广受用户青睐,占据着大部分市场,而且其比例还在继续扩大。在线式的重要组成部分是整流部件和逆变部件,两个部件作为功率变换的主体,整流部件的作用是输人来自电网的正弦交流电,通过整流变换为高压直流电,然后再由逆变部件完成高压直流变换为稳定的交流电输出。

  同样,通信行业内对的性能要求比较高,制定有严格的人网标准,诸如变换效率、输人电流谐波含量、输人功率因数、输出电压谐波含量、输出电压稳压精度、输出电压动态响应等性能指标等都是用户高度重视的基本需求,因此普通的整流和变换方式也难以满足,需要采用、逆变和设计等措施,这样又提出了很多新的技术性课题。

  对于不间断电源产品化所需要的技术,相对于整流器而言,大多可看作大功率电源,其技术组成结构有所不同,从图所示技术结构图中可以看到,与整流器模块相比,多了一个“旁路控制”部件,还有一个“变换”部件取代了整流器的“以以二变换部件”,实际上就是“一变换部件”。在逆变控制方面的技术难度也比整流器的控制要大得多,图2所示为分布式旁路三相输人三相输出的正弦波在线式或模块设计技术结构。

  

  4 数字控制技术成果产品化要点

  4.1 技术开发要求

  上面所列一些技术条目在实际产品研制中可能存在重合或交叉,有关“功率因数校正功能控制算法”、“‘高效率软开关控制算法”和“输出电压高精度稳压控制算法”等这些方面的技术课题在很多高等院校得到了比较深人的研究,一般来说原理上基本不存在问题,也是电源数字化技术的重点,只是需要进行实践验证,而在技术走向产品化过程中,由于实际的电路实现和输人输出环境并不是理想的模型理论仿真的结果与产品化的情况往往存在偏差甚至是比较大的差别,总是需要引人很多工程思想来处理解决,比如“信号采集修正设计技术”、“输人电压不平衡时的控制技术”、“输出直流电压中点平衡控制技术”、输人输出是否有中线、输入输出异常情况的快速保护,以及各种逻辑功能实现等等,这些非纯原理性技术问题的解决在产品研制过程中,总是要在一些基础技术上进行多层次综合应用开发,而且需要根据产品的业务需求进行设计和不断的补充完善,按照传统的瀑布式开发模型,这往往需要更多的研发资源投人,耗费更长的研发时间。

  4.2 产品化过程管理参考

  数字化的大功率电源产品研制过程,其资源投人大是不言而喻的,但由于其研制过程中,软件开发所占的比重相对小功率的数字电源更大,而且主要是嵌人式软件的开发,其中一部分与硬件的相关性很大,但除去这些与电路拓扑有关的技术和算法部分而外,软件开发更容易实现模块化,有很多工作是可逐步积累的,可在不同硬件平台上移植,一部分经过验证成熟的模块在不同的产品中可以实现共享,提升企业核心技术竞争能力。而用户功能需求的实现对于软件开发而言,完全可以遵循软件通常的开发模式,比如增量式模型和迭代式模型等均可以采用。

  通用的软件研发过程管理工具以及软件开发、测试验证工具和方法都可以得到应用,软件研发过程能力成熟度提升,也将提升产品研发过程能力成熟度,产品的质量将稳步提升,通过过程能力的改进和提升同时可以弱化产品质量对少数研发人员个人能力的依赖,通过项目管理,产品所需的每一部分技术都可以更加专业化能力水平提升更快。通过团队运作,其技术能力水平将决定于团队的总体能力如果团队运作比较成功,团队总体能力可以达到或超越队员的最高水平,这样一来,最终产品研发能力在各个方面都可做到尽可能地优良,最终产品研发质量自然就好。实际上这种团队运作的管理在很多企业里都有相对成熟的模型,通用型团队管理模式同样适用,可以参考借鉴。

  5 结语

  通过对关键技术的独立预研,将耗费时间比较长、影响产品性能且技术风险较大的研发工作集中优势资源进行项目开发,打好基础,掌握核心技术,形成技术平台。将一般性的综合应用技术和功能实现作为系列产品优化改进项目开发,然后根据市场需求状况选择合适的时机进行整合,经过这样的产品化过程,才能研制成功功能丰富、性能优良、工艺技术精湛、可靠性高、使用维护方便、经济性好、用户乐于接受的畅销产品。