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电源技术十篇

时间：2023-03-23 12:46:26

电源技术

电源技术篇1

2.松下4 Ah 18650型锂离子电池贾旭平

3.从IMLB2010看锂电池技术发展天津电源研究所化学与物理电源技术重点实验室

4.国内锂电池材料上市公司分析

5.新能源汽车待兴起锂离子电池写传奇

6.碳热还原法制备LiFePO4/C及其电化学性能的研究尹艳红，闫林林，范志娟，谷继峰，杨书廷

7.锂离子电池负极材料α-Fe2O3的水热合成与性能研究李娟，任保平

8.聚合物锂离子电池温升及散热特性研究李茂德，李义，周方

9.从废旧锂离子电池浸出液制备Co3O4微球梅光军，李莹雪，叶聪

10.碳酸亚乙烯酯添加剂对锂离子电池性能的影响蒙旭亮，李敏翠，邢丽丹，许梦清，李伟善

11.水热法制备锂二次NiS正极材料赵群，韩恩山，刘吉云，周从雨

12.纳米锡/聚丙烯腈热解碳复合负极材料的研究马腾波，任建国，陈宁，赵海雷，何向明

13.一次颗粒高温动力型锰酸锂制备方法郝伟

14.沉淀法合成阳极材料NiO及其SOFC性能研究郭为民，凌新龙，乐志文，陈晓伟

15.阳极掺杂纳米二氧化硅对PEMFC性能的影响研究郝立星，俞红梅，宋微，缪智力，邵志刚，衣宝廉

16.燃料电池发电系统的能量管理控制姜志玲，陈维荣，刘小强，戴朝华

17.一体式再生燃料电池双效膜电极的研究张新荣，童莉，孙毅，王涛，张伟，刘向

18.泡沫镍载铂催化硼氢化钠水解制氢苏润华，肖慧，林坚标

19.键合集成AlGaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池组分与厚度对效率的影响张玮，伍萌佳，陈鸣波

20.遵义市季节性路灯光伏系统的可行性探讨杜忠明，熊飞峤

21.基于卡尔曼滤波器的蓄电池剩余容量估算法李秉宇，陈晓东

22.铅酸蓄电池正极板栅用铅-硒合金的研究邱婵珍，李爱菊，窦传龙，张伟，陈红雨

23.电动汽车电池系统在线维护技术的研究宫学庚，马宇坤，王颖，梁枫

24.吡唑啉酮钴配合物的合成及电催化性能聂雪，彭运林，屈景年，蒋金芝，唐有根

25.航天用氢镍蓄电池P-T曲线充电控制方法研究赵海峰，马卉，杨亮，冯利军

26.FISCO系统"ia"类隔离电源的解析与设计施云贵

27.EMI滤波器高频寄生参数分析杨玉岗，许平静

28.基于IGA的PID控制软开关静止变流器的研究周伟，冀捐灶，郭庆，刘栩，王力功

29.磷酸铁锂材料的改性研究进展付亚娟，郭春雨，郝明明，韩宇，高英，刘兴江

30.锂电池正极材料磷酸铁锂的研究现状与展望李渊，李绍敏，陈亮，刘恒

31.管式固体氧化物燃料电池模型研究进展张文书，张会生

32.新型碳材料在染料敏化太阳电池中的应用李艳，王洪涛，庄全超，方亮

33.镁二次电池的研究现状石春梅，曾小勤，常建卫，努丽燕娜，丁文江

34.超级电容器应用展望刘春娜

1.信息动态

2.杜邦公司太阳电池专用新型材料——导电浆料Solamet PV16x系列贾旭平

3.中国·英利,赢在世界杯

4.欧洲太阳电池行业投资分析及前景预测

5.晶硅与薄膜太阳电池市场概述

6.质子交换膜燃料电池燃料饥饿现象梁栋，侯明，窦美玲，燕希强，邵志刚，衣宝廉

7.Ce0.8Y0.2O1.9电解质的制备及性能张丽，黄建兵，张萍，左宁，毛宗强

8.氢-空气质子交换膜燃料电池系统建模与分析张建琴，刘向，路林吉，李国欣

9.热轧对Mg-Li-Al-Ce合金电极放电性能的影响杨丛荣，汤胜，李云虎，王贵领，曹殿学

10.溶剂与pH值对溶胶凝胶法制备LiFePO4/C的影响林燕，高明霞，俞永标

11.溶胶凝胶法制备磷酸亚铁锂的研究张慧，王殿龙，王崇

12.纳米铁锡钴复合氧化物的制备与电化学性能刘斌，胡文胜，宋彬，贾殿赠

13.镁离子掺杂对Li4Ti5O12/C结构和电化学性能的影响尹艳红，范志娟，闫林林，谷继峰，杨书廷

14.基于EKF的动力锂电池SOC状态预测范波，田晓辉，马建伟

15.纳米锡镍复合氧化物贮锂材料的研究袁正勇，张慧波，陈亚东，孙聚堂

16.锂离子电池Sn-Co-C复合负极材料的合成与研究闫润宝，任建国，赵海雷，何向明，蒲薇华

17.液晶离聚物/聚苯胺导电复合材料的研究张爱玲，，吕震乾，李三喜，王松

18.ER48660型锂/亚硫酰氯电池热分析王艳峰，胡欲立，王家军

19.锂离子电池安全阀激光扫描焊接许宝忠，刘铁根，王萌，李梅，张国顺

20.锂离子电池工序中锂镍钴锰的结构变化陈朝阳，汪业喜，章金晶，杭先霞

21.LiFePO4/C正极材料的制备及电化学性能胡时光，张红梅，曹湖军，张天静，李朝晖，雷钢铁

22.Mo对储氢合金RE0.78Mg0.22(Ni0.84-xCo0.15Al0.01MOx)3.5的结构及电化学性能的影响汪保国，杨传铮，，张灏，夏保佳，何丹农

23.高功率阀控式密封铅酸蓄电池的设计项文敏，唐明跃，沈焕刚，王金玉

24.直通管模型气体扩散电极的电流分布计算朱梅，徐献芝，吴飞

25.纳米添加剂对镍氢电池正极电化学性能的影响陈其猛，易双萍，赵渺，王震虎，朱燕娟

26.基于半导体温差发电的数码设备充电装置黄学章，徐冰，张韬，包涵，郭智群

27.一种低压低功耗Rail-to-Rail运算放大器的设计邹国辉，颜永红

28.基于有限元仿真的反激变压器优化设计耿晓静，羊彦，景占荣

29.光伏并网系统中的数字锁相环李玲，谢利理，脱秀林，秦旭

30.关于提高LiFePO4振实密度的研究进展时喜喜，郭春雨，易炜，付亚娟，郝明明

31.PVDF凝胶聚合物电解质的研究进展丁银，阮艳莉，汤恩旗

32.太阳能热发电技术最新进展与前景研究孙德胜，陈雁

1.信息动态

2.国家产业政策调整电动车发展借东风刘春娜

3.雪佛兰Volt电动车用T型电池组

4.丰田的新能源汽车

5.做绿色环保的铅酸蓄电池——访铅酸蓄电池专家陈红雨李蔚

6.不同碳源制备LiFePO4/C复合正极材料孙学磊，戴永年，姚耀春

7.共沉淀法制备LiNi0.5Mn1.5O4正极材料及其性能林晓园，陈立宝，王太宏

8.锂离子电池用电解铜箔的择优取向陈朝阳，章金晶，杭先霞，汪业喜

9.不同阴离子对MnO2结构、形态和电化学性能的影响陈喻娟，文建国，阮湘元，杭义萍

10.超级电容器用(RuO2/MnO2)·n H2O复合电极的研究甘卫平，马贺然，师响，刘泓，李祥

11.燃料电池单电池电压检测系统设计卫东，郑东，褚磊民

12.甲醇和异丙醇在铂和钯电极上氧化王东耀，郭仕恒，徐常威

13.渐变型流场对PEM燃料电池性能的影响张小娟，张宁，郦文忠

14.乙烯基酯树脂/膨胀石墨燃料电池复合双极板杜超，明平文，侯明，傅杰，邵志刚，衣宝廉

15.氟橡胶复合材料作为钒电池集流板的研究夏利平，林昌武，罗冬梅，张爱民

16.独立太阳能光伏发电系统储能单元设计魏建新，路一平，秦景

17.基于S函数的光伏组件建模与仿真聂鑫，姚国兴

18.逆变器并联系统阻抗分析朱子梁，亓迎川，王杰，孙中华

19.用于气液两相流测量的正弦电流激励源的设计张志强，董峰，许聪

20.基于比例谐振和谐波补偿的逆变器电流控制陈晓云，王维庆

21.三相逆变器的电容电流滞环控制方式研究王家乐，薛海芬

22.混合型有源滤波装置设计与应用研究侯秀梅，李岩，康洪波

23.基于断电残压的电动机故障诊断董涛，程培源，樊波，任剑波

24.通信机房谐波治理的研究刘兴纲，张剑锋，杜春晖

25.太阳能光伏通信电源的研究和设计康洪波，秦景，路一平，张晔

26.变电站蓄电池性能远程在线监测系统研制程江洲，温新叶，冯正华

27.阀控式铅酸蓄电池活化修复仪的设计与应用于小冬

28.燃料电池汽车氢气管理系统测试平台的构建宋锦刚，宋锦明

29.一种新型单级三相Buck变换器的设计杜志勇，王鲜芳，宋守云

30.智能建筑供配电监控系统的设计与实现王文亮，申健

31.炭材料在铅酸电池中的应用张浩，曹高萍，杨裕生

32.钙钛矿型固体氧化物燃料电池阴极材料吕世权，龙国徽，孟祥伟，纪媛，王小敏，孙翠翠

33.电化学电容器电极材料研究现状梁子雷，陈崇宽，陈彤，刘继波，米国民

34.电极材料Li4Ti5O12制备方法研究进展刘浩文，刘针邑，唐定国

35.导弹电源系统设计及发展趋势张春晓，刘仕伟

2.美国Bloom energy公司推出固体氧化物燃料电池微型电站贾旭平

3.索尼公司新型生物燃料电池陈梅

4.氢燃料电池步伐坚定地走向市场——记第18届世界氢能大会毛宗强

5.氢能——绿色能源的未来刘春娜

6.石墨-钛酸锂复合阳极材料的制备及性能陈京才，崔燕，夏信德，童叶翔，CHEN Jing-cai，CUI Yan，XIA Xin-de，TONG Ye-xiang

7.Si1.18Co0.6B0.6Zn0.12/MGS复合材料作负极的电化学性能李明齐，LI Ming-qi

8.循环次数对C/LiNiMnCoO2电池中锂离子扩散系数的影响林立，张祥功，张伟，费新坤，LIN Li，ZHANG Xiang-gong，ZHANG Wei，FEI Xin-kun

9.锂离子电池工序中石墨结构变化的研究陈朝阳，汪业喜，章金晶，杭先霞，CHEN Zhao-yang，WANG Ye-xi，ZHANG Jin-jing，HANG Xian-xia

10.对甲苯磺酸对钒电池负极液的影响刘联，刘效疆，李晓兵，常芳，冯秀丽，孟凡明，LIU Lian，LIU Xiao-jiang，LI Xiao-bing，CHANG Fang，FENG Xiu-li，MENG Fan-ming

11.高温处理对热电池正极材料氯化镍性能的影响郭永全，赵晋峰，李潇，鹿学玲，高文明，朱金城，GUO Yong-quan，ZHAO Jin-feng，LI Xiao，LU Xue-ling，GAO Wen-ming，ZHU Jin-cheng

12.基于质子交换膜燃料电池的发电系统设计张焕文，何炳林，余晓丽，ZHANG Huan-wen，HE Bing-lin，YU Xiao-li

13.锌银电池用电沉积锌粉的研究李仕锦，黄琳琳，毕显，姜家栋，LI Shi-jin，HUANG Lin-lin，BI Xian，JIANG Jia-dong

14.太阳能风能互补通讯基站智能管理电源研制邱望标，胡鹏飞，李超，QIU Wang-biao，HU Peng-fei，LI Chao

15.超级电容器蓄电池混合电源性能研究李韶杰，LI Shao-jie

16.分布式并联冗余控制策略的研究与应用周杭霞，郑朋，胡炳孝，郑坤，ZHOU Hang-xia，ZHENG Peng，HU Bing-xiao，ZHENG Kun

17.适用于XRD的12 kW高频高压电源系统研究郑宝华，程德福，修连存，ZHENG Bao-hua，CHENG De-fu，XIU Lian-cun

18.基于SG3525的串联谐振式脉冲高压电源的研制冯德仁，龙佼佼，孙建坤，何思模，徐海波，FENG De-ren，LONG Jiao-jiao，SUN Jian-kun，HE Si-mo，XU Hai-bo

19.有源电力滤波器直流侧电压的模糊自适应控制李智华，刘振，吕振彬，LI Zhi-hua，LIU Zhen，LV Zhen-bin

20.电流平方控制的大功率LED驱动电路宋晓娟，SONG Xiao-juan

21.基于UCC25600的LLC谐振变换器设计杨帆，杨玉岗，YANG Fan，YANG Yu-gang

22.适于电机负载的新型开关电源控制方法陈德传，黄志平，CHEN De-chuan，HUANG Zhi-ping

23.EAST纵场电源均流技术研究束晓芳，程明，许留伟，江加福，廖燕川，SHU Xiao-fang，CHENG Ming，XU Liu-wei，JIANG Jia-fu，LIAO Yan-chuan

24.基于Web的通信电源监控系统的研究与设计王文亮，路一平，WANG Wen-liang，LU Yi-ping

25.电梯应急电源的优化设计范永胜，魏超，张晓峰，FAN Yong-sheng，WEI Chao，ZHANG Xiao-feng

26.基于MATLAB的逆变器无线并联的仿真设计国海，李踊鹿，GUO Hai，LI Yong-lu

27.独立光伏系统性能测试浅谈徐正元，刘文祥，朱雪梅，XU Zheng-yuan，LIU Wen-xiang，ZHU Xue-mei

28.烧结式MH-Ni电池微短路的快速确定方法郭红霞，乔月纯，张红婴，GUO Hong-xia，QIAO Yue-chun，ZHANG Hong-ying

29.质子交换膜燃料电池热力耦合仿真分析严蓉蓉，彭林法，刘冬安，YAN Rong-rong，PENG Lin-fa，LIU Dong-an

电源技术篇2

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

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

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

3）起传递脉冲、驱动和触发信号作用的脉冲变压器，驱动变压器，触发变压器；

4）起原边和副边绝缘隔离作用的隔离变压器，起屏蔽作用的屏蔽变压器；

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

6）起改变输出频率作用的倍频或分频变压器；

7）起改变输出阻抗与负载阻抗相匹配作用的匹配变压器；

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

9）起交流和直流滤波作用的滤波电感器；

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

11）起吸收浪涌电流作用的吸收电感器，起减缓电流变化速率的缓冲电感器；

12）起储能作用的储能电感器，起帮助半导体开关换向作用的换向电感器；

13）起开关作用的磁性开关电感器和变压器；

14）起调节电感作用的可控电感器和饱和电感器；

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

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

2电源技术对电子变压器的要求

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

2.1使用条件

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

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

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

2.2完成功能

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

功率传送有2种方式。第一种是变压器传送方式，即外加在变压器原绕组上的交变电压，在磁芯中产生磁通变化，使副绕组感应电压，加在负载上，从而使电功率从原边传送到副边。传送功率的大小决定于感应电压，也就是决定于单位时间内的磁通密度变量ΔB。ΔB与磁导率无关，而与饱和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有关。从饱和磁通密度来看，

各种软磁材料的Bs从大到小的顺序为：铁钴合金为2.3～2.4T，硅钢为1.75～2.2T，铁基非晶合金为1.25～1.75T，铁基微晶纳米晶合金为1.1～1.5T，铁硅铝合金为1.0～1.6T，高磁导铁镍坡莫合金为0.8～1.6T，钴基非晶合金为0.5～1.4T，铁铝合金为0.7～1.3T，铁镍基非晶合金为0.4～0.7T，锰锌铁氧体为0.3～0.7T。作为电子变压器的磁芯用材料，硅钢和铁基非晶合金占优势，而锰锌铁氧体处于劣势。

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

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

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

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

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

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

2.3提高效率

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

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

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

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

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

2.4降低成本

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

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

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

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

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

所以，一个好的电子变压器设计者，除了要了解电子变压器的理论和设计方法而外，还要了解各种软磁材料，电磁线，绝缘材料的性能和价格；还要了解磁芯加工和热处理工艺，线圈绕制和绝缘处

理工艺和结构组装工艺；还要了解实现质量控制的检测参数和仪器设备；还要了解生产管理的基本知识以及电子变压器的市场动态等等。只有知识全面的设计者，才能设计出性能好，价格低的电子变压器。

3新软磁材料在电子变压器中的应用

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

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

3.1硅钢

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

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

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

与研制6.5％硅钢的同时，日本还开发了硅含量呈梯度分布的硅钢。

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

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

最近报导，日本开发出用于中高频电子变压器的硅钢新品种——添加铬（Cr）的硅钢。在4.5％硅钢中，添加4％铬，电阻率可达82μΩ·cm，而一般3％取向硅钢电阻率为44μΩ·cm，牌号为“HiFreqs”。0.1mm厚添加铬的硅钢损耗低，P0.2/5k为20.5W/kg，P0.1/10k为10W/kg，P0.05/20k为5W/kg；延伸性即加工性好，与3％硅钢一样，可以进行冲剪，铆固加工；耐腐蚀性好，在盐水和湿气中，不涂层也不腐蚀。已用这种添加铬的硅钢制成25kHz开关电源用滤波电感器，铁芯损耗为22W/kg，比6.5％硅钢（36W/kg）和铁基非晶合金（29W/kg）小。还用它制成70kHz感应加热装置的电子变压器，比0.1mm厚3％取向硅钢发热显著减少，寿命延长4倍以上。

3.2软磁铁氧体

软磁铁氧体的特点是：饱和磁通密度低，磁导率低，居里温度低，中高频损耗低，成本低。前三个低是它的缺点，限制了它的使用范围，现在正在努力改进。后两个低是它的优点，有利于进入高频市场，现在正在努力扩展。

以100kHz，0.2T和100℃下的损耗为例，TDK公司的PC40为410mW/cm3，PC44为300mW/cm3，PC47为250mW/cm3。TOKIN公司的BH1为250mW/cm3，损耗不断在下降。国内金宁生产的JP4E也达到300mW/cm3。

不断地提高工作频率，是另一个努力方向。TDK公司的PC50工作频率为500kHz至1MHz。FDK公司的7H20，TOKIN的B40也能在1MHz下工作。Philips公司的3F4，3F45，3F5工作频率都超过1MHz。国内金宁的JP5，天通的TP5A工作频率都达到500kHz至1.5MHz。东磁的DMR1.2K的工作频率甚至超越3MHz，达到5.64MHz。

磁导率是软磁铁氧体的弱项。现在国内生产的产品一般为10000左右。国外TDK公司的H5C5，Philips公司的3E9，分别达到30000和20000。

采用SHS法合成MnZn铁氧体材料的研究，值得注意。用这种方法的试验结果表明，可以大大降低铁氧体的制造能耗和成本。国内已有试验成功的报导。

3.3非晶和纳米晶合金

铁基非晶合金

在工频和中频领域，正在和硅钢竞争。铁基非晶合金和硅钢相比，有以下优缺点。

1）铁基非晶合金的饱和磁通密度Bs比硅钢低，但是，在同样的Bm下，铁基非晶合金的损耗比0.23mm厚的3％硅钢小。一般人认为损耗小的原因是铁基非晶合金带材厚度薄，电阻率高。这只是一个方面，更主要的原因是铁基非晶合金是非晶态，原子排列是随机的，不存在原子定向排列产生的磁晶各向异性，也不存在产生局部变形和成分偏移的晶粒边界。因此，妨碍畴壁运动和磁矩转动的能量壁垒非常小，具有前所未有的软磁性，所以磁导率高，矫顽力小，损耗低。

2）铁基非晶合金磁芯填充系数为0.84～0.86，

与硅钢填充系数0.90～0.95相比，同样重量的铁基非晶合金磁芯体积比硅钢磁芯大。

3）铁基非晶合金磁芯的工作磁通密度为

1.35T～1.40T，硅钢为1.6T～1.7T。铁基非晶合金工频变压器的重量是硅钢工频变压器的重量的130％左右。但是，即使重量重，对同样容量的工频变压器，磁芯采用铁基非晶合金的损耗，比采用硅钢的要低70％～80％。

4）假定工频变压器的负载损耗（铜损）都一样，负载率也都是50％。那么，要使硅钢工频变压

器的铁损和铁基非晶合金工频变压器的一样，则硅钢变压器的重量是铁基非晶合金变压器的18倍。因此，国内一般人所认同的抛开变压器的损耗水平，笼统地谈论铁基非晶合金工频变压器的重量、成本和价格，是硅钢工频变压器的130％～150％，并不符合市场要求的性能价格比原则。国外提出两种比较的方法，一种是在同样损耗的条件下，求出两种工频变压器所用的铜铁材料重量和价格，进行比较。另一种方法是对铁基非晶合金工频变压器的损耗降低瓦数，折合成货币进行补偿。每瓦空载损耗折合成5～11美元，相当于人民币42～92元。每瓦负载损耗折合成0.7～1.0美元，相当于人民币6～8.3元。例如一个50Hz，5kVA单相变压器用硅钢磁芯，报价为1700元/台；空载损耗28W，按60元人民币/W计，为1680元；负载损耗110W，按8元人民币/W计，为880元；则，总的评估价为4260元/台。用铁基非晶合金磁芯，报价为2500元/台；空载损耗6W，折合成人民币360元；负载损耗110W，折合成人民币880元，总的评估价为3740元/台。如果不考虑损耗，单计算报价，5kVA铁基非晶合金工频变压器为硅钢工频变压器的147％。如果考虑损耗，总的评估价为89％。

5）现在测试工频电源变压器磁芯材料损耗，是在畸变小于2％的正弦波电压下进行的。而实际的工频电网畸变为5％。在这种情况下，铁基非晶合金损耗增加到106％，硅钢损耗增加到123％。如果在高次谐波大，畸变为75％的条件下（例如工频整流变压器），铁基非晶合金损耗增加到160％，硅钢损耗增加到300％以上。说明铁基非晶合金抗电源波形畸变能力比硅钢强。

6）铁基非晶合金的磁致伸缩系数大，是硅钢的3～5倍。因此，铁基非晶合金工频变压器的噪声为硅钢工频变压器噪声的120％，要大3～5dB。

7）现行市场上，铁基非晶合金带材价格是0.23mm3％取向硅钢的150％，是0.15mm3％取向硅钢（经过特殊处理）的40％左右。

8）铁基非晶合金退火温度比硅钢低，消耗能量小，而且铁基非晶合金磁芯一般由专门生产厂制造。硅钢磁芯一般由变压器生产厂制造。

根据以上比较，只要达到一定生产规模，铁基非晶合金在工频范围内的电子变压器中将取代部分硅钢市场。在400Hz至10kHz中频范围内，即使有新的硅钢品种出现，铁基非晶合金仍将会取代大部分0.15mm以下厚度的硅钢市场。

值得注意的是，日本正在大力开发FeMB系非晶合金和纳米晶合金，其Bs可达1.7～1.8T，而且损耗为现有FeSiB系非晶合金的50％以下，如果用于工频电子变压器，工作磁通密度达到1.5T以上，而损耗只有硅钢工频变压器的10％～15％，将是硅钢工频变压器的更有力的竞争者。日本预计在2005年就可以将FeMB系非晶合金工频变压器试制成功，并投入生产。

非晶纳米晶合金在中高频领域中，正在和软磁铁氧体竞争。在10kHz至50kHz电子变压器中，铁基纳米晶合金的工作磁通密度可达0.5T，损耗P0.5/20k≤25W/kg，因而，在大功率电子变压器中有明显的优势。在50kHz至100kHz电子变压器中，铁基纳米晶合金损耗P0.2/100k为30～75W/kg，

铁基非晶合金P0.2/100k为30W/kg，可以取代部分铁氧体市场。

非晶纳米晶合金经过20多年的推广应用，已经证明其具有下述优点：

1）不存在时效稳定性问题，纳米晶合金在200℃以下，钴基非晶合金在100℃以下，经过长期使用，性能无显著变化；

2）温度稳定性比软磁铁氧体好，在－55℃至150℃范围内，磁性能变化5％～10％，而且可逆；

3）耐冲击振动，随电源整机在30g下的振动试验中，均未发生过性能恶化问题；

4）铁基非晶合金脆性大大改善，带材平整度良好，可以剪切加工，也可以制成搭接式卷绕磁芯，经过5次弯折或拆卸，性能无显著变化。

3.4软磁复合材料

经过争论，现在对磁粉芯等已经取得了一致认识，即认为它属于软磁复合材料。软磁复合材料是将磁性微粒均匀分散在非磁性物中形成的。与传统的金属软磁合金和铁氧体材料相比，它有很多独特的优点：磁性金属粒子分散在非导体物件中，可以减少高频涡流损耗，提高应用频率；既可以采取热压法加工成粉芯，也可以利用现在的塑料工程技术，注塑制造成复杂形状的磁体；具有密度小，重量轻，生产效率高，成本低，产品重复性和一致性好等优点。缺点是由于磁性粒子之间被非磁性体分开，磁路隔断，磁导率现在一般在100以内。不过，采用纳米技术和其他措施，国外已有磁导率超过1000的报导，最大可达6000。

软磁复合材料的磁导率受到很多因素的影响，如磁性粒子的成分，粒子的形状，尺寸，填充密度等。因此，根据工作频率可以进行调整。

磁粉芯是软磁复合材料的典型例子。现在已在20kHz至100kHz甚至1MHz的电感器中取代了部分软磁铁氧体。例如铁硅铝磁粉芯，硅含量为8.8％，铝为5.76％，剩余全为铁。粒度为90～45μm，45～32μm和32～30μm。用硅树脂作粘接剂，1％左右硬脂酸作剂，在2t/cm2压力下，制成13×8×5的环形磁芯，在氢气中用673°K，773°K，873°K退火，使磁导率达到100，300，600。在100kHz下损耗低，已经代替软磁铁氧体和MPP磁粉芯用于电感器中。

已经有人对大功率电源的电感器用软磁复合材料——磁粉芯进行了开发研究。在20kHz以下，磁导率基本不变。在1.0T下，磁导率为100左右。50Hz～20kHz

损耗小，可制成100kg重量以上的大型的磁芯，而且在20kHz下音频范围，噪声比环形铁氧体磁芯降低10dB。可以在大功率电源中代替硅钢和软磁铁氧体。

有人用钴/二氧化硅（Co/SiO2）纳米复合软磁材料制作不同于薄膜的大尺寸磁芯。钴粒子平均尺寸为30μm，填充度40％至90％，经过搅拌后，退火形成Co/SiO2纳米复合粉，然后压制成环形磁芯。磁导率在300MHz以下，都可达到16。镍锌铁氧体的磁导率为12，而且在100MHz以后迅速下降。证明在高频和超高频下，软磁复合材料也可取代部分铁氧体市场。

4新磁芯结构在电子变压器中的应用

4.1搭接式卷绕磁芯

搭接式卷绕磁芯最早用于非晶合金配电变压器。它既有卷绕磁芯优点，激磁电流小，空载损耗低，又可以打开装卸线圈，消除一般卷绕磁芯的缺点，不需要用专用绕线机绕制线圈，生产效率提高，线圈出现问题时也便于更换和维修。现有3％取向硅钢的厚度已减薄到0.23mm和0.27mm，用它们制造搭接式卷绕磁芯比非晶合金更容易。因此，搭接式卷绕磁芯有可能用于500VA以上的硅钢电源变压器，尤其是大容量整流电源和不停电电源中的硅钢电源变压器。

4.2立体三角形磁芯

立体布置的三角形三相磁芯，现在正在国内风行。最早出现立体三角形磁芯可追溯到20世纪30年代，但是，由于磁芯需要特殊剪切加工，线圈需要专用绕线机绕制，而未能推广应用。现在可以用计算机控制磁芯剪切加工，已经有专用绕线机绕线。国内有5—6家企业在申请立体三角形磁芯变压器的专利。立体布置的三角形三相磁芯与平面布置的三柱式三相磁芯相比，磁通分布均匀，不会出现局部饱和，激磁电流和磁通的对称性好。问题是各个柱的截面要形成接近圆形相当困难，绕组平均匝长增加，负载损耗也会增加。可用于30kVA以上的大型变压器。

4.3正交形磁芯

把C型磁芯的一半旋转90°，再接合在一起，就形成正交形磁芯。可以用直流控制绕组控制正交形磁芯的电感。日本索尼公司已经用软磁铁氧体制成这种磁芯，叫SX形磁芯，并且已经用于各种电视机的开关电源，作为驱动变压器，控制它的电感，使电路出现电压谐振或者电流谐振，而实现软开关条件。日本东北大学和东北电力公司已经用硅钢制成这种磁芯，用于功率补偿器和移相器，控制电力系统的有功和无功功率。与晶闸管功率补偿器和移相器相比，具有高次谐波少，电磁干扰小，控制电路简单等特点。

4.4磁性液体磁芯

有人曾设想过，用注塑机加工变压器磁芯，可以避免硅钢磁芯冲片，热处理，叠片，组装等多道工序。现在正在开发磁性液体磁芯可以实现这种设想，用工程塑料做成磁芯外壳，中间注入磁性液体，表面再用磁性片封住。这样，大量生产的中小型电源变压器的加工效率可以显著提高，使成本降低，与叠片式硅钢磁芯相比具有明显的优势。

5结语

电源技术篇3

为了向读者介绍最新的电源与电源管理技术，本刊采访了一些著名公司，包括Ns，Maxim，Linear，ON Semiconductor，Microchip，Fairchild，Renesas　 Technology，Infineon等，他们就电源与电源管理技术的发展趋势、创新技术、新产品及其应用、典型解决方案等发表了独特见解。下面是访谈录。

电源供应及电源管理技术将朝着以下的几个方向发展：

容易使用：

可靠的防护设计：

较高的功率密度。

容易使用

许多客户都并非电源管理技术的专家，他们只想利用高效率的开关稳压器为他们设计的电路提供稳压供电。自1990年以来，美国国家半导体(NS)便一直为客户提供Simple Switcher开关稳压器。目前推出的 Simple Switcher开关稳压器及SimpleSwitcher控制器属于第5代的产品，其特点是适用于宽输入电压范围。而且体积极小，但可以输出极高的电流，只需极少外置元件。美国国家半导体的WEBENCH设计工具一直大受客户欢迎。现在这套工具的功能又有进一步的提升，以便客户设计新产品时可以获得更可靠的技术支持。WEBENCH设计网页是个一站式的设计平台。客户可以通过这个平台挑选电源管理芯片，就电路设计进行模拟测试，以便微调及优化系统设计，而且整个设计过程只需几分钟便可完成。

可靠的防护设计

若要确保产品高度稳定可靠，客户必须采用加设了可靠防护装置的电源管理产品。许多新推出的电源管理产品都有基本的周期限流功能，以免系统出现过载及短路情况。此外，许多新产品还另外提供多一重的防护。例如打嗝或电压／频率折回(foldback)功能。美国国家半导体降压稳压器的限流保护点非常准确。以LMZ0000系列降压稳压器为例，在指定温度范围内的温度操作，这系列产品的限流值都极为准确，偏差不会超过±10％。相较之下，市场上同类产品的偏差率高达±20％至30％。

较高的功率密度

由于供电系统占用越来越少印制电路板的板面空间，因此电源管理解决方案的功率密度必须不断提高。目前有多个办法可以解决这个问题，例如采用更高的开关频率、更先进的封装技术以及更精密的生产工艺。作为电源管理芯片生产工艺的领导者，NS拥有先进的技术及丰富的设计经验，因此可以解决客户的供电系统设计问题。

NS响应电源管理技术的发展趋势推出多款新产品，其中包括以下几种。

LM2267x及LM22680芯片(属于第5代Simple Switcher的产品)适用于宽输入电压范围(4.5V至42V)，而且可以输出高达5A的电流。客户可以利用WEBENCH设计工具挑选合适的Simple Switcher开关稳压器，然后按照自己的要求设计电源供应系统，整个设计过程只需几分钟便能完成。

LM20000系列降压稳压器是设计高能源效率、高度可靠电源供应系统的理想解决方案。LM20000系列芯片与Simple Switcher开关稳压器大致相同，共有14个不同的型号，各有不同的电压及电流额定值。这系列芯片的限流值保护点非常准确，偏差不超过±10％，而且一旦过载情况持续，会利用电压／频率折回功能解决问题。

LM34917A是另一款高功率密度的稳压器芯片。这款开关稳压器适用于高输入电压，而且方案体积小巧，最适用于汽车摄影机等必须采用高输入电压的系统。1.25A的LM34917A开关稳压器可以承受高达33V的输入电压，而且采用只有1.97×2.30mm2的μSMD封装。

电源与电源管理的发展趋势是：

安全、可靠的电池充电器设计仍然是便携式消费类产品关注的问题。Maxim利用专有的半导体工艺，将高压充电FET集成在PMIC内部，无需外部过压保护电路即可保证充电的安全性。MAX8677A允许Ac适配器输入和USB输入，内部功率开关和控制电路实现充电／系统供电电源的智能选择。系统供电管理电路可以在没有电池连接或电池已经深度放电、或者是给设备充电时，继续为负载供电。

功能越来越丰富、尺寸越来越小。例如：在手机，特别是智能手机中集成wiFi、GPS、8M像素照相机、QWERTY键盘等功能：Maxim创新的模块化设计可大大降低系统成本和元件数量，较高的开关频率允许使用微小的外部元件。从而为便携产品设计提供强大支持。不同的手机制造商会采用不同的基带和应用处理器，Maxim PMIC：的模块化设计能够针对用户的特殊需求，提供定制设计。

MAX8660／MAX8661 PMIC专为基于第三代MarvelI Xscale技术的Monahans应用处理器而设计，可以支持Xscale处理器工作于智能手机、PDA、便携媒体播放器，GPS导航器以及其它需要大量计算和多媒体能力的低功耗设备中。MAX8660在5mm×5mm×0.8mm、40引脚TQFN封装内集成有8路高性能、低工作电流的电源，I2C接口，以及监控功能。器件完全兼容于Monahans电源的I2C寄存器设置，满足所有Monahans处理器的电压门限、电源排序以及上电斜率要求。该器件的高度兼容性可使软件开发和上市时间最小化。

3G是2009年到2010年的目标市场，高效的PA电源管理方案有助于延长电池的使用寿命，Maxim针对高端智能手机推出了可动态调节PA集电极电压的电源管理IC MAX8805。器件采用2ram×2mm晶圆级封装(WLP)，用于支持WCDMA／NCDMA功率放大器(PA)供电。内部集成了高效降压转换器，适用于中等功率和小功率无线传输应用，同时还具有60mQ的旁路FET，可提供1.5A的峰值电流。

通过分析若干即将在LED驱动器IC需求量增长过程当中发挥作用的“催化剂”，我们不难发现LED将迅速成为一种主流照明光源。其中的4个主要的推动力是汽车照明、LED光输出、LED成本因素及其有望取代白炽灯泡的潜在用途。

许多中高档多媒体移动电话、PMP播放器和DSC基本上都采用具1Ah至1.2Ah容量的电池，而迷你型亚笔记本电脑／平板个人电脑则采用1.5Ah-2Ah容量电池。因此，凌力尔特(Linear)采用专利热调整电路的线性电池充电器产品线成功地解决了由高电流线性稳压器所引起的潜在热问题(当充电器IC位于器件内部时)。由于电池容量的增加以及人们对快速充电时间需求的继续存在，因此对于保持合理的PCB温度而言，线性热调整将变得日益重要起来。此外，如果需要大于IA的电池充电电流，凌力尔特则为客户提供了效率接近95％的单片式同步开关电池充电器，从而能够最大限度地减少热设计的约束。

凌力尔特的LTC3562是一款四通道、高效率、2.25MHz、同步降压型稳压器，能够从一个3mm×3mmQFN封装桌提供双通道600mA和双通道400mA连续输出。每个通道都能够通过板载I2C接口(两个通道通过I2C，两个通道通过RUN引脚)进行独立控制(包括输出电压)，从而使其适合于诸如微处理器等要求动态调整输出电压的应用。

凌力尔特拥有众多旨在满足LED驱动设计要求的产品。LT3595、LT3518和LT3755便是部分产品实例。

LT3595降压模式LED驱动器具有16个单独的通道，备通道能够从高达45V的输入来驱动一个由多达lO个50mA LBD所组成的LED串。每个LT3595将能够驱动多达Z60+SOmA白光LED。一台46英寸LCD TV将需要为每部HDTV配用约10个LT3595。它的16个通道均可以独立控制，并具有一个能够提供高达5000：1 PwM调光比的单独PWM输入。

凌力尔特最新推出一款LT3513。该转换器具有5个独立受控的稳压器，用于提供一个TFT-LCD屏内部所有必要的电源轨。

LT3755／-1是一款60V、高压侧电流检测DC／DC控制器，专为从一个4.5至40V的输入电压范围来驱动高电流LED而设计。LT3756／-1采用了相同的设计，但可以从6V至IOOV的输入来提供至100V的输出。这两款器件都非常适合于众多的应用，包括汽车、工业和建筑照明。对于那些需要高于40V输入电压(比如：48V电源轨)的应用，LT3756／-1将是优选的解决方案。

电源和电源管理技术发展的焦点仍将是利用恰当的技术以用更少的电能来实现与日增多的应用功能，从而提升电源能效，这涉及提高电源工作效率、降低待机能耗及改善功率因数(PFC)等。

我们看到人们越来越需求极高能效的终端产品，而世界各国的能效规范标准也在不断演进。所以电子制造商将需要在不同输入电压和负载条件下，推出能在真实世界环境下具高能效的电源产品。

如在计算机市场，安森美半导体除了具备vcore的专长，还开发多种系统电源产品，如控制器、驱动器、音频放大器、MOSFET和EEPROM，用于增强我们在笔记本、台式电脑和服务器领域的价值主张。以笔记本应用为例，最新的7位可编程多相同步降压开关稳压控制器ADP3212，可编程进行1相、2相或3相操作，完全符合IMVP 6.5版规范，用于英特尔下一代处理器的笔记本电源。这器件的一项重要优势是能够动态地追踪变化的电压识别(VID)代码，使移动处理器的Vcc。电压能够无须重设控制器或CPU而进行改变，使CPU在工作中能够动态地降低内核电压，降低电池电能消耗、延长使用时间。

在汽车市场，我们与领先的汽车OEM协作，发挥我们的设计、销售和供应链资源优势、配以丰富的产品系列。包括AsIC、cAN和LIN收发器、马达控制、驱动器、MOSFET和分立器件等。以NCV7708A为例，这是一款完全保护的双6路半桥驱动器，特别适合汽车中的运动控制应用。6个低端控制器和6个高端驱动器能够自由配置，并能单独控制，支持高端、低端和H桥控制。这器件在休眠模式下的静态电流极低。

在电源市场，我们新推出的GreenPoint 255 w ATX公开参考设计在所有负载点都提供88％高的电源能效，且在真实世界(而非实验室)条件下提供极高能效，远高于市场标准，而且其配置可立即投产。高效电子(Hipro Electronics)台式电脑电源应用。

在便携消费市场，我们提供用于显示和背光、音／视频、互连和电源管理等四个主要关键子系统的解决方案。如我们的照明管理集成电路NCPS890在极小封装中集成了LCD背光、装饰光控制和环境乐感测功能，能够根据环境光的亮度来调节背光电流，从而延长电池使用时间。

而在不断兴起的LED应用领域，安森美半导体提供一系列的LED驱动电源解决方案，包括可集成最高700V高压FET的离线型AC-DC开关电源解决方案、宽输入范围的中等电压LED应用DC-DC电源解决方案和LED便携背光应用电源解决方案等。

能源成本的骤增(也可以说是不可预期)促进了对节能技术的需求。无论是电子消费品还是商业应用，电机和照明在总能耗中都占相当大的比重。嵌入式单片机(MCU)及相关模拟外设具有高效的电源转换功能，还提供可降低能耗的智能工作模式。

利用8位、16位和32位MCU可以实现廉价的电机控制方案。PIC16HV616等MCU包含PWM模块及其他模拟外设，能对步进电机以及有刷和无刷电机进行控制。

Microchip Technology(美国微芯科技公司)的dsPIC33珂12MC201 DSC提供了高度优化、兼具成本效益的解决方案，能实现三相电机的高级控制。这款20引脚的DSC(数字信号控制器)器件包含一个快速模数转换器(ADC)和一个电机控制PWM模块，前者能够同时采集多通道的信号，后者则具备管理三相电机功率控制级所需的功能。

许多国家如今已经贯彻了将逐步淘汰低能效白炽灯的规划。目前，荧光灯是使用最广泛的替代品。但是，LED在普通照明应用中的使用也与日俱增。LED的工作寿命非常长，最终能够提供比荧光技术更高的效率。

道康宁推XIAMETER品牌建最大有机硅交易平台

日前，道康宁公司宣布，正式升级在线交易平台，强化XIAMETER品牌来建立世界最大的网上有机硅产品市场。

据XIAMETER业务部全球执行总监雪莉女士介绍，2002年推出的XIAMETER商业模式并不适用于所有用户，随着客户需求的不断变化，此次全面对XIAMETER商业模式进行升级，使其可以为更多数的客户服务。

据了解，新的XIAMETER商业模式所提供的产品数量增加了一倍以上，在全球各地由道康宁生产的标准有机硅产品现在都可以在XIAMETER品牌下购买到。产品家族系列从二甲基硅油和乳液至DIY及专业建筑工程所需的密封胶，还有橡胶基胶、混合物和有机硅烷等。这些原料是个人护理、建筑、汽车、纺织、造纸业、能源和其他等工业提升效能的必需品。

雪莉表示，如果需要，客户可以继续大量地以油罐车或货柜车为单位来购买。不过，很多客户需要以更小量订购。虽然该公司仍有最低起订量的要求，但客户现在可以以托盘数量或以更符合自己需要的小批量来购买产品。史无前例地，客户可从当地经销商处购买到XIAMETER品牌下的产品。这样可以配合一些喜欢享受当地采购的便利或采购数量低于最低购货量的客户。

雪莉说：“我们的经销商是我们成功的重要因素，并将继续与道康宁和XIAMETER品牌共存。”

LED需要高效的恒流驱动器。该驱动器结合智能控制技术，使LED很可能会成为一种非常独特的光源。

可采用不同的策略将智能控制与LED驱动器相结合。首先，可将小型MCU与提供功率调节功能的外部模拟Ic相连。PICIOF200(单片机)可向功率Ic提供控制信号以调节LED的亮度或颜色。诸如MCP1631等器件可从MCU接收开关时钟和参考信号以提供功率调节功能。同一个McuN连接多个MCP1631器件，以对多个功率通道进行控制。

实现智能LED驱动器的另一个方法是将模拟外设与MCU功能相结合。PICl6HV785是一款8位的MCU，它集成有高速比较器、运放和一个参考电压模块。可使用模拟外设来构建所需的任何开关式或线性功率调节电路。

采用全数字方式也能实现智能LED驱动器功能。不采用模拟元件，而是使用AIDc来测量LED电流并使用软件算法对其进行调节也能实现功率调节。dsPIC30F1010 DSc具有特殊的PWM外设、高速ADc和其他旨在支持各种开关电源应用的模拟外设。

发热是LED的一个不利因素，也可能是照明装置设计人员所要解决的最关键的问题之一。必须限制LED的工作温度以保证较长的使用寿命。电子温度检测是工作在恶劣环境(比如汽车或户外)下的LED驱动器应用的理想之选。MCP9509是一款逻辑输出温度传感器，可安装在照明装置中LED附近，以检测其工作温度。MCP9509的温度跳变点可由一个电阻设定，其漏极开路输出可直接输入给模拟基准电路，以便根据比较结果切断LED电流或将电流降至安全的工作水平。如果需要比例温度控制，则可使用MCF・9700温度传感器，该传感器提供的线性电压输出信号可连接到MCU的ADc，或直接用来控制模拟基准信号。

所有类型的光源均能从通信网络获益以达到节能目的。诸如IEEE802，1S.4等网络协议为传感器、控制电路和光源间可靠的无线通信提供了一种经济有效的途径。Microchip的MRF24J40M无线收发器模块向设计人员提供了将低功耗2.4GHz无线控制技术集成到任何应用的简便方法。该模块提供经过认证的解决方案，使最终用户无需进行RF设计。

电子应用中电能的高效使用预期将成为未来数年的主要推动力量，能够提高效率水平、减少电力需求或延长电池寿命的解决方案将在未来占据重要的地位。我们认为从高能效中获益最多的领域为：电机、照明和电源。在所有这些应用中，电子含量正在增加，这为半导体供应商带来了机会，提供在这些应用中实现更高能效的电源解决方案。

FAN9612是飞兆半导体提供的临界导通模式(BCM)交错式功率因数校正(PFC)控制器，用于数字电视、台式电脑和入门级服务器、前端电信系统，以及额定功率范围从100W至1000W的业电源系统之电源。由于FAN9612采用交错方式，并在所有运作条件下都保持两个功率级精确的180度相差，因此能够降低导通损耗。这些节能优势是帮助用户满足最新的“能源之星”和“电脑节能拯救气候行动”要求所不可或缺的。通过电源轨的交错排列，FAN9612还可以减小输入滤波器尺寸，较其它解决方案能减少线路板空间多达10％。这种更小系统尺寸的优点在于降低了解决方案的总体成本。

FANS355是用于动态电压调节(DVS)应用的同级最佳3MHz解决方案，能够提供高达1A的电流。这一产品在手机和上网本中的典型应用包括：用于处理器的动态功率调整和用于DDg2g~LFDDR2内存的供电。FANS361是世界上最小的600mA解决方案。其尺寸之所以能够减小是由于采用了6MHz的开关频率，允许使用微小的低成本片式电感器和电容器。FANS361具有6MHz下最高效率。

FAN2108是完全集成的8A同步降压转换器，可在宽泛的输入电压范围(3v至24V)提供高效率输出，适用于机顶盒、图形卡、负载点和工业电源网络设备等应用。同类的解决方案如要达到高效率，需要使用附加的分立组件或大量电路板空间一因而延长了设计时间和加大了终端应用的尺寸。TinyBuck器件在纤细的5ram×6ramMLP封装中集成了控制器、MOSFET和启动二极管，构成业界最小的8A解决方案。

飞兆半导体的EZSWITCH初级端调节控制器FSEZ1216和FANl02集成了初级端调节PWM控制器，其中PsEZl216更集成了一个功率MOSFET，都无需复杂的次级端反馈电路就能够轻松获得出色的恒压和恒流性能。相比振铃扼流圈转换器(RCC)分立式方案，这些PsR控制器可以简化设计；省去额外的组件；并降低总体系统成本。FSEZ1216和FANl02能够满足能源之星EPS 2.0标准所规定的更高效率要求，这一规范的强制效率要求较EPS1.1高出6％。

面向PC和服务器应用的功率MOSFET

随着需要处理的数据量的增加以及计算机服务器、膝上型电脑和通信器件等应用的存储容量的增大，CPU、GPU和存储器的技术指标也得到了提高，具体表现在低电压、大电流处理和高速率上。因此，除了快速响应和高精度以外，用于驱动CPU等器件的电源还必须具有出色的低电压和大电流处理特性。此外，出于环境保护的考虑，对高能效的需求也在不断增加，而且它使得功率MOSFET必须具有高性能、高效率、小尺寸和低损耗。为了满足这种需求，瑞萨科技公司开发了第10代功率MOSFET系列产品，其采用超细工艺节点以及优化的结构设计和封装技术来降低损耗和提高效率，并且目前正在扩展其产品系列。

稳压器(vR)电源通常用于服务器和膝上型电脑中，能够从12～20V的输入电压上为CPU和其它内部器件生成1～1.8V的输出电压。它是利用功率MOSFET通过高速开关(f=300kHz～1MHz)实现这种电压转换的。这就意味着，功率MOSFET必须是低损耗元件，并且能够在从小电流区(轻负载)到大电流区(重负载)的宽范围内进行脉冲宽度为几十毫微秒的方波的高速、高精度转换。

第10代功率MOSFET系列(漏，源电压容差30V)降低了3种主要的、会影响功率MOSFET VR电源操作的损耗：传导损耗、开关损耗和驱动损耗。跟第9代产品相比，其导通电阻(RDson)约低30％，与RDson具有互反关系的漏，栅负载(Qgd)约低30％，栅电荷(Qg)约低27％(后两者均与具有同等导通电阻的早期器件相比)。第10代功率MOSFET系列产品整合了高速开关和低驱动损耗，从而实现了小型电源、降低了损耗、提高了效率。

采用的封装形式包括LFPAK(无损耗封装，瑞萨科技公司封装编号)小型封装，具有出色的散热性能和低感抗特性，这在高效电源领域是为大家所公认的；WPAK(瑞萨科技公司封装编号)超薄封装，其中用铝带代替了传统的金丝，可以将封装电阻降低一半：SOP-8。用户可以选择最符合其应用要求的封装。

该系列中即将推出的产品包括：

面向服务器和膝上型电脑电源的低导通电阻系列产品(如RJK0 346DPA(WPAK)，Rns(on)=1.5mΩ(典型值)。)

作为一种小型解决方案，WPAKDual型产品在单个封装内整合了优化的高端和低端元件(这2种元件采用了SBD，并且能够在高频和更低的EMI水平下提供更高的效率。)

归入第10代功率MO SFET的WPAK Dual(RJK0383DPA)将输出电流从先前的5A左右提高到了10-15A。各种版本的产品均提供针对通信基站或计算机服务器分布式电源系统用砖式电源内的一级切换和二级同步整流进行了优化的特性。漏，源电压容差为40～200V的产品也将纳入该产品系列的行列。

MOSFET满足新能效目标

电脑产业拯救气候行动计划(Climate Savers)发起的80PLUS Gold金牌认证规定的新能效目标(图1)，要求在美国能源之星计划当前的要求基础上，再使计算机的能效提高约10％。英飞凌(Infineon)为此大力改进其MOSFET。6月中旬，在深圳举行的第十五届中国国际电源展览会暨第十三属中国变频器及电子变压器展览会上，英飞凌推出了多款MOSFET，包括全球首发高端功率晶体管CoolMOS c6，还有中低端的OptiMOS 3家族的75V产品。

CooIMOS C6凌空出世

高性能MOSFET 600V CoolMOS c6系列可使诸如PFC(功率因数校正)级或PWM(脉宽调制)级等能源转换产品的能源效率大幅提升。c6融合了现代超结结构及包括超低单位面积导通电阻(例如采用TO－220封装，电阻仅为99mΩ)在内的补偿器件的优势，同时具有更低的电容开关损耗、更简单的开关控制特性和更结实耐用的增强型体二极管。

C6系列是英飞凌推出的第五代CoolMOS。英飞凌在CoolMOS c3f第三代)和CoolMOS CP(第四代)的基础上，进一步提高了开关速度并降低了导通电阻。C3目前是该公司应用广泛的产品系列，但是c3价格进一步下降的空间有限，c6以更高的性价比可替代c3，英飞凌同时也认为C6更适合对价格比较敏感的中国市场，因此把C6的首发地选在中国。不过，CP系列由于开关损耗更低，仍将在市场上长期存在。

继承了前代产品的易用性和高能效特性，加上更高的轻载效率，将使CoolMOS c6系列成为硬开关应用的基准。另一方面，存储在输出电容中的极低电能和出类拔萃的硬换流耐受性，使该器件成为谐振开关产品的较好选择。

c6器件可降低设计难度，非常适合于各种高能效应用，例如面向PC、笔记本电脑、上网本或手机、照明(高压气体放电灯)产品以及电视机和游戏机等消费电子产品的电源或适配器。

CoolMOS诞生于上世纪90年代，是业界高性能MOSFET的先驱，以大批量生产和高可靠性引领潮流。

75V丰富OptiMOS 3产品线

OptiMOS 3 75V功率MOSFET系列具备领先的导通电阻(Rpson)和品质因素(FOM,Qg’RDson)特性，可在任何负载条件下，降低开关电源、电机控制和快速开关D类功放等电源产品的功率损耗并改善其整体能效。

电源技术篇4

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。

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年左右将形成高潮。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。

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。

总而言之,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。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。

参考文献

(l)林渭勋:浅谈半导体高频电力电子技术,电力电子技术选编,浙江大学,384-390,1992

(2)季幼章:迎接知识经济时代,发展电源技术应用,电源技术应用,N0.2,l998

(3)叶治正,叶靖国:开关稳压电源。高等教育出版社,1998

电源技术篇5

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。

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年左右将形成高潮。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

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。

电源技术篇6

近年来,为了探索新型的使用寿命长、能量密度高的微能源,国内外学者开始收集人体、声音、道路、高层建筑等周围环境中的振动,以实现微纳机电系统的自我供能,这将有望解决能源微型化过程中电池体积大、一次性使用寿命短、能量密度小等问题。静电式微能源目前,T.Sterken等人[5]提出的静电式发电机采用静电梳齿结构和MEMS工艺,在150V的激励下、振动频率为1020Hz的环境中,获得1μW功率输出;在3750Hz下得到16μW功率。美国Berkeley大学S.Roundy等人[6]研制出的静电式发电机采集120Hz的低频振动(图略),采用变间距式改变电容,仿真和实验结果证实变间距式的结构更有优势,当在120Hz,2.25m/s2的加速度振动下,输出功率密度达116μW/cm2。(图略)为变面积式结构。Y.Chiu等人[7]提出了一种静电式微能源,利用钨球调节装置的固有频率,整合机械开关被安放在换能器内,实现同步能量转换。东京大学T.Tsutsumino等人[8]提出了一种静电式发电机,其利用高性能的有机膜全氟树脂(CYTOP)作为驻极体材料来提供电荷,加载20Hz振动,振动幅度的峰峰值为1mm,最大输出功率达6.4μW。电磁式微能源目前在电磁能量转换研究方面工作较突出的是英国Southampton大学,从2004年开始采用硅微加工技术制作了微型电磁式振动能量采集器,在1.615kHz的振动频率下,输入加速度为0.4g时,其产生的最大输出功率为104nW[9];此外还提出了一种发电机在9.5kHz,1.92m/s2加速度振动驱动下,获得21nW的电能[10]。D.Spreemann等人[11]设计了一个双自由度电磁式能量采集器,中心转子带动磁铁运动,使磁通量产生变化,产生感应电动势,克服了单自由度能量采集器固有频率的限制,适用于实际环境中的振动。在低频环境中30~80Hz,可得到3mW的功率。H.Kulah等人[12]提出了一种铁圈同振型发电机,通过一个电磁式频率放大器将低频振动转换成高频振动,而输出功率与振动频率的三次方成正比,从而提高了能量转换效率。P.H.Wang等人[13]提出了一种铜平面弹簧式结构,为了获得更低的固有频率,测试结果显示在121.25Hz频率和1.5g的加速度下,开路电压为60mV。以上研究初步达到了电磁发电单独供能的目的,但在提高电源的能量密度和转换效率,以及输出能量收集与控制方面仍需要进行大量的研究工作。

压电式微能源为了在低频低强度的普通环境中提高转换效率,大多数研究对微能源的结构进行了改进。S.Roundy等人[14]制作的矩形单悬臂梁结构的压电发电机在120Hz、加速度为2.5m/s2下,产生25μW/cm2的能量。D.Shen等人[15]研制的低频(183.8Hz)能量采集器,采用单矩形悬臂梁-质量块结构,体积仅为0.769cm3,输出平均能量为0.32μW,能量密度为41.625μW/cm2。E.K.Reilly等人[16]研究了矩形、梯形、螺旋形等不同结构的压电悬臂梁。研究表明,螺旋形结构承受的应力最大,可产生较大的形变,输出较高的电能,梯形结构次之。但是由于矩形结构加工简单,故被广泛应用。2010年,G.Zhu等人[17]收集说话声音,采用竖直结构的ZnO纳米线阵列代替常用的PZT压电材料制成了纳米发生器,通过实验证实了在-100dB强度的声波振动下,输出峰值为50mV的交流电压。近年来国内吉林大学、上海交通大学、大连理工大学等[18-20]也开展了关于压电振子发电的微能源研究工作,并在压电微能源应用研制方面取得了一定的研究成果。通常环境下振动分布在一个较宽的频率范围内,如果微能源带宽过窄,则不能满足实际需求。目前的频带扩展方法主要有阵列式[21-22]、多梁-多质量块系统[23]以及频率可调式[24-25]。阵列式是通过具有不同固有频率的单悬臂梁-单质量块结构来实现频带扩展,即使振动频率改变,某些频率的悬臂梁也会处于工作状态;多梁-多质量块系统是通过使结构某两阶频率接近来实现频带扩展;频率可调式分为主动调频和被动调频。主动调频需要调频器,而调频器耗能大于产生的能量,故不可行;被动调频需要激励和传感器,这提高了复杂性和成本。2006年,M.Ferrari等人[26]提出了一种多频能量转换器,覆盖100~300Hz波段;2007年A.IbrahimSari等人[27]采用不同长度悬臂梁阵列式结构扩大了微型发电机的带宽,在4.2~5kHz的振动频率下,产生4μW的能量,覆盖800Hz的波段。上海交通大学的马华安等人[28]采用永磁铁代替传统的质量块,并且在质量块的上方和下方也放置了不同极性的永磁铁,通过吸引力和排斥力来调整压电悬臂梁的固有频率,固有频率范围拓宽为80~100Hz。电能采集、存储电路微小能量的采集、存储也是微能源系统的关键技术,否则振动产生的微电压并无实用价值。能量采集存储电路主要包括整流电路、升压电路和存储电路。对于此部分的研究已经较为成熟,但大部分都是基于经典的分立器件所搭建而成,具有静态电流高、采集存储效率低的特点。LINEAR公司[29]新推出了一款专门面向能量收集的集成芯片LTC3588,它内部集成了AC/DC、电荷泵以及电源管理模块,可以直接采集微小交流电压信号,持续输出100mA的电流信号,且其静态电流只需950nA。TI公司[30]在2011年底推出的BQ25504芯片,也同样集成了采集存储电路的几个模块,其静态电流仅为330nA,可以将能量存储在锂电池、薄膜电池以及超级电容中,同时其良好的电源管理实现了充放电保护的功能,极大地提高了系统的集成度。它们都具有操作简单、能量采集存储效率高、性能稳定、价格低廉的特点,可以广泛地应用于由振动驱动的微能源系统。电能存储的介质选择也是研究的一项重要内容。沈辉[31]对超级电容、镍氢电池和锂电池的储存电荷能力进行了比较,发现电容器的充放电速度较快,可以迅速地回收产生的电能,同时其充电效率最高可达95%,并且充电次数理论上也可达无穷次;与之相反,电池的充电速度慢,不能立即使用回收的电能,同时其充电效率仅为92%(锂电池)、69%(镍氢电池),使用寿命为500~1000次,但其具有放电时间长、输出电压比较稳定的特点。经过一个月的自放电测试,超级电容自放电效率最高,剩余电量仅为65%,镍氢电池为70%,锂离子电池为95%。但是对于需要经常充放电的场合,自放电可以忽略,超级电容凭借其可以无限次重复使用的特点,受到了科研人员的青睐。三种不同类型的微能源相比较,压电式微能源有结构简单、易于集成和微型化的独特优点,已经应用到生活中。日本的研究员在东京火车站的地面上铺上了四块包含压电发电装置的地板,其可以显示产生的能量,可为自动检票门提供能量[4]。以色列Innowattech公司[32]建立了第一条发电公路,用预制块和环氧树脂作保护,防止压电晶体破损。英飞凌公司[33]推出了MEMS传感器、MCU、RF、MEMS自供电电源四合一的新型TMPS。

电磁式微能源的设计仅在理论指导下进行,对器件进行仿真分析较少[34],所以,难以得到最优的结构模型;压电微能源的大部分研究都通过改变几何结构来降低共振频率、优化电路以提高能量转换效率,而对于研究新型的压电材料来提高系统性能的研究相对较少;由于MEMS的微加工、微装配与封装技术处于发展阶段,使得振动式微能源不能按照设计要求达到精确制作与装配,从而难以得到理想结果。振动驱动微能源技术存在以下应用方面的问题:实际生活环境中振动频率范围比较宽,从十几赫兹到几百赫兹,至今没有提出有效调节频率的方法。因此,有人提出使用非线性振动模型来研究微能源[35],但目前,这方面的研究还很少。储存电能的介质需要做进一步研究,特别是超级电容,其放电速度快、输出电压不是很稳定的特性需要改进。理论上微能源具有寿命较长的优点,但是实际应用环境中振动加速度和频率对微能源寿命有很大的影响。振动驱动微能源已成为各国科学家研究的热点。目前,电磁式、压电式微能源的研究相对较多,但是为了提高其性能指标,从而更快应用到实际中,振动式微能源的结构还在不断得到改进、优化,并且提出新的结构模型。而静电式微能源由于需要外部电源,限制了其应用,因而研究相对较少。振动驱动微能源技术向低频、多频、宽频、非线性振动模型、复合微能源发展[36-37]。同时,将几种不同转换形式的微能源集成在同一芯片上,可以综合不同原理微能源的优点,提高能量密度,这些都是微型化和实用化的关键。振动驱动微能源有望为野外和置入结构的微系统提供高可靠、长时间的电能,为无线传感网络节点和便携式微电子产品提供充足的电源,所以研究振动式微能源有重要的实用意义。

电源技术篇7

关键词：电气节能技术；电力新能源；发展应用

1引言

我国是一个人口大国，随着经济建设的快速发展，对电力的需求不断增加，为了追求经济建设的可持续发展，实现节能环保的目标，我国开发了电力新能源，研究了电气节能的技术措施，有效的降低了电能的耗损，以下就对电气节能技术的措施分析以及电力新能源的开发进行简单的分析.

2电气节能技术与措施分析

电气节能技术与措施主要是从两个大的方面进行的：①研究新型的电气节能技术从而降低电能的消耗与损耗；②通过对原有的电气设备进行改造，从而降低电能损耗，实现节能目标。

2.1研究新型的电气节能技术降低电能的消耗与损耗

新型的电气节能技术主要为分布式的电力供给，这种供电方式是基于节能环保技术运行的，在使用的过程中，主要是对电力集中的供给，在运行的过程中，主要是在电力用户的周围安装发电系统，从而采用分布式的方法统一集中的进行电力的输送与供给，采用此种供电方式可以有效的降低电能的消耗，与传统供电方式相比，具有良好的能源节约作用，并且采用分布式的电气节能技术可以循环利用可再生的资源进行电力的输送，实现能源节约，环境保护的目标。研究对发电、储存能量的电气节能技术的研究，具有较高的实践价值，通过对热水器的蓄能与蓄热技术，空调的蓄冷技术措施等的应用，可以实现电能的有效转化，以其他能源形式储存起来，以便在需要工作的时候再转化为电能，实现电能的合理分配与利用，降低了电能的损耗，提高了电能的利用率与使用率，具有较高的节能环保效果。

2.2通过对原有的电气设备进行改造，降低电能损耗，实现节能目标

现今，电气设备不仅会消耗巨大的能源，还会在使用的过程中，造成一定的能源损耗，所以研究电气节能技术，通过对电气设备进行改造，调整原先不合理的地方，从而提高电能的使用率，降低电能的损耗，对电气设备进行改进措施主要表现在以下几个方面：

2.2.1对变压器设备进行节能技术的改进

在整个电网运行输送系统中，变压器是最重要的组成，将节能技术应用在变压器设备的改进上，可以调节电压，实现电能的安全输送，降低电能的损耗，而对变压器设备进行节能技术的改进，就是要使变压器改进为低损耗的设备。不同的用户对电力的需求不同，因此不同用户的电力输送的电压也存在着较大的不同，采用变压器调节电压时，就会造成一定电能的损失，所以研究低损耗的变压器，对节约电能具有重要作用，采用非晶合金铁心构成的变压器具有良好的节能环保作用，不仅可以降低电能的损耗，还可以降低成本的支出，具有良好的推广使用价值。调整变压器的参数可以有效的降低电能的消耗，实现节能目标，在电能输送的过程中，我们要对电力负载进行调整，改变其运行的方式，降低电能在输送过程中的损耗。变压器在运行的过程中们需要加强对各个方面的管理，通过对变压器进行调整，可以提高节能的效果，降低变压器中的功率损失与消耗，提高电能的利用效率，从而实现节能环保的目标。

2.2.2对电网运行的配置进行节能技术的应用与优化

对电网运行的配置进行优化与设置也可以降低电能的损耗，因为在电网运行时，往往会出现无功的电流导致的电能损耗，而对电网运行的优化配置就是无功补偿，采用节能技术措施降低电能的损耗，还可以对电网的功率进行合理的配置与分配，保证变压器电压的稳定状态，降低电能损耗。

2.2.3采用节能技术减少线路的电力损耗

发电站是通过输电线路进行电路的输送的，很多时候发电站与电力用户的距离非常远，在运输的过程中就会造成线路的电能损耗，输电线路越长，电力负载就越大，造成的电能耗损也就更大，降低线路的电阻值，可以提高电网系统的功率因数。在供电营业区域内，要结合区域经济发展，做好规划与布点方面的工作，如负荷密集地变电站电压等级应选110kV及以上为宜，偏远山区，负荷较轻的地方可采用35kV及以下变电站。线路规划要坚持最短距离的原则，减少线路的长度距离，在选择导线时，要注意规格的选择，包括截面积等，选择截面积较大的导线在某种程度上也能降低能源消耗。在进行输电线路的架设时，要对整个区域进行综合了解，选用最短路径的方法降线路电能的损耗。

2.2.4采用节能技术实现空调系统的环保与节能

一般在建筑内都是通过空调系统来实现室内温度的改变与调节，但是空调系统会造成极大的能源损耗，所以如何提高空调系统的节能环保就成为电气技能技术研究的重要内容，要对空调系统进行优化设置，要对空调系统进行参数的设定，选用节能环保型的空调，实现节能控制的目标。冰蓄冷技术是利用夜间电网低谷时间风能，利用低价电制冰蓄冷将冷量储存起来，白天用电高峰时溶水，与冷冻机组共同供冷，而在白天空调高峰负荷时，将所蓄冰冷量释放满足空调高峰负荷需要的成套技术。从能源合理分配角度出发可知，冰蓄冷技术有效的节约了能源，节省了空调设备费用，减少制冷主机的装机容量和功率，利用峰谷分时电价，大量减少运行费用，也降低了总电力负荷，减少电力需求，缓解建设新电厂（机组）的压力。此外，冰蓄冷技术还能节省用户对空调系统的投资、改造、运行维护等费用，降低用户空调系统的运行费用冰蓄冷技术具有良好的节能减排作用。

3电力新能源的开发与发展应用

除了电气节能技术的应用，还可以开发电力新能源，实现电能的节能环保作用。现今随着经济建设的快速发展与进步，我国对电能的需求逐渐升高，但是能源使用比较紧张，如何开发电力新能源就成为现今能源利用的最重要课题，开发电力新能源可以缓解能源紧张的现状，促进经济建设的可持续发展。近些年来我国对电力新能源的开发研究力度不断的加大，也取得了一些进展，开发使用的新能源有效的缓解了能源紧张的局面，节约了能源，现今我国电力新能源的开发与发展是在机遇与挑战中并存，以下就对有良好实践效果的电力新能源进行介绍分析。

3.1风能转化为电能的应用

风能作为电力新能源具有良好的节能效果，对纾解现今能源紧张的现状提供了积极的作用，利用风能转化为电能，有效的提高了电能的利用率，现今可以有较多的新能源应用在电力能源的开发与使用中，风能的应用具有良好的节能效果。图4~5是与美国风电利用小时数与发电量的对比，虽然与美国还存在一定距离，但是也在不断的进步中。

3.2太阳能转化为电能的应用

我国最常见的电力新能源就是太阳能的发电，主要是采用分布式的太阳能发电形式，可以满足用户对电力的需求，除此之外，还可以将太阳能转化的多余电能传送到电力系统中，采用太阳能的分布式发电具有较高的优势价值，不仅可以高效的转化为电能，还可以就地附近进行使用。采用光伏的太阳能发电，适合分布式的特点，不仅可以为当地的用户提供基础的电力能源，还具有良好的节能环保作用。电力新能源的开发与应用具有良好的发展前景，可以促进经济建设的可持续发展，通过对电力新能源的不断开发与研究，可以减少对资源的过度利用，实现资源节约与环境保护的目标，新能源与传统的能源相比具有较高的实用价值与推广价值，污染小，还可以节约电能，对新能源进行开发与研究是时代所趋，也是构件和谐社会的重要手段。

4结束语

总之，我国对电力的需求不断的增加，研究电气节能技术与电力新能源可以舒缓能源紧张的现状，解决电能的损耗以及资源浪费的问题，具有良好的节能环保作用，我们要继续研究电气节能的技术，加大对电力新能源的开发与研究，从而促进经济建设的可持续发展。

作者:刘耀华单位:国网江西省电力公司宜春市袁州区供电分公司

参考文献:

[1]郭鑫.电气节能技术与电力新能源的发展应用[J].山东工业技术，2014，12（1）：22~28.

[2]张文吉.浅析电气节能技术与电力新能源的发展应用[J].建筑工程技术与设计，2015，01（8）：12~23.

电源技术篇8

摘要：

随着美国第三次“抵消战略”的推进，电磁轨道炮等新概念武器成为关注的焦点。在介绍电磁轨道炮的基础上，总结了外军的发展现状和技术瓶颈，详细阐述了电磁轨道炮脉冲功率电源的超导储能技术和变流装置的拓扑结构。研究表明，电磁轨道炮和超导储能技术将是发展的趋势。

关键词：

电磁轨道炮；超导储能；抵消战略

引言

电磁轨道炮是利用电磁轨道发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器，通过电磁力来加速弹丸，很容易突破传统化学能火炮技术的初速极限，因此具有高速度、大威力和远射程等优点[1]。当前，美军高度重视电磁轨道炮的研发和试验，称电磁轨道炮为可“改变游戏规则”的新概念武器[2]。电磁炮具备广泛的用途，据文献报道，可能的用途包括以下几个方面：打击地面和海上目标；陆地和海上防空反导；发射导弹和卫星；天基战略反导和反卫星；实施空中作战[3]。电磁轨道炮通过洛伦兹力加速弹丸，相较于传统火炮依靠化学能实现发射方式，具有初速快和精确可控等优点。电磁轨道炮不仅能突破传统火炮初速的限制，而且可实现弹丸的初速、威力和射程的连续精确调控，这使得电磁轨道炮顺应了信息化战争对装备智能化的要求。此外，由于电磁炮未使用火药，作战时不会产生火焰和烟雾，所以隐蔽性和安全性高。而且电磁炮发射成本低廉，同时降低了后勤补给负担。因此，电磁轨道炮的广泛应用将是未来的发展趋势。文中对国内外电磁轨道技术发展现状进行了阐述，并指出了电磁轨道炮目前的发展瓶颈。最后详细阐述了电磁轨道炮脉冲电源的超导储能系统，指出复杂的电源储能技术的突破将会极大推动电磁轨道炮技术的成熟。

一、外军电磁轨道炮技术发展现状与瓶颈

（一）外军电磁轨道炮技术发展现状

美国对于电磁发射技术在军事领域内应用的研究始于21世纪初，目前处于世界领先水平。早在2000年，电磁发射技术就作为超前技术纳入美军的未来战斗系统（FCS）应用规划中。2001年，美国海军完成了舰载电磁轨道炮可行性分析，认为可以64MJ的炮口动能发射20Kg的弹丸，完成动能毁伤。之后，美国海军2005年启动了电磁轨道炮研制项目，并于2008年至2012年进行了多次实验和试射。2013年，美国海军授权BAE系统公司正式启动连续发射的发射样机和脉冲电源的研发工作。2014年3月7日，美国海军研究实验室所属材料试验研究室成功试射了新研发的小口径电磁轨道炮试验台，标志着美军电磁轨道炮研究进入新阶段。该试验台口径仅为25.4mm，每分钟可进行数次发射，并可安装在配有先进电池的机动平台上。2014年9月，美防长第一次在公开场合提出第三次“抵消战略”，旨在利用美国的技术优势发展新的装备和战略战术，谋求与对手新的不对称军事优势[4]。美军电磁轨道炮的未来的实战化应用，将增大相对战争成本，并削弱其对手的导弹生存能力。在此背景下，美军加速了电磁轨道炮的测试和应用。美海军计划于2016年在“米利诺基特”联合高速舰上暂时安装一部用于海试的电磁炮原型机。2015年4月，美海军计划未来将一套新型电磁轨道炮武器整合在朱姆沃尔特级驱逐舰（DDG1000）上。法德国防部共同组建的联合实验室法•德圣路易斯研究所是继美国之后在电磁发射领域的重要研究力量，目前已经能够实现电磁轨道炮的多发快速发射。1998年ISL建成的“PEGASUS”电磁轨道发射器是其主要发射装置，并在随后的几年中进行了多次优化与改进。2002年，该试验型发射器优化为方口径，如图3所示，此结构更加容易控制条件和拆换部件，有利于试验研究。此发射装置可以将质量为300g的电枢加速至2.4km/s，也可将质量为1kg的弹丸发射到2.0km/s以上的速度，发射效率超过25%。2006年，ISL已实现将质量1～4kg的弹丸加速到2300m/s的发射。ISL基于这些发射系统获得的基础数据，研究获得了发射器口径结构、电枢结构、分布式馈电和材料等因素对发射稳定性和轨道寿命的关系。

（二）电磁轨道炮技术发展瓶颈

电磁轨道炮虽然具有很多优势，但也存在能量储存困难、电源复杂的缺点。可以预见，电磁炮从概念走向广泛应用还需要经历一个长期的发展过程。尽管美军的电磁炮项目目前已进入工程化阶段，但要在未来实现实用化和武器化，仍面临着以下技术突破的巨大挑战。

一是脉冲电源问题。电磁轨道炮在工作时，弹丸的加速时间极短，但为了获得所需的初速，所需的能量却非常巨大。脉冲电源负责为电磁炮提供能量，要在几毫秒的时间内提供几十至上百兆焦的电能。如此巨大的能量存储依赖于储能技术的进步，目前较为成熟的储能技术是体积和重量都较大的电容器。例如，美国通用电子公司推出的“闪电”电磁轨道炮所使用的电容器大小如两辆拖车式卡车，无法实现高机动性。为实现电磁炮车载化的目标，电源储能装置需进一步小型化。因此脉冲电源设计时，不仅要考虑材料的强度、效能和温度控制等因素，而且要考虑储能装置的小型化问题。

二是炮管长寿命问题。炮管寿命制约着电磁炮技术的发展，长寿命是连续发射的前提。虽然目前已经解决了电弧烧蚀和高速刨削等问题，但发射器的寿命依然只有百发量级。发射器在发射时承受着巨大推力，以及流经轨道和电枢的电流都会对炮管造成磨损。因此在解决炮管长寿命问题时，要设计可承受轨道斥力的炮管结构，并攻克热管理技术等等。

三是炮弹设计和抗过载问题。首先，电磁轨道炮的杀伤机制为单纯的动能毁伤，因此炮弹的材料和结构设计直接影响了最终的杀伤效果。其次，电磁炮要实现远距离的精确打击，必须进行制导和弹道修正。在电磁炮发射的瞬间，炮弹将承受巨大的空气阻力、百万安培的强大电流和35000-40000g的高过载。所以炮弹及其制导组件必须具备耐高温、高压和巨大过载的性能。制导炮弹的抗过载能力越强，对应的精确打击射程就越远。

四是与作战平台集成的问题。电磁轨道炮无论用于执行何种作战任务，在使用过程中都将基于特定的作战平台，因此需要将武器系统与已有或未来的作战平台进行集成。具体包括动态功率共享、空间和质量、冷却、电磁场管理等方面的问题。

二、电磁轨道炮脉冲功率电源技术

（一）脉冲电源超导储能技术进展

电磁轨道炮的脉冲功率电源一般包括初级电源、中间储能系统和脉冲形成网络。其中储能系统常见类型包括：电容储存静电能，电感储存磁能，旋转机械储存惯性动能[5]。在几种储能方式中，电容储能技术最为成熟，应用最为广泛但能量密度最低；旋转机械储能的能量密度大，但其结构非常复杂且难以实施；电感型储能的储能密度高于电容，易于冷却且只需储存一次发射的能量即可。所以，电感储能型高能大功率脉冲电源是满足电磁发射需求的可能方案。超导磁储能装置（SuperconductingMagneticEnergyStorage,SMES）通过对超导线圈供电励磁产生磁场而储存能量[6]。超导储能具有很多优点：直接存储能量，所以效率高；储能密度大，理论上存储能量没有限制；可控性好；由于线圈处于超导态，所以能量在磁场中的几乎没有损耗，并且可极大降低对充电电源的要求。SMES本质上是电流源，它的电压随着负载而变化。脉冲功率SMES可以应用在诸多需要大功率电流源的领域，例如电磁轨道炮、舰载机弹射装置和载荷电磁发射器。目前，第二代高温超导带材（YBCO）的发展，为提高超导储能技术奠定了材料基础。HTSSMES相比于低温超导,在高磁通密度下可以提供更大的电流密度，而且具有更大的热稳定性。使用HTS，在15K温度以上进行操作有了可能，这也降低了冷却降温的成本。2007年，法国总军械代表团框架下的HTSSMES发生器‘SMESI’进行了测试。2011年，ISL设计了储能84KJ的三模块高温超导磁储能XRAM发生装置，是第一个设计并实验成功的超导XRAM发生器[7]。该XRAM发生器在27m的负载上得到了峰值为600A的34s时长的脉冲电流。‘SMESI’的升级版‘SMESII’实现了2╳200KJ-1MW的脉冲功率高温超导磁储能装置的设计和测试，其双饼绕组如图6所示。

（二）脉冲电源变流装置研究现状

虽然电感型储能具有诸多优点，但也具有一个典型缺点。在关断大电感电流时，由于电流的突变和充电回路中的漏磁场能量，使得在关断开关两端会产生很大的电压应力而超出半导体开关所能承受的范围。因此人们一直在提高关断开关的耐压和探索对主管耐压要求低的换流电路。美国IAT实验室提出的STRETCHmeatgrinder和由德法ISL联合实验室提出的ICCOS换流的XRAM是两种基本的电流脉冲压缩拓扑，两者的典型电路分别如图7和图8所示。STRETCHmeatgrinder是利用磁通压缩原理实现电流倍增的，电流放大倍数大，拓扑结构简单。采用全控型器件IGCT作为关断开关，成本高且关断电流较小；而ICCOS换流的XRAM通过从电流源串联充电转换为并联放电，从而产生一幅值约为各电感电流之和的输出电流。该拓扑模块化性能好，但结构相对复杂。我国清华大学提出的STRETCHmeatgrinderwithICCOS将ICCOS换流技术应用于STRETCHmeatgrinder拓扑中，典型电路如图9所示。该拓扑结合了前2个拓扑的优势，同时具备高电流放大倍数、较小关断开关电压和关断开关能关断较大电流的优势，并且显著降低了系统成本。电感型储能脉冲电源在电磁轨道炮中的应用尚在探索中，目前超导磁储能技术也已经能够达到MW级，变流装置的研究也在快速发展。超导储能装置的小型化和能量转换所用大容量短路开关及变流技术的突破是电磁炮从概念走向实际的有效桥梁。

三、电磁轨道炮及其脉冲功率电源技术的发展趋势

（1）电磁发射技术的研究热潮。从弓箭到火炮，人类实现了从机械能到化学能发射的转变，未来由化学能转换为更高发射速度的电磁能发射将是必然趋势。随着美国第三次“抵消战略”的加速推进，电磁发射技术的研究也将越来越引起人们的关注。

（2）超导储能成为未来的主要方向。由于超导储能与其它储能方式相比，具有较高的储能密度和功率密度，存储容量没有限制，而且几乎没有电能损耗等诸多优点，所以超导储能未来最有望成为电磁轨道炮脉冲功率电源所用储能装置。

（3）储能装置小型化。为了实现脉冲功率电源的车载化目标，最终实现电磁轨道炮的武器化和实战化应用，电源小型化是必然趋势。因此储能装置小型化是未来一段时间的发展目标。

四、结束语

随着美国第三次“抵消战略”的推进，将在无人作战、定向能、动能武器等领域掀起新一轮军事科技革命。电磁轨道炮作为高速动能新概念武器，将在未来的军事科技竞争中成为抢夺战略制高点的关键。目前，美国处于世界领先水平，电磁轨道炮也已经进入工程化阶段。我国应结合自身国情，科学合理制定电磁轨道炮的发展规划。当前，应加强电磁轨道炮基础理论科学和关键技术的研究，为将来电磁轨道炮的实战应用提供技术储备和经验积累。此外，超导储能技术不仅可以用于电磁轨道炮，而且可用于电网中的脉冲功率电源。超导储能技术将随着超导材料和相关技术的进步，逐步提高功率密度和能量密度。相信在不久的将来，电磁轨道炮会进入实战化和武器化应用阶段。

参考文献：

[1]李军,严萍,袁伟群.电磁轨道炮发射技术的发展与现状[J].高电压技术,2014,40(4):1052-1064.

[2]伍尚慧.国外电磁轨道炮的发展现状及军事应用前景[J].电光系统,2014(3):1-5.

[3]杨艺,郭静.美军电磁轨道炮发展综述[J].国外坦克,2015(4):35-38.

[4]虞卫东.美国第三次“抵消战略”:意图与影响比较研究[J].国际关系研究,2015(3):77-87.

电源技术篇9

关键词：常压电离源；纸喷雾电离；质谱；评述

1引言

随着现代科技的高速发展，当前分析技术已取得了长足进步，各种分析仪器和分析方法在目标样品分析的适用性和灵敏度方面都得到了全面提升，并已在生命科学、环境科学、药物科学、食品科学等领域发挥着巨大作用。尽管如此，各种学科的发展给分析化学提出了更高要求，特别是复杂样品的分析。现今已发展起来多种分析技术用于复杂样品的分析，如气相色谱质谱法[1]、液相色谱质谱法[2]、液相色谱紫外检测法[3]、毛细管电泳法[4]等，这些技术的建立极大地促进了分析化学的发展。在这些分析方法中，色谱质谱技术是当前分析复杂样品最权威和可靠的方法，但是采用这种技术对复杂样品进行分析时，需采用繁琐的步骤对样品进行前处理，不能在较短的时间内对复杂样品中目标分析物进行快速分析。为此，发展简便、高效、无需样品预处理的技术用于复杂基体中目标化合物的分析检测显得尤为重要。

常压电离源（Ambient ionization source， AIS）是一类有别于真空电离源（如电子轰击电离源）、在常温常压下可对复杂样品直接进行电离分析的技术[5]。该技术具有在样品分析前无需预处理、分析速度快、成本低、操作简单等特点，分析的对象包括固体、液体和气体样品等。1989年美国耶鲁大学Fenn教授提出了常压电离源电喷雾电离技术（Electrospray ionization， ESI）[6]，该技术的提出对于解决液相色谱质谱接口问题起到了关键作用，同时也为生物大分子样品的质谱分析开辟了新的途径。尽管如此，采用ESI技术只能分析经过处理后基质干扰较小的样品，而对复杂样品（如血样等）中目标化合物的直接分析却显的性能较差。基于该电离技术， 2004年美国普渡大学Cooks教授提出解吸电喷雾电离源（Desorption electrospray ionization， DESI）技术[7]，此后常压电离源得到了迅速发展和广泛的应用，现今已发展起来的常压电离源主要有实时直接分析电离源（Direct analysis in real time， DART）[8]、低温等离子体（Lowtemperature plasma， LTP）[9]或介质阻挡放电电离源（Dielectric barrier discharge ionization， DBDI）[10]、萃取电喷雾电离源（Extractive electrospray ionization， EESI）[11]等，Monge等最近对不同类型的常压电离源进行了详细论述[12]。

纸喷雾电离技术（Paper spray ionization）是2010年发展起来的一种新型常压电离源[13～16]。该技术首先是将固体或液体样品加载在纤维素和半纤维组成的纸基质表面，然后采用高压电驱动的形式使溶剂将复杂样品中的化合物溶解、迁移和电离，进而在纸的尖端发生电喷雾，最终通过质谱进行实时在线检测。由于该电离技术具有快速、低廉、高效等特点，已被用于血样、尿样、食品、生物组织样品、藻类等样品中化合物的分析检测，同时也在化学反应过程的研究中起到了重要作用。类似于纸喷雾电离源的电离机理，现今也发展起来一些其它类型的常压电离源，如叶子喷雾[17]、牙签喷雾[18，19]、多孔聚合物针尖喷雾[20]、金属针尖喷雾[21]和不同材料的纤维喷雾[22～24]等。本文对纸喷雾电离技术的基本工作原理、影响因素、分析性能及应用等进行综述。

2基本原理

纸喷雾电离源是以纸为基质和载体，将样品加载在一个底宽为5 mm，长为10 mm三角形纸的中心，如图1所示。当对样品分析时，加入约30 μL溶剂，一般为甲醇/水的混合物；然后施加3.5 kV的直流电压，电压的大小可根据溶剂的不同进行调变。在电驱动作用下，溶剂便会向纸的尖端迁移。

如上所述，纸喷雾的性能主要取决于样品化合物在纸表面的迁移效率和在纸尖端的电喷雾性能。因此，采用纸喷雾对目标化合物进行分析时，为得到较高的灵敏度，必须使洗脱溶剂最大程度地溶解复杂基质中的目标化合物，并迁移到纸的尖端，然后发生稳定的电喷雾行为。以下分别讨论影响纸喷雾过程的主要因素。

3.1纸基质的影响

纸的主要成分是纤维素和半纤维素，其表面含有大量的羟基，在化合物的分离过程中可根据化合物的极性不同将混合样品在其表面得以分离。纸是一类重要的色谱分离基质，已广泛地用于不同化合物的分离分析。在纸喷雾溶剂的迁移过程中，复杂基质中化合物可根据极性的不同得以分离，在不同的喷雾时间可得到不同的质谱信息。Ren等[26]采用甲醇作为洗脱溶剂，研究了甲基紫2B和甲基蓝在Grade 1色谱纸上的洗脱行为。发现相对于甲基紫2B，由于纸基质与甲基蓝之间较强的作用力，在纸喷雾起始阶段质谱图中只能观察到明显甲基紫2B的特征峰；随着喷雾时间的延长，甲基蓝的质谱峰逐渐增强，而甲基紫2B的信号随之降低。以上结果说明了纸喷雾不仅具有电喷雾的特性，同时也兼具色谱的分离特性，可根据化合物极性不同在纸的表面将其进行分离。

目标化合物在纸表面的迁移过程中，其迁移效率在一定程度上取决于纸表面的物理结构和化学性质。Liu等[16]研究了3 μm， 4～7 μm， 8 μm， 11 μm孔尺寸结构的滤纸、玻璃纤维纸和0.18 mm厚度的色谱纸对200 μg/L可卡因的分析性能，发现0.18 mm厚度的色谱纸分析性能最佳，所得可卡因特征峰的绝对峰强度比其它类型纸的信号高出两个数量级，玻璃纤维纸的性能最差。Zhang等[14]系统考察了3种类型色谱纸（硅胶涂覆纸、Grade 4和Grade ET31）对含有戊酸丙胺药物的标准样品和血样分析性能，发现当采用硅胶涂覆色谱纸时，第一次洗脱效率比其它两种类型色谱纸高1～2个数量级，约有70%的戊酸丙胺药物可从纸表面有效洗脱下来。该现象被认为是由于硅胶涂覆纸表面含有大量的细小硅胶颗粒，这些颗粒可有效阻止分析样品的扩散，使其吸附在纸的表面；在洗脱过程中，溶剂可快速溶解纸表面的样品并迁移到纸的尖端发生电喷雾。同时，他们也研究了这3种类型色谱纸在分析血样中药物化合物的灵敏度，发现相对于Grade 4和Grade ET31色谱纸，采用硅胶涂覆纸可将检出限降低两个数量级。以上结果表明，纸基质的选择在纸喷雾过程中起到了关键作用。

3.2纸尖端角度的影响

在纸喷雾过程中，纸尖端是保证纸喷雾发生的前提。Yang等[27]研究了不同角度纸尖端的电喷雾行为，发现当把纸尖端剪切成圆弧状时，无法观察到纸喷雾现象；相反，具有一定角度的纸尖端可明显观测到纸喷雾现象（图2a）。为了系统了解不同角度纸尖端对纸喷雾性能的影响，他们比较了不同纸尖端角度的电喷雾性能（图2b和2c），发现随着角度的增加，起始喷雾电压随之升高，即当角度为30°和60°时，起始喷雾电压为3 kV；当角度为90°和120°时，起始喷雾电压为4 kV；当喷雾电压超过6 kV时，会发生严重的电晕放电，所以150°无法观察到电喷雾现象。通过对纸尖端喷雾电流的考察，发现在相同的电压下，喷雾电流随着纸尖端角度的增大而降低。他们也研究了目标化合物的信号强度与角度、施加电压之间的关系，结果表明，随着角度的增加，最佳喷雾电压和目标化合物的信号随之增大，即当角度分别为30°， 60°和90°时，最佳喷雾电压分别为4.0， 4.5和5.0 kV。

Lin研究组[28，29]为了克服纸喷雾过程溶剂挥发的现象，提出了一种笔尖辅助（Nibassisted）纸喷雾的电离装置，将一个底宽为3 mm，长为5 mm的三角形纸放在一个铜笔尖上，然后通过一个液体注射器将洗脱溶液连续加到纸基质上进行喷雾。他们系统考察了不同纸尖端角度（5°， 10°， 15°， 20°， 30°）对纸喷雾过程目标化合物离子信号强度的影响，发现随着角度的增加，信号强度呈现出先增加后降低的趋势，当角度为15°时所得信号强度最佳。 Lin研究组[28，29]采用的笔尖辅助纸喷雾与Yang等[27]所得最佳喷雾角度有着较大差异。这种差异可能是由于当采用笔尖辅助纸喷雾时，金属笔尖的电场会很大程度上会改变纸喷雾尖端的电场，进而影响到纸尖端角度与目标化合物信号强度之间的关系。

3.3溶剂的影响

纸喷雾过程中洗脱溶剂不仅决定了目标化合物从纸表面的洗脱效率，同时也决定了在纸尖端的电喷雾性能。Zhang等[14]研究了不同溶剂体系下，硅胶涂覆纸基质对血样中戊酸丙胺药物的分析性能，发现相比于水、正己烷、二氯甲烷、甲醇、乙醇和丁醇等溶剂，异丙醇对戊酸丙胺药物具有较好的分析效果。通常在纸喷雾分析过程中，溶剂的极性和挥发性对分析性能也具有很大的影响。为了提高分析灵敏度，常在极性溶剂中加入弱极性或非极性的溶剂来促进喷雾过程中带电离子的去溶剂化效果。Zhang等发现，在甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇体系中加入低沸点的二氯甲烷可有效降低干血样中药物化合物分析的检出限，当二氯甲烷的含量为90%时所得信号最佳。在几种考察的醇类溶剂中，异丙醇体系表现出较好的分析性能。但是将90%二氯甲烷/异丙醇作为溶剂用于常用色谱纸基质时，相比于90%甲醇/水溶剂，其纸喷雾性能降低了至少一个数量级[14]。

分析样品种类的不同，纸喷雾溶剂也不同。 Ren等 [26]采用硅胶涂覆的色谱纸作为纸喷雾基质，研究了甲醇和甲醇丙酮（50∶50， V/V）作为溶剂对血样中脂类化合物的洗脱行为，发现相对于新鲜血样的质谱图，采用甲醇对干血样进行分析时，可观察到血红蛋白的质谱信息，而脂类化合物的质谱峰信号较弱；然而当利用甲醇/丙酮（50∶50， V/V）作为洗脱溶剂时，脂类化合物的特征质谱峰明显增强，作者认为该现象一方面是由于加入的丙酮对脂类化合物具有较好的洗脱效率，另一方面是由于血样中的蛋白不溶于丙酮，形成沉淀，在纸喷雾过程的洗脱效率降低，进而减小了对脂类化合物质谱分析的干扰[21]。

溶剂体系对不同纸喷雾基质的性能也有很大的影响。Wang等[30]采用Grade 1色谱纸作为纸喷雾基质，考察了不同溶剂对生物组织样品中伊马替尼药物、荷尔蒙肾上腺素、磷脂38∶4 GPCho分析性能的影响。通过对二甲基甲酰胺、丙酮、乙腈、氯仿/甲醇混合液、甲醇/水混合液的研究，发现只有甲醇/水溶剂在分析时可得到稳定而较强的信号，其它溶剂由于对分析化合物具有较低的溶解度或较差的喷雾效果，所得质谱信号均较弱。同时他们研究了不同配比甲醇/水溶剂体系对分析这3类化合物的影响，发现随着甲醇含量的增加，伊马替尼药物的质谱信号随之增强，但是荷尔蒙肾上腺素、磷脂38∶4 GPCho的质谱信号强度随着甲醇含量的变化呈现出相反变化趋势。具体而言，荷尔蒙肾上腺素的信号随着甲醇含量的增加呈现出先增加后降低的趋势，70%甲醇/水溶剂体系信号最佳；相反，磷脂38∶4 GPCho的信号随甲醇含量的增加呈现出先降低后增加的趋势，约60%甲醇/水体系信号最低。通过对以上标准样品和生物组织中样品的分析比较，观察到甲醇/水体系对这3种化合物标准样品的影响也有着较大差异，说明了样品基质效应对纸喷雾过程中溶剂的选择有着重要的影响。

以上研究表明，在实际样品分析过程中，可根据不同样品分析的要求，选择不同的溶剂体系，达到目标化合物的最佳分析效果。

3.4其它因素的影响

纸喷雾的分析性能决定于纸基质、纸尖端角度和溶剂，同时也受到其它因素的影响，如样品加载量、纸尖端与质谱进样口之间的距离、内标化合物的加入方式等。Wang等[30]考察了不同加样量对纸喷雾过程中伊马替尼药物分析的影响，发现加样量从0.5 μL增加到5.0 μL时，该药物化合物的信号强度有着较大的差异；当加样量为1.5 μL时，所得质谱信号最佳。Yang等[27]考察了纸喷雾样品加载量与纸尺寸之间的关系，发现对于面积比为1∶2.5∶5的三角形纸基质，洗脱溶剂加入量为10， 25和50 μL甲醇水（1∶1， V/V）溶剂体系（溶剂加入量与纸的面积成正比），目标化合物的信号强度随着样品加载量的增加而增强。对于较小体积（如1.25 μL）的样品加载量，由于大尺寸纸基质所用溶剂量对样品的稀释作用，样品的信号随着纸尺寸的增加而降低；对于较大体积（如2.50 μL）的样品加载量，结果恰好相反；而对于相同样品溶剂比的分析体系，大面积的纸基质所得纸喷雾信号较好。Liu等[16]考察了纸喷雾尖端与质谱进样口之间的距离对质谱分析信号的影响，发现当纸喷雾尖端位于质谱进样口前5 mm ×10 mm （xy）的范围内，可得到稳定的喷雾信号，该位置与Jhang等[28]所得结论6 mm × 4 mm （xy）基本一致。Manicke等[31]研究了4种不同加入内标化合物的方式对纸喷雾分析性能的影响，发现将内标化合物与样品溶液混合后再加到纸的表面所得相对标准偏差较低（3%）、样品与内标化合物的信号比例最佳（1.05）；当采用加样之前将内标化合物加载在纸基质上或采用当血样干后将内标化合物加到干血样的表面所得分析性能基本相同，但略差于将内标化合物与样品溶液混合后加在纸表面的方式；当采用将内标化合物加入洗脱溶剂中进行洗脱，所得相对标准偏差（16%）和样品与内标化合物的信号比例（0.26）都不理想。以上讨论说明采用纸喷雾对不同样品分析中，应根据具体情况优化分析体系，进而达到理想的分析效果。

4分析性能

4.1分析准确度、精密度和检出限

准确度、精密度和检出限是评价一种分析方法的3个重要参数。 Manicke等 [32]详细考察了纸喷雾过程中以上参数的变化情况。通过对血样中药物化合物准确度和精密度的分析，发现纸喷雾在单个样品的重复分析过程中，质谱总体离子流的最大偏差在10%～20%之间波动。当样品中加入内标化合物，目标分析化合物与内标物质的信号比值随着分析化合物浓度的增加呈线性变化，其相关系数大于0.99；且该比值具有非常好的重现性，相对标准偏差小于5%，测量浓度在真实浓度2%的范围内变化。在纸喷雾过程中，目标化合物的检出限受到该类化合物的酸碱度、溶解度等参数的影响，其值介于100 pg/mL（如氯胍和苄乙铵药物）和100 μg/L（如醋氨酚和布洛芬）之间。对于常见的弱碱和疏水性药物化合物（如舒尼替尼、阿密曲替林、戊脉安、西酞普兰和右啡烷），其检出限介于0.25～0.75 μg/L之间。以上结果说明了纸喷雾在特定化合物的分析中表现出了潜在的应用价值。

4.2与其它方法的比较

尽管纸喷雾电离源仍处在初步发展阶段，但一些研究报道表明，相比于其它电离方法，纸喷雾技术表现出了独特的优势。Jhang等[28]通过对4氯苯异丙胺和4氟苯异丙胺药物化合物的分析，发现纸喷雾电离技术相比于大气压基质辅助激光解吸电离（Atmospheric pressurematrixassisted laser desorption ionization， APMALDI）和电喷雾辅助激光解吸电离（Electrosprayassisted laser desorption ionization， ELDI）具有较好的分析性能。纸喷雾的检出限可达到0.1 ppm，而MALDI的值为7～8 ppm，ELDI的值为3～4 ppm。同时他们认为纸喷雾技术比APMALDI和ELDI具有很多优点。例如当采用APMALDI技术时，必须在基质上找到合适的样品点才能进行激光电离分析，该过程不仅耗时，同时也很难控制。尽管ELDI技术无需引入基质，但这种方法需要利用脉冲氮激光对样品进行解吸，随后解吸样品与电喷雾簇经过相互作用才可进行电离。该过程可能会很剧烈，为此需要具有一定实验技能的人员操作。同时该研究组通过对毛细管电泳电喷雾电离源质谱和纸喷雾电离源质谱的比较，得出前者是一种非常有效简化质谱图信息的方法，而后者在样品的快速分析方面起到了关键作用[28，29]。以上研究表明了纸喷雾电离技术是一种高灵敏度、可用于复杂样品中目标化合物分析的重要方法。

5纸喷雾电离技术的应用

5.1药物化合物分析

药物化合物可以暂时或永久改变或查明机体的生理功能及病理状态，具有医疗、诊断、预防疾病和保健的功效。当含量较低时，药物无法起到应有的功效；相反当含量较高，它将会对人或动物的身心健康造成严重危害。为此要评价一种药物是否在诊断性范围之内，需建立检测范围宽、精准、稳定的分析方法。如上所述，纸喷雾电离技术在特定药物化合物的分析检测方面已表现出良好的检测线性范围、较好的精确度和准确度，以及稳定的分析性能，现已用于多种药物化合物的快速检测分析[33]。Manicke等[31]考察了药物化合物与血样中蛋白之间相互作用对纸喷雾分析性能的影响，认为二者之间相互作用对纸喷雾过程药物的分析影响较小。他们还研究了4种内标化合物加入方式对血样中药物化合物分析性能的区别，发现直接将血样和内标混合分析的相对标准偏差最小、准确度较高。在此基础上，该研究小组系统评价了血样中不同药物化合物的分析准确度、精密度、选择性、检出限和线性范围等[32]。Espy等 [34]研究了纸表面抗凝剂明矾对新鲜血液中药物化合物分析的影响，所研究8种肿瘤药物的检出限可达0.5～17 μg/L，日内准确度为102%～118%，不确定度为9%～13%。Su等[35]也将纸喷雾电离技术用于血样中多种非法药物化合物（如海洛因、可卡因、吗啡等）的检测。Zhang等[14]将纸喷雾电离源与微型化质谱仪Mini 11联用，成功分析了血样中多种药物化合物，其定量限为10～20 μg/L。尽管纸喷雾技术在药物化合物分析方面已起到了一定的作用，但是仍然存在着一些问题。例如，在血样中药物化合物分析过程中，血样中存在的易断裂代谢物或潜在药物（如酰基葡萄糖醛酸、N氧化物代谢物和醚类化合物）在质谱分析中容易转变为要分析的药物化合物，这就给目标药物的定量分析造成了严重干扰。为了解决这一问题，Manicke等 [32]建议可选择性地将这些代谢物转化为稳定的形式，或采用离子迁移谱将代谢药物化合物有效分离，以减小对该类物质分析的干扰。

5.2食品中有毒有害化合物的快速分析

食品安全是当前面临的一个严重问题，为此急需建立简单、快速、准确、低廉的分析方法用于食品中有毒有害化合物的检测。纸喷雾电离技术由于具有如上特点，已被用于多种食品中有毒有害化合物的快速分析。Zhang等[36]采用纸喷雾电离技术分析了多种食品（如牛奶、肉类、饮料、辣椒面等）中的三聚氰胺、瘦肉精、塑化剂、苏丹红等化合物，其检出限为1.0～200 μg/L，相对偏差为3%～12%，该方法的建立为食品中有毒有害化合物快速分析评价提供新途径。随之许多研究小组采用纸喷雾技术分析了食品中的各种有毒有害物质。例如，Taverna等[37]利用纸喷雾技术分析了辣椒面中的苏丹含氮染料（包括苏丹Ⅰ， Ⅱ， Ⅲ和Ⅳ等）；Li等[38]利用纸喷雾技术分析了焦糖和饮料中的4甲基咪唑化合物；Mazzotti等 [39]通过原位甲氧胺衍生化法分析了4种橄榄油中的非类固醇抗炎药物。尽管如此，纸喷雾电离技术在一些有毒有害化合物的分析中存在着严峻的挑战，特别是一些难电离化合物（如塑化剂）检测，急需在纸喷雾电离源的基础上发展其它技术来解决该难题。

5.3生物样品分析

生物样品的分析是指对动物或临床样品中的药物、代谢产物、生物标志性化合物进行分析，它对研究生物体内药物代谢及生物体的性能具有重要意义。作为一种简单而快速的分析检测方法，纸喷雾技术已用于一些生物样品中目标化合物的检测。Liu等[16]采用纸喷雾电离源分析了氨基酸、肽、蛋白、脂肪酸等化合物；Wang等[30]采用该技术分析了生物组织样品及其中的磷脂化合物；Ren等 [26]采用纸喷雾技术分析了新鲜血样和干血样中的亚铁血红素、血红蛋白等化合物；Li等[40]将非极性溶剂正己烷作为纸喷雾电离源的洗脱溶剂，分析了肽类化合物、核苷酸、磷脂等；Yang等[41]采用纸喷雾电离源系统分析了血清和全血中的不同酰肉碱类化合物；Naccarato等[42]将纸喷雾技术用于尿样中肉碱和酰肉碱化合物的定量分析；Oradu等[43]利用纸喷雾方法分析了绿藻中的极性脂类化合物（如PC、MGDG、PG和SQDG）；Quinn等[44]将纸喷雾技术与离子回旋共振质谱仪相联用分析了尿样和小牛肺表面活性剂萃取物；Deng等[45]将纸喷雾电离源用于Bansha草本茶指纹谱图的研究。以上研究表明，纸喷雾电离技术在生物样品的分析中发挥着重要作用。

6结束语

电源技术篇10

【关键词】电力电子电源发展趋势

1 电力电子的发展及发展趋势

电力电子技术是利用电力电子元件对电能进行控制和转换的学科。电力电子技术已经与其他技术相结合成为一门交叉的科学，它经历了三个阶段：整流器时期、逆变器时期、变频器时期，随着电力电子器件和技术的更新，使得其在很多领域都得到应用。

1.1 整流器时期

随着美国通用电气研制了第一个工业用的晶闸管，从而开启了整流器时代。上个世纪50年代工业用电基本上是50HZ的交流电，但是像电解、牵引、直流传动都需要直流电提供动力，于是基于晶闸管基础上的硅整流器就应运而生了，它能把工频交流电转化为直流电，极大的促进了工业的发展。

1.2 逆变器时期

由于20世纪70年代出现了世界性的能源危机，晶闸管作为半控型器件，不能自动断开，因此也不能适应企业的需要。交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展，这些自开断的全控型器件也得到了极大的发展，但是由于技术限制，发展也有限。

1.3 变频器时期

在八十年代随着电力电子技术的发展，大规模和超大规模的集成电路的发展标志着现代电力电子时代的来临，其中以MOSFET和IGBT为代表。它们的出现使得电频从低频向高频转化，同时也使设备向小、轻等方面发展。

现代电力电子技术的研究核心任然是电源技术，目前现代电力电子技术正向规模化和集成化发展；现代电力电子技术正从低频向高频发展；现代电力电子技术向全控化和数字化转变；现代电力电子技术正向着绿色化转变。

目前我国政府和企业都在强调创新的作用，现代电力电子技术的发展使得其与多个领域的科学相结合，其发展创新将会惠及多个领域，目前现代电力电子技术也是向着智能化和绿色化的方面去发展。这样的发展不仅能够为我国工业发展提高效率而且能够带来环境方面的保护。

2 电源技术的发展及发展趋势

开关电源的前身是线性稳压电源。电源的种类按照不同的分类标准来看，主要有以下几种：按输入-输出分为AC-AC、AC-C、DC-C、DC-C；按同负载连接稳压方式分为串联型稳压电源、并联型稳压电源；按工作状态分为线性电源、开关电源、二极管稳压电源。在我们生活中，大多数电子装置、电气控制设备的工作电源是直流电源。随着计算机等电子装备的集成度的增加，体积越来越小而功率却越来越大来取代了体积庞大的线性电源开关。新型的电力电子技术给电源开关的发展提供了物质基础，20世纪60年代末，高耐压、大电流的双极型电力晶体管的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世。

开关频率的提高有利于开关电源的体积减小、重量减轻。最早期的开关频率仅仅是几千赫兹随着电力电子技术的发展开关的频率逐渐提高，当频率达到10kHz左右时，变压器、电感等磁性元件发出很刺耳的噪声。为了降低噪声，科研人员不断研发最终使得开关频率突破了人耳听觉极限的20kHz，随着电力MOSFET的应用，开关电源和开关频率进一步提高，使得电源体积更小，重量更轻，功率密度进一步提高。IGBT可以看成是MOSFET和GTR复合而成的器件。IGBT的出现，使得开关电源的容量不断增大。另外，为了解决开关频率的提高也使得电源的电磁干扰问题，20世纪80年代出现了采用准谐振技术的零电压开关电路和零电流开关电路，这种电路利用以谐振为主的辅助换流手段，使开关开通或关断前的电压、电流分别为零，解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高，从而，使开关电源进一步向体积小、重量轻、效率高、功率密度大的方向发展。电力电子技术随着需要会不断的向前发展和创新，新的产品会不断的更新换代去适应企业的发展需求，目前无论是国外还是国内都有极大的需求量，而电源技术会不断向高频、小体积方面发展。

3 电力电子技术在电源领域方面的应用

3.1 计算机绿色高效率电源

计算机能够为人类的工作生活带来方便，但是过去计算机的体积庞大，在八十年代，计算机率先采用了电源开关，促使更多的电子设备采用电源开关。计算机换取了电源开关之后，为省电、环保方面做出了贡献。

3.2 高频开关电源

通信业的快速发展促使电源行业的快速发展，目前频率高体积小的电源是通信业的主流。通信设备中所用的集成电路种类繁多，电源电压要根据不同的情况使用有所不同，在通信供电系统中采用高功率密度的高频 DC-DC隔离电源模块可以减小损耗、方便维护和安装。

3.3 直流-直流变换器

DC/DC 变化器可以将固定的直流电压转变为可变的直流电压，可以再无轨电车、地铁等行业进行应用，可以使的加速平稳，得到快速的响应，别且能够节约电能。同时 DC/DC二次电源已近商品化，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。

3.3.1 不间断电源

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。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，微处理器软硬件技术的引入使得其实现了对UPS的智能化管理。

3.3.2 变频器电源

变频器电源主要用于交流电机的变频的调速，随着日本东芝的将这种技术应用于空调技术中，国内90年代开始应用这种变频技术，极大的节省了电能。

3.3.3 高频逆变式整流焊机电源