簡(jiǎn)論大功率數(shù)字電源產(chǎn)品

1 引言

上世紀(jì)60年代，開關(guān)電源問世，并逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和可控硅相控電源。40多年來，開關(guān)電源技術(shù)有了飛速發(fā)展和變化，經(jīng)歷了功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用、高頻化和軟開關(guān)技術(shù)、開關(guān)電源系統(tǒng)綜合集成的三大技術(shù)發(fā)展階段。從上世紀(jì)80年代開始，高頻化和軟開關(guān)技術(shù)的開發(fā)研究，使功率變換器效率更高、性能更好、重量更輕、體積更小。高頻化和軟開關(guān)技術(shù)是過去20年國(guó)際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。上世紀(jì)90年代中期，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊技術(shù)開始發(fā)展，成為近十幾年來國(guó)際電力電子業(yè)界努力解決的問題。提升功率半導(dǎo)體器件高效率性能，提高開關(guān)電源的功率密度，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)應(yīng)用，高頻磁集成與同步整流技術(shù)的應(yīng)用，模塊化分布式電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電源系統(tǒng)高密度集成，低污染電磁兼容性設(shè)計(jì)等是現(xiàn)代電源技術(shù)關(guān)注的熱點(diǎn)。而電源數(shù)字控制同樣成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)逐漸在功率變換設(shè)備中得到推廣應(yīng)用。業(yè)內(nèi)稱采用數(shù)字控制技術(shù)的功率變換產(chǎn)品為數(shù)字電源。最近幾年，以數(shù)字信號(hào)處理器為控制核心的大功率數(shù)字電源技術(shù)已經(jīng)成為受很多高校、電力電子技術(shù)專業(yè)機(jī)構(gòu)和電源系統(tǒng)提供商重視的研究課題，國(guó)內(nèi)外每年有很多相關(guān)的技術(shù)性論文發(fā)表，也有少數(shù)電源生產(chǎn)商經(jīng)過多年潛心研究開發(fā)，開始逐步推出全數(shù)字化的電源產(chǎn)品，尤其是大功率的不間斷電源和通信電源……

功率半導(dǎo)體器件高效率性能，提高開關(guān)電源的功率密度，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)應(yīng)用，高頻磁集成與同步整流技術(shù)的應(yīng)用，模塊化分布式電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電源系統(tǒng)高密度集成，低污染電磁兼容性設(shè)計(jì)等是現(xiàn)代電源技術(shù)關(guān)注的熱點(diǎn)。而電源數(shù)字控制同樣成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)逐漸在功率變換設(shè)備中得到推廣應(yīng)用。業(yè)內(nèi)稱采用數(shù)字控制技術(shù)的功率變換產(chǎn)品為數(shù)字電源。最近幾年，以數(shù)字信號(hào)處理器為控制核心的大功率數(shù)字電源技術(shù)已經(jīng)成為受很多高校、電力電子技術(shù)專業(yè)機(jī)構(gòu)和電源系統(tǒng)提供商重視的研究課題，國(guó)內(nèi)外每年有很多相關(guān)的技術(shù)性論文發(fā)表，也有少數(shù)電源生產(chǎn)商經(jīng)過多年潛心研究開發(fā)，開始逐步推出全數(shù)字化的電源產(chǎn)品，尤其是大功率的不間斷電源和通信電源。

2 數(shù)字電源概述

2.1 基本特點(diǎn)

數(shù)字電源是采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)電源的控制、保護(hù)與通信接口的新型電源技術(shù)，可編程、優(yōu)良的響應(yīng)特性和數(shù)字環(huán)路控制是表征數(shù)字電源的3個(gè)主要特征。電源數(shù)字化后具有很強(qiáng)的適應(yīng)性與靈活性，具備直接監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀況的能力，能夠滿足絕大多數(shù)電源用戶需求數(shù)字電源的自動(dòng)診斷、在線輸出調(diào)節(jié)的能力使調(diào)試和維護(hù)工作變得輕松還可通過遠(yuǎn)程診斷以確保持續(xù)工作的系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)故障告警管理、過電壓過電流多層次保護(hù)、自動(dòng)冗余并聯(lián)等功能。

2.2 數(shù)字電源與模擬電源的對(duì)比

相對(duì)于模擬控制技術(shù)，數(shù)字電源大大減少了在模擬電源中常見的誤差、老化包括模擬器件的精度、溫度影響、漂移、非線性不易補(bǔ)償?shù)葐栴}，其穩(wěn)定的控制參數(shù)使得產(chǎn)品個(gè)體無須精細(xì)調(diào)節(jié)即可獲得很好的一致性，可靠性好，可生產(chǎn)性好?；诨蚋咚傥⑻幚砥鞯臄?shù)字控制技術(shù)，除了具備數(shù)字控制技術(shù)本身的特點(diǎn)，由于其更快速的數(shù)據(jù)處理能力，還有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，包括實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的控制算法、更好的優(yōu)化效率、更高的數(shù)據(jù)采樣精度和控制開關(guān)調(diào)節(jié)頻率、更高的控制精確度和可靠性、優(yōu)秀的系統(tǒng)管理和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能。

基于高速高性能的數(shù)字電源控制算法采用軟件實(shí)現(xiàn)，軟件運(yùn)算特性使它更易于實(shí)現(xiàn)非線性控制可改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)能力和采用多環(huán)路控制等更優(yōu)化的控制算法很多情況下更新軟件即可實(shí)現(xiàn)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法，更改電源輸出參數(shù)也無須變更板卡上的元器件，這樣一來就能提高硬件平臺(tái)的重復(fù)使用率，通過設(shè)計(jì)不同軟件即可滿足各種個(gè)性化電源系統(tǒng)的新需求，從而縮短開發(fā)周期、減少開發(fā)成本、加快產(chǎn)品上市速度，降低元器件生產(chǎn)性庫(kù)存與風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)字電源雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但仍有一些缺點(diǎn)不能忽視。模擬控制對(duì)外界條件變化的反應(yīng)延時(shí)小，而數(shù)字電源需要一個(gè)采樣、量化和處理的過程來對(duì)變化做出反饋和調(diào)節(jié)控制，因此它對(duì)外界條件變化的響應(yīng)速度一般來說比不上模擬電源。數(shù)字電源由于存在轉(zhuǎn)換的量化誤差，在分辨率、帶寬、與功率元件的電壓兼容性、功耗、開關(guān)頻率，精度、效率和材料成本在小功率電源系統(tǒng)中等方面也比模擬電源稍差。不過，在大功率規(guī)模化電源產(chǎn)品應(yīng)用方面，隨著專用于電源控制技術(shù)的高速高性能的推出，電源高頻化和軟開關(guān)技術(shù)更加容易實(shí)現(xiàn)，價(jià)格卻不斷降低，其構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)集成度更高，采用數(shù)字電源解決方案越來越具有優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期綜合成本并不一定就比模擬電源高，以技術(shù)獲取經(jīng)濟(jì)效益的空間更大，這在市場(chǎng)需求量大的通信用電源、工業(yè)用電源、電力控制電源，以及金融業(yè)、服務(wù)業(yè)用不間斷電源等較大功率的產(chǎn)品中，數(shù)字電源的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)更加顯現(xiàn)參見表1.

2.3 數(shù)字電源產(chǎn)品化趨勢(shì)分析

可以看出與模擬電源相比，數(shù)字電源中包含的技術(shù)無疑要復(fù)雜一些，還需要一些新的技術(shù)，但對(duì)用戶而言，數(shù)字電源的使用并不復(fù)雜，設(shè)計(jì)得好的則使用更加簡(jiǎn)單，隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前數(shù)字電源的一些劣勢(shì)已經(jīng)可以滿足用戶需求，但其監(jiān)控管理功能提升和可測(cè)試性好，用戶維護(hù)更加方便，可以大大降低用戶的經(jīng)營(yíng)管理成本，只是要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員具備更高的設(shè)計(jì)能力，這一點(diǎn)用戶并不理會(huì)。當(dāng)然新的產(chǎn)品或技術(shù)，用戶往往會(huì)持一些懷疑的態(tài)度，可靠性能否保證真的能帶來效益嗎這些是需要引導(dǎo)的，市場(chǎng)推廣方面可以通過免費(fèi)試用或者用后付款等方式解決。相比快速推出更加適應(yīng)市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，從而占領(lǐng)更廣闊的市場(chǎng)，加上技術(shù)積累效應(yīng)和產(chǎn)品快速升級(jí)，降低不良庫(kù)存周轉(zhuǎn)，通過規(guī)?；a(chǎn)降低綜合生產(chǎn)管理成本等，電源產(chǎn)品提供商長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更好，因而這種高新技術(shù)要求，對(duì)于市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)研發(fā)或者以技術(shù)贏取效益的電源產(chǎn)品供應(yīng)商也很樂意接受，這樣，對(duì)買賣雙方都有利，從而會(huì)形成強(qiáng)大的市場(chǎng)推動(dòng)力，未來的電源產(chǎn)品向全數(shù)字化控制技術(shù)發(fā)展的大趨勢(shì)就自然形成了。

基于的電源數(shù)字控制技術(shù)，涉及到電力電子、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、通信技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，其技術(shù)難度自然不低，盡管已經(jīng)可以從學(xué)術(shù)刊物和網(wǎng)絡(luò)媒體上搜尋到很多這方面的技術(shù)論文，其中不乏對(duì)電源控制技術(shù)原理分析得很透徹的文章，然而從技術(shù)成果向產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化過程中，其難度比其他行業(yè)的產(chǎn)品數(shù)字化過程有過之而無不及，這或許是真正意義上的全數(shù)字化電源從世紀(jì)之初提出概念，至今仍然沒有大規(guī)模應(yīng)用的主要原因之一。筆者所在企業(yè)為國(guó)內(nèi)著名的高新科技上市公司，主要業(yè)務(wù)為通信設(shè)備產(chǎn)品，其中的一條通信用電源產(chǎn)品線，以研制生產(chǎn)通信用組合電源、通信用不間斷電源等產(chǎn)品，行銷國(guó)內(nèi)外年產(chǎn)值達(dá)幾十億元，產(chǎn)品研發(fā)投人很大，經(jīng)歷了高頻開關(guān)電源發(fā)展的整個(gè)過程，積累了很多關(guān)鍵技術(shù)和獨(dú)特的技術(shù)，近年來為推動(dòng)數(shù)字化電源技術(shù)的發(fā)展做了很多努力，從電源監(jiān)控?cái)?shù)字化到電源控制全數(shù)字化都進(jìn)行了深人研究，品嘗了產(chǎn)品開發(fā)過程中的酸甜苦辣，也從中獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。本文基于的電源數(shù)字控制技術(shù)在通信電源和不間斷電源方面的產(chǎn)品化研究過程，簡(jiǎn)略介紹全數(shù)字電源產(chǎn)品化所要解決的部分非原理性技術(shù)問題，從中即可窺見技術(shù)成果產(chǎn)品化實(shí)踐的一斑。

要原因之一。筆者所在企業(yè)為國(guó)內(nèi)著名的高新科技上市公司，主要業(yè)務(wù)為通信設(shè)備產(chǎn)品，其中的一條通信用電源產(chǎn)品線，以研制生產(chǎn)通信用組合電源、通信用不間斷電源等產(chǎn)品，行銷國(guó)內(nèi)外年產(chǎn)值達(dá)幾十億元，產(chǎn)品研發(fā)投人很大，經(jīng)歷了高頻開關(guān)電源發(fā)展的整個(gè)過程，積累了很多關(guān)鍵技術(shù)和獨(dú)特的技術(shù)，近年來為推動(dòng)數(shù)字化電源技術(shù)的發(fā)展做了很多努力，從電源監(jiān)控?cái)?shù)字化到電源控制全數(shù)字化都進(jìn)行了深人研究，品嘗了產(chǎn)品開發(fā)過程中的酸甜苦辣，也從中獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。本文基于的電源數(shù)字控制技術(shù)在通信電源和不間斷電源方面的產(chǎn)品化研究過程，簡(jiǎn)略介紹全數(shù)字電源產(chǎn)品化所要解決的部分非原理性技術(shù)問題，從中即可窺見技術(shù)成果產(chǎn)品化實(shí)踐的一斑。

3 產(chǎn)品化實(shí)例分析

3.1 通信電源

通信用組合電源的重要組成部分是整流器模塊，作為功率變換的主體，整流器模塊的作用是輸人來自電網(wǎng)的正弦交流電，通過整流變換為低壓直流電輸出，目前通信行業(yè)內(nèi)對(duì)電源的要求比較高，制定有嚴(yán)格的人網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，諸如變換效率、輸人電流諧波含量、輸人功率因數(shù)、輸出電壓紋波、輸出電壓穩(wěn)定度、輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)等性能指標(biāo)等都是用戶高度重視的基本參數(shù)，因此普通的整流和變換方式難以滿足，需要采用功率因數(shù)校正和電磁兼容性設(shè)計(jì)等措施，這樣就提出了很多技術(shù)性課題，圖1示出了三相無中線輸人兩級(jí)電路結(jié)構(gòu)的整流器設(shè)計(jì)技術(shù)。[!--empirenews.page--]

對(duì)于全數(shù)字化的通信電源整流器模塊，產(chǎn)品化過程中需要解決的包含但不限于上述技術(shù)課題，由于其控制已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大部分信號(hào)采集并且數(shù)字化，在監(jiān)控通信的部件設(shè)計(jì)中可以省去一些信號(hào)采集的電路，與控制所需的信息共享。

3.2 不間斷電源

不間斷供電電源在國(guó)內(nèi)外都具有非常廣闊的市場(chǎng)，尤其是雙變換在線式，其良好的輸人輸出性能更是廣受用戶青睞，占據(jù)著大部分市場(chǎng)，而且其比例還在繼續(xù)擴(kuò)大。在線式的重要組成部分是整流部件和逆變部件，兩個(gè)部件作為功率變換的主體，整流部件的作用是輸人來自電網(wǎng)的正弦交流電，通過整流變換為高壓直流電，然后再由逆變部件完成高壓直流變換為穩(wěn)定的交流電輸出。

同樣，通信行業(yè)內(nèi)對(duì)的性能要求比較高，制定有嚴(yán)格的人網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，諸如變換效率、輸人電流諧波含量、輸人功率因數(shù)、輸出電壓諧波含量、輸出電壓穩(wěn)壓精度、輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)等性能指標(biāo)等都是用戶高度重視的基本需求，因此普通的整流和變換方式也難以滿足，需要采用、逆變和設(shè)計(jì)等措施，這樣又提出了很多新的技術(shù)性課題。

對(duì)于不間斷電源產(chǎn)品化所需要的技術(shù)，相對(duì)于整流器而言，大多可看作大功率電源，其技術(shù)組成結(jié)構(gòu)有所不同，從圖所示技術(shù)結(jié)構(gòu)圖中可以看到，與整流器模塊相比，多了一個(gè)“旁路控制”部件，還有一個(gè)“變換”部件取代了整流器的“以以二變換部件”，實(shí)際上就是“一變換部件”。在逆變控制方面的技術(shù)難度也比整流器的控制要大得多，圖2所示為分布式旁路三相輸人三相輸出的正弦波在線式或模塊設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)構(gòu)。

4 數(shù)字控制技術(shù)成果產(chǎn)品化要點(diǎn)

4.1 技術(shù)開發(fā)要求

上面所列一些技術(shù)條目在實(shí)際產(chǎn)品研制中可能存在重合或交叉，有關(guān)“功率因數(shù)校正功能控制算法”、“‘高效率軟開關(guān)控制算法”和“輸出電壓高精度穩(wěn)壓控制算法”等這些方面的技術(shù)課題在很多高等院校得到了比較深人的研究，一般來說原理上基本不存在問題，也是電源數(shù)字化技術(shù)的重點(diǎn)，只是需要進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，而在技術(shù)走向產(chǎn)品化過程中，由于實(shí)際的電路實(shí)現(xiàn)和輸人輸出環(huán)境并不是理想的模型理論仿真的結(jié)果與產(chǎn)品化的情況往往存在偏差甚至是比較大的差別，總是需要引人很多工程思想來處理解決，比如“信號(hào)采集修正設(shè)計(jì)技術(shù)”、“輸人電壓不平衡時(shí)的控制技術(shù)”、“輸出直流電壓中點(diǎn)平衡控制技術(shù)”、輸人輸出是否有中線、輸入輸出異常情況的快速保護(hù)，以及各種邏輯功能實(shí)現(xiàn)等等，這些非純?cè)硇约夹g(shù)問題的解決在產(chǎn)品研制過程中，總是要在一些基礎(chǔ)技術(shù)上進(jìn)行多層次綜合應(yīng)用開發(fā)，而且需要根據(jù)產(chǎn)品的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)和不斷的補(bǔ)充完善，按照傳統(tǒng)的瀑布式開發(fā)模型，這往往需要更多的研發(fā)資源投人，耗費(fèi)更長(zhǎng)的研發(fā)時(shí)間。

4.2 產(chǎn)品化過程管理參考

數(shù)字化的大功率電源產(chǎn)品研制過程，其資源投人大是不言而喻的，但由于其研制過程中，軟件開發(fā)所占的比重相對(duì)小功率的數(shù)字電源更大，而且主要是嵌人式軟件的開發(fā)，其中一部分與硬件的相關(guān)性很大，但除去這些與電路拓?fù)溆嘘P(guān)的技術(shù)和算法部分而外，軟件開發(fā)更容易實(shí)現(xiàn)模塊化，有很多工作是可逐步積累的，可在不同硬件平臺(tái)上移植，一部分經(jīng)過驗(yàn)證成熟的模塊在不同的產(chǎn)品中可以實(shí)現(xiàn)共享，提升企業(yè)核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)能力。而用戶功能需求的實(shí)現(xiàn)對(duì)于軟件開發(fā)而言，完全可以遵循軟件通常的開發(fā)模式，比如增量式模型和迭代式模型等均可以采用。

通用的軟件研發(fā)過程管理工具以及軟件開發(fā)、測(cè)試驗(yàn)證工具和方法都可以得到應(yīng)用，軟件研發(fā)過程能力成熟度提升，也將提升產(chǎn)品研發(fā)過程能力成熟度，產(chǎn)品的質(zhì)量將穩(wěn)步提升，通過過程能力的改進(jìn)和提升同時(shí)可以弱化產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)少數(shù)研發(fā)人員個(gè)人能力的依賴，通過項(xiàng)目管理，產(chǎn)品所需的每一部分技術(shù)都可以更加專業(yè)化能力水平提升更快。通過團(tuán)隊(duì)運(yùn)作，其技術(shù)能力水平將決定于團(tuán)隊(duì)的總體能力如果團(tuán)隊(duì)運(yùn)作比較成功，團(tuán)隊(duì)總體能力可以達(dá)到或超越隊(duì)員的最高水平，這樣一來，最終產(chǎn)品研發(fā)能力在各個(gè)方面都可做到盡可能地優(yōu)良，最終產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量自然就好。實(shí)際上這種團(tuán)隊(duì)運(yùn)作的管理在很多企業(yè)里都有相對(duì)成熟的模型，通用型團(tuán)隊(duì)管理模式同樣適用，可以參考借鑒。

5 結(jié)語

通過對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的獨(dú)立預(yù)研，將耗費(fèi)時(shí)間比較長(zhǎng)、影響產(chǎn)品性能且技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大的研發(fā)工作集中優(yōu)勢(shì)資源進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，打好基礎(chǔ)，掌握核心技術(shù)，形成技術(shù)平臺(tái)。將一般性的綜合應(yīng)用技術(shù)和功能實(shí)現(xiàn)作為系列產(chǎn)品優(yōu)化改進(jìn)項(xiàng)目開發(fā)，然后根據(jù)市場(chǎng)需求狀況選擇合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行整合，經(jīng)過這樣的產(chǎn)品化過程，才能研制成功功能豐富、性能優(yōu)良、工藝技術(shù)精湛、可靠性高、使用維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)性好、用戶樂于接受的暢銷產(chǎn)品。