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1.電力電子技術的發展
現代電力電子技術的發展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。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,其發展先后經歷了整流器時代、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,表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,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變為直流電,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與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-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物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,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補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展,為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。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合,出現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展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,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。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發展,為用電設備的高效節材節能,實現小型輕量化,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。
計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于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
通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。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,傳統的相控式穩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,實現高效率和小型化。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、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側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。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產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,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。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換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,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發展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。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,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發展方向。
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,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩定的直流,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制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,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,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍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、水質改良、醫用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,將市電整流后逆變為3kHz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,使變壓器系統的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,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
傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發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。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環基準信號為電壓環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
分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規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,提高生產效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規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,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納,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、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統中，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
理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、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“整流行業”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”,其主要材料可以節約90%或更高,還可節電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高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。
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的續流二極管,實質上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅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(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了“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的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優化完美的境地。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連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。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來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時間。
3.3數字化
在傳統功率電子技術中,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,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點: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)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,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,數字化技術就離不開了。
3.4綠色化
作者：張亞婷 丑修建 郭濤 熊繼軍 單位：中北大學
近年來，為了探索新型的使用壽命長、能量密度高的微能源，國內外學者開始收集人體、聲音、道路、高層建筑等周圍環境中的振動，以實現微納機電系統的自我供能，這將有望解決能源微型化過程中電池體積大、一次性使用壽命短、能量密度小等問題。靜電式微能源目前，T．Sterken等人［5］提出的靜電式發電機采用靜電梳齒結構和MEMS工藝，在150V的激勵下、振動頻率為1020Hz的環境中，獲得1μW功率輸出；在3750Hz下得到16μW功率。美國Berkeley大學S．Roundy等人［6］研制出的靜電式發電機采集120Hz的低頻振動（圖略），采用變間距式改變電容，仿真和實驗結果證實變間距式的結構更有優勢，當在120Hz，2．25m／s2的加速度振動下，輸出功率密度達116μW／cm2。（圖略）為變面積式結構。Y．Chiu等人［7］提出了一種靜電式微能源，利用鎢球調節裝置的固有頻率，整合機械開關被安放在換能器內，實現同步能量轉換。東京大學T．Tsutsumino等人［8］提出了一種靜電式發電機，其利用高性能的有機膜全氟樹脂（CYTOP）作為駐極體材料來提供電荷，加載20Hz振動，振動幅度的峰峰值為1mm，最大輸出功率達6．4μW。電磁式微能源目前在電磁能量轉換研究方面工作較突出的是英國Southampton大學，從2004年開始采用硅微加工技術制作了微型電磁式振動能量采集器，在1．615kHz的振動頻率下，輸入加速度為0．4g時，其產生的最大輸出功率為104nW［9］；此外還提出了一種發電機在9．5kHz，1．92m／s2加速度振動驅動下，獲得21nW的電能［10］。D．Spreemann等人［11］設計了一個雙自由度電磁式能量采集器，中心轉子帶動磁鐵運動，使磁通量產生變化，產生感應電動勢，克服了單自由度能量采集器固有頻率的限制，適用于實際環境中的振動。在低頻環境中30～80Hz，可得到3mW的功率。H．Kulah等人［12］提出了一種鐵圈同振型發電機，通過一個電磁式頻率放大器將低頻振動轉換成高頻振動，而輸出功率與振動頻率的三次方成正比，從而提高了能量轉換效率。P．H．Wang等人［13］提出了一種銅平面彈簧式結構，為了獲得更低的固有頻率，測試結果顯示在121．25Hz頻率和1．5g的加速度下，開路電壓為60mV。以上研究初步達到了電磁發電單獨供能的目的，但在提高電源的能量密度和轉換效率，以及輸出能量收集與控制方面仍需要進行大量的研究工作。
壓電式微能源為了在低頻低強度的普通環境中提高轉換效率，大多數研究對微能源的結構進行了改進。S．Roundy等人［14］制作的矩形單懸臂梁結構的壓電發電機在120Hz、加速度為2．5m／s2下，產生25μW／cm2的能量。D．Shen等人［15］研制的低頻（183．8Hz）能量采集器，采用單矩形懸臂梁－質量塊結構，體積僅為0．769cm3，輸出平均能量為0．32μW，能量密度為41．625μW／cm2。E．K．Reilly等人［16］研究了矩形、梯形、螺旋形等不同結構的壓電懸臂梁。研究表明，螺旋形結構承受的應力最大，可產生較大的形變，輸出較高的電能，梯形結構次之。但是由于矩形結構加工簡單，故被廣泛應用。2010年，G．Zhu等人［17］收集說話聲音，采用豎直結構的ZnO納米線陣列代替常用的PZT壓電材料制成了納米發生器，通過實驗證實了在－100dB強度的聲波振動下，輸出峰值為50mV的交流電壓。近年來國內吉林大學、上海交通大學、大連理工大學等［18－20］也開展了關于壓電振子發電的微能源研究工作，并在壓電微能源應用研制方面取得了一定的研究成果。通常環境下振動分布在一個較寬的頻率范圍內，如果微能源帶寬過窄，則不能滿足實際需求。目前的頻帶擴展方法主要有陣列式［21－22］、多梁－多質量塊系統［23］以及頻率可調式［24－25］。陣列式是通過具有不同固有頻率的單懸臂梁－單質量塊結構來實現頻帶擴展，即使振動頻率改變，某些頻率的懸臂梁也會處于工作狀態；多梁－多質量塊系統是通過使結構某兩階頻率接近來實現頻帶擴展；頻率可調式分為主動調頻和被動調頻。主動調頻需要調頻器，而調頻器耗能大于產生的能量，故不可行；被動調頻需要激勵和傳感器，這提高了復雜性和成本。2006年，M．Ferrari等人［26］提出了一種多頻能量轉換器，覆蓋100～300Hz波段；2007年A．IbrahimSari等人［27］采用不同長度懸臂梁陣列式結構擴大了微型發電機的帶寬，在4．2～5kHz的振動頻率下，產生4μW的能量，覆蓋800Hz的波段。上海交通大學的馬華安等人［28］采用永磁鐵代替傳統的質量塊，并且在質量塊的上方和下方也放置了不同極性的永磁鐵，通過吸引力和排斥力來調整壓電懸臂梁的固有頻率，固有頻率范圍拓寬為80～100Hz。電能采集、存儲電路微小能量的采集、存儲也是微能源系統的關鍵技術，否則振動產生的微電壓并無實用價值。能量采集存儲電路主要包括整流電路、升壓電路和存儲電路。對于此部分的研究已經較為成熟，但大部分都是基于經典的分立器件所搭建而成，具有靜態電流高、采集存儲效率低的特點。LINEAR公司［29］新推出了一款專門面向能量收集的集成芯片LTC3588，它內部集成了AC／DC、電荷泵以及電源管理模塊，可以直接采集微小交流電壓信號，持續輸出100mA的電流信號，且其靜態電流只需950nA。TI公司［30］在2011年底推出的BQ25504芯片，也同樣集成了采集存儲電路的幾個模塊，其靜態電流僅為330nA，可以將能量存儲在鋰電池、薄膜電池以及超級電容中，同時其良好的電源管理實現了充放電保護的功能，極大地提高了系統的集成度。它們都具有操作簡單、能量采集存儲效率高、性能穩定、價格低廉的特點，可以廣泛地應用于由振動驅動的微能源系統。電能存儲的介質選擇也是研究的一項重要內容。沈輝［31］對超級電容、鎳氫電池和鋰電池的儲存電荷能力進行了比較，發現電容器的充放電速度較快，可以迅速地回收產生的電能，同時其充電效率最高可達95％，并且充電次數理論上也可達無窮次；與之相反，電池的充電速度慢，不能立即使用回收的電能，同時其充電效率僅為92％（鋰電池）、69％（鎳氫電池），使用壽命為500～1000次，但其具有放電時間長、輸出電壓比較穩定的特點。經過一個月的自放電測試，超級電容自放電效率最高，剩余電量僅為65％，鎳氫電池為70％，鋰離子電池為95％。但是對于需要經常充放電的場合，自放電可以忽略，超級電容憑借其可以無限次重復使用的特點，受到了科研人員的青睞。三種不同類型的微能源相比較，壓電式微能源有結構簡單、易于集成和微型化的獨特優點，已經應用到生活中。日本的研究員在東京火車站的地面上鋪上了四塊包含壓電發電裝置的地板，其可以顯示產生的能量，可為自動檢票門提供能量［4］。以色列Innowattech公司［32］建立了第一條發電公路，用預制塊和環氧樹脂作保護，防止壓電晶體破損。英飛凌公司［33］推出了MEMS傳感器、MCU、RF、MEMS自供電電源四合一的新型TMPS。
電磁式微能源的設計僅在理論指導下進行，對器件進行仿真分析較少［34］，所以，難以得到最優的結構模型；壓電微能源的大部分研究都通過改變幾何結構來降低共振頻率、優化電路以提高能量轉換效率，而對于研究新型的壓電材料來提高系統性能的研究相對較少；由于MEMS的微加工、微裝配與封裝技術處于發展階段，使得振動式微能源不能按照設計要求達到精確制作與裝配，從而難以得到理想結果。振動驅動微能源技術存在以下應用方面的問題：實際生活環境中振動頻率范圍比較寬，從十幾赫茲到幾百赫茲，至今沒有提出有效調節頻率的方法。因此，有人提出使用非線性振動模型來研究微能源［35］，但目前，這方面的研究還很少。儲存電能的介質需要做進一步研究，特別是超級電容，其放電速度快、輸出電壓不是很穩定的特性需要改進。理論上微能源具有壽命較長的優點，但是實際應用環境中振動加速度和頻率對微能源壽命有很大的影響。振動驅動微能源已成為各國科學家研究的熱點。目前，電磁式、壓電式微能源的研究相對較多，但是為了提高其性能指標，從而更快應用到實際中，振動式微能源的結構還在不斷得到改進、優化，并且提出新的結構模型。而靜電式微能源由于需要外部電源，限制了其應用，因而研究相對較少。振動驅動微能源技術向低頻、多頻、寬頻、非線性振動模型、復合微能源發展［36－37］。同時，將幾種不同轉換形式的微能源集成在同一芯片上，可以綜合不同原理微能源的優點，提高能量密度，這些都是微型化和實用化的關鍵。振動驅動微能源有望為野外和置入結構的微系統提供高可靠、長時間的電能，為無線傳感網絡節點和便攜式微電子產品提供充足的電源，所以研究振動式微能源有重要的實用意義。
引言
電子系統可視為是種類不同的元件集合，有些元件有著固定的性能指標和耗能，這些元件被稱為非電源管理元件；上反，有些元件可以在不同時間工作，并且有多種耗能狀態，相應地消耗著不同的系統電能，這些元件稱為可電源管理元件?？呻娫垂芾碓挠行褂贸蔀楣澥∠到y耗能，使整個系統在有限電能下長時間工作的關鍵所在。
系統元件從一種耗能狀態到另一種耗能狀態往往需要一段時間，并且在這段時間內會消耗更多的額外能量。狀態的改變會影響系統的性能，所以設計者需要在系統節能和系統性能之間找到恰當的折衷切入點。本文介紹了動態電源管理中的一些方法。這些方法將決定元件是否改變耗能狀態和何時改變。
1動態電源管理技術
“動態電源管理”是動態地分配系統資源，以最少的元件或元件最小工作量的低耗能狀態，來完成系統任務的一種降低功耗的設計方法。對于電源管理實施時間的判斷，要用到多種預測方法，根據歷史的工作量預測即將到來的工作量，決定是否轉換工作狀態和何時轉換。這就是動態電源管理技術的核心所在——動態電源管理方法。
動態電源管理技術適用的基本前提是，系統元件在工作時間內有著不相同的工作量。大多數的系統都具有此種情況。另一個前提是，可以在一定程度上確信能夠預知系統、元件的工作量的波動性。這樣才有轉換耗能狀態的可能，并且在對工作量的觀察和預知的時間內，系統不可以消耗過多的能量。
2電源管理
各個系統設備當接到請求時，設備忙；而沒有請求時，就進入了空閑狀態。設置進入空閑時，可以關閉設備，進入低耗能的休眠狀態；當再次接到請求后，設備被喚起。這就是所謂的“電源管理”。然而，耗能狀態的改變是需要時間的，也就是關閉時延和喚起時延。喚起休眠狀態中的設備需要額外的能量開銷，如圖1所示。如果沒有這項開銷，也就用不著電源管理技術了，完全可以只要設備空閑就關閉設備、這種時延和能量開銷確定存在，所以必須考慮，只有當設備在休眠狀態所節省的能量至少可以抵得上狀態轉換耗能的情況時，才可以進入休眠狀態。
電源管理技術是一個預知性問題。應尋求預知空閑時間是否足夠長，以及于能否抵得上狀態轉換的耗能開銷?？臻e時間過短時，采用電源管理的方案就得不償失了。所以事先估計出空閑時間的長短是電源管理技術中的首要問題。定義“恰當的停止時間段”（tBE）：能達到系統節能的最短空閑時間段。此時間與設備元件本身有關，與系統發出的請求無關。假設狀態轉換延時t0（包括關閉和喚起延時）耗能為E0；工作狀態功率Pw，休眠狀態功率Ps，可由以下式求出tBE。
Pw×tBE=E0+Ps×(tBE-T0)
等式左邊為“適合暫停時間段”內的耗能，也就是系統在這段用于節能的最短空閑時間內繼續工作所需能量；右邊是狀態轉換耗能和休眠時間內的系統耗能。tBE換和這段休眠時間內的系統耗能。電源管理技術就是要預知將要發生的休眠時間是否能夠大于tBE，只有大于它，設備才有休眠的必要。
3基于先驗預知的動態電源管理技術
對于大多數真實系統，即將輸入的信號是難以確定的。動態電源管理的決策是基于對未來的不確定預知的基礎之上的。所有的基于預知的動態電源管理技術的基本原理是探過去工作量的歷史和即將發生的工作量之間的相互關系，來對未來事件進行可靠的預知。對于動態電源管理，我們關心怎樣預知足夠長的空閑時間進入休眠狀態，表達如下：
p={tIDLE>tBE}
我們稱預知空閑時間比實際的空閑時間長（短）為“預知過度”（“預知不足”）。預知過度增加了對性能的影響；預知不足雖對性能無影響卻造成了能量的浪費。要是能既無預知過度又無預知不足，那就是一個理想的預知。預知的質量取決于對觀察樣本的選擇和對工作量的統計。
3.1靜態預知方法
固定超時法：最普遍的電源管理預知法，用過去的空閑時間作為觀察校本對象來預知當前空閑時段的總持續時間。此方法總結如下：空閑時鐘開始，計時器開始計時，超過固定超時時間tTO系統仍處于空閑，則電源管理使得系統休眠，直到接收到外界請求，標志著空閑狀態的結束。能夠合理地選擇tTO顯然是這種方法的關鍵。通常在要求不高的情況下取tTO=tBE。
固定超時法優點有二：①普遍適用（應用范圍僅限決于工作量）；②增加固定超時值可以減少“過度預知”（即預知時間比實際空閑時間長）的可能性。但是其缺點也明顯：固定超時過大則將引起預知不足，結果不能有效的節省能量，相當多的能量浪費在等待超時上。
預知關閉法：此方法可以解決固定超時法中等待固定超時而耗費過多能量的問題，即預知到系統的空閑可能性就立即關閉系統，無需等到空閑時間超過超時值。預知方法是對歷史工作量的統計上做的有肯定性估計。
Srivastave提出了兩種先驗關閉的方案。
①非線性衰減方程（φ）。此方程可由過去的歷史中得到。
t的上標表示過去空閑和工作時期的序號，n表示當前的空閑時期（其長度有待于預知估計）和最近的工作時段。此方程表明了要估計將發生的空閑時期，要考慮到過去的空閑和工作時期。
如果tpred>tBE，那么系統一空閑就立即關閉。觀察樣本是
此方法的局限：
*無法自主決定衰減方程的類型；
*要根據收集和分析的分散數據建立衰減模型，并且這些數據適合此衰減模型。
這些數據適合此衰減模型。
②極限方案。此方案基于一個極限。觀察樣本為緊挨著當前空閑時期之前的工作時期，如果便認為空閑時期比前一個工作時期長，則系統關閉。
注意：統計研究表明，短時間的工作時期后是長時間的空閑期；長時間的工作期后是短時間的空閑期。這樣的系統可以用極限法，如圖2所示。而短時期的工作期后是短時期的空閑期這種情況下就不能用些極限法?？傊瑢thr的選擇尤為重要。
預知喚起法：可以解決固定超時方法中喚起時的性能損耗。當預知空閑時間超時后則系統喚起，即使此時沒有接收收到任何系統請求。使用此方法應注意的是，如果tidle被“預知不足”，則這種方法增加了能量的消耗，但同時也減少了等待接收第一個系統請求的時間，還是在一定程度上節省了能量，提高了系統性能。
3.2動態預知方法
由于動態電源管理方法的最優化取決于對工作量的統計，當工作量既未知又非靜態時，靜態預知方法就不是十分有效。因此，就有了動態預知方法。對非靜態工作量有幾種動態的預知方法。
①設定一套超時值，每個值與一個參數相關。此參數表明超時值選擇的準確性。此方法是在每一個空閑時間內，選擇這些超時值中最有效的一個值。
②此方法同樣有一些供選擇的超時值，分配給每個值一個“權”。此“權”是對過去相同要求下，采取此超時值帶來的滿意度為衡量對象抽象出的參數。實際采用的超時值是取所有被選超時值的權的平均。
③只采用一個超時值，當選擇此超時值后會引起許多不盡如人意的“系統關閉”后，再適當增加此值。當更多的“系統關閉”可以被接受了，則適當降低此值。
4總結
1.1整流器時代
大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,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變為直流電,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與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-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物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,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補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展,為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。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合,出現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展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,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。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發展,為用電設備的高效節材節能,實現小型輕量化,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。
計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于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
通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。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,傳統的相控式穩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,實現高效率和小型化。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、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側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。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產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,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。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換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,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發展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。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,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發展方向。
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,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩定的直流,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制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,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,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍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、水質改良、醫用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,將市電整流后逆變為3kHz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,使變壓器系統的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,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
傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發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。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環基準信號為電壓環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
分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規?？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,提高生產效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規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,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納,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、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統中，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
理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、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“整流行業”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”,其主要材料可以節約90%或更高,還可節電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高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。
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的續流二極管,實質上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅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(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了“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的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優化完美的境地。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連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。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來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時間。
3.3數字化
在傳統功率電子技術中,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,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點: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)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,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,數字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著節電,這意味著發電容量的節約,而發電是造成環境污染的重要原因,所以節電就可以減少對環境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,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,許多功率電子節電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。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的方法。這些為2l世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。
現代電力電子技術是開關電源技術發展的基礎。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,現代電源技術將在實際需要的推動下快速發展。在傳統的應用技術下,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,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展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業的發展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動,并將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發。
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
通信電源是通信行業的動力，在電信網絡中發揮著不可替代的作用，具有無可比擬的重要基礎地位。通信電源又是通信設備系統的心臟，即使是瞬間的中斷也是不允許的，因為通信電源系統發生直流供電中斷故障是災難性的，往往會造成整個通信局（站）和通信網絡的全部中斷和癱瘓。通信電源是電信網絡中不可缺少的重要組成部分，是一個完整、規模日趨龐大和復雜的交換、傳輸、數據、信息、業務、智能等通信網的基石和后臺保障，因此通信電源直接關系到整個網絡的穩定、可靠和暢通，而開關電源因效率高、體積小、重量輕等優點被大量運用在通信設備供電中。
一、開關電源占據通信電源的主導地位
通信直流穩壓電源按照其實現直流穩壓方法的不同，可分為：線性電源、相控電源和開關電源三種。
1.1線性電源是通過串聯調整管來連續控制，其功率調整管總是工作在放大區。由于調整管上功率損耗很大，造成電源效率較低，只有20～40%，發熱損耗嚴重，安裝有體積很大的散熱器，因而功率體積系數只有20～30W/dm3。因此線性電源主要用于小功率、對穩壓精度要求很高的場合，如通信設備內部電路的輔助電源等。
1.2相控電源是將市電直接經整流濾波后提供直流，通過改變晶閘管的導通相位來控制直流電壓。由于相控電源的工作頻率低，工頻變壓器的體積和噪聲大，造成對電網干擾和負載變化的響應慢，設備笨重，且危害維護人員的身體健康。另外，其功率因數較低，只有0.6～0.7，嚴重污染電力電網，效率較低，只有60～80%，造成能源的極大浪費。因此傳統的相控電源已逐漸被淘汰。
1.3開關電源的功率調整管工作在開關狀態，主要的優點在"高頻"上。其工作頻率高，大都在40kHz以上，無煩人的噪聲。體積小，重量輕，適用于分散供電，可與通信設備放在同一機房。效率高，大于90%，在當前能源比較緊張的情況下，能夠在節能上做出很大的貢獻。功率因數高，大于0.92，當采用有效的功率因數校正電路時，功率因數可接近于1，且對公共電網基本上無污染。模塊化的設計，可實行N+1配置，可靠性高。維護方便，可在運行中更換模塊，而不影響系統供電，擴容方便、分段投資，可在初建時，預留終期模塊的機架，隨時擴容。調試方便，內設模擬測試電路，無需另配假負載。具有監控功能，并配有標準通信接口，可實現集中監控，無人值守。
二、開關電源的關鍵技術
開關電源中具有技術突破主要有體現在以下四個方面：
2.1均流技術
大功率電源系統需要用若干臺開關電源并聯，以滿足負載功率的要求，另外通信電源必須通過并聯技術來實現模塊備份，以提高電源系統的可靠性。因此并聯技術在供電系統中必不可少，而并聯運行的整流模塊間需要采用均流措施，它是實現大功率電源系統的關鍵，用以保證模塊間電流應力和熱應力的均勻分配，防止一臺或多臺模塊運行在限流或滿載狀態，同時延長電源系統的壽命和平均無故障時間。
2.2軟開關技術
DC-DC變換器是開關電源的主要組成部分，因此功率變換技術一直受到全世界電力電子學科和行業研究的關注。而如何降低開關損耗，提高開關電源的頻率和開關電源的系統效率，代表了開關電源的發展趨勢。在經過了硬開關PWM（或PFM）技術和硬開關加吸收網絡技術后，軟開關技術得到了廣泛應用。這樣能夠極大地降低開關損耗，減小功率器件電和熱應力，改善器件工作環境，降低電磁干擾，提高功率密度等，為開關電源實現高效、節能、體積小、重量輕和高可靠性的要求做出了貢獻。軟開關技術有：諧振技術、準諧振技術、PWM和準諧振相結合的技術。
2.3功率因數校正技術
功率因數校正技術有：采用三相三線制整流，即無中線整流方式，可使諧波含量大大降低，功率因數可達0.86以上；采用無源功率因數校正技術，即在三相三線整流方式下加入一定的電感，可使功率因數達0.93以上，諧波含量降到10%以下；采用有源功率因數校正技術，即在輸入整流部分加入一級功率處理電路，使無功功率幾乎為0，功率因數可達0.99以上，諧波含量降到5%以下。
2.4智能化監控技術
開關電源大量應用控制技術、計算機技術，進行各種異常保護、信號檢測、電池自動管理等，實時監視通信電源設備運行狀態，記錄和處理有關數據，及時發現故障，以先進的、集中的、自動化的維護管理方式來管理通信電源設備，從而提高供電系統的可靠性。智能化監控技術的應用，使得維護人員面對的不再是復雜的器件和電路，而是一個人機表達和交流的信息，大大改進了維護管理方式。
三、開關電源的發展
開關電源在發展，今后仍要不斷提高開關電源和供電系統的高新技術含量，以支撐高速發展的現代化通信網絡的建設和運行維護管理為主導方向，以高可靠性、高穩定性和可維護性為最終目的。具體有以下幾個方面：
3.1小型化
隨著通信設備日益集成化、小型化和分散化的發展，以及勢在必行的分散供電的廣泛應用，要求開關電源也相應小型化，而開關電源工作頻率高頻化和控制電路集成化，使開關電源的小型化成為可能。特別是隨著小型化開關電源的市場迅速擴大，如接入網、數據產品、移動基站、無線市話等，一些小功率模塊插件形式的開關電源將應運而生，大有蓬勃發展之勢。如中興通訊的ZXDU45嵌入式電源，在結構上采用標準的19英寸插框設計，高度為4U，功能齊全，使用起來極為安全方便。
3.2高智能化
隨著開關電源在通信領域多方面的廣泛使用，而維護人員又不是專業電源維護人員，只有借助其智能化，對電源設備的運行狀態自動檢測，對電源故障及時發現、診斷和處理。這就要求智能化在原有監控功能的基礎上，增加診斷功能，即故障診斷專家系統，以指導維護人員處理問題，加快故障診斷和檢修過程。
3.3電池管理
1引言2計算機電源發展歷程
在計算機各部件中最令人注意的就是CPU的頻率、內存的大小、硬盤容量，顯卡的性能等等。而對于電腦中的一個重要部件電源．卻往往總會受到忽略。而事實上，電腦的許多奇怪癥狀都是由電源引起的。假如我們把計算機比作一個人的話，CPU作為計算機的核心部件起著運算和控制的作用，它相當于我們人類的大腦；而電源作為計算機的動力提供者，完全等價于我們人類的心臟，其重要之處由此可見。所以有必要了解電源內部結構，熟悉電源的工作原理，才能更好地維護好計算機電源，才能從根本上保障公司各部門計算機設備長時間穩定工作。
2計算機電源發展歷程
PC／XT_IBM最先推出個人PC／XT機時制定的標準；AT_也是由IBM早期推出PC／AT機時所提出的標準，當時能夠提供192W的電力供應；ATX—Intel公司于1995年提出的工業標準。與AT比較主要變化為：
1、取消了AT電源上必備的電源開關而交由主板進行電源開關的控制，增加了一個待機電路為電源主電路和主板提供電壓來實現電源喚醒等功能：
2、ATX電源首次引進了+3．3V的電壓輸出端，與主板的連接接口上也有了明顯的改進：ATX12V——支持P4的ATX標準，是目前的主流標準：ATX12V一1．1：在ATX的基礎之上增加了4pin的+12V輔助供電線(PIO)為P4處理器供電，改變了各路輸出功率分配方式，增強+12V負載能力；ATX12V一1.3：提高了電源效率，增加了對SATA的支持。去掉了一5V輸出，增加了+12V的輸出能力；ATX12V一2.0：尚未有產品實施的最新規范；電源連接器由20針改為24針，以支持75W的PCIExpress總線．同時取消輔助電源接口；提供另一路+12V輸出，直接為4Pin接口供電；WTX—ATX電源的加強版本：尺寸上比ATX電源大。供電能力也比比ATX電源強，常用于服務器和大型電腦；BTX一現有架構的終結者，電源輸出要求、接口等支持ATX12V。
3計算機開關電源的工作原理
電源是一種能量轉換的設備，它能將220V的交流電轉變為計算機需要的低電壓強電流的直流電。首先將高電壓交流電(220V)通過全橋二極管整流以后成為高電壓的脈沖直流電，再經過電容濾波以后成為高壓直流電。此時，控制電路控制大功率開關三極管將高壓直流電按照一定的高頻頻率分批送到高頻變壓器的初級。接著，把從次級線圈輸出的降壓后的高頻低壓交流電通過整流濾波轉換為能使電腦工作的低電壓強電流的直流電。其中，控制電路也是必不可少的部分。它能有效的監控輸出端的電壓值，并向控制功率開關三極管發出信號控制電壓上下調整的幅度。目前的常見產品主要采用脈沖變壓器耦合型開關穩壓電源，它分為交流抗干擾電路、功率因數校正電路、高壓整流濾波電路、開關電路、低壓整流濾波電路5個主要部分。
4交流抗干擾電路
為避免電網中的各種干擾信號影響高頻率、高精度的計算機系統．防止電源開關電路形成高頻擾竄，影響電網中的其他電器等；各種電磁、安規認證都要求開關電源配有抗干擾電路。主要結構為兀型共模、差模濾波電路．由差模扼流電感、差模濾波電容、共模扼流電感、共模濾波電容組成：
5功率因數校正電路
開關電源傳統的橋式整流、電容濾波電路令整體負載表現為容性，且使交流輸入電流產生嚴重的波形畸變，向電網注人大量的高次諧波，功率因數僅有0．6左右，對電網和其他電氣設備造成嚴重的諧波污染與干擾。因此，我國在2003年開始實施的CCC中明確要求計算機電源產品帶有功率因數校正器(PowerFactorCorrector，即PFC)，功率因數達到0．7以上。PFC電路分為主動式(有源)與被動式(無源)兩種：主動式PFC本身就相當于一個開關電源．通過控制芯片驅動開關管對輸入電流進行”調制”，令其與電壓盡量同步，功率因數接近于1；同時．主動式PFC控制芯片還能夠提供輔助供電，驅動電源內部其他芯片以及負擔+5VSB輸出。主動式PFC功率因數高、+5VSB輸出紋波頻率高、幅度小，但結構復雜，成本高，僅在一些高端電源中使用。目前采用主動式PFC的計算機電源一般采用升壓轉換器式設計，電路原理圖如下：被動式PFC結構簡單，只是針對電源的整體負載特性表現，在交流輸人端．抗干擾電路之后串接了一個大電感，強制平衡電源的整體負載特性。被動式PFC采用的電感只需適應50～60Hz的市電頻率，帶有工頻變壓器常用的硅鋼片鐵芯，而非高頻率開關變壓器所采用的鐵氧體磁芯，從外觀上非常容易分辨。被動式PFC效果較主動式PFC有一定差距，功率因數一般為0．8左右；但成本低廉，且無需對原有產品設計進行大幅度修改就可以符合CCC要求，是目前主流電源通常采取的方式。
6高壓整流濾波電路
目前的各種開關電源高壓整流基本都采用全橋式二極管整流，將輸人的正弦交流電反向電壓翻轉，輸出連續波峰的“類直流”。再經過電容的濾波，就得到了約300V的“高壓直流”。
開關電路
開關電源的核心部分．主要由精密電壓比較芯片、PWM芯片、開關管、驅動變壓器、主開關變壓器組成。精密電壓比較芯片將直流輸出部分的反饋電壓與基準電壓進行比較．PWM芯片根據比較結果通過驅動變壓器調整開關管的占空比，進而控制主開關變壓器輸出給直流部分的能量，實現“穩壓”輸出。PWM(PulesWidthModulation)即脈寬調制電路，其功能是檢測輸出直流電壓，與基準電壓比較，進行放大，控制振蕩器的脈沖寬度，從而控制推挽開關電路以保持輸出電壓的穩定，主要由1CTL494及周圍元件組成。使用驅動變壓器的目的是為了隔離高壓(300V)區與低壓區(最高12V)，避免開關管擊穿后高壓電可能對低壓設備造成的危害，也令PWM芯片無需接觸高壓信號，降低了對元件規格的要求。
沖變壓器耦合型開關穩壓電源主要的直流(高壓到低壓)轉換方式有5種，其中適合作為計算機電源使用的主要為推挽式與半橋式，而推挽式多用于小型機、UPS等，我們常見的電源產品則基本都采用半橋式變換。
8低壓整流濾波電路
經過調制的高壓直流成為了低壓高頻交流，需要經過再次整流濾波才能得到希望的穩定低壓直流輸出。整流手段與高壓整流類似，仍是利用二極管的單向導通性質，將反向波形翻轉。為了保證濾波后波形的完整性，要求互相配合實現360。的導通，因此一般采用快速恢復二極管(主要用于+12V整流)或肖特基二極管(主要用于+5V、+3．3V整流)。濾波仍是采用典型的扼流電感配合濾波電容，不過此處的電感不僅為了扼制突變電流，更為重要的作用是像高壓濾波部分的電容一樣作為儲能元件，為輸出端提供連續的能量供應。實際產品中高壓整流濾波電路、開關電路、低壓整流濾波電路是一個整體，雖然原理與前述基本相同，但元件個數、分布方式會有很大變化。例如采用半橋式電壓變換的電源就有兩個高壓濾波電容，每一路直流輸出對應兩個整流管，各負責半個周期的輸出；而采用單端正激式電壓變換的電源則只有一個高壓濾波電容，每一路直流輸出對應兩個整流管，工作時間按照開關管占空比分配。其他較為重要的部分還有輔助供電電路與保護電路：輔助供電電路一個小功率的開關電源，交流輸入接通后即開始工作。300V直流電被輔助供電開關管調制成為脈沖電流，通過輔助供電變壓器輸出二路交流電壓。一路經整流、三端穩壓器穩壓，輸出為+5VSB，供主板待機所用；另一路經整流濾波，輸出輔助+12V電源，供給電源內部的PWM等片工作。主動式PFC具有輔助供電的功能，可以提供+5VSB及電源內部芯片所需電壓；故采用主動式PFC的電源可以省略掉輔助供電部分，只使用兩個開關變壓器。
9保護電路
電源主要的保護措施有7種：
1、輸入端過壓保護：通過耐壓值為270V的壓敏電阻實現：
2、輸入端過流保護：通過保險絲：
3、輸出端過流保護：通過導線反饋，驅動變壓器就會相應動作，關斷電源的輸出；
4、輸出端過壓保護：當比較器檢測到的輸出電壓與穩壓管兩端的基準電壓偏差較大時，就會對電壓進行調整：
5、輸出端過載保護：過載保護的機理與過流保護一樣，也是通過控制電路和驅動變壓器進行的：
6、輸出端短路保護：輸出端短路時，比較器會偵測到電流的變化，并通過驅動變壓器、關斷開關管的輸出：
7、溫度控制：通過溫度探頭檢測電源內部溫度，并智能調扇轉速，對電源內部溫度進行控制；
10電源的好壞對其他部件的影響
CPU對電壓就非常敏感，電壓稍微高一點就可能燒毀CPU，電壓過低則無法啟動；而硬盤在電壓不足時就無法正常工作，在電壓波動大時甚至會劃傷盤片，造成無法挽救的物理損害；諸如此類，不一而足。在很多情況下，主機內的配件損壞了，用戶只是認為是配件本身的質量問題．而很少考慮可能是電源輸出的低壓直流電電壓不穩所造成的。所以，輸出電壓的波動范圍就是考查電源質量的重要指標之一。目前，一般的電源產品在空載和輕載時的表現都較好(假冒偽劣產品除外)，而重載測驗才是烈火試真金的真正考驗。
重慶大學通信工程專業的電子技術實驗精品課構建了一套電子技術綜合實驗教學體系，該體系包含基礎性的電子技術實驗教學和提高性的實驗教學，并在后者中引入了EDA綜合設計。成都電子科技大學電子工程學院專門設立了名為“電子技術綜合實驗”的基礎實驗課程，重點培養學生模電、數電、電路與系統、數字信號處理、單片機控制、EDA技術等多門課程的綜合應用與綜合設計能力。通信、電子等硬件類專業都在著手構建電子技術綜合教學體系，而目前國內眾多的軟件學院中，還沒有一所提出構建“軟件學院電子技術綜合實驗教學體系”的教學改革活動。北京大學將軟件工程與微電子兩個專業放在同一學院辦學，但也沒有面向軟件工程、網絡工程、嵌入式等多專業的模擬與數字電路實驗課程。因此，大連理工大學軟件學院構建“軟件學院電子技術綜合實驗教學體系”的教學改革實踐能夠起到“示范性”的作用。
1.2研究意義
軟件學院的辦學宗旨基于“精英型軟件人才”的培養目標，因此一般軟件學院通常開設軟件工程和網絡工程兩個專業方向，大連理工大學軟件學院為了強化“精英型軟件人才”的培養目標，在本科二年級開設了嵌入式和物聯網兩個專業方向，學生要學習這兩個方向必須具備很好的硬件基礎，這也是我們面向本科學生開設電子技術綜合實驗課程的原因之一。很多人認為，軟件學院的學生只要學好軟件即可，學習硬件沒什么用處，因此建議從培養計劃中取消電子技術基礎教學。但根據以往的經驗，硬件知識扎實的學生畢業后很容易自學軟件開發，而僅會軟件開發的學生很難靠自學熟練掌握底層硬件知識。很多軟件學院在培養計劃中取締電子技術綜合實驗教學但保留了計算機組成原理這一硬件課程。組成原理的知識很抽象，作為計算機組成原理前導課程的電子技術基礎如果沒有學好，會影響后續課程的學習。在軟件學院的教學建設中普遍存在硬件綜合實踐環境建設不足、教師引導不夠等現象，導致學生僅對開發工具、數據庫、計算機網絡等課程感興趣，而對硬件技術及其應用研究望而生畏，這對培養高水平、高素質、應用性示范性軟件人才是極為不利的。
2構建課程體系教學模型
根據現代教育理念和創新要求，學院電子技術實驗教學課題組積極探索實驗教學的新技術、新方法和新手段，采取分層次、分階段、循序漸進的模式，由淺入深、從簡單到綜合，以基礎實驗教學為主，輔以開放式提高性實驗教學；通過開放式教學，鼓勵學生自主立項，充分調動學生的積極性和主動性，并激發學生的創造性。構建電子技術綜合實驗教學體系如圖1所示。新構建的電子技術綜合實驗教學體系以基礎模擬實驗教學和基礎數字電路實驗教學為主，以開放式實驗課程為輔，其中3門開放式實驗課程（單片機硬件電路實驗、通信原理硬件實驗、FPGA編程實驗）作為提高性、綜合性實驗來培養高水平硬件人才。實驗園地建設能夠為開放式實驗課程提供更多的教學素材，豐富課堂內容，激發學生學習硬件的興趣。虛擬實驗儀器教學響應全球各大高校提出的“足不出戶上大學”的號召，借助虛擬實驗儀器，讓學生通過網絡完成理論學習和實驗操作，這是軟件學院電子技術綜合實驗體系獨有的特點。開放式電路實驗教學由單片機硬件原理實驗、FPGA編程和通信原理實驗3門課程構成，主要從組織形式、實驗內容以及考核方式等方面進行改革創新，體現了辦學的靈活性，有益于培養學生的創新能力。
3課程體系建設
構建電子技術綜合實驗課程體系主要從教學內容、教學手段和考核方式等方面入手，具體體現在實驗園地建設、虛擬實驗教學平臺建設、開放式實驗教學建設和實驗考核方式探索建設等。
3.1實驗園地建設
建設電子技術綜合實驗園地是本課題要實現的基礎目標，是構建學院電子技術綜合實驗教學體系的基礎。實驗園地的所有素材由實驗教師承擔建設，素材建設應針對不同水平的學生，形成驗證性、設計性、綜合性等層次化實驗教學。實驗園地建設分為以下幾大組成部分。
1)實驗基本技能訓練園地。實驗基本技能訓練園地主要包括：查找參考資料完成實驗預習；總結實驗報告的書寫要求；電路設計仿真軟件的使用方法；單片機原理硬件實驗中嵌入式C、匯編語言集成開發環境的使用；FPGA設計中VHDL、Verilog的ISE集成開發環境的使用；電路板原理圖、PCB板圖的設計；電路焊接的基本技能等。
2)專用儀器設備園地。參考設備使用說明書和設備介紹課件指導學生學習如何使用示波器、萬用表、函數信號發生器、電子技術實驗箱等設備。
3)基礎模擬與數字電子技術實驗園地。按照基礎模擬與數字電子技術通用的理論教學，實驗園地可分為常用電子元器件、模擬電路模塊、數字邏輯和數字電路模塊以及可編程邏輯器件模塊四大模塊。
4)演示實驗教學園地。演示實驗教學園地分為實物演示實驗教學、虛擬儀器實驗和電路仿真實驗三大模塊。演示教學園地由各個模塊的演示視頻組成，虛擬儀器實驗教學演示介紹虛擬實驗儀器的使用；仿真實驗教學演示展示采用EDA仿真實驗結果，并與實際電路結果進行比對，驗證正確性。
5)提高性實驗園地。提高性實驗園地的建設是構建“電子技術綜合實驗教學體系”的關鍵，是將電子技術綜合實驗教學與軟件學院的教學體系和培養目標聯系起來的重要環節，體現硬件實驗教學的重要性和關聯性。
3.2虛擬實驗教學儀器研發
虛擬實驗教學儀器的研發響應教育部提出的積極推廣大規模開放式網絡教學平臺的號召，實現“足不出戶上大學”的遠程在線教育模式。虛擬實驗教學平臺采用C/S架構，用戶可通過本地客戶端選擇登錄的角色（包括學生、教師和管理員），輸入學號、姓名和密碼連接遠程服務器。連接遠程服務器之后，用戶可以根據自己的電路設計進行電路搭建。每一個電子元器件都被設計成控件，可采用拖拽的方式搭建電路。該軟件支持視圖的切換，點擊元器件圖標可以從電路整體視圖切換到該元器件的單獨視圖。
3.3開放式實驗教學
開放式實驗教學主要包含單片機硬件實驗、FPGA編程硬件實驗和通信原理硬件實驗3門課程。3門實驗課以“開放式”實驗為依托，以項目驅動模式進行，學生自行分組，根據興趣自選題目，然后上報任課教師；通過教師審核后，學生開始實施項目，根據項目需求購買相關的電子元器件實現項目設計。開放式課程的教學方式不拘泥于“先理論教學，然后實驗驗證”的傳統模式，而是采用“先實驗，后理論”的方式，讓學生帶著實驗驗證的結果和實驗中遇到的問題去聽理論課。開放式課程的考核采用分組答辯的形式，學生借助PPT講解自己的設計，配合實物演示，任課教師對整個過程進行綜合評分。
3.4實驗考核方式
針對目前電子技術課程考核方式存在的不足，該實驗教學采取考試考核方式。題目采用A、B卷形式，考試題目是六路流水燈的設計與實現，A卷和B卷的實驗結果是一樣的，但采用了不同的芯片組，核心芯片74HC161、74HC154、74HC00、74HC106和CD4050都一樣，而與非門芯片分別采用74HC10和74HC20?？荚嚳偣卜譃閮蓚€階段，第一階段學生閱讀試卷，并根據實驗要求和提供的芯片組進行設計，第二階段學生參考設計好的電路圖，借助導線將元器件搭建起來，使用示波器觀察現象，并在實驗箱的八位邏輯電平顯示區域觀察實驗結果?？荚嚨淖罱K成績包括設計和實驗操作兩部分：設計按點評分，每個設計點都事先規定具體的分數；實驗操作根據完成實驗的快慢分等級，而未完成實驗的同學，則根據完成電路的部分給分，電路的每一部分都事先規定具體分數。
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，不同的工作狀態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的過程，而傳統的書本上的文字和原理圖是無法很好地展現動態過程的。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過程很好地展現給學生們觀看，把書本上靜態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，結合書本上的理論，再將不同電路的特點進行總結，使同學們復習時結合著書中的理論，頭腦中聯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，雖說現在不提倡傳統針對考試的題海戰術，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，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展速度快的特點，新的技術和應用領域不斷出現，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展新方向。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，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新能力，還為研究生畢業學術論文的撰寫提供了相關的經驗。
二、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.驗證實驗應緊密結合課本。
驗證性實驗的特點是對已經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象，最后通過實驗報告的形式進行總結，得出驗證性的結論。
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揮想象力，制作一些相關的小制作、小發明，在探究性試驗的過程中培養學生的創新能力。學生根據自己掌握的知識，結合當今電力電子發展的前沿技術，加上自己的想象力和創造力，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“挑戰杯”等科技比賽，增加在創新方面的交流合作，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。
在傳統的教學環節之外，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應用在了許多領域之中，在實驗教學中可以聯系某個具體單位進行參觀，在實際的生產過程中，讓學生們更加具體地了解電力電子技術的應用。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，理論聯系實際，對于理工科的教學是有很大幫助的。
機械制造技術的特點
機械設備的設計、研發、生產，是促進國民經濟發展、推進企業創新的一個重要因素。因為無論是新產品的制造，或是新技術的推廣，都離不開新的、高科技的機械設備的支持。要想使機械設備的設計研發工作更加合理、科學，要想促進機械水平的整體快速提高，就必須清楚的了解和掌握機械制造技術的特點，只有這樣，才能設計出符合規范的大中小型機械設備[3]。
作為一項先進的制造技術，往往在機械產品設計制造、生產組織、管理銷售以及售后服務等方面，特別強調計算機技術、信息傳感技術、自動化技術以及現代系統管理技術的應用。其原因在于，它要不斷使一直以來的傳統制造技術和最近的高新技術成果相結合，從而使機械制造技術成為能夠駕馭生產過程的物質流、能量流和信息流三者合一的系統工程。
促進國家經濟和綜合實力的增強、提高我國企業在國際市場上的競爭能力是先進的制造技術應用的兩大目標。因此，它往往并不限于制造過程本身，而是涉及了產品從市場調查、產品研發、工藝設計、生產準備、制造加工以及售后服務等一般產品涵蓋的所有內容，在此基礎上，將它們結合成為一個有機的整體。最終，提高制造業在所有行業的綜合經濟效益和社會效益。
怎樣提高企業的生產率，是企業參與市場競爭的核心問題。20世紀80年代以后，隨著全球市場的進一步融合及發展，制造業要想在市場上擁有一席之地，就必須以側重提高勞動生產率為根本，轉變為側重時間為核心的時間、質量和成本三者的有機統一為根本。只有達到了三者的統一，機械制造技術才能真正的進步，才能在日漸激烈的市場競爭中處于不敗之地。
上世紀80年代開始，全球市場逐步形成，以歐美為首的發達國家通過金融、科技等手段爭奪其在全球的市場份額，利用其自身優勢，向不發達國家傾銷商品、輸出資本，導致市場的競爭趨于白熱化。為了不被激烈的市場大潮沖垮，各個國家爭相發展本國的機械制造技術。只要一個國家的機械制造技術能夠趕超世界先進水平，并能成為該國制造業贏得全球市場的支撐力，整個國家的經濟實力才能有所提高。與此同時，機械制造技術是21世紀的高科技技術，它理應和最先進的科技成果相集合，理應有明確的新的技術領域。
我國機械制造技術的未來發展
制造技術分為傳統制造技術和先進制造技術。顯然，先進制造技術是由傳統制造技術發展而來的，它保留了傳統制造技術中的有效部分，又源源不斷的吸取各種新的高技術成果，之后將二者結合到生產的所有領域及其全部過程[4]。掃描顯微鏡的發明和使用，使人類認識和改造世界的能力進入納米的尺度。納米技術是指產品能夠實現納米級精度，是在納米尺度范圍內研究物質原子和分子結構、物質特性及其相互作用和運動，最終運用這種技術為人類服務的高新科技。納米技術對制造業的發展進程產生了極其深遠的影響，就目前來說，它的應用范圍十分廣泛，包括納米材料技術、納米加工技術、納米裝配技術以及納米測量技術等等。2000年，超精密加工的加工精度已經達到納米級。而在21世紀初開發的分子束生長技術、離子注入技術和材料合成、掃描隧道工程可使加工精度達到0.0003-0.0001μm。目前的精密工程正向其終極目標——原子級精度的加工逼近，即可以做到移動原子級別的加工[5]。
1）對于現代機械制造技術的未來發展，將主要體現在兩個方面：（1）精密工程技術。它以超精密加工的前言部分、微細加工、納米技術為代表，目的是將來進入微型機械電子和微型機器人的時代。（2）機械制造的高度自動化。它以CIMS和敏捷制造等的發展為代表。
2）飛速發展的網絡通訊技術的發展和普及，給從事機械制造業的眾多企業的生產經營活動帶來了翻天覆地的變化。因此，必須加速技術信息的交流、加強產品開發的合作和經營管理的學習，從而推動機械類企業朝著良性競爭和多方合作的方向發展。
《電工技術應用》課程教學模式設計秉持“教師為主導、學生為主體”的素質教育理念，充分發揮教師的主導作用，改變傳統教學中教師的“中心”地位；激發學生的學習興趣，充分發揮學生的學習主體地位；緊扣“崗位為導向”的人才培養目標，“高等職業教育實質上就是‘就業教育’”。[2]課程教學目標設定要緊扣學生的就業崗位特點與崗位需求，以培養學生的應用技能為本位，重在培養學生運用理論知識解決實際問題的能力，以培養學生的綜合職業素養為基本核心，滿足崗位對高職多層次人才的需求，構建理論與實踐為一體的教學模式。
（二）《電工技術應用》課程教學模式設計思路
課程教學模式研究將在設計理念的引導下，改革《電工技術應用》課程體系，重點調整理論教學與實踐教學的比例，打破目前重視理論教學、淡化實訓教學的教學模式；根據“崗位為導向”的目標設計理念，調整與優化《電工技術應用》課程教學內容，使課程教學緊緊圍繞學生的就業需求；改革教學方法，通用校企結合、案例分析、項目推進、任務引領等教學方法，充分體現教師的主導地位與學生的主體地位，構建理論與實踐一體化教學模式。
二、高職院?！峨姽ぜ夹g應用》課程教學模式實施
（一）重構《電工技術應用》課程體系
《電工技術應用》課程教學模式實施首先要調整課程體系，根據理論課與實踐課的關系，調整理論教學與實訓教學的比例。“因此如何加強實踐教學便成為高職教育的關鍵，而如何處理理論課與實踐課的關系，則是解決理論先導與觀念更新的前提”。[3]理論教學要夯實基礎理論，著重提升應用理論教學與新理論教學；實訓教學主要突出應用技能培養，突出崗位能力培養目標。目前，高職院?！峨姽ぜ夹g應用》課程理論教學主要存在兩個問題，一是理論教學所占課程教學比例過大，嚴重制約了實訓教學；一是理論教學難度過大，嚴重脫離應用實踐，不能有效引導學生的實訓教學。為此我們要調整高職院?！峨姽ぜ夹g應用》課程理論教學與實訓教學比例，形成理論與實踐互相促進的課程教學體系。1．調整理論與實訓教學比例。理論教學是開展實訓教學的基礎，是不容忽視的一個教學環節。但每一門課程理論的學習應當以“應用”為最終目的，否則理論教學就成了一句空話。目前高職院校《電工技術應用》課程理論教學過于深入，一味強調理論教學，理論教學過深過難。這種現象使學生對學習失去興趣，學習缺乏主動性，而且高職院校培養出來的人才成為高理論、低能力的“無用人才”，嚴重脫離了市場需要。高職院校要調整《電工技術應用》課程體系，適當地縮減電子技術應用理論教學，提升實訓教學所占比例，尤其要提升實訓教學的實效性。2．以理論支撐實訓教學。目前高職院校電子技術應用理論教學采用單線教學方法，理論教學與實訓教學各自一條線，不能互相融合、互相促進。這種將理論教學與實訓教學相隔離的教學體系，使電子技術理論與實踐教學嚴重脫離，制約了學生利用理論解決實際問題的能力。為此，我們要將理論教學與實踐教學結合起來，構建理論實訓一體化課程體系，激發學生學習興趣，發揮學生的學習主體地位，使學生“在學中做，做中學”。理論教學要密切聯系實訓教學，形成“理論服務實訓教學、實訓教學促進理論提升”的教學體系，使學生既能牢固掌握理論知識，也能靈活地運用理論知識解決實際問題，且在解決實際問題的過程中促進理論的理解與把握。
（二）優化調整課程教學內容
高職院?！峨姽ぜ夹g應用》課程實施必須要加強市場調研，了解現階段電子技術應用市場對電工技術應用人才的需求現狀，在充分分析市場需求現狀基礎上進一步加強宏觀分析，把握電工技術應用市場人才需求形勢。根據市場需求調整與優化課程教學目標，使課程教學與學生崗位需求相結合，尤其要根據市場需求調整與優化理論教學與實踐教學內容的權重。理論教學的內容始終要圍繞“實訓”教學展開設計，遵循基礎性與適度性原則。基礎性原則就是在設計理論教學內容時要凸顯“基礎理論”，如基本概念、基本原理等，這些理論教學的內容是學生“必需”要掌握的基礎理論，是開展其他理論教學與實訓教學的基礎與前提。適度性原則。目前高職院校《電工技術應用》課程理論教學不能切合高職院校人才培養的特點，過于追求理論的高度與深度。殊不知高職院校教學直接面向市場，面向企業。因此高職院校人才培養要注重實踐應用型人才培養。理論教學內容設計要適度，理論教學的內容“夠用”就行，能夠滿足學生的實際需求，并且具有一定的前瞻性。實訓教學內容設計要以“崗位”為導向，尋找理論教學內容與實訓教學內容的銜接點、切合點，將理論教學內容與實訓教學內容有機結合起來，兩者相互滲透，相互促進，提升學生運用理論知識解決實際問題的能力，實現理論教學內容與實踐教學內容一體化。
（三）豐富教學方法
目前《電工技術應用》課程教學方法較為單一，理論教學以課堂講授為主，實踐教學主要通過“工學交替”。這種程式化教學嚴重制約了《電工技術應用》課程教學進一步提升。因此高職院?！峨姽ぜ夹g應用》課程要不斷創新教學模式，在傳統教學基礎上不斷豐富教學方法，綜合運用校企結合、案例分析、項目推進、任務引領等多種教學方法。1．校企結合?！案呗毥逃写嬖谛畔⒉粫场⒔虒W內容滯后、專業布局不合理、人才定位不準確等問題,這都與校企之間缺乏緊密的聯系和溝通有著直接關系”。[4]目前高職院校與企業的結合主要體現在實訓教學上，沒有實現在理論教學與實訓教學上的全面結合。因此高職院?！峨姽ぜ夹g應用》課程教學要嘗試探求校企結合的新路徑，真正實現理論教學與實訓教學的一體化?！靶Ｆ蠼Y合”可以遵循“請進來、走出去”的思路和方法。高職院?？梢匝埰髽I人才到高職院校任兼任教師，發揮他們的輻射作用，改變傳統理論教學現狀，教師站在“實踐”的高度進行理論教學，使理論教學更貼近實踐。也可走出去，包括教師與學生兩個層面。高職院校可以派教師到結合企業參與企業實踐與管理，在實踐中提升教師的理論水平，同時提升教師實訓教學水平。在條件允許的情況下，高職院?？梢越柚髽I真實的工作情境，使學生在真實的工作情境中開展理論與實踐學習。通過校企結合，實現理論與實踐教學一體化。2．案例分析。案例是寶貴的教學資源之一，它包含著豐富的理論教學與實踐教學資源，既有成功的經驗，也有不足的啟示，高職院?！峨姽ぜ夹g應用》課程教學要重視案例教學法的運用。案例教學法的關鍵在于案例的選擇與運用，教師要根據教學任務選擇具有典型意義的案例，教學案例要具有豐富的理論要素，同時具有較強的實踐啟發價值。在進行案例分析時，教師要加強目標導向，使案例分析朝著預期推進；案例分析不能停留在分析層面，教師要引導學生做好案例分析報告與策略優化。學生通過撰寫案例分析報告能夠有效整合理論，提升自身理論高度。通過案例策略優化，引導學生針對案例尋找優化的策略，并且進行可行性驗證，推進理論教學與實訓教學的一體化。3．任務引領、項目推進。傳統教學中，教師常常將任務引領與項目推進作為兩種獨立的教學方法，我們可以嘗試將這兩種方法合二為一，將任務滲透在項目中，以項目任務推進作為實施教學的載體，發揮任務的驅動作用，同時將任務物化。該方法以項目為載體，以任務為引領，以項目推進的實踐活動為核心，充分發揮學生的主觀能動性。學生擺脫傳統單純的理論教學與實踐教學模式，將理論教學與實訓教學有機融為一體，“做中學、學中做”，實現理論與實訓教學的一體化。
三、高職院?！峨姽ぜ夹g應用》課程教學效果
（一）教師層面：促進教師專業成長
在推進理論與實訓一體化教學模式實踐中，教師的教學改革意識得到進一步增強，許多教師將教學改革作為一種自覺行為。他們拓展教學思路，在教學模式方面展開有益探索。最為重要的是教師改變傳統單線教學模式，將理論教學與實踐教學融為一體，從理論“教書匠”成長為專業技能型教師。教師在做中學，在學中做，在學做中教，建立起較為科學的課程視野。
（二）學生層面：改變學生學習方式
理論與實訓教學一體化模式使《電工技術應用》課程教學發生了重大轉變，不論是學習場所還是學習方式。學習場所從傳統的課堂向更為廣闊的空間拓展，走向實訓室、走向企業等，學生在更為真實或真實的情境中學習；從被動接受學習到積極參與課堂學習，將學做結合起來。這些改變有效提升了學生的學習興趣，也提升了學生的理論積淀與實踐技能。
中國古典造園藝術是當代園林景觀設計的靈感源泉，其古典造園藝術設計思想更是當代園林藝術的理論基礎。中國古典園林作為風景式園林設計的典范，是設計師和工匠在特定的空間內，經過精心設計，運用高超造園手段，將建筑和山、水、植被等加以配置組合，形成源于自然環境，又高于自然環境的有機整體，將自然美和人工美合理地結合在一起。
1.2文化傳承
園林景觀設計師必須對國內優秀的風景園林景觀案例加以深入研究，挖掘出富有本土文化特征的景觀元素加以運用，才能設計出具有“中國味道”的風景園林景觀作品。園林景觀藝術是直觀體驗性藝術，觀賞者無需接受專門的培訓，就可以感受到園林景觀的形式美。同時，這種直觀藝術受時代背景和文化氛圍的影響，可以使觀賞者耳濡目染的感受到當時的文化修養和審美情趣。
2當代居住區景觀設計常見問題
2.1不尊重自然環境
許多居住區的景觀設計和營造過程中對景觀的功能性考慮不足，注重表現外表的美觀。某些開發商為了追求表面的氣勢和美觀效果，達到增加成交量的目的，不惜重金做面子活，為此增加了成本，加重了購房者的資金支出，也使得后期的物業管理面臨巨大考驗。
2.2缺乏神韻
現代居民小區已經成為居民，尤其是老人和孩子日常休閑活動的主要場所，因此，設置的休閑活動空間充足，有健身區、兒童游樂場地、休閑步道等，這些空間普遍尺度較大，且多以鋪裝為主，相對缺乏可供好友休閑小憩的私密空間。3.3施工時間短隨著社會生產水平的不斷提高，很多傳統建造技術已經被機器化大生產式的快速施工技術所淘汰，當代施工者往往依靠現代技術手段，使得傳統建造技術開始失傳，其精髓更難以再現?，F代居住小區中經?？梢钥吹狡渌ㄖ牧戏轮颇静慕ǔ傻耐づ_水榭，雖然形似，卻沒有了木材的生動，傳統工藝的風采不復存在。
3傳統造園藝術對現代居住區的影響
3.1理解古典園林的內涵
要設計具有中國元素的居住區景觀設計，必須從觀念上徹底改變，不能完全依賴新技術、新材料，更不能對現代西方園林的成功典范照搬照抄，要學習中國古典園林景觀藝術的造園理念和設計手法。
3.2尊重自然原則
大自然是園林景觀設計中取之不盡、用之不竭的資源，因此，中國古典園林藝術遵從天人合一的思想，在人與自然之間尋求和諧。尊重自然是中國古典園林藝術文化的核心精髓，采用尊重生態自然的客觀規律來造園，以自然景致為主，強調設計師對大自然的深刻理解和藝術化的表現。
3.3現代主義與古典主義相結合
中國古典園林講究依山林而建，通過借景、比喻等方法將園內景觀和周圍自然生態結合起來，同時，也可以起到延展空間的作用，使各個區域之間相互連接、滲透，彼此呼應，形成一個整體?，F代景觀設計也要求設計師將視域作為設計范圍，以地平線為空間參照，突出與本地區景觀的融合。這與古典造園手法中追求無限想象的外延空間理念是一致的。
