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時(shí)間：2022-08-10 04:40:52
序論：速發(fā)表網(wǎng)結(jié)合其深厚的文秘經(jīng)驗(yàn)，特別為您篩選了11篇數(shù)字電子技術(shù)論文范文。如果您需要更多原創(chuàng)資料，歡迎隨時(shí)與我們的客服老師聯(lián)系，希望您能從中汲取靈感和知識(shí)！
任何一種邏輯功能都可以設(shè)計(jì)出一種相應(yīng)的邏輯電路，從這個(gè)意義上講，數(shù)字電路是不可勝數(shù)的。教學(xué)的重點(diǎn)是教會(huì)學(xué)生學(xué)習(xí)方法，而不是死記硬背書本內(nèi)容。就本課程而言，只要能夠根據(jù)需要設(shè)計(jì)出符合要求的邏輯電路，也能分析出任何一種給定邏輯電路所具有的邏輯功能即可。因此，組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的分析方法和設(shè)計(jì)方法是本課程的核心內(nèi)容。
2、三個(gè)基礎(chǔ)
為更好地學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程和從事工程技術(shù)工作，數(shù)字電子技術(shù)在教學(xué)實(shí)踐中必須強(qiáng)化理解和掌握數(shù)制和碼制、邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、半導(dǎo)體數(shù)字集成電路的工作原理和特性、組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路分析方法和設(shè)計(jì)方法等基本原理、基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)。
二、教學(xué)方法實(shí)現(xiàn)“三個(gè)基于”
2.1基于問題的教學(xué)
美國教育家蘇娜丹戴克曾說過：“告訴我，我會(huì)忘記，做給我看，我會(huì)記住，讓我參加，我就會(huì)完全理解?！痹诮虒W(xué)實(shí)踐中，就要打破“以知識(shí)為本位，以灌輸為特征”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，采取以學(xué)生為中心的問題導(dǎo)向型教學(xué)方法。教師通過實(shí)例、設(shè)疑、示錯(cuò)等方法導(dǎo)入需要講解的問題，而分析問題和解決問題兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)則由教師引導(dǎo)學(xué)生來完成。學(xué)生通過思考、查閱資料、討論等方式尋求解決問題的方案，教師最后結(jié)合問題系統(tǒng)講授知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生對相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有更加深入地理解。同時(shí)，學(xué)生的成就感、自信心倍增，學(xué)習(xí)主動(dòng)性更強(qiáng)，從而達(dá)到良性循環(huán)的效果。通過引導(dǎo)、啟發(fā)，學(xué)生自己搭建出具有記憶功能的電路—觸發(fā)器。
2.2基于項(xiàng)目的教學(xué)
基于項(xiàng)目的教學(xué)強(qiáng)調(diào)的是以學(xué)生為中心,強(qiáng)調(diào)小組合作學(xué)習(xí),教師引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)。實(shí)施步驟分為選定項(xiàng)目、制定計(jì)劃、活動(dòng)探究、作品制作、成果交流和活動(dòng)評(píng)價(jià)等六個(gè)基本步驟。結(jié)合本課程，就是在課程開始階段,以任務(wù)書的形式給學(xué)生下發(fā)一些與課程內(nèi)容結(jié)合緊密的、適合學(xué)生研究的課題，如電子搶答器、數(shù)字電子鐘、交通燈控制器、出組車計(jì)價(jià)器等，學(xué)生自由選題、自主組合，通過課程的學(xué)習(xí)、查閱相關(guān)資料以及與教師的交流討論，利用軟件仿真或硬件焊接制作出課題作品，期末提交研究成果和設(shè)計(jì)報(bào)告，并進(jìn)行專題匯報(bào)，研究成果作為評(píng)定平時(shí)成績的重要依據(jù)。
2.3基于資源的教學(xué)
基于資源的教學(xué)是以學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)活動(dòng)為中心的教育教學(xué)模式，其主要特征是靈活性和自主性。此模式的教學(xué)目標(biāo)是以教會(huì)學(xué)生學(xué)習(xí)為主，而不是以傳授知識(shí)為主。也就是說，通過基于資源的教學(xué)，學(xué)生應(yīng)該學(xué)會(huì)確定學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)會(huì)查找的資源的手段和方法，學(xué)會(huì)如何做讀書筆記，學(xué)會(huì)評(píng)價(jià)信息，學(xué)會(huì)與他人合作交流，學(xué)會(huì)評(píng)價(jià)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)展，學(xué)會(huì)反映學(xué)習(xí)過程和成果。目前，校園網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)上數(shù)字電子技術(shù)課程資源較多。通過基于資源的教學(xué)，學(xué)會(huì)查找資源、利用資源，不僅可以克服課堂教學(xué)的時(shí)空限制，更為開展研究性學(xué)習(xí)提供了廣闊的平臺(tái)。
USB總線微波功率計(jì)主要包括USB通信接口、微信號(hào)接收檢測電路等內(nèi)容組成，該儀器充分借助數(shù)字電子技術(shù)開發(fā)相應(yīng)軟件系統(tǒng)，從而使得該虛擬儀器有效實(shí)現(xiàn)微波功率采集、測量和傳輸功能。USB總線微波功率計(jì)中探測器采集到目標(biāo)微波功率信號(hào)后，該設(shè)備中微信號(hào)檢測電路芯片就會(huì)對目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行去噪、累加、求差值等等處理，并調(diào)整修改信號(hào)數(shù)據(jù)固定程度，最后通過USB通信接口將處理完畢信息傳送到上位機(jī)，該上位機(jī)程序系統(tǒng)就會(huì)對該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。鑒于該總線微波功率計(jì)充分應(yīng)用了數(shù)字電子技術(shù)中強(qiáng)大信號(hào)處理傳輸技術(shù)，使得該功率計(jì)不僅小巧易攜帶，操作簡單，PC機(jī)適用匹配性強(qiáng)，還具備高精度的測量效果，因此飽受專業(yè)人員喜愛。
（二）雷達(dá)接收機(jī)上數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用
雷達(dá)是軍民兩用的，具備高要求和高標(biāo)準(zhǔn)的高精度電子設(shè)備，而日趨成熟完善的數(shù)字電子技術(shù)也在精密的雷達(dá)生產(chǎn)制造過程中起到其中的作用。作為雷達(dá)，其主要就是搜尋捕捉目標(biāo)信號(hào)，因此其必須具備強(qiáng)烈的抗干擾性，也就是說雷達(dá)信號(hào)接收設(shè)備就必須具備靈敏性強(qiáng)、頻段高性能，而數(shù)字接收機(jī)就基于這一點(diǎn)順利成功取代了現(xiàn)代雷達(dá)中模擬接收器的地位。雷達(dá)接受機(jī)中數(shù)字接收機(jī)高指標(biāo)的數(shù)字變頻濾波技術(shù)和I/Q解調(diào)技術(shù)充分使得雷達(dá)接收器的實(shí)用性和精確性得到提高，也充分展現(xiàn)出數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)越性。有此可以看出數(shù)字電子技術(shù)突出的抗干擾、無噪聲、易交換儲(chǔ)存及處理、能夠?qū)⒃O(shè)備集成化、微型化的特性在網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代，也會(huì)在計(jì)算機(jī)信號(hào)和計(jì)算機(jī)數(shù)字聯(lián)網(wǎng)方面得到充分應(yīng)用，從促使網(wǎng)絡(luò)通信管理實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化，這都需要數(shù)字電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的綜合支持和發(fā)展。
二、數(shù)字電子技術(shù)未來發(fā)展方向和趨勢
當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)加快了全球信息化時(shí)代的到來，社會(huì)市場發(fā)展需求直接推動(dòng)了電子技術(shù)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，而其中數(shù)字電子技術(shù)更是成為信息時(shí)代技術(shù)行業(yè)市場的生力軍，不斷促使經(jīng)濟(jì)行業(yè)產(chǎn)業(yè)的更新升級(jí)，還使得數(shù)字電子技術(shù)和信息技術(shù)向著更高層次平臺(tái)前進(jìn)，可以說數(shù)字電子技術(shù)是隨著市場需求而不斷發(fā)展進(jìn)步的，電子技術(shù)數(shù)字化和信息化已經(jīng)成為電子技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展主流，也是當(dāng)前相關(guān)行業(yè)的普遍共識(shí)。現(xiàn)在我國電子技術(shù)行業(yè)研究專家還在不斷努力研究開發(fā)，進(jìn)行多角度、多層面的項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)和探索，使得我國電子技術(shù)數(shù)字化發(fā)展事業(yè)因?yàn)槌掷m(xù)技術(shù)變革和電子產(chǎn)品的大步伐邁進(jìn)，其發(fā)展速度之快更是空前，現(xiàn)在數(shù)字電子技術(shù)主要研究大規(guī)模可編程邏輯器件的應(yīng)用實(shí)踐，尤其是模板半導(dǎo)體工藝已經(jīng)達(dá)到了深亞微米階段，而集成芯片也實(shí)現(xiàn)了千兆位。除此之外，數(shù)字電子技術(shù)其他內(nèi)容器件和系統(tǒng)也得到了前所未有的發(fā)展進(jìn)步，如其系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可以達(dá)到每秒幾十億次，其時(shí)鐘頻率也向著千兆赫茲以上進(jìn)步，這都使得未來集成電路技術(shù)SystemOhaCh5p片上系統(tǒng)化發(fā)展成為必然。在電子設(shè)計(jì)方面也面臨著基于電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化基礎(chǔ)上的5PGA技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)踐，這些技術(shù)的進(jìn)步和突破必將為信息時(shí)代創(chuàng)造更多的奇跡。此外，電子技術(shù)領(lǐng)域數(shù)字電子技術(shù)也會(huì)逐步將模擬電子技術(shù)特點(diǎn)優(yōu)勢加以引進(jìn)融合，并開發(fā)研究新型的、性能更好的電子器件，從而提高數(shù)字電子技術(shù)機(jī)械零器件的使用效能和壽命，也會(huì)間接擴(kuò)大提高其數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用范圍和效能。例如傳統(tǒng)電位器不僅壽命短，其可靠性和噪聲污染也不盡人意，而數(shù)字電位器集成了電子開關(guān)、線性電阻技術(shù)以及EEROM強(qiáng)烈改善了傳統(tǒng)電位器機(jī)械結(jié)構(gòu)，克服了其不利缺陷，有效提高了其性能需求。當(dāng)前各類已經(jīng)得到廣泛使用的融合數(shù)字、模擬電子技術(shù)的新型電子器件有D類音頻功率放大器、開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器等等已經(jīng)取得了較好的實(shí)用效果，而且當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)也會(huì)新型電子器件的研究開發(fā)提供了一定的助力，相信科學(xué)在發(fā)展，人類不斷在進(jìn)步，數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域也同樣如此，不論是其機(jī)械器件還是其系統(tǒng)技術(shù)都在大幅度前進(jìn)突破從而更好的為社會(huì)經(jīng)濟(jì)市場服務(wù)。
1.1模塊化電子系統(tǒng)集成系統(tǒng)，包含有電子子系統(tǒng)和電子應(yīng)用系統(tǒng)兩個(gè)部分，研制和開發(fā)具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的電子技術(shù)產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜且成本高但又非常重要的任務(wù)，電子技術(shù)集成產(chǎn)品主要包括三個(gè)方面：現(xiàn)代技術(shù)的集成、加工技術(shù)的集成和企業(yè)管理的集成。電子系統(tǒng)的集成在于建立一系列的標(biāo)準(zhǔn)芯片或者是模塊，是信息、智力、知識(shí)密集型技術(shù)，其耗能低，污染少，從電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處也可以肯定，這要通過電子技術(shù)的集成來滿足用戶需要的智能化應(yīng)用系統(tǒng)，規(guī)?；瘜⒔o電子技術(shù)企業(yè)帶來美好的前程，從而更好地開拓新電子技術(shù)領(lǐng)域，使得電子技術(shù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，性能達(dá)到最大化。
1.2智能化電子技術(shù)的智能化，是電子技術(shù)具有類似人的智能，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法，并要引入了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，智能化裝備的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)智能技術(shù)，可以依據(jù)一定的程序，進(jìn)行有效的判斷并能做出決定。模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，自控技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和精密機(jī)械的緊密結(jié)合又使電子產(chǎn)品具有更全面的功能，以求得到更高的控制目標(biāo)。
1.3網(wǎng)絡(luò)化隨著網(wǎng)絡(luò)成為人們?nèi)粘Ｉ钪蟹浅Ｆ占暗囊环N工具，給人類社會(huì)的發(fā)展和生活的進(jìn)步都帶來了巨大的變革，遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控技術(shù)也得到迅速發(fā)展，遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是電子技術(shù)產(chǎn)品。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，電子技術(shù)順應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，利用家庭網(wǎng)絡(luò)將各種家用電器連接成以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)集成家電系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)化特性更加的明顯，人們只要在家里就可以分享各種高技術(shù)帶來的便利與快樂，電子技術(shù)產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
1.4人性化人性化是電子技術(shù)的一個(gè)特性，未來的電子技術(shù)更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，人是電子技術(shù)產(chǎn)品的使用者，電子技術(shù)產(chǎn)品的最終使用對象是人，它們之間的緊密結(jié)合使電子設(shè)備的精度和自動(dòng)化程度必須達(dá)到相當(dāng)高的水平，賦予了電子技術(shù)需要來滿足人性化的需求，要具有更高級(jí)的人類思維能力，只有想不到?jīng)]有做不到的。電子技術(shù)產(chǎn)品不僅要具有最優(yōu)性能，人的智能、情感、人性也顯得越來越重要，特別是對家用機(jī)器人，要進(jìn)行色彩、造型、舒適度等方面的研究，電子技術(shù)產(chǎn)品都是受人類活動(dòng)的啟發(fā)研制出來的，因此，必須要滿足人們對電子技術(shù)產(chǎn)品人性化需求。
1.5綠色化工業(yè)化給人們帶來高效率的工作和生活環(huán)境，同時(shí)又使得地球家園受到污染，危害人類未來的環(huán)境與健康。歐盟和我國相繼了《關(guān)于在電子電器設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令》和《電子信息產(chǎn)品污染控制管理辦法》，從而提高了產(chǎn)品進(jìn)入市場的準(zhǔn)入門檻，對設(shè)計(jì)綠色的電子技術(shù)產(chǎn)品，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前途，綠色化是電子技術(shù)未來發(fā)展的必然趨勢。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷毀的過程中，都要符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類健康的要求，報(bào)廢電子電氣設(shè)備必須合乎環(huán)境要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極小，資源利用率極高，才能使科技和環(huán)保實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
二、現(xiàn)代電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用
2.1電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電子技術(shù)是電工技術(shù)中的一個(gè)新興技術(shù)，將電子技術(shù)引入電力系統(tǒng)，并獲得廣泛應(yīng)用，對于未來輸電系統(tǒng)的性能也有顯著的影響。應(yīng)用首推應(yīng)是同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，作為電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能；另一領(lǐng)域是交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，它的應(yīng)用，節(jié)約了可觀的電能。電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)涉及到諸多方面，比如發(fā)電環(huán)節(jié)、配電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等。在電力系統(tǒng)的綜合管理中，主要是將電子技術(shù)運(yùn)用在抽水蓄電站運(yùn)用中，通過對水泵水輪機(jī)的效率提升，可以有效的促進(jìn)整個(gè)電力應(yīng)用系統(tǒng)在發(fā)電、輸電以及配電運(yùn)用過程中的綜合效果，在具體的系統(tǒng)環(huán)節(jié)中，每一個(gè)系統(tǒng)都不能離開供電技術(shù)的提升，這樣，就需要采用電子電器與電子電力技術(shù)的突破。從電力系統(tǒng)與配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)來看，最需要解決的實(shí)際問題，就是要加強(qiáng)供電的可靠性，以此提高整個(gè)電能的質(zhì)量。其中，電子裝備主要是用于防止電網(wǎng)的瞬間斷電，因此，在加強(qiáng)可靠性的運(yùn)用中，最主要局勢突出電能質(zhì)量的控制，改善整個(gè)輸電系統(tǒng)的綜合智能，在電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)中，針對發(fā)電機(jī)組的設(shè)備運(yùn)行方式，將電子技術(shù)的應(yīng)用與整個(gè)設(shè)備的改善融合在一起，這樣，可以改善整個(gè)電氣設(shè)備的運(yùn)行特征。同時(shí)，電子技術(shù)還可以運(yùn)用到各個(gè)變電所，結(jié)合變電所的操作系統(tǒng)模式，全面改善系統(tǒng)的可操作性，在蓄電池充電過程中也可以使用電子裝置?，F(xiàn)代電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，對電力系統(tǒng)起到了非凡重要的作用
筆者認(rèn)為，同樣是《數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用》課程,在教學(xué)內(nèi)容上要有區(qū)分，對于職高的學(xué)生而言，學(xué)校更應(yīng)注重其實(shí)際操作能力的培養(yǎng)和提高。
1.2教學(xué)模式有待創(chuàng)新
我國傳統(tǒng)的教學(xué)模式是以教師為主、學(xué)生為輔，通常是教師講什么，學(xué)生就學(xué)什么，學(xué)生處于較為被動(dòng)的地位。同時(shí)又由于《數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用》這門課本身理論性較強(qiáng)、難度較大從而導(dǎo)致學(xué)生缺乏興趣，不愿意自主學(xué)習(xí)和探索，這樣就很難取得突破。
1.3教學(xué)理念急需轉(zhuǎn)變
“應(yīng)試教育”這一理念在我國的學(xué)校教育中可謂根深蒂固，雖然高職、本科生的教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生要自主學(xué)習(xí)，給學(xué)生更多的自由時(shí)間，盡可能地讓學(xué)生自己去探索和實(shí)踐，但仍沒有取得滿意的效果。
1.4理論與實(shí)踐相脫節(jié)
目前在我國高校教學(xué)中，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)這一部分的重視程度并不高，主要表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)器材配置較落后、學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性不高，多是為了應(yīng)付考試、教師沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙?shí)驗(yàn)過程和結(jié)果進(jìn)行跟進(jìn)和評(píng)估。而受我國傳統(tǒng)教育的影響，教師偏重課堂上的理論教育，學(xué)生則多以看書學(xué)習(xí)為主，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的課時(shí)比例分配不合理。從而導(dǎo)致理論與實(shí)際相偏離。
1.5考核方式比較單一
大部分高校在進(jìn)行學(xué)生學(xué)習(xí)效果評(píng)估的時(shí)候還是以考試為主，將筆試成績、出勤率、實(shí)驗(yàn)課表現(xiàn)三個(gè)方面按不同的比例來分配，期末總成績則由三項(xiàng)成績加總而成。顯然由于考核因素太少，這種考核方式存在很大的局限性，因此可以通過增加更多的考核因素來完善考核制度。
2《數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用》課程的改革與實(shí)踐之策
2.1傳統(tǒng)教學(xué)模式與現(xiàn)代化模式相結(jié)合
現(xiàn)代化的多媒體教學(xué)則可以通過制作生動(dòng)的課件將理論以視頻、動(dòng)畫、圖片等方式呈現(xiàn)出來，不僅可以活躍課堂氣氛，同時(shí)還能讓學(xué)生更好的理解教學(xué)中的難點(diǎn)、重點(diǎn)，將傳統(tǒng)教學(xué)模式與現(xiàn)代教學(xué)模式相結(jié)合，學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)理解會(huì)相對輕松有效。
2.2項(xiàng)目式教學(xué)模式的引入
項(xiàng)目教學(xué)法是教師帶領(lǐng)學(xué)生在開展一個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，通過實(shí)際操作將理論知識(shí)傳授給學(xué)生的教學(xué)模式。該模式主要包括項(xiàng)目的選取、項(xiàng)目模塊化、自主發(fā)揮部分、項(xiàng)目實(shí)施及總結(jié)評(píng)估幾個(gè)部分。
2.3推行校企聯(lián)合教學(xué)的模式
學(xué)校應(yīng)加強(qiáng)與企業(yè)的聯(lián)系，可以與相關(guān)企業(yè)簽訂實(shí)習(xí)協(xié)議，安排學(xué)生去實(shí)習(xí)，以提高學(xué)生的實(shí)踐能力，此外也可聘請企業(yè)高級(jí)技術(shù)人才進(jìn)校開展主題講座，以給學(xué)生更多的機(jī)會(huì)去了解行業(yè)的最新動(dòng)態(tài)，適當(dāng)調(diào)整自己的學(xué)習(xí)方向，逐漸去適應(yīng)企業(yè)的發(fā)展要求。
2.4調(diào)整考核方式
通過引進(jìn)更多的考核因素，如學(xué)生參加科技競賽獲獎(jiǎng)、自主做實(shí)驗(yàn)次數(shù)、實(shí)習(xí)期表現(xiàn)情況等方面，增強(qiáng)考試的公平性、合理性。
2.5多元化學(xué)習(xí)模式
同一專業(yè)同學(xué)可以根據(jù)自身的優(yōu)勢成立學(xué)習(xí)小組，團(tuán)隊(duì)成員間互相監(jiān)督和幫助，提高學(xué)習(xí)的積極性。此外還可以通過成立課余興趣小組、舉辦高校科技競賽等方式來營造多元化的學(xué)習(xí)環(huán)境。
2.6實(shí)驗(yàn)室管理更加人性化
完善實(shí)驗(yàn)室管理,延長實(shí)驗(yàn)室的開放時(shí)間，并配備值班教師在必要時(shí)指導(dǎo)課余時(shí)間自主做實(shí)驗(yàn)的同學(xué)。
2.采用問題式教學(xué)增強(qiáng)學(xué)生主觀能動(dòng)性
傳統(tǒng)的課堂教學(xué)基本上以知識(shí)傳授灌輸?shù)姆绞綖橹鲗?dǎo)，對學(xué)生的引導(dǎo)啟發(fā)不夠。學(xué)生的自主思考機(jī)會(huì)太少，對其創(chuàng)造性的培養(yǎng)跟不上，這都極大地限制了學(xué)生的創(chuàng)造性的自我培養(yǎng)，與素質(zhì)教育的目標(biāo)是背道而馳的。另外，傳統(tǒng)教學(xué)過程中把學(xué)生做為被動(dòng)的接受者，這使得學(xué)生沒有機(jī)會(huì)參與教學(xué)，只會(huì)人云亦云，缺乏獨(dú)立思考。這樣機(jī)械的教學(xué)模式一方面限制會(huì)教師教學(xué)風(fēng)格的發(fā)揮，另一方面更限制了學(xué)生個(gè)性的培養(yǎng)和發(fā)揮。興趣是最好的老師，我們需要通過培養(yǎng)學(xué)生的興趣才能有效地提高教學(xué)質(zhì)量，這就對我們進(jìn)行傳統(tǒng)教學(xué)模式的改革提出了要求。可以通過提問產(chǎn)生課堂互動(dòng)，從而啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生，營造出一種愉快的課堂氛圍。使師生之間充分的互動(dòng)起來，可以使教師由傳統(tǒng)的傳道授業(yè)形式轉(zhuǎn)化為教學(xué)過程的組織者，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生能夠主動(dòng)思考，有利于改善教學(xué)效果。對于問題式教學(xué)，我們應(yīng)該有針對性地結(jié)合學(xué)校的自身特點(diǎn)和具體情況采用這種教學(xué)方法，把傳統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)講解型轉(zhuǎn)變?yōu)閱栴}導(dǎo)向型，以提高學(xué)生的主觀積極性。比如在講授時(shí)序邏輯電路之前，提出由觸發(fā)器構(gòu)成加法計(jì)數(shù)器的問題，在講授過程中，讓學(xué)生帶著問題有所側(cè)重的學(xué)習(xí)各知識(shí)點(diǎn)，并參與問題的討論。
3.加大實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)提高學(xué)生實(shí)踐能力
數(shù)字電子技術(shù)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，該課程不能僅僅只局限于為學(xué)生后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，還應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，分析完整系統(tǒng)，掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。在教學(xué)過程中實(shí)驗(yàn)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置和進(jìn)行，目的是培養(yǎng)學(xué)生的解決實(shí)際問題的能力和動(dòng)手能力。在教學(xué)過程中，要使培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力的最直接途徑便是加大實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有條件下，在實(shí)踐性教學(xué)過程中安排的實(shí)驗(yàn)大多都是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，能提高學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)尤為缺乏。學(xué)生僅僅通過基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)不能涉及到知識(shí)與技術(shù)的前沿，如此一來將不能適應(yīng)現(xiàn)在新技術(shù)發(fā)展的需求。另外，做實(shí)驗(yàn)時(shí)只要求學(xué)生按步驟機(jī)械地操作，將會(huì)減弱學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，制約其創(chuàng)造力的培養(yǎng)，也不能很好地鍛煉學(xué)生查找資料、安裝調(diào)試等方面的能力。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)應(yīng)該考核學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力?？梢赃x取一些應(yīng)用性的課題，例如十字路通燈控制電路等。要求學(xué)生查閱資料、綜合所學(xué)，完成實(shí)驗(yàn)方案的自主設(shè)計(jì)，選取合適元器件實(shí)現(xiàn)電路的功能。另外，EDA技術(shù)的Multisim模擬仿真軟件，提供了多種數(shù)字電子技術(shù)元器件模型，通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置能夠讓學(xué)生很方便地在電腦上完成電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試，有利于激發(fā)學(xué)生的探究和思維能力。
2巧設(shè)教學(xué)情境和問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，樹立自主學(xué)習(xí)意識(shí)
根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的難易、重點(diǎn)，向?qū)W生提出要解決的中心課題，要求他們分析問題情境，探索問題的解決方法。筆者講授《數(shù)字電子技術(shù)》中“二值邏輯與基本邏輯運(yùn)算”時(shí)先介紹安全帶報(bào)警系統(tǒng)，如圖2所示，然后引到學(xué)生思考“什么是與邏輯”，之后了解與運(yùn)算之后，發(fā)問“如何用與門實(shí)現(xiàn)安全帶報(bào)警系統(tǒng)”。通過巧設(shè)問題和情境，激發(fā)學(xué)生那種強(qiáng)烈的探索欲望，使學(xué)生處于一種積極的思維狀態(tài)。對于教材中比較抽象的概念和原理，在教學(xué)中要深入淺出，用形象生動(dòng)的比喻去幫助學(xué)生進(jìn)行分析理解，提高學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生沉浸其中，才會(huì)學(xué)有所思、學(xué)有所問、學(xué)有所悟、學(xué)有所得，才會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)。要想讓學(xué)生沉浸于學(xué)習(xí)還得發(fā)揮學(xué)生的主體作用。凡學(xué)生能夠自己探索得出的，決不替代，凡學(xué)生能獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的，決不暗示，盡可能給學(xué)生多一點(diǎn)思考的時(shí)間。為讓學(xué)生深刻理解74HC151七段顯示譯碼器[6]三個(gè)輔助端即燈測試輸入、滅燈輸入和鎖存使能輸入端的功能，筆者讓學(xué)生根據(jù)74HC151的功能表，分析輸出有字形時(shí)對應(yīng)的三個(gè)輔助輸入端信號(hào)分別是什么，從而得出結(jié)論：燈測試輸入端用于檢查譯碼器本身及顯示器各段的好壞，滅燈輸入端用于將不必要的零熄滅，鎖存使能輸入端由0跳變到1時(shí)，輸入碼被鎖存，輸出只取決于鎖存器的內(nèi)容。
3授課要承前啟后，注重教學(xué)內(nèi)容的銜接
在教學(xué)中關(guān)注知識(shí)之間的前后聯(lián)系，了解知識(shí)的來龍去脈，可以使我們更好地銜接教學(xué)內(nèi)容之間的關(guān)系，形成一個(gè)系統(tǒng)的知識(shí)鏈；在這一基礎(chǔ)上的教學(xué)設(shè)計(jì)，能促進(jìn)學(xué)生利用遷移、轉(zhuǎn)化的方法來解決問題，能使我們有效合理地進(jìn)行教學(xué)。一方面注意本課程內(nèi)容的前后銜接，另一方面注意本課程與前后相關(guān)課程的銜接。如講全加器時(shí)，可以得出全加和S和進(jìn)位數(shù)Co的表達(dá)式，分別如式（1）和式（2）所示。根據(jù)式（1）、（2）和已經(jīng)學(xué)習(xí)的半加器知識(shí)，由此得到圖3（a）所示的全加器實(shí)現(xiàn)電路。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生將式（1）和式（2）分別變換成如式（3）和式（4）所示的最小項(xiàng)表達(dá)式。進(jìn)而，讓學(xué)生回憶二進(jìn)制譯碼器74HC138重要應(yīng)用之一，即可以實(shí)現(xiàn)給定的組合邏輯函數(shù)。最終，在引導(dǎo)下，學(xué)生得出如圖3（b）所示的電路圖，即用已學(xué)的74HC138實(shí)現(xiàn)全加器的功能。這樣學(xué)生開闊了思維，加深了對已學(xué)知識(shí)的理解。有意點(diǎn)撥前后課程中與本課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)及其應(yīng)用，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到電子技術(shù)課程承前啟后的重要作用，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣和熱情，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，樹立學(xué)好電子技術(shù)課程的信心。
4理論聯(lián)系實(shí)際,拓展學(xué)生的思維能力
理論教學(xué)學(xué)生一般感覺枯燥、難學(xué)懂。在理論教學(xué)的過程中，若能結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)案例，則能給予學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而通過理論學(xué)習(xí)上升到理性認(rèn)識(shí)，再到實(shí)踐環(huán)節(jié)中，驗(yàn)證理論，又可促使學(xué)生真正理解理論知識(shí)，進(jìn)一步深化理論。對數(shù)字電子技術(shù)的掌握更重要的是能夠通過電路的學(xué)習(xí)學(xué)到一種思維方式，學(xué)會(huì)一些分析問題和解決問題的方法。邏輯運(yùn)算是數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)，讓學(xué)生理解基本運(yùn)算是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。為此，筆者在講授或運(yùn)算時(shí)，以如圖4所示的“入室盜竊檢測和報(bào)警系統(tǒng)”為例講解或運(yùn)算及或門的應(yīng)用。這樣一來，學(xué)生易于理解或運(yùn)算的本質(zhì)及其應(yīng)用。教學(xué)多結(jié)合實(shí)際，激勵(lì)學(xué)生不但要具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)而且應(yīng)能夠靈活綜合應(yīng)用來分析和解決問題。
一、近似計(jì)算在靜態(tài)分析中的應(yīng)用
在電子技術(shù)中應(yīng)運(yùn)中，近似計(jì)算貫穿其始終。然而，沒有近似計(jì)算是不可想象的。而精確計(jì)算在電子技術(shù)中往往行不通，也沒有其必要。盡管近似計(jì)算會(huì)引入一定的誤差，但這個(gè)誤差控制得好，不會(huì)對分析其它電路產(chǎn)生大的影響。所以關(guān)鍵在于我們?nèi)绾握莆?，特別是如何應(yīng)用近似計(jì)算。
在工作點(diǎn)穩(wěn)定電路中的應(yīng)用要進(jìn)行靜態(tài)分析，就必須求出三極管的基電壓，必須忽略三極管靜態(tài)基極電流。這樣，我們得到三極管的基射電子的相關(guān)過程及結(jié)論。
二、納米電子技術(shù)急需解決的若干關(guān)鍵問題
由于納米器件的特征尺寸處于納米量級(jí)，因此，其機(jī)理和現(xiàn)有的電子元件截然不同，理論方面有許多量子現(xiàn)象和相關(guān)問題需要解決，如電子在勢阱中的隧穿過程、非彈性散射效應(yīng)機(jī)理等。盡管如此，納米電子學(xué)中急需解決的關(guān)鍵問題主要還在于納米電子器件與納米電子電路相關(guān)的納米電子技術(shù)方面，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
（1）納米Si基量子異質(zhì)結(jié)加工
要繼續(xù)把現(xiàn)有的硅基電子器件縮小到納米尺度，最直截了當(dāng)?shù)姆椒ㄊ遣捎猛庋印⒐饪痰燃夹g(shù)制造新一代的類似層狀蛋糕的納米半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。其中，不同層通常是由不同勢能的半導(dǎo)體材料制成的，構(gòu)建成納米尺度的量子勢阱，這種結(jié)構(gòu)稱作“半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)”。
（2）分子晶體管和導(dǎo)線組裝納米器件即使知道如何制造分子晶體管和分子導(dǎo)線，但把這些元件組裝成一個(gè)可以運(yùn)轉(zhuǎn)的邏輯結(jié)構(gòu)仍是一個(gè)非常棘手的難題。一種可能的途徑是利用掃描隧道顯微鏡把分子元件排列在一個(gè)平面上；另一種組裝較大電子器件的可能途徑是通過陣列的自組裝。盡管，PurdueUniversity等研究機(jī)構(gòu)在這個(gè)方向上取得了可喜的進(jìn)展，但該技術(shù)何時(shí)能夠走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用，仍無法斷言。
（3）超高密度量子效應(yīng)存儲(chǔ)器
超高密度存儲(chǔ)量子效應(yīng)的電子“芯片”是未來納米計(jì)算機(jī)的主要部件，它可以為具備快速存取能力但沒有可動(dòng)機(jī)械部件的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)提供海量存儲(chǔ)手段。但是，有了制造納米電子邏輯器件的能力后，如何用這種器件組裝成超高密度存儲(chǔ)的量子效應(yīng)存儲(chǔ)器陣列或芯片同樣給納米電子學(xué)研究者提出了新的挑戰(zhàn)。
（4）納米計(jì)算機(jī)的“互連問題”
一臺(tái)由數(shù)萬億的納米電子元件以前所未有的密集度組裝成納米計(jì)算機(jī)注定需要巧妙的結(jié)構(gòu)及合理整體布局，而整體結(jié)構(gòu)問題中首當(dāng)其沖需要解決的就是所謂的“互連問題”。換句話說，就是計(jì)算結(jié)構(gòu)中信息的輸入、輸出問題。納米計(jì)算機(jī)要把海量信息存儲(chǔ)在一個(gè)很小的空間內(nèi)，并極快地使用和產(chǎn)生信息，需要有特殊的結(jié)構(gòu)來控制和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)的諸多元件，而納米計(jì)算元件之間、計(jì)算元件與外部環(huán)境之間需要有大量的連接。就現(xiàn)有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的微型化而言，由于電線之間要相互隔開以避免過熱或“串線”，這樣就有一些幾何學(xué)上的考慮和限制，連接的數(shù)量不可能無限制地增加。因此，納米計(jì)算機(jī)導(dǎo)線間的量子隧穿效應(yīng)和導(dǎo)線與納米電子器件之間的“連接”問題急需解決。
（5）納米/分子電子器件制備、操縱、設(shè)計(jì)、性能分析模擬環(huán)境
當(dāng)前，分子力學(xué)、量子力學(xué)、多尺度計(jì)算、計(jì)算機(jī)并行技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已取得快速發(fā)展，利用這些技術(shù)建立一個(gè)能夠完成納米電子器件制備、操縱、設(shè)計(jì)與性能分析的模擬虛擬環(huán)境，并使納米技術(shù)研究人員獲得虛擬的體驗(yàn)已成為可能。但由于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的速度、分子力學(xué)與量子力學(xué)算法的效率等問題，目前建立這種迅速、敏感、精細(xì)的量子模擬虛擬環(huán)境還存在巨大困難。
三、交互式電子技術(shù)手冊
交互式電子技術(shù)手冊經(jīng)歷了5個(gè)發(fā)展階段，根據(jù)美國國防部的定義：加注索引的掃描頁圖、滾動(dòng)文檔式電子技術(shù)手冊、線性結(jié)構(gòu)電子技術(shù)手冊、基于數(shù)據(jù)庫的電子技術(shù)手冊和集成電子技術(shù)手冊。目前真正意義上的集成了人工智能、故障診斷的第5類集成電子技術(shù)手冊并不存在，大多數(shù)電子技術(shù)手冊基本上位于第4類及其以下的水平。需要聲明的是，各類電子技術(shù)手冊雖然代表不同的發(fā)展階段，但是各有優(yōu)點(diǎn)，較低級(jí)別的電子技術(shù)手冊目前仍然有著各自的應(yīng)用價(jià)值。由于類以上的電子技術(shù)手冊在信息的組織、管理、傳遞、獲取方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。
簡單的說，電子技術(shù)手冊就是技術(shù)手冊的數(shù)字化。為了獲取信息的方便，數(shù)字化后的數(shù)據(jù)需要一個(gè)良好的組織管理和提供給用戶的形式，電子技術(shù)手冊的發(fā)展就是圍繞這一過程來進(jìn)行的。
四、電子技術(shù)在時(shí)間與頻率標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用
時(shí)間和頻率是描述同一周期現(xiàn)象的兩個(gè)參數(shù)，可由時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)出頻率標(biāo)準(zhǔn)，兩者可共用的一個(gè)基準(zhǔn)。
1952年國際天文協(xié)會(huì)定義的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)是基于地球自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期而建立的，分別稱為世界時(shí)（UT）和歷書時(shí)（ET）。這種基于天文方面的宏觀計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備龐大，操作麻煩，精度僅達(dá)10-9。隨著電子技術(shù)與微波光譜學(xué)的發(fā)展，產(chǎn)生了量子電子學(xué)、激光等新技術(shù)，由此出現(xiàn)了一種新穎的頻率標(biāo)準(zhǔn)——量子頻率標(biāo)準(zhǔn)。這種頻率標(biāo)準(zhǔn)是利用原子能級(jí)躍遷時(shí)所輻射的電磁波頻率作為頻率標(biāo)準(zhǔn)。目前世界各國相繼作成各種量子頻率標(biāo)準(zhǔn)，如（133Cs）頻標(biāo)、銣原子頻標(biāo)、氫原子作成的氫脈澤頻標(biāo)、甲烷飽和以及吸收氦氖激光頻標(biāo)等等。這樣做后，將過去基于宏觀的天體運(yùn)動(dòng)的計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，改變成微觀的原子本身結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間基準(zhǔn)。這一方面使設(shè)備大為簡化，體積、重量大減?。涣硪环矫媸诡l率標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定度大為提高（可達(dá)10-12—10-14量級(jí)，即30萬年——300萬年差1秒）。1967年第13屆國際計(jì)量大會(huì)正式通過決議，規(guī)定：“一秒等于133Cs原子基態(tài)兩超精細(xì)能級(jí)躍遷的9192631770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間”。該時(shí)間基準(zhǔn)，發(fā)展了高精度的測頻技術(shù)，大大有助于宇宙航行和空間探索，加速了現(xiàn)代微波技術(shù)和雷達(dá)、激光技術(shù)等的發(fā)展。而激光技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展又為長度計(jì)量提供了新的測試手段。
總之，在探討了近似計(jì)算在靜態(tài)分析中的應(yīng)用問題、納米電子技術(shù)急需解決的若干關(guān)鍵問題和交互式電子技術(shù)應(yīng)用手冊后，廣大科技工作者對電子技術(shù)在時(shí)間與頻率標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用知識(shí)的初步了解和認(rèn)識(shí)。在當(dāng)代高科技產(chǎn)業(yè)日漸繁榮，尖端信息普遍進(jìn)入我們生活之中的同時(shí)，國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和和諧社會(huì)的構(gòu)建離不開我們科技工作者對新理論的學(xué)習(xí)和新技術(shù)的應(yīng)用，因此說，本文具有深刻的理論意義和廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值是不足為虛的。
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[4]劉艷梅《電子技術(shù)在現(xiàn)代汽車上的發(fā)展與應(yīng)用》[J]，《中國科技信息》，2006（01）。
2改進(jìn)的措施
針對學(xué)生學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀，首先強(qiáng)調(diào)《電子技術(shù)》課程的重要性，不必拘泥于教材的知識(shí)，以及電路內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，多強(qiáng)調(diào)元件、電路的功能和作用，以及在實(shí)踐調(diào)試中的注意事項(xiàng)。有條件的可以進(jìn)行一體化教學(xué)，兩小節(jié)課程，第一小節(jié)理論講解，第二小節(jié)學(xué)生操作訓(xùn)練，增強(qiáng)了學(xué)生對電子元件和電路的感性認(rèn)識(shí)，還可以熟練掌握萬用表、示波器、直流穩(wěn)壓電源、信號(hào)源等儀器儀表的操作，通過一體化教學(xué)使得教學(xué)目標(biāo)明確，提高了教學(xué)效果。根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握的狀況，訓(xùn)練其創(chuàng)造性思維能力，根據(jù)電子技術(shù)的發(fā)展方向和學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理的安排內(nèi)容。如適當(dāng)引入數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（DSP）、嵌入式技術(shù)（ARM）、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)（EDA）技術(shù)，以及未來電子技術(shù)的發(fā)展方向微電子技術(shù)、納米電子技術(shù)。在當(dāng)今日新月異的世界里，《電子技術(shù)》講授的內(nèi)容也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，因此教師應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)新理論、新技術(shù)、新方法，使培養(yǎng)的學(xué)生畢業(yè)后盡快與社會(huì)同步接軌。還可以考慮引入PPT、視頻、動(dòng)畫等教學(xué)方法及手段，突出重點(diǎn)、突出難點(diǎn)，提高教學(xué)效果。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，在保證基本的實(shí)驗(yàn)技能和操作能力培養(yǎng)的前提下，適當(dāng)減少基礎(chǔ)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。如數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中的智力競賽搶答裝置，它具有公共置0端和公共CP端；F2為雙4輸入與非門74LS20；F3是由74LS00組成的多諧振蕩器；F4是由74LS74組成的四分頻電路，F(xiàn)3、F4組成搶答電路中的CP時(shí)鐘脈沖源，搶答開始時(shí)，由主持人清除信號(hào)，按下復(fù)位開關(guān)S，74LS175的輸出Q1～Q4全為0，所有發(fā)光二極管LED均熄滅，當(dāng)主持人宣布“搶答開始”后，首先作出判斷的參賽者立即按下開關(guān)，對應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，同時(shí)，通過與非門F2送出信號(hào)鎖住其余三個(gè)搶答者的電路，不再接受其它信號(hào)，直到主持人再次清除信號(hào)為止。若學(xué)生掌握的操作技能，則學(xué)生就掌握了觸發(fā)器電路、邏輯門電路、振蕩器電路、分頻電路、時(shí)鐘電路、發(fā)光二極管電路等多個(gè)電路知識(shí)。做好《電子技術(shù)》教學(xué)還要重視師資隊(duì)伍建設(shè)，有了好的老師、好的教學(xué)方法、好的教學(xué)理念才能教出好的學(xué)生。應(yīng)該打破傳統(tǒng)的理論教學(xué)教師與實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍的界限，理論任課教師也應(yīng)該積極參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的改造和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有力地結(jié)合在一起，積極參與科研課題的申報(bào)與實(shí)施，使理論與實(shí)踐教學(xué)與時(shí)俱進(jìn)。鼓勵(lì)教師參加一些權(quán)威部門組織的教學(xué)改革研討會(huì)，利用好假期時(shí)間參加一些國培項(xiàng)目，鼓勵(lì)教師深造學(xué)習(xí)，深入生產(chǎn)、建設(shè)、服務(wù)第一線，及時(shí)了解行業(yè)發(fā)展的動(dòng)態(tài)，結(jié)合實(shí)踐教學(xué)開展科研活動(dòng)，撰寫科研論文，不斷提高教學(xué)水平。教師的教學(xué)效果與考核相掛鉤，可以提高教師學(xué)習(xí)的積極性。近期，西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院組織教師積極參與微課的制作與教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果。利用仿真軟件教學(xué)可以補(bǔ)充硬件教學(xué)資源的不足，節(jié)約教學(xué)經(jīng)費(fèi)，使學(xué)生較容易的掌握各種儀器的基本使用方法、電路參數(shù)的測試方法，使每個(gè)人都能親自動(dòng)手接觸電路，進(jìn)行元件接線、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)測量并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對照，增強(qiáng)對電子線路的感性認(rèn)識(shí)，提高教學(xué)效果?！峨娮泳€路》常用的教學(xué)仿真軟件有EWB、Protrus、Multisim、虛擬儀器等，為Protrus軟件連接的八路彩燈仿真效果圖。Protrus軟件連接的八路彩燈仿真效果圖重視學(xué)生社團(tuán)的建設(shè)與發(fā)展。學(xué)生社團(tuán)的成員們具有相同的興趣和愛好，他們來自不同的專業(yè)、不同的年級(jí)，知識(shí)結(jié)構(gòu)、能力結(jié)構(gòu)具有交叉性和互補(bǔ)性，可以按照自己的意圖和方案進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新。此外，學(xué)生社團(tuán)活動(dòng)方式的實(shí)踐性與靈活性、自由寬松的氛圍、平等的師生關(guān)系都為實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練提供了有利的條件。西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院電子俱樂部2003年5月成立，是在原來便民服務(wù)小組基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，本著“服務(wù)大家，提高自己”為宗旨，以鍛煉為主導(dǎo)、以求知為目標(biāo)、發(fā)揚(yáng)雷鋒精神、充實(shí)自己、服務(wù)于人的思想，適時(shí)開展義務(wù)維修活動(dòng)，普及電子科普知識(shí)。社團(tuán)經(jīng)過12多年的發(fā)展，現(xiàn)擁有創(chuàng)作部、維修部、電腦部、宣傳部、技術(shù)團(tuán)等5個(gè)部門，300多名社員。電子俱樂部自成立以來，在學(xué)院、團(tuán)委、電子工程學(xué)院等部門的領(lǐng)導(dǎo)及指導(dǎo)教師的關(guān)懷下，以及全體社員的共同努力下，多次在校園、社區(qū)開展便民電器義務(wù)維修活動(dòng)，多次進(jìn)行三下鄉(xiāng)電器義務(wù)維修、支教活動(dòng)；以電子俱樂部成員們多次參見校園、省級(jí)、國家級(jí)電子技術(shù)類競賽，取得了驕人的成績。2006年電子俱樂部獲得了“省級(jí)優(yōu)秀社團(tuán)”的光榮稱號(hào)，2007年、2010年電子俱樂部獲得“院級(jí)優(yōu)秀社團(tuán)”的光榮稱號(hào)。對于課程的考核不應(yīng)該僅僅局限于期末考試筆試的成績，應(yīng)該增加平時(shí)成績的比例，老師可以參考學(xué)生平時(shí)的作業(yè)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)操作的情況，電子技術(shù)類競賽獲獎(jiǎng)的學(xué)生成績可以適當(dāng)加分，對現(xiàn)在的考核方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性。
當(dāng)前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ),正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來,電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用,實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。
1.電力電子技術(shù)的發(fā)展
現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代,并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。
1.1整流器時(shí)代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機(jī)提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費(fèi)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(jī)車、電傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無軌電車等)和直流傳動(dòng)(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時(shí)國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時(shí)的產(chǎn)物。
1.2逆變器時(shí)代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī),交流電機(jī)變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取＿@時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。
1.3變頻器時(shí)代
進(jìn)入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機(jī)遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計(jì),到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場上已達(dá)到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能,實(shí)現(xiàn)小型輕量化,機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
2.現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域
2.1計(jì)算機(jī)高效率綠色電源
高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類進(jìn)入了信息社會(huì),同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計(jì)算機(jī)全面采用了開關(guān)電源,率先完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。
計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署l992年6月17日“能源之星"計(jì)劃規(guī)定,桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關(guān)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(guān)電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機(jī)用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大,單機(jī)容量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。
因通信設(shè)備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護(hù),且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)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(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動(dòng)車的無級(jí)變速和控制,同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)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(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負(fù)載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負(fù)載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實(shí)現(xiàn)對UPS的智能化管理,進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速,其在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達(dá)到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進(jìn)生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機(jī)電機(jī)。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進(jìn)一步發(fā)展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機(jī)電源
高頻逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機(jī)電源,代表了當(dāng)今焊機(jī)電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。
逆變焊機(jī)電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機(jī)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(jī)電源的工作可靠性問題成為最關(guān)鍵的問題,也是用戶最關(guān)心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達(dá)到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進(jìn)而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機(jī)已可做到額定焊接電流300A,負(fù)載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關(guān)型高壓直流電源
大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機(jī)和CT機(jī)等大型設(shè)備。電壓高達(dá)50~l59kV,電流達(dá)到0.5A以上,功率可達(dá)100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進(jìn)入80年代,高頻開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件,將電源的開關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進(jìn)一步減小。
國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負(fù)載條件下,輸出直流電壓達(dá)到55kV,電流達(dá)到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運(yùn)時(shí),將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時(shí)還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時(shí),網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(dá)(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準(zhǔn)信號(hào)為電壓環(huán)誤差信號(hào)與全波整流電壓取樣信號(hào)之乘積。
2.9分布式開關(guān)電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術(shù)成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強(qiáng)電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動(dòng)了分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學(xué)界的研究熱點(diǎn),論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。已被大型計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機(jī)車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。
3.高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會(huì)大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動(dòng)汽車和變頻傳動(dòng)中,更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率,從而達(dá)到近于理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)控制。高頻開關(guān)電源技術(shù),更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機(jī)、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(shù)。
3.1高頻化
理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的5~l0%。無論是逆變式整流焊機(jī),還是通訊電源用的開關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進(jìn)行改造,成為“開關(guān)變換類電源”,其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟(jì)效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)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(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實(shí)質(zhì)上都屬于“標(biāo)準(zhǔn)”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機(jī)的體積,更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。實(shí)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(yán)重,對器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì),達(dá)到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個(gè)模塊固定在相應(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺(tái)新型的開關(guān)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(jī)體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。另外,大功率的開關(guān)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(gè)獨(dú)立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術(shù),所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流,一旦其中某個(gè)模塊失效,其它模塊再平均分擔(dān)負(fù)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(gè)系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復(fù)提供充分的時(shí)間。
3.3數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號(hào)來設(shè)計(jì)和工作的。在六、七十年代,電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電路基礎(chǔ)上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號(hào)、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn):便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小雜散信號(hào)的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說,模擬技術(shù)還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術(shù)的知識(shí),但是對于智能化的開關(guān)電源,需要用計(jì)算機(jī)控制時(shí),數(shù)字化技術(shù)就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(huì)(IEC)對此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn),如IEC555、IEC917、IECl000等。事實(shí)上,許多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會(huì)變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀(jì)末,各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀(jì)批量生產(chǎn)各種綠色開關(guān)電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。
現(xiàn)代電力電子技術(shù)是開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著新型電力電子器件和適于更高開關(guān)頻率的電路拓?fù)涞牟粩喑霈F(xiàn),現(xiàn)代電源技術(shù)將在實(shí)際需要的推動(dòng)下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)下,由于功率器件性能的限制而使開關(guān)電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關(guān)電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓?fù)浜托滦偷目刂萍夹g(shù),可使功率開關(guān)工作在零電壓或零電流狀態(tài),從而可大大的提高工作頻率,提高開關(guān)電源工作效率,設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的開關(guān)電源。
總而言之,電力電子及開關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現(xiàn)又會(huì)使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會(huì)開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實(shí)現(xiàn),將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟,實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源,僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進(jìn)行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動(dòng),并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。
參考文獻(xiàn)
(l)林渭勛:淺談半導(dǎo)體高頻電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)選編,浙江大學(xué),384-390,1992
(2)季幼章:迎接知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代,發(fā)展電源技術(shù)應(yīng)用,電源技術(shù)應(yīng)用,N0.2,l998
現(xiàn)代電源技術(shù)是應(yīng)用電力電子半導(dǎo)體器件,綜合自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)(微處理器)技術(shù)和電磁技術(shù)的多學(xué)科邊緣交又技術(shù)。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關(guān)鍵作用,是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用。
當(dāng)前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ),正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來,電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用,實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。
1.電力電子技術(shù)的發(fā)展
現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代,并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。
1.1整流器時(shí)代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機(jī)提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費(fèi)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(jī)車、電傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無軌電車等)和直流傳動(dòng)(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時(shí)國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時(shí)的產(chǎn)物。
1.2逆變器時(shí)代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī),交流電機(jī)變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)?。這時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。
1.3變頻器時(shí)代
進(jìn)入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機(jī)遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計(jì),到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場上已達(dá)到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能,實(shí)現(xiàn)小型輕量化,機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
2.現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域
2.1計(jì)算機(jī)高效率綠色電源
高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類進(jìn)入了信息社會(huì),同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計(jì)算機(jī)全面采用了開關(guān)電源,率先完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。
計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署l992年6月17日"能源之星"計(jì)劃規(guī)定,桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關(guān)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(guān)電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機(jī)用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大,單機(jī)容量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。
因通信設(shè)備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護(hù),且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)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(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動(dòng)車的無級(jí)變速和控制,同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)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(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負(fù)載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負(fù)載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實(shí)現(xiàn)對UPS的智能化管理,進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷。目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速,其在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達(dá)到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進(jìn)生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機(jī)電機(jī)。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進(jìn)一步發(fā)展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機(jī)電源
高頻逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機(jī)電源,代表了當(dāng)今焊機(jī)電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。
逆變焊機(jī)電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機(jī)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(jī)電源的工作可靠性問題成為最關(guān)鍵的問題,也是用戶最關(guān)心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達(dá)到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進(jìn)而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機(jī)已可做到額定焊接電流300A,負(fù)載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關(guān)型高壓直流電源
大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機(jī)和CT機(jī)等大型設(shè)備。電壓高達(dá)50~l59kV,電流達(dá)到0.5A以上,功率可達(dá)100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進(jìn)入80年代,高頻開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件,將電源的開關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進(jìn)一步減小。
國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負(fù)載條件下,輸出直流電壓達(dá)到55kV,電流達(dá)到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運(yùn)時(shí),將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時(shí)還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時(shí),網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(dá)(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準(zhǔn)信號(hào)為電壓環(huán)誤差信號(hào)與全波整流電壓取樣信號(hào)之乘積。
2.9分布式開關(guān)電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?利用最新理論和技術(shù)成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強(qiáng)電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動(dòng)了分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學(xué)界的研究熱點(diǎn),論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。已被大型計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機(jī)車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。
3.高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會(huì)大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動(dòng)汽車和變頻傳動(dòng)中,更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率,從而達(dá)到近于理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)控制。高頻開關(guān)電源技術(shù),更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機(jī)、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(shù)。
3.1高頻化
理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的5~l0%。無論是逆變式整流焊機(jī),還是通訊電源用的開關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進(jìn)行改造,成為"開關(guān)變換類電源",其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟(jì)效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)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(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實(shí)質(zhì)上都屬于"標(biāo)準(zhǔn)"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機(jī)的體積,更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。實(shí)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(yán)重,對器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì),達(dá)到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個(gè)模塊固定在相應(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺(tái)新型的開關(guān)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(jī)體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個(gè)系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復(fù)提供充分的時(shí)間。3.3數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號(hào)來設(shè)計(jì)和工作的。在六、七十年代,電力電子技術(shù)擬電路基礎(chǔ)上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號(hào)、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn):便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小雜散信號(hào)的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說,模擬技術(shù)還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術(shù)的知識(shí),但是對于智能化的開關(guān)電源,需要用計(jì)算機(jī)控制時(shí),數(shù)字化技術(shù)就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(huì)(IEC)對此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn),如IEC555、IEC917、IECl000等。事實(shí)上,許多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會(huì)變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀(jì)末,各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。
總而言之,電力電子及開關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現(xiàn)又會(huì)使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會(huì)開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實(shí)現(xiàn),將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟,實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源,僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進(jìn)行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動(dòng),并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。
參考文獻(xiàn)：
1.1整流器時(shí)代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機(jī)提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費(fèi)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(jī)車、電傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無軌電車等)和直流傳動(dòng)(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時(shí)國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時(shí)的產(chǎn)物。
1.2逆變器時(shí)代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī),交流電機(jī)變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取＿@時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。
1.3變頻器時(shí)代
進(jìn)入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機(jī)遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計(jì),到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場上已達(dá)到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能,實(shí)現(xiàn)小型輕量化,機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
2.現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域
2.1計(jì)算機(jī)高效率綠色電源
高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類進(jìn)入了信息社會(huì),同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計(jì)算機(jī)全面采用了開關(guān)電源,率先完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。
計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署l992年6月17日"能源之星"計(jì)劃規(guī)定,桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關(guān)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(guān)電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機(jī)用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大,單機(jī)容量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。
因通信設(shè)備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護(hù),且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)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(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動(dòng)車的無級(jí)變速和控制,同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)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(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負(fù)載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負(fù)載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實(shí)現(xiàn)對UPS的智能化管理,進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速,其在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達(dá)到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進(jìn)生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機(jī)電機(jī)。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進(jìn)一步發(fā)展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機(jī)電源
高頻逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機(jī)電源,代表了當(dāng)今焊機(jī)電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。
逆變焊機(jī)電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機(jī)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(jī)電源的工作可靠性問題成為最關(guān)鍵的問題,也是用戶最關(guān)心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達(dá)到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進(jìn)而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機(jī)已可做到額定焊接電流300A,負(fù)載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關(guān)型高壓直流電源
大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機(jī)和CT機(jī)等大型設(shè)備。電壓高達(dá)50~l59kV,電流達(dá)到0.5A以上,功率可達(dá)100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進(jìn)入80年代,高頻開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件,將電源的開關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進(jìn)一步減小。
國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負(fù)載條件下,輸出直流電壓達(dá)到55kV,電流達(dá)到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運(yùn)時(shí),將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時(shí)還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時(shí),網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(dá)(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準(zhǔn)信號(hào)為電壓環(huán)誤差信號(hào)與全波整流電壓取樣信號(hào)之乘積。
2.9分布式開關(guān)電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術(shù)成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強(qiáng)電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動(dòng)了分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學(xué)界的研究熱點(diǎn),論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。已被大型計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機(jī)車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。
3.高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會(huì)大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動(dòng)汽車和變頻傳動(dòng)中,更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率,從而達(dá)到近于理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)控制。高頻開關(guān)電源技術(shù),更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機(jī)、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(shù)。
3.1高頻化
理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的5~l0%。無論是逆變式整流焊機(jī),還是通訊電源用的開關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進(jìn)行改造,成為"開關(guān)變換類電源",其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟(jì)效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)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(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實(shí)質(zhì)上都屬于"標(biāo)準(zhǔn)"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機(jī)的體積,更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。實(shí)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(yán)重,對器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì),達(dá)到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個(gè)模塊固定在相應(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺(tái)新型的開關(guān)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(jī)體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個(gè)系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復(fù)提供充分的時(shí)間。
3.3數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號(hào)來設(shè)計(jì)和工作的。在六、七十年代,電力電子技術(shù)擬電路基礎(chǔ)上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號(hào)、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn):便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小雜散信號(hào)的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說,模擬技術(shù)還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術(shù)的知識(shí),但是對于智能化的開關(guān)電源,需要用計(jì)算機(jī)控制時(shí),數(shù)字化技術(shù)就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(huì)(IEC)對此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn),如IEC555、IEC917、IECl000等。事實(shí)上,許多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會(huì)變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀(jì)末,各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。
總而言之,電力電子及開關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現(xiàn)又會(huì)使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會(huì)開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實(shí)現(xiàn),將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟,實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源,僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進(jìn)行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動(dòng),并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。
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