導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇數(shù)字電子技術論文，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內(nèi)容能為您提供靈感和參考。

篇1

1.1555組成的秒時基電路仿真

秒時基電路是時序邏輯電路中經(jīng)常使用的單元塊電路，可以通過555組成的多諧振蕩器構成秒時基電路，只需要選擇合適的電阻和電容值就實現(xiàn)。秒時基電路應用非常廣泛，交通燈電路系統(tǒng)、LED數(shù)字顯示的電子表電路等，均需要產(chǎn)生秒時基脈沖電路單元。在Proteus選擇大小合適的圖紙，建立圖形輸入仿真文件，根據(jù)理論計算確定有關電阻電容數(shù)值，選取器件，修改電路參數(shù)，連接元器件組成電路。通過波形可以很直觀的看出設計是否滿足要求為1秒的時基電路，同時修改有關電阻值可以在周期為1秒的前題下改變脈沖的占空比。使學生充分理解多諧振蕩電路，并可以根據(jù)實際需要產(chǎn)生不同周期和占空比的脈沖，激發(fā)學生對555電路的深層次的學習，從真正意義上認識555電路特性，驗證其組成設計單諧、多諧振蕩電路以及有實際應用的觸發(fā)報警、脈沖產(chǎn)生等電路。

1.2譯碼顯示電路仿真

顯示器件是數(shù)字電路一個重要部分，其中LED數(shù)碼管應用尤為廣泛。本例通過譯碼芯片74LS47和共陽極數(shù)碼管來完成譯碼電路和顯示電路的內(nèi)容。輸入數(shù)字為013（采用2進制000000010011）通過譯碼器件，譯出相應7段ABCDEFG的高低電平，譯碼芯片與共陽極數(shù)碼管連接，最終正確的輸出相關顯示內(nèi)容。同學還可以利用其它譯碼芯片CD4511、74LS48和共陰極數(shù)碼連接，在此基礎上還可以加入計數(shù)器，脈沖電路，這樣就能實現(xiàn)脈沖的自動計數(shù)及顯示，效果直觀。進行完一整套設計學生很有成就感，能進一步激發(fā)學生的學習興趣。

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二、項目教學法的實施步驟

1.創(chuàng)造情境，激發(fā)學生興趣。

在教學中創(chuàng)建良好的教學環(huán)境，激發(fā)學生的學習興趣。例如在課程的“組合邏輯電路設計”教學中，詢問學生有沒有獻過血。通過此問題可以激發(fā)學生的好奇心，探究獻血和所學知識的相關性；接著詢問血型匹配知識。通過此問題調(diào)動大家探討的積極性；最后提出能否利用所學知識設計一個血型匹配判斷電路。通過前期的情境培養(yǎng)，使學生對“組合邏輯電路設計”知識產(chǎn)生濃厚的興趣。

2.圍繞主題，逐步深入。

學習了典型的時序集成電路后，為了進一步加深學生對集成電路的理解和應用，繼而引導學生作進一步討論：能否用現(xiàn)有知識設計數(shù)字電子鐘？數(shù)字電子鐘的設計包含哪些模塊？學生對數(shù)字電子鐘比較熟悉，能夠確定數(shù)字電子鐘需要實現(xiàn)哪些功能。學生通過研究和討論，設計出數(shù)字電子鐘的總體結構圖。數(shù)字電子鐘的模塊包括：秒脈沖信號產(chǎn)生、計數(shù)、譯碼、校時和顯示等基本模塊，利用Multisim仿真軟件實現(xiàn)各電路模塊的獨立調(diào)試和仿真，再進行系統(tǒng)的級聯(lián)調(diào)試。在此過程中，教師應引導學生思考數(shù)字電子鐘的關鍵問題：秒脈沖信號如何產(chǎn)生？時計數(shù)電路，即二十四進制計數(shù)電路如何設計與實現(xiàn)？分、秒計數(shù)電路，即六十進制計數(shù)電路如何設計與實現(xiàn)？時（分、秒）譯碼電路如何設計與實現(xiàn)？時（分、秒）顯示電路如何設計與實現(xiàn)？怎樣實現(xiàn)對時、分的校準。

3.模塊化設計，團隊合作。

基本設計思路確定以后，進入項目的實施階段。在對學生進行分組時，應從多個方面考慮團隊成員的組合，如知識結構、特長、性格等。確定了小組成員后，明確每位同學職責。項目負責人將項目任務模塊化，負責項目的整體組織和協(xié)調(diào)，確保項目有條不紊地開展；成員兩人一組完成子模塊的設計與調(diào)試；最后以小組為單位，梳理項目，由項目負責人組織編寫和完善所有項目文檔和報告。在項目的設計過程中，學生參考他人的設計及實現(xiàn)方法時，主要是學習他人的設計方法，如編碼、接口和電路的工作原理，而不是原封不動地使用他人的電路。在項目的方案論證過程中，鼓勵學生開展討論。學生可以通過提方案、相互補充和正反對比等多種探討思路，對所擬定的方案進行仿真或試驗驗證。教師在這一環(huán)節(jié)中力求全面把握學生動向，主動獲取學生設計過程中的認知錯誤，加以指導。最后學生可以得出電子鐘每一子模塊的設計內(nèi)容。數(shù)字電子鐘的第一部分是時間基準，即時鐘。學生通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，為了獲得可能的最高精度，時鐘電路選擇比較常見的32.768kHz的晶振，而32768是2的15次方，所以對這種晶振進行15次分頻的話，就可以得到準確穩(wěn)定的1Hz的標準時鐘信號。數(shù)字電子鐘的第二部分是秒計數(shù)器。秒計數(shù)器的工作原理為：給其裝載一個初始值并執(zhí)行減計數(shù)至零。當計數(shù)到達零時，產(chǎn)生一個時鐘脈沖并將其傳遞給分計數(shù)器。在這里，裝載的初始值根據(jù)需要設定的時間和時鐘基準信號來計算，若時鐘基準信號為1Hz，則60s的設定時間所需的初始值為60，若時鐘基準信號為2Hz，則60s的設定時間所需的初始值為120。也就是說，裝載的初始值等于需要設定的時間乘以時鐘基準信號。數(shù)字電子鐘的第三部分是分計數(shù)器，它實現(xiàn)分的計數(shù)和顯示，且進行小時比較。每當秒計數(shù)器減至零時，分計數(shù)器加1。電路需包含一個比較電路的8位計數(shù)器，以實現(xiàn)分的復位并使小時計數(shù)器加1。通過仿真，學生發(fā)現(xiàn)，為了保證LED顯示的正確性，當復位為零時，設置顯示值為59。數(shù)字電子鐘的第四部分是時計數(shù)器，當分計數(shù)器計數(shù)到60時，小時計數(shù)器加1。在計數(shù)器的設計過程中，學生最容易忽略計數(shù)器的工作特性，在仿真時就會出現(xiàn)問題。例如，在電子鐘設計中計數(shù)器選用74LS193時，就要考慮其工作特性，在分計數(shù)器的值小于而不是等于60的那一個時刻加1。這樣做可以避免使用額外的邏輯運算，來使比較器的輸出轉(zhuǎn)化為小時計數(shù)器的輸入時鐘脈沖。小時計數(shù)器電路中也應該包含一個比較器，用以檢測當前值是否為12（電子鐘小時顯示為12進制），如果是，立即將小時計數(shù)器復位。

4.總結問題，共同研討。

在項目教學實施的過程中，教師在做到整體掌握、全程引導的同時，還要尊重學生的設計，協(xié)助學生解決遇到的難題。如學生在校時電路的設計中遇到了如下問題：校時電路的開關在接通和斷開時均存在抖動問題，使電路無法正常工作。這時學生在教師的鼓勵、引導下查閱資料，了解到常用的消除抖動的方法：軟實現(xiàn)（編程實現(xiàn)）、硬件實現(xiàn)。軟實現(xiàn)即處理器查詢或者監(jiān)視開關的狀態(tài)，當開關在規(guī)定時間內(nèi)沒有改變狀態(tài)時，即認為開關已經(jīng)不再抖動。常用的硬件去抖動的方法有：（1）使用施密特觸發(fā)器電路；（2）使用CMOS555定時器；（3）基本RS鎖存器電路。利用施密特觸發(fā)器電路消除抖動時，應確保施密特觸發(fā)器的門限電壓盡可能小，以保證能被電容上的電壓觸發(fā)；當開關存在很多抖動時，最好的方法是采用CMOS555定時器構建單穩(wěn)態(tài)電路來消除抖動。當開關按下時，555定時器可以輸出一個穩(wěn)定的脈沖信號，代替開關來觸發(fā)實際；利用基本RS鎖存器電路，將鎖存器的S端接開關輸入，R端接應用電路，將開關的狀態(tài)鎖存，當操作完成后取消鎖存。學生可以分組，應用不同的方法消除抖動，比較去抖動的效果，確定最佳方案。學生通過查閱資料，不僅解決了設計中遇到的問題，同時也發(fā)散了思維，擴展了知識面。

5.時序仿真，實現(xiàn)目標。

學生通過原理圖設計，得到了秒脈沖信號、二十四進制計數(shù)器、六十進制計數(shù)器，通過仿真可以得到其時序圖，引導學生總結利用集成計數(shù)器芯片實現(xiàn)其他進制計數(shù)器的方法，最后通過級聯(lián)實現(xiàn)數(shù)字鐘的設計和仿真。每個小組實現(xiàn)項目設計后，教師應對學生作品進行評價，項目組負責人應向全班匯報并展示本組設計的作品，列舉在項目實施過程中遇到的問題及解決方案。

6.拓展項目，鼓勵創(chuàng)新。

在學生實現(xiàn)了項目任務時，教師可以引導學生進行項目的拓展，增強學生的靈活應用能力和創(chuàng)新能力。鼓勵學生進行討論，如現(xiàn)在市場上的電子鐘定時有何特點，學生自身對定時功能有何要求等。學生可以通過提方案、互相補充、多方面對比等探討過程，實現(xiàn)電子鐘個性化定時的設計。在這一過程中，學生不僅學會思維探索，而且提高了對知識的理解記憶，為課程學習打下了堅實基礎。不要局限于一套設計方案。在系統(tǒng)設計前，將學生分組，要求每組同學采用不同的方法達到設計目的。例如用數(shù)字電路設計一個閃爍式LED時序電路，在設計時序發(fā)生器時可以采用以下幾種方法：（1）555定時器；（2）慢時鐘；（3）快時鐘，通過計數(shù)器來分頻。

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2教學模式和教學策略的改革

2．1轉(zhuǎn)變教學理念

在數(shù)字電子技術的傳統(tǒng)教學中，采用的是“教－學－練”的教學模式。而現(xiàn)如今，信息大爆炸和獨生子女教育的負面問題，使得學生的自我約束能力降低，學習主觀能動性降低，傳統(tǒng)教學模式不再合適，轉(zhuǎn)變教學模式勢在必行。ISEC項目中，教學模式為“引導－問答－探究－發(fā)現(xiàn)”。教師不再是教學活動中的主體和靈魂，而是要形成以學生為中心，教師為主導的教育理念，真正成為高等教育中的“導師”而是“教書匠”。引導不僅僅是對教學內(nèi)容的引導，還有對學生的能力訓練的引導，精神追求的引導。因此，任課教師首先要對本門課程的歷史沿革、理論體系和前沿發(fā)展具有深入的了解，在教學中能夠為學生傳授更加貼近實際，更加符合專業(yè)培養(yǎng)目標的理論知識。課堂教學模式需要從單一向?qū)W生傳授教科書上的現(xiàn)成知識，轉(zhuǎn)為以提高學生的能力為主要目標的教學活動。學生不再只是被動的接受和記憶，而是要在主動思考和提出問題的過程中，將聽到的、看到的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為自己的。通過小組合作討論的形式，探究更深層的知識，既提高學習的興趣和效率，又能在討論中學會與他人合作、分享，而最終具有將理論知識應用到實際中的能力。

2．2互動式教學

受傳統(tǒng)文化的影響，我國的教師更喜歡站在講臺上講課，而國外的很多教師，更偏向于走到學生中間。課堂實踐證明，站在學生中間更容易引起學生的共鳴、認同和學習興趣。消除了空間上的距離感，同時也會減輕學生心目中的隔閡感，更容易對自己的老師產(chǎn)生認同感，而對任課教師的認同是影響學生學習的一個很大的因素。在課堂中，還可以采用其他很多種互動的方式。例如，(1)可以將簡單的授課內(nèi)容分配給學生來講。這類內(nèi)容大多零散、連貫性差、偏重概念理論，如果由教師講，很容易使得學生在聽講中感覺枯燥乏味，而由他們自己來講解，就可以解決這一問題，同時又可以鍛煉學生的總結和語言表達能力。(2)可以將人們喜聞樂見的娛樂節(jié)目中的競賽形式引入課堂中，將枯燥的知識點融入到競賽題目中去，同時制定合理的獎勵政策，這將大大提高學生的學習興趣和學習積極性，并能促進學生利用課余時間去學習，為課堂學習做準備，提高課堂學習效率。

2．3任務教學法

在數(shù)字電子技術課程中，可以選擇數(shù)字電子鐘的設計作為一個任務，它既包含數(shù)字電子技術課程的主要內(nèi)容，既有組合電路的部分，又包含時序電路的設計，同時又是生活中常見的實物，難度也在可控的范圍內(nèi)。學生需要獨立地制定設計方案、選擇設計元件、評估設計成果。通過一個任務的完成，使學生在獲得基本知識的同時，又鍛煉了多方面的能力，一舉多得。

3過程性考核形式改革

課程的考核評價是教學過程的一個重要組成部分，當前考核方式的弊端已經(jīng)制約了良好學風的形成和教學質(zhì)量的提高，不利于學生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，不利于調(diào)動學生學習的主動性和積極性，考試失去了它所具有的評估、反饋功能。過程性考核要求閉卷考試的成績不得超過總成績的40%，增加例如小論文、研究報告、市場調(diào)研、案例分析、答辯、口述、面試等其他多種考試形式。同時，學生的出勤和課堂參與情況也是一個考核的方面。采用多元化、過程性的考核方式，既可以避免學生只在考試前一周突擊學習和抄襲的不良風氣，又能夠促進教學互動，同時還可以鍛煉學生應對多種挑戰(zhàn)的能力，對新世紀能力型人才的培養(yǎng)具有重要意義。

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筆者認為，同樣是數(shù)字電子技術應用課程,在教學內(nèi)容上要有區(qū)分，對于職高的學生而言，學校更應注重其實際操作能力的培養(yǎng)和提高。

1.2教學模式有待創(chuàng)新

我國傳統(tǒng)的教學模式是以教師為主、學生為輔，通常是教師講什么，學生就學什么，學生處于較為被動的地位。同時又由于《數(shù)字電子技術應用》這門課本身理論性較強、難度較大從而導致學生缺乏興趣，不愿意自主學習和探索，這樣就很難取得突破。

1.3教學理念急需轉(zhuǎn)變

“應試教育”這一理念在我國的學校教育中可謂根深蒂固，雖然高職、本科生的教育強調(diào)學生要自主學習，給學生更多的自由時間，盡可能地讓學生自己去探索和實踐，但仍沒有取得滿意的效果。

1.4理論與實踐相脫節(jié)

目前在我國高校教學中，對實驗教學這一部分的重視程度并不高，主要表現(xiàn)在實驗器材配置較落后、學生參與實驗的積極性不高，多是為了應付考試、教師沒有嚴謹?shù)貙嶒炦^程和結果進行跟進和評估。而受我國傳統(tǒng)教育的影響，教師偏重課堂上的理論教育，學生則多以看書學習為主，理論教學與實踐教學的課時比例分配不合理。從而導致理論與實際相偏離。

1.5考核方式比較單一

大部分高校在進行學生學習效果評估的時候還是以考試為主，將筆試成績、出勤率、實驗課表現(xiàn)三個方面按不同的比例來分配，期末總成績則由三項成績加總而成。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)字電子技術應用課程的改革與實踐之策

2.1傳統(tǒng)教學模式與現(xiàn)代化模式相結合

現(xiàn)代化的多媒體教學則可以通過制作生動的課件將理論以視頻、動畫、圖片等方式呈現(xiàn)出來，不僅可以活躍課堂氣氛，同時還能讓學生更好的理解教學中的難點、重點，將傳統(tǒng)教學模式與現(xiàn)代教學模式相結合，學生對知識點理解會相對輕松有效。

2.2項目式教學模式的引入

項目教學法是教師帶領學生在開展一個項目的基礎上，通過實際操作將理論知識傳授給學生的教學模式。該模式主要包括項目的選取、項目模塊化、自主發(fā)揮部分、項目實施及總結評估幾個部分。

2.3推行校企聯(lián)合教學的模式

學校應加強與企業(yè)的聯(lián)系，可以與相關企業(yè)簽訂實習協(xié)議，安排學生去實習，以提高學生的實踐能力，此外也可聘請企業(yè)高級技術人才進校開展主題講座，以給學生更多的機會去了解行業(yè)的最新動態(tài)，適當調(diào)整自己的學習方向，逐漸去適應企業(yè)的發(fā)展要求。

2.4調(diào)整考核方式

通過引進更多的考核因素，如學生參加科技競賽獲獎、自主做實驗次數(shù)、實習期表現(xiàn)情況等方面，增強考試的公平性、合理性。

2.5多元化學習模式

同一專業(yè)同學可以根據(jù)自身的優(yōu)勢成立學習小組，團隊成員間互相監(jiān)督和幫助，提高學習的積極性。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習環(huán)境。

2.6實驗室管理

更加人性化完善實驗室管理,延長實驗室的開放時間，并配備值班教師在必要時指導課余時間自主做實驗的同學。

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2教學方法改革

（1）改變傳統(tǒng)教師直接講新內(nèi)容的方式，可以在每節(jié)課開始，先寫出本節(jié)課要解決的所有問題，按照問題來講課，讓學生帶著問題聽課，這樣可以提高學生學習興趣。例如在講卡諾圖化簡時，可先提幾個問題：①什么是最小項？②卡諾圖的結構？③邏輯函數(shù)和卡諾圖的關系？④用卡諾圖如何化簡表達式以及卡諾圖化簡規(guī)則？在講課中可一步一步逐漸解決問題，最后讓學生學會如何用卡諾圖化簡邏輯表達式。

（2）因為在數(shù)字電子技術課程中主要以分析和設計兩部分為主，在學生學習這門課程中就可以讓學生逐步建立設計思維，可從最基礎最簡單的開始，例如最初可讓設計一個判斷輸血者與受血者的血型是否符合的邏輯電路，4－6個人分為一組，采用小組討論的形式，最后要求每組說明自己的設計思路，并比較每種設計的優(yōu)劣點。這樣可逐步設計計數(shù)器、秒表計時器等等。當然在此過程中，為防止個別學生偷懶，可在每組說明自己的設計思路時，要求每位同學只說一個部分。

（3）傳統(tǒng)的教學手法主要用黑板講授，但是數(shù)字電子技術這門課有大量的電路，像集成芯片的內(nèi)部電路圖，需花費大量時間畫圖，而且這種教學手法單一，很難提高學生學習興趣，隨著現(xiàn)代教學技術發(fā)展，多媒體技術應用越來越多，我們可以在數(shù)字電子技術的教學中采用多媒體教學，當然多媒體教學也有弊端，幻燈片放映過快，沒有黑板講述思路清晰，所以我們可以在以多媒體講課為主的情況下，采用黑板輔助的教學方式。這樣既節(jié)省大量教學時間，又可以提高學生學習興趣。

（4）實驗教學部分需要降低驗證性實驗的比例，增加設計性實驗內(nèi)容，為增加學生對實驗的重視度，可增加實驗考試部分，可在實驗開始時告訴學生將會進行實驗考試，實驗考試內(nèi)容就在所有做過的實驗中，到時抽簽決定做那個實驗，可以提高學生獨自做實驗的積極性。

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二、基于CDIO教育理念的“數(shù)字電子技術”課程教學模式重構

1．課堂授課策略的重構

目前，在多數(shù)高校中“數(shù)字電子技術”課程普遍采用的是“教師講授+多媒體教學”的傳統(tǒng)教學形式，主要以教師講解為主，以幫助學生熟練掌握基礎知識為指導思想，一般是先利用幻燈片向?qū)W生介紹本章節(jié)涉及的邏輯單元的內(nèi)部結構、工作原理和邏輯功能等，然后通過例題給學生講解組合邏輯電路或時序邏輯電路的工作原理及其實現(xiàn)過程。在整個課堂教學過程中，學生更多的是充當“聽眾”的角色，跟著教師的思路去理解、記憶相關的知識點，學生的“學”完全圍繞教師的“教”來進行，這種傳統(tǒng)的教師主動“教”的模式，只能帶來學生被動“學”的困境。不可否認，這種教學方法對學生快速掌握課程知識點具有顯著的效果，但是，也會導致學生在未來工作中面對實際的工程項目束手無策的尷尬局面。根據(jù)CDIO“做中學，學中做”的理念，教師要改變原有的教學方法，采取能培養(yǎng)學生的自主學習能力和創(chuàng)新能力的基于問題的教學方法(Prob-lembasedLearning，PBL)。PBL教學方式是先由教師在課前提出根據(jù)教學目標精心設計的具有啟發(fā)性的問題，再由學生通過查閱相關資料學習解決問題的“教與學”緊密結合的過程。在這個教學過程中，作為課堂教學主體之一的教師是學習方法的引導者、基礎知識的講授者、創(chuàng)新教學模式的整體設計者、學習過程的監(jiān)控者、學習質(zhì)量的評價者和師生互動之間的協(xié)助者;而作為教學過程中心的學生，需要自己解決學習問題，承擔自主學習的責任，成為學習過程的真正主體。“數(shù)字電路技術”課程中組合邏輯電路這部分教學內(nèi)容，教師可以立足于生活引出“數(shù)字顯示搶答器”的設計問題，由學生分組討論并各抒己見，讓學生的自得到尊重，讓學生的學習興趣得以激發(fā)，在學生完成設計后，教師在現(xiàn)場用電子電氣設計自動化(ElectronicDesignAutomation，EDA)軟件Multisim搭接電路并仿真實效，對學生的設計做出評價，EDA軟件具體可參考文獻。這樣的教學模式，不僅能讓學生在解決問題的過程中掌握相關的知識技術和學習策略，也有利于學生更好地適應未來職場上創(chuàng)新性的開發(fā)工作，而于教師本身而言，也是一個教學相長的過程，對教學水平的提高和職業(yè)技能的開拓都大有裨益。

2．教學內(nèi)容的重構

“數(shù)字電子技術”原有課程教學內(nèi)容以數(shù)字邏輯電路的基礎知識和原理為主線，教學目標主要是讓學生了解或驗證相關的知識點。在現(xiàn)有教學內(nèi)容和目標的框架下，學生雖然能夠掌握單一的知識點及其應用技巧，但不清楚如何在整個項目中合理地使用各類技術，形成“只見樹木，不見森林”的認知習慣，造成學生知識結構的單一性和淺薄性。筆者在教學過程中，經(jīng)常遇到學生反映教學內(nèi)容枯燥難懂，在未來工作中又沒有實際意義，由此形成了教學主客體的雙重尷尬局面。在CDIO特色的教學內(nèi)容體系下，通過項目設計將整個課程體系有機、系統(tǒng)地融合起來，所有的教學內(nèi)容都圍繞該項目展開;符合CDIO模式思想的“數(shù)字電子技術”教學內(nèi)容，需要教師能從較高層次把握這些內(nèi)容各自的地位和作用，幫助學生理清課程中各種內(nèi)容之間的關系，從而凸顯設計和應用，改變過去重視原理、忽視設計、忽視應用的狀況?！皵?shù)字電子技術”課程教學內(nèi)容以原理、設計和應用為主線，將課程教學內(nèi)容劃分成與之對應的三個部分:(1)數(shù)字電子技術原理部分，涉及邏輯門電路和觸發(fā)器等;(2)數(shù)字邏輯電子電路設計部分，涉及組合邏輯電路和有記憶功能的時序邏輯電路等;(3)數(shù)字電子技術應用部分，涉及硬件描述語言、EDA電子仿真實驗和硬件電路調(diào)試實驗等。筆者擬建立基于CDIO特色的“數(shù)字電子技術”教學內(nèi)容體系，如圖1所示，虛線框的內(nèi)容代表教學內(nèi)容，實線框的內(nèi)容代表教學內(nèi)容相應教學的作用。

3．教學評價模式的重構

在傳統(tǒng)教學評價模式中，理論考試和實踐考試分離，課程考核基本采用單一筆試的考評方式，像大部分課程仍采用“期末成績(70%)+平時成績(30%，包括出勤和作業(yè)兩個部分)”的評價模式，該模式簡單公正，但注重的是理論知識的考核。這種考核方式僅僅反映出學生對理論知識的掌握程度，很難體現(xiàn)學生的實踐能力和工作態(tài)度;此外，這種只關注結果的考核評價具有較濃的功利色彩，學生也僅僅為考試而學習，沒有主動參與學習過程的熱情，根本體會不到學習的樂趣，更談不到創(chuàng)新能力的提高。CDIO創(chuàng)新教學模式的愿景是要為工科學生提供一種強調(diào)工程基礎、建立在實際工程上產(chǎn)品的C—D—I—O過程的環(huán)境基礎上的工程教育;而基于CDIO的教育理念構建的課程考核評價方式，應將培養(yǎng)符合產(chǎn)業(yè)界的工程師需要具備的各種能力和素質(zhì)變?yōu)閷W生考核的主要目標。因此，我們擬建立以教師、實驗師和學生三方為主體，結合學習過程、項目結果和考試三方面的綜合評價模式，在這種評價模式下課程的成績評定，采用“結果性”考核與關注學生在學習過程中體現(xiàn)出的態(tài)度、素養(yǎng)、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力等“過程性”考核相結合的模式來決定。減少“結果性”期末理論考核在總評中所占比例，設定比例為35%，重點考查學生的知識和技術。加強“過程性”考核的力度，提高平時考核所占比例，學習過程和項目結果占的比例為65%，重點考查學生的能力和態(tài)度。學習過程考核主要由課堂表現(xiàn)16分和協(xié)作成績14分組成，教師評課堂表現(xiàn)，學生互評協(xié)作成績;項目結果考核中項目質(zhì)量和創(chuàng)新占20分，項目答辯占10分，這兩部分成績是教師和實驗師針對項目團隊打出的，互評成績5分是根據(jù)項目組內(nèi)根據(jù)對項目的貢獻程度由學生互評得出，既能使成績總體上取決于團隊成績，使學生重視團隊協(xié)作，又能衡量在一個項目組內(nèi)各學生對項目貢獻的大小。然而，項目設計的結果往往不是唯一答案，因此，要重點關注有特點、亮點的設計方案，并給予大力鼓勵與表揚?？傊?，“結果性”和“過程性”課程的考核評價不僅注重知識和技術的評價，而且要注重能力和態(tài)度的評價。

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在工作點穩(wěn)定電路中的應用要進行靜態(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過程及結論。

二、納米電子技術急需解決的若干關鍵問題

由于納米器件的特征尺寸處于納米量級，因此，其機理和現(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、非彈性散射效應機理等。盡管如此，納米電子學中急需解決的關鍵問題主要還在于納米電子器件與納米電子電路相關的納米電子技術方面，其主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）納米Si基量子異質(zhì)結加工

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?shù)姆椒ㄊ遣捎猛庋?、光刻等技術制造新一代的類似層狀蛋糕的納米半導體結構。其中，不同層通常是由不同勢能的半導體材料制成的，構建成納米尺度的量子勢阱，這種結構稱作“半導體異質(zhì)結”。

（2）分子晶體管和導線組裝納米器件即使知道如何制造分子晶體管和分子導線，但把這些元件組裝成一個可以運轉(zhuǎn)的邏輯結構仍是一個非常棘手的難題。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等研究機構在這個方向上取得了可喜的進展，但該技術何時能夠走出實驗室進入實用，仍無法斷言。

（3）超高密度量子效應存儲器

超高密度存儲量子效應的電子“芯片”是未來納米計算機的主要部件，它可以為具備快速存取能力但沒有可動機械部件的計算機信息系統(tǒng)提供海量存儲手段。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的量子效應存儲器陣列或芯片同樣給納米電子學研究者提出了新的挑戰(zhàn)。

（4）納米計算機的“互連問題”

一臺由數(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算機注定需要巧妙的結構及合理整體布局，而整體結構問題中首當其沖需要解決的就是所謂的“互連問題”。換句話說，就是計算結構中信息的輸入、輸出問題。納米計算機要把海量信息存儲在一個很小的空間內(nèi)，并極快地使用和產(chǎn)生信息，需要有特殊的結構來控制和協(xié)調(diào)計算機的諸多元件，而納米計算元件之間、計算元件與外部環(huán)境之間需要有大量的連接。就現(xiàn)有傳統(tǒng)計算機設計的微型化而言，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，納米計算機導線間的量子隧穿效應和導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、設計、性能分析模擬環(huán)境

當前，分子力學、量子力學、多尺度計算、計算機并行技術、計算機圖形學已取得快速發(fā)展，利用這些技術建立一個能夠完成納米電子器件制備、操縱、設計與性能分析的模擬虛擬環(huán)境，并使納米技術研究人員獲得虛擬的體驗已成為可能。但由于現(xiàn)有計算機的速度、分子力學與量子力學算法的效率等問題，目前建立這種迅速、敏感、精細的量子模擬虛擬環(huán)境還存在巨大困難。

三、交互式電子技術手冊

交互式電子技術手冊經(jīng)歷了5個發(fā)展階段，根據(jù)美國國防部的定義：加注索引的掃描頁圖、滾動文檔式電子技術手冊、線性結構電子技術手冊、基于數(shù)據(jù)庫的電子技術手冊和集成電子技術手冊。目前真正意義上的集成了人工智能、故障診斷的第5類集成電子技術手冊并不存在，大多數(shù)電子技術手冊基本上位于第4類及其以下的水平。需要聲明的是，各類電子技術手冊雖然代表不同的發(fā)展階段，但是各有優(yōu)點，較低級別的電子技術手冊目前仍然有著各自的應用價值。由于類以上的電子技術手冊在信息的組織、管理、傳遞、獲取方面具有明顯的優(yōu)點。

簡單的說，電子技術手冊就是技術手冊的數(shù)字化。為了獲取信息的方便，數(shù)字化后的數(shù)據(jù)需要一個良好的組織管理和提供給用戶的形式，電子技術手冊的發(fā)展就是圍繞這一過程來進行的。

四、電子技術在時間與頻率標準中的應用

時間和頻率是描述同一周期現(xiàn)象的兩個參數(shù)，可由時間標準導出頻率標準，兩者可共用的一個基準。

1952年國際天文協(xié)會定義的時間標準是基于地球自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期而建立的，分別稱為世界時（UT）和歷書時（ET）。這種基于天文方面的宏觀計時標準，設備龐大，操作麻煩，精度僅達10-9。隨著電子技術與微波光譜學的發(fā)展，產(chǎn)生了量子電子學、激光等新技術，由此出現(xiàn)了一種新穎的頻率標準——量子頻率標準。這種頻率標準是利用原子能級躍遷時所輻射的電磁波頻率作為頻率標準。目前世界各國相繼作成各種量子頻率標準，如（133Cs）頻標、銣原子頻標、氫原子作成的氫脈澤頻標、甲烷飽和以及吸收氦氖激光頻標等等。這樣做后，將過去基于宏觀的天體運動的計時標準，改變成微觀的原子本身結構運動的時間基準。這一方面使設備大為簡化，體積、重量大減小；另一方面使頻率標準的穩(wěn)定度大為提高（可達10-12—10-14量級，即30萬年——300萬年差1秒）。1967年第13屆國際計量大會正式通過決議，規(guī)定：“一秒等于133Cs原子基態(tài)兩超精細能級躍遷的9192631770個周期所持續(xù)的時間”。該時間基準，發(fā)展了高精度的測頻技術，大大有助于宇宙航行和空間探索，加速了現(xiàn)代微波技術和雷達、激光技術等的發(fā)展。而激光技術和電子技術的發(fā)展又為長度計量提供了新的測試手段。

總之，在探討了近似計算在靜態(tài)分析中的應用問題、納米電子技術急需解決的若干關鍵問題和交互式電子技術應用手冊后，廣大科技工作者對電子技術在時間與頻率標準中的應用知識的初步了解和認識。在當代高科技產(chǎn)業(yè)日漸繁榮，尖端信息普遍進入我們生活之中的同時，國家經(jīng)濟建設和和諧社會的構建離不開我們科技工作者對新理論的學習和新技術的應用，因此說，本文具有深刻的理論意義和廣泛的實際應用價值是不足為虛的。

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篇8

1.1整流器時代

大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)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(nèi)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(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)與應用得以很大發(fā)展。當時國內(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體廠家就是那時的產(chǎn)物。

1.2逆變器時代

七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關鍵技術是將直流電逆變?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(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術已經(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變頻器時代

進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)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(xiàn)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(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)化的標志。據(jù)統(tǒng)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(fā)展不僅為交流電機變頻調(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)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的設備,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(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)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(wǎng)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(tǒng)的相控式穩(wěn)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(nèi),實現(xiàn)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(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,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(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(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(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)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(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)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(chǎn)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(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(zhuǎn)換開關來實現(xiàn)。

現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術和功率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的引入,可以實現(xiàn)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(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的變頻調(diào)速,其在電氣傳動系統(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)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(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)速技術應用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進生產(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。預計到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)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)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(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(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(diào)制(PWM)的相關控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(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。

國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(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(zhì)改良、醫(yī)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?yōu)?kHz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(fā)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(tǒng)的體積進一步減小。

國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關串聯(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(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側功率因數(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,網(wǎng)側三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側功率因數(shù)僅有0.5~0.6。

電力有源濾波器是一種能夠動態(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。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(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)基準信號為電壓環(huán)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(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(chǎn)效率。

八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)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(fā)展，各種變換器拓撲結構相繼出現(xiàn),結合大規(guī)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(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界的研究熱點,論文數(shù)量逐年增加，應用領域不斷擴大。

分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、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、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領域也有廣闊的應用前景。

3.高頻開關電源的發(fā)展趨勢

在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(qū)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(jīng)驗表明,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(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)這一原理進行改造,成為“開關變換類電源”,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)高頻設備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益,更可體現(xiàn)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(lián)的續(xù)流二極管,實質(zhì)上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅(qū)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(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(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(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(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)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(lián)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(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,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復提供充分的時間。

3.3數(shù)字化

在傳統(tǒng)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(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)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(diào)試和遙感遙測遙調(diào),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(tǒng)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(shù)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(shù)字化技術就離不開了。

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(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(jié)電設備,往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流,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(shù)的方法。這些為2l世紀批量生產(chǎn)各種綠色開關電源產(chǎn)品奠定了基礎。

現(xiàn)代電力電子技術是開關電源技術發(fā)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(xiàn),現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)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(fā)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(tài),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(yōu)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(fā)展,新技術的出現(xiàn)又會使許多應用產(chǎn)品更新?lián)Q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(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn),將標志著這些技術的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,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行開發(fā)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(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動,并將很快發(fā)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(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。

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

(2)季幼章:迎接知識經(jīng)濟時代,發(fā)展電源技術應用,電源技術應用,N0.2,l998

(3)葉治正,葉靖國:開關穩(wěn)壓電源。高等教育出版社,1998

篇9

1.1整流器時代

大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)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(nèi)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(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)與應用得以很大發(fā)展。當時國內(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體廠家就是那時的產(chǎn)物。

1.2逆變器時代

七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關鍵技術是將直流電逆變?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(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術已經(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變頻器時代

進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)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(xiàn)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(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)化的標志。據(jù)統(tǒng)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(fā)展不僅為交流電機變頻調(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)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的設備,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(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)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(wǎng)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(tǒng)的相控式穩(wěn)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(nèi),實現(xiàn)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(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,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(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(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(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)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(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)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(chǎn)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(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(zhuǎn)換開關來實現(xiàn)。

現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術和功率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的引入,可以實現(xiàn)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(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的變頻調(diào)速,其在電氣傳動系統(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)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(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)速技術應用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進生產(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。預計到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)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)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(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(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(diào)制(PWM)的相關控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(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。

國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(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(zhì)改良、醫(yī)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?yōu)?kHz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(fā)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(tǒng)的體積進一步減小。

國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關串聯(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(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側功率因數(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,網(wǎng)側三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側功率因數(shù)僅有0.5~0.6。

電力有源濾波器是一種能夠動態(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。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(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)基準信號為電壓環(huán)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(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(chǎn)效率。

八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)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(fā)展，各種變換器拓撲結構相繼出現(xiàn),結合大規(guī)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(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界的研究熱點,論文數(shù)量逐年增加，應用領域不斷擴大。

分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、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、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領域也有廣闊的應用前景。

3.高頻開關電源的發(fā)展趨勢

在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(qū)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(jīng)驗表明,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(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)這一原理進行改造,成為“開關變換類電源”,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)高頻設備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益,更可體現(xiàn)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(lián)的續(xù)流二極管,實質(zhì)上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅(qū)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(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(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(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(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)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(lián)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(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,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復提供充分的時間。

3.3數(shù)字化

在傳統(tǒng)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(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)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(diào)試和遙感遙測遙調(diào),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(tǒng)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(shù)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(shù)字化技術就離不開了。

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(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(jié)電設備,往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流,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(shù)的方法。這些為2l世紀批量生產(chǎn)各種綠色開關電源產(chǎn)品奠定了基礎。

現(xiàn)代電力電子技術是開關電源技術發(fā)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(xiàn),現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)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(fā)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(tài),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(yōu)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(fā)展,新技術的出現(xiàn)又會使許多應用產(chǎn)品更新?lián)Q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(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn),將標志著這些技術的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,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行開發(fā)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(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動,并將很快發(fā)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(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。

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

篇10

1.電力電子技術的發(fā)展

現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉(zhuǎn)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(fā)展先后經(jīng)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(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體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。

1.1整流器時代

大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)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(nèi)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(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)與應用得以很大發(fā)展。當時國內(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體廠家就是那時的產(chǎn)物。

1.2逆變器時代

七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關鍵技術是將直流電逆變?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(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術已經(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變頻器時代

進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)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(xiàn)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(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)化的標志。據(jù)統(tǒng)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(fā)展不僅為交流電機變頻調(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)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的設備,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(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)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(wǎng)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(tǒng)的相控式穩(wěn)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(nèi),實現(xiàn)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(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,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(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(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(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)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(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)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(chǎn)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(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(zhuǎn)換開關來實現(xiàn)。

現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術和功率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的引入,可以實現(xiàn)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(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的變頻調(diào)速,其在電氣傳動系統(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)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(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)速技術應用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進生產(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。預計到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)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)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(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(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(diào)制(PWM)的相關控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(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。

國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(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(zhì)改良、醫(yī)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?yōu)?kHz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(fā)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(tǒng)的體積進一步減小。

國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關串聯(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(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側功率因數(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,網(wǎng)側三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側功率因數(shù)僅有0.5~0.6。

電力有源濾波器是一種能夠動態(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。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(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)基準信號為電壓環(huán)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(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(chǎn)效率。

八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)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(fā)展，各種變換器拓撲結構相繼出現(xiàn),結合大規(guī)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(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界的研究熱點,論文數(shù)量逐年增加，應用領域不斷擴大。

分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、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、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領域也有廣闊的應用前景。

3.高頻開關電源的發(fā)展趨勢

在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(qū)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(jīng)驗表明,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(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)這一原理進行改造,成為“開關變換類電源”,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)高頻設備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益,更可體現(xiàn)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(lián)的續(xù)流二極管,實質(zhì)上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅(qū)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(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(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(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(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)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(lián)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(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,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復提供充分的時間。

3.3數(shù)字化

在傳統(tǒng)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(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)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(diào)試和遙感遙測遙調(diào),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(tǒng)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(shù)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(shù)字化技術就離不開了。

3.4綠色化