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1.电力电子技术的发展
现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
1.1整流器时代
大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
1.2逆变器时代
七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。
1.3变频器时代
进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
2.现代电力电子的应用领域
2.1计算机高效率绿色电源
高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。
计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高频开关电源
通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。
因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。
2.3直流-直流(DC/DC)变换器
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。
2.4不间断电源(UPS)
不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。
现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。
目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。
2.5变频器电源
变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。
2.6高频逆变式整流焊机电源
高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。
逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。
由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。
国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。
2.7大功率开关型高压直流电源
大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。
自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。
国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。
2.8电力有源滤波器
传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。
电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。
2.9分布式开关电源供电系统
分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。
八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。
分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。
3.高频开关电源的发展趋势
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。
3.1高频化
理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。
3.2模块化
模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。
3.3数字化
在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。
3.4绿色化
作者：张亚婷 丑修建 郭涛 熊继军 单位：中北大学
近年来，为了探索新型的使用寿命长、能量密度高的微能源，国内外学者开始收集人体、声音、道路、高层建筑等周围环境中的振动，以实现微纳机电系统的自我供能，这将有望解决能源微型化过程中电池体积大、一次性使用寿命短、能量密度小等问题。静电式微能源目前，T．Sterken等人［5］提出的静电式发电机采用静电梳齿结构和MEMS工艺，在150V的激励下、振动频率为1020Hz的环境中，获得1μW功率输出；在3750Hz下得到16μW功率。美国Berkeley大学S．Roundy等人［6］研制出的静电式发电机采集120Hz的低频振动（图略），采用变间距式改变电容，仿真和实验结果证实变间距式的结构更有优势，当在120Hz，2．25m／s2的加速度振动下，输出功率密度达116μW／cm2。（图略）为变面积式结构。Y．Chiu等人［7］提出了一种静电式微能源，利用钨球调节装置的固有频率，整合机械开关被安放在换能器内，实现同步能量转换。东京大学T．Tsutsumino等人［8］提出了一种静电式发电机，其利用高性能的有机膜全氟树脂（CYTOP）作为驻极体材料来提供电荷，加载20Hz振动，振动幅度的峰峰值为1mm，最大输出功率达6．4μW。电磁式微能源目前在电磁能量转换研究方面工作较突出的是英国Southampton大学，从2004年开始采用硅微加工技术制作了微型电磁式振动能量采集器，在1．615kHz的振动频率下，输入加速度为0．4g时，其产生的最大输出功率为104nW［9］；此外还提出了一种发电机在9．5kHz，1．92m／s2加速度振动驱动下，获得21nW的电能［10］。D．Spreemann等人［11］设计了一个双自由度电磁式能量采集器，中心转子带动磁铁运动，使磁通量产生变化，产生感应电动势，克服了单自由度能量采集器固有频率的限制，适用于实际环境中的振动。在低频环境中30～80Hz，可得到3mW的功率。H．Kulah等人［12］提出了一种铁圈同振型发电机，通过一个电磁式频率放大器将低频振动转换成高频振动，而输出功率与振动频率的三次方成正比，从而提高了能量转换效率。P．H．Wang等人［13］提出了一种铜平面弹簧式结构，为了获得更低的固有频率，测试结果显示在121．25Hz频率和1．5g的加速度下，开路电压为60mV。以上研究初步达到了电磁发电单独供能的目的，但在提高电源的能量密度和转换效率，以及输出能量收集与控制方面仍需要进行大量的研究工作。
压电式微能源为了在低频低强度的普通环境中提高转换效率，大多数研究对微能源的结构进行了改进。S．Roundy等人［14］制作的矩形单悬臂梁结构的压电发电机在120Hz、加速度为2．5m／s2下，产生25μW／cm2的能量。D．Shen等人［15］研制的低频（183．8Hz）能量采集器，采用单矩形悬臂梁－质量块结构，体积仅为0．769cm3，输出平均能量为0．32μW，能量密度为41．625μW／cm2。E．K．Reilly等人［16］研究了矩形、梯形、螺旋形等不同结构的压电悬臂梁。研究表明，螺旋形结构承受的应力最大，可产生较大的形变，输出较高的电能，梯形结构次之。但是由于矩形结构加工简单，故被广泛应用。2010年，G．Zhu等人［17］收集说话声音，采用竖直结构的ZnO纳米线阵列代替常用的PZT压电材料制成了纳米发生器，通过实验证实了在－100dB强度的声波振动下，输出峰值为50mV的交流电压。近年来国内吉林大学、上海交通大学、大连理工大学等［18－20］也开展了关于压电振子发电的微能源研究工作，并在压电微能源应用研制方面取得了一定的研究成果。通常环境下振动分布在一个较宽的频率范围内，如果微能源带宽过窄，则不能满足实际需求。目前的频带扩展方法主要有阵列式［21－22］、多梁－多质量块系统［23］以及频率可调式［24－25］。阵列式是通过具有不同固有频率的单悬臂梁－单质量块结构来实现频带扩展，即使振动频率改变，某些频率的悬臂梁也会处于工作状态；多梁－多质量块系统是通过使结构某两阶频率接近来实现频带扩展；频率可调式分为主动调频和被动调频。主动调频需要调频器，而调频器耗能大于产生的能量，故不可行；被动调频需要激励和传感器，这提高了复杂性和成本。2006年，M．Ferrari等人［26］提出了一种多频能量转换器，覆盖100～300Hz波段；2007年A．IbrahimSari等人［27］采用不同长度悬臂梁阵列式结构扩大了微型发电机的带宽，在4．2～5kHz的振动频率下，产生4μW的能量，覆盖800Hz的波段。上海交通大学的马华安等人［28］采用永磁铁代替传统的质量块，并且在质量块的上方和下方也放置了不同极性的永磁铁，通过吸引力和排斥力来调整压电悬臂梁的固有频率，固有频率范围拓宽为80～100Hz。电能采集、存储电路微小能量的采集、存储也是微能源系统的关键技术，否则振动产生的微电压并无实用价值。能量采集存储电路主要包括整流电路、升压电路和存储电路。对于此部分的研究已经较为成熟，但大部分都是基于经典的分立器件所搭建而成，具有静态电流高、采集存储效率低的特点。LINEAR公司［29］新推出了一款专门面向能量收集的集成芯片LTC3588，它内部集成了AC／DC、电荷泵以及电源管理模块，可以直接采集微小交流电压信号，持续输出100mA的电流信号，且其静态电流只需950nA。TI公司［30］在2011年底推出的BQ25504芯片，也同样集成了采集存储电路的几个模块，其静态电流仅为330nA，可以将能量存储在锂电池、薄膜电池以及超级电容中，同时其良好的电源管理实现了充放电保护的功能，极大地提高了系统的集成度。它们都具有操作简单、能量采集存储效率高、性能稳定、价格低廉的特点，可以广泛地应用于由振动驱动的微能源系统。电能存储的介质选择也是研究的一项重要内容。沈辉［31］对超级电容、镍氢电池和锂电池的储存电荷能力进行了比较，发现电容器的充放电速度较快，可以迅速地回收产生的电能，同时其充电效率最高可达95％，并且充电次数理论上也可达无穷次；与之相反，电池的充电速度慢，不能立即使用回收的电能，同时其充电效率仅为92％（锂电池）、69％（镍氢电池），使用寿命为500～1000次，但其具有放电时间长、输出电压比较稳定的特点。经过一个月的自放电测试，超级电容自放电效率最高，剩余电量仅为65％，镍氢电池为70％，锂离子电池为95％。但是对于需要经常充放电的场合，自放电可以忽略，超级电容凭借其可以无限次重复使用的特点，受到了科研人员的青睐。三种不同类型的微能源相比较，压电式微能源有结构简单、易于集成和微型化的独特优点，已经应用到生活中。日本的研究员在东京火车站的地面上铺上了四块包含压电发电装置的地板，其可以显示产生的能量，可为自动检票门提供能量［4］。以色列Innowattech公司［32］建立了第一条发电公路，用预制块和环氧树脂作保护，防止压电晶体破损。英飞凌公司［33］推出了MEMS传感器、MCU、RF、MEMS自供电电源四合一的新型TMPS。
电磁式微能源的设计仅在理论指导下进行，对器件进行仿真分析较少［34］，所以，难以得到最优的结构模型；压电微能源的大部分研究都通过改变几何结构来降低共振频率、优化电路以提高能量转换效率，而对于研究新型的压电材料来提高系统性能的研究相对较少；由于MEMS的微加工、微装配与封装技术处于发展阶段，使得振动式微能源不能按照设计要求达到精确制作与装配，从而难以得到理想结果。振动驱动微能源技术存在以下应用方面的问题：实际生活环境中振动频率范围比较宽，从十几赫兹到几百赫兹，至今没有提出有效调节频率的方法。因此，有人提出使用非线性振动模型来研究微能源［35］，但目前，这方面的研究还很少。储存电能的介质需要做进一步研究，特别是超级电容，其放电速度快、输出电压不是很稳定的特性需要改进。理论上微能源具有寿命较长的优点，但是实际应用环境中振动加速度和频率对微能源寿命有很大的影响。振动驱动微能源已成为各国科学家研究的热点。目前，电磁式、压电式微能源的研究相对较多，但是为了提高其性能指标，从而更快应用到实际中，振动式微能源的结构还在不断得到改进、优化，并且提出新的结构模型。而静电式微能源由于需要外部电源，限制了其应用，因而研究相对较少。振动驱动微能源技术向低频、多频、宽频、非线性振动模型、复合微能源发展［36－37］。同时，将几种不同转换形式的微能源集成在同一芯片上，可以综合不同原理微能源的优点，提高能量密度，这些都是微型化和实用化的关键。振动驱动微能源有望为野外和置入结构的微系统提供高可靠、长时间的电能，为无线传感网络节点和便携式微电子产品提供充足的电源，所以研究振动式微能源有重要的实用意义。
引言
电子系统可视为是种类不同的元件集合，有些元件有着固定的性能指标和耗能，这些元件被称为非电源管理元件；上反，有些元件可以在不同时间工作，并且有多种耗能状态，相应地消耗着不同的系统电能，这些元件称为可电源管理元件。可电源管理元件的有效使用成为节省系统耗能，使整个系统在有限电能下长时间工作的关键所在。
系统元件从一种耗能状态到另一种耗能状态往往需要一段时间，并且在这段时间内会消耗更多的额外能量。状态的改变会影响系统的性能，所以设计者需要在系统节能和系统性能之间找到恰当的折衷切入点。本文介绍了动态电源管理中的一些方法。这些方法将决定元件是否改变耗能状态和何时改变。
1动态电源管理技术
“动态电源管理”是动态地分配系统资源，以最少的元件或元件最小工作量的低耗能状态，来完成系统任务的一种降低功耗的设计方法。对于电源管理实施时间的判断，要用到多种预测方法，根据历史的工作量预测即将到来的工作量，决定是否转换工作状态和何时转换。这就是动态电源管理技术的核心所在——动态电源管理方法。
动态电源管理技术适用的基本前提是，系统元件在工作时间内有着不相同的工作量。大多数的系统都具有此种情况。另一个前提是，可以在一定程度上确信能够预知系统、元件的工作量的波动性。这样才有转换耗能状态的可能，并且在对工作量的观察和预知的时间内，系统不可以消耗过多的能量。
2电源管理
各个系统设备当接到请求时，设备忙；而没有请求时，就进入了空闲状态。设置进入空闲时，可以关闭设备，进入低耗能的休眠状态；当再次接到请求后，设备被唤起。这就是所谓的“电源管理”。然而，耗能状态的改变是需要时间的，也就是关闭时延和唤起时延。唤起休眠状态中的设备需要额外的能量开销，如图1所示。如果没有这项开销，也就用不着电源管理技术了，完全可以只要设备空闲就关闭设备、这种时延和能量开销确定存在，所以必须考虑，只有当设备在休眠状态所节省的能量至少可以抵得上状态转换耗能的情况时，才可以进入休眠状态。
电源管理技术是一个预知性问题。应寻求预知空闲时间是否足够长，以及于能否抵得上状态转换的耗能开销。空闲时间过短时，采用电源管理的方案就得不偿失了。所以事先估计出空闲时间的长短是电源管理技术中的首要问题。定义“恰当的停止时间段”（tBE）：能达到系统节能的最短空闲时间段。此时间与设备元件本身有关，与系统发出的请求无关。假设状态转换延时t0（包括关闭和唤起延时）耗能为E0；工作状态功率Pw，休眠状态功率Ps，可由以下式求出tBE。
Pw×tBE=E0+Ps×(tBE-T0)
等式左边为“适合暂停时间段”内的耗能，也就是系统在这段用于节能的最短空闲时间内继续工作所需能量；右边是状态转换耗能和休眠时间内的系统耗能。tBE换和这段休眠时间内的系统耗能。电源管理技术就是要预知将要发生的休眠时间是否能够大于tBE，只有大于它，设备才有休眠的必要。
3基于先验预知的动态电源管理技术
对于大多数真实系统，即将输入的信号是难以确定的。动态电源管理的决策是基于对未来的不确定预知的基础之上的。所有的基于预知的动态电源管理技术的基本原理是探过去工作量的历史和即将发生的工作量之间的相互关系，来对未来事件进行可靠的预知。对于动态电源管理，我们关心怎样预知足够长的空闲时间进入休眠状态，表达如下：
p={tIDLE>tBE}
我们称预知空闲时间比实际的空闲时间长（短）为“预知过度”（“预知不足”）。预知过度增加了对性能的影响；预知不足虽对性能无影响却造成了能量的浪费。要是能既无预知过度又无预知不足，那就是一个理想的预知。预知的质量取决于对观察样本的选择和对工作量的统计。
3.1静态预知方法
固定超时法：最普遍的电源管理预知法，用过去的空闲时间作为观察校本对象来预知当前空闲时段的总持续时间。此方法总结如下：空闲时钟开始，计时器开始计时，超过固定超时时间tTO系统仍处于空闲，则电源管理使得系统休眠，直到接收到外界请求，标志着空闲状态的结束。能够合理地选择tTO显然是这种方法的关键。通常在要求不高的情况下取tTO=tBE。
固定超时法优点有二：①普遍适用（应用范围仅限决于工作量）；②增加固定超时值可以减少“过度预知”（即预知时间比实际空闲时间长）的可能性。但是其缺点也明显：固定超时过大则将引起预知不足，结果不能有效的节省能量，相当多的能量浪费在等待超时上。
预知关闭法：此方法可以解决固定超时法中等待固定超时而耗费过多能量的问题，即预知到系统的空闲可能性就立即关闭系统，无需等到空闲时间超过超时值。预知方法是对历史工作量的统计上做的有肯定性估计。
Srivastave提出了两种先验关闭的方案。
①非线性衰减方程（φ）。此方程可由过去的历史中得到。
t的上标表示过去空闲和工作时期的序号，n表示当前的空闲时期（其长度有待于预知估计）和最近的工作时段。此方程表明了要估计将发生的空闲时期，要考虑到过去的空闲和工作时期。
如果tpred>tBE，那么系统一空闲就立即关闭。观察样本是
此方法的局限：
*无法自主决定衰减方程的类型；
*要根据收集和分析的分散数据建立衰减模型，并且这些数据适合此衰减模型。
这些数据适合此衰减模型。
②极限方案。此方案基于一个极限。观察样本为紧挨着当前空闲时期之前的工作时期，如果便认为空闲时期比前一个工作时期长，则系统关闭。
注意：统计研究表明，短时间的工作时期后是长时间的空闲期；长时间的工作期后是短时间的空闲期。这样的系统可以用极限法，如图2所示。而短时期的工作期后是短时期的空闲期这种情况下就不能用些极限法。总之，对tthr的选择尤为重要。
预知唤起法：可以解决固定超时方法中唤起时的性能损耗。当预知空闲时间超时后则系统唤起，即使此时没有接收收到任何系统请求。使用此方法应注意的是，如果tidle被“预知不足”，则这种方法增加了能量的消耗，但同时也减少了等待接收第一个系统请求的时间，还是在一定程度上节省了能量，提高了系统性能。
3.2动态预知方法
由于动态电源管理方法的最优化取决于对工作量的统计，当工作量既未知又非静态时，静态预知方法就不是十分有效。因此，就有了动态预知方法。对非静态工作量有几种动态的预知方法。
①设定一套超时值，每个值与一个参数相关。此参数表明超时值选择的准确性。此方法是在每一个空闲时间内，选择这些超时值中最有效的一个值。
②此方法同样有一些供选择的超时值，分配给每个值一个“权”。此“权”是对过去相同要求下，采取此超时值带来的满意度为衡量对象抽象出的参数。实际采用的超时值是取所有被选超时值的权的平均。
③只采用一个超时值，当选择此超时值后会引起许多不尽如人意的“系统关闭”后，再适当增加此值。当更多的“系统关闭”可以被接受了，则适当降低此值。
4总结
1.1整流器时代
大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
1.2逆变器时代
七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。
1.3变频器时代
进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
2.现代电力电子的应用领域
2.1计算机高效率绿色电源
高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。
计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高频开关电源
通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。
因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。
2.3直流-直流(DC/DC)变换器
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。
2.4不间断电源(UPS)
不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。
现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。
目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。
2.5变频器电源
变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。
2.6高频逆变式整流焊机电源
高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。
逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。
由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。
国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。
2.7大功率开关型高压直流电源
大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。
自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。
国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。
2.8电力有源滤波器
传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。
电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。
2.9分布式开关电源供电系统
分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。
八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。
分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。
3.高频开关电源的发展趋势
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。
3.1高频化
理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。
3.2模块化
模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。
3.3数字化
在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。
3.4绿色化
电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。
现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。
总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。
参考文献
(l)林渭勋:浅谈半导体高频电力电子技术,电力电子技术选编,浙江大学,384-390,1992
通信电源是通信行业的动力，在电信网络中发挥着不可替代的作用，具有无可比拟的重要基础地位。通信电源又是通信设备系统的心脏，即使是瞬间的中断也是不允许的，因为通信电源系统发生直流供电中断故障是灾难性的，往往会造成整个通信局（站）和通信网络的全部中断和瘫痪。通信电源是电信网络中不可缺少的重要组成部分，是一个完整、规模日趋庞大和复杂的交换、传输、数据、信息、业务、智能等通信网的基石和后台保障，因此通信电源直接关系到整个网络的稳定、可靠和畅通，而开关电源因效率高、体积小、重量轻等优点被大量运用在通信设备供电中。
一、开关电源占据通信电源的主导地位
通信直流稳压电源按照其实现直流稳压方法的不同，可分为：线性电源、相控电源和开关电源三种。
1.1线性电源是通过串联调整管来连续控制，其功率调整管总是工作在放大区。由于调整管上功率损耗很大，造成电源效率较低，只有20～40%，发热损耗严重，安装有体积很大的散热器，因而功率体积系数只有20～30W/dm3。因此线性电源主要用于小功率、对稳压精度要求很高的场合，如通信设备内部电路的辅助电源等。
1.2相控电源是将市电直接经整流滤波后提供直流，通过改变晶闸管的导通相位来控制直流电压。由于相控电源的工作频率低，工频变压器的体积和噪声大，造成对电网干扰和负载变化的响应慢，设备笨重，且危害维护人员的身体健康。另外，其功率因数较低，只有0.6～0.7，严重污染电力电网，效率较低，只有60～80%，造成能源的极大浪费。因此传统的相控电源已逐渐被淘汰。
1.3开关电源的功率调整管工作在开关状态，主要的优点在"高频"上。其工作频率高，大都在40kHz以上，无烦人的噪声。体积小，重量轻，适用于分散供电，可与通信设备放在同一机房。效率高，大于90%，在当前能源比较紧张的情况下，能够在节能上做出很大的贡献。功率因数高，大于0.92，当采用有效的功率因数校正电路时，功率因数可接近于1，且对公共电网基本上无污染。模块化的设计，可实行N+1配置，可靠性高。维护方便，可在运行中更换模块，而不影响系统供电，扩容方便、分段投资，可在初建时，预留终期模块的机架，随时扩容。调试方便，内设模拟测试电路，无需另配假负载。具有监控功能，并配有标准通信接口，可实现集中监控，无人值守。
二、开关电源的关键技术
开关电源中具有技术突破主要有体现在以下四个方面：
2.1均流技术
大功率电源系统需要用若干台开关电源并联，以满足负载功率的要求，另外通信电源必须通过并联技术来实现模块备份，以提高电源系统的可靠性。因此并联技术在供电系统中必不可少，而并联运行的整流模块间需要采用均流措施，它是实现大功率电源系统的关键，用以保证模块间电流应力和热应力的均匀分配，防止一台或多台模块运行在限流或满载状态，同时延长电源系统的寿命和平均无故障时间。
2.2软开关技术
DC-DC变换器是开关电源的主要组成部分，因此功率变换技术一直受到全世界电力电子学科和行业研究的关注。而如何降低开关损耗，提高开关电源的频率和开关电源的系统效率，代表了开关电源的发展趋势。在经过了硬开关PWM（或PFM）技术和硬开关加吸收网络技术后，软开关技术得到了广泛应用。这样能够极大地降低开关损耗，减小功率器件电和热应力，改善器件工作环境，降低电磁干扰，提高功率密度等，为开关电源实现高效、节能、体积小、重量轻和高可靠性的要求做出了贡献。软开关技术有：谐振技术、准谐振技术、PWM和准谐振相结合的技术。
2.3功率因数校正技术
功率因数校正技术有：采用三相三线制整流，即无中线整流方式，可使谐波含量大大降低，功率因数可达0.86以上；采用无源功率因数校正技术，即在三相三线整流方式下加入一定的电感，可使功率因数达0.93以上，谐波含量降到10%以下；采用有源功率因数校正技术，即在输入整流部分加入一级功率处理电路，使无功功率几乎为0，功率因数可达0.99以上，谐波含量降到5%以下。
2.4智能化监控技术
开关电源大量应用控制技术、计算机技术，进行各种异常保护、信号检测、电池自动管理等，实时监视通信电源设备运行状态，记录和处理有关数据，及时发现故障，以先进的、集中的、自动化的维护管理方式来管理通信电源设备，从而提高供电系统的可靠性。智能化监控技术的应用，使得维护人员面对的不再是复杂的器件和电路，而是一个人机表达和交流的信息，大大改进了维护管理方式。
三、开关电源的发展
开关电源在发展，今后仍要不断提高开关电源和供电系统的高新技术含量，以支撑高速发展的现代化通信网络的建设和运行维护管理为主导方向，以高可靠性、高稳定性和可维护性为最终目的。具体有以下几个方面：
3.1小型化
随着通信设备日益集成化、小型化和分散化的发展，以及势在必行的分散供电的广泛应用，要求开关电源也相应小型化，而开关电源工作频率高频化和控制电路集成化，使开关电源的小型化成为可能。特别是随着小型化开关电源的市场迅速扩大，如接入网、数据产品、移动基站、无线市话等，一些小功率模块插件形式的开关电源将应运而生，大有蓬勃发展之势。如中兴通讯的ZXDU45嵌入式电源，在结构上采用标准的19英寸插框设计，高度为4U，功能齐全，使用起来极为安全方便。
3.2高智能化
随着开关电源在通信领域多方面的广泛使用，而维护人员又不是专业电源维护人员，只有借助其智能化，对电源设备的运行状态自动检测，对电源故障及时发现、诊断和处理。这就要求智能化在原有监控功能的基础上，增加诊断功能，即故障诊断专家系统，以指导维护人员处理问题，加快故障诊断和检修过程。
3.3电池管理
1引言2计算机电源发展历程
在计算机各部件中最令人注意的就是CPU的频率、内存的大小、硬盘容量，显卡的性能等等。而对于电脑中的一个重要部件电源．却往往总会受到忽略。而事实上，电脑的许多奇怪症状都是由电源引起的。假如我们把计算机比作一个人的话，CPU作为计算机的核心部件起着运算和控制的作用，它相当于我们人类的大脑；而电源作为计算机的动力提供者，完全等价于我们人类的心脏，其重要之处由此可见。所以有必要了解电源内部结构，熟悉电源的工作原理，才能更好地维护好计算机电源，才能从根本上保障公司各部门计算机设备长时间稳定工作。
2计算机电源发展历程
PC／XT_IBM最先推出个人PC／XT机时制定的标准；AT_也是由IBM早期推出PC／AT机时所提出的标准，当时能够提供192W的电力供应；ATX—Intel公司于1995年提出的工业标准。与AT比较主要变化为：
1、取消了AT电源上必备的电源开关而交由主板进行电源开关的控制，增加了一个待机电路为电源主电路和主板提供电压来实现电源唤醒等功能：
2、ATX电源首次引进了+3．3V的电压输出端，与主板的连接接口上也有了明显的改进：ATX12V——支持P4的ATX标准，是目前的主流标准：ATX12V一1．1：在ATX的基础之上增加了4pin的+12V辅助供电线(PIO)为P4处理器供电，改变了各路输出功率分配方式，增强+12V负载能力；ATX12V一1.3：提高了电源效率，增加了对SATA的支持。去掉了一5V输出，增加了+12V的输出能力；ATX12V一2.0：尚未有产品实施的最新规范；电源连接器由20针改为24针，以支持75W的PCIExpress总线．同时取消辅助电源接口；提供另一路+12V输出，直接为4Pin接口供电；WTX—ATX电源的加强版本：尺寸上比ATX电源大。供电能力也比比ATX电源强，常用于服务器和大型电脑；BTX一现有架构的终结者，电源输出要求、接口等支持ATX12V。
3计算机开关电源的工作原理
电源是一种能量转换的设备，它能将220V的交流电转变为计算机需要的低电压强电流的直流电。首先将高电压交流电(220V)通过全桥二极管整流以后成为高电压的脉冲直流电，再经过电容滤波以后成为高压直流电。此时，控制电路控制大功率开关三极管将高压直流电按照一定的高频频率分批送到高频变压器的初级。接着，把从次级线圈输出的降压后的高频低压交流电通过整流滤波转换为能使电脑工作的低电压强电流的直流电。其中，控制电路也是必不可少的部分。它能有效的监控输出端的电压值，并向控制功率开关三极管发出信号控制电压上下调整的幅度。目前的常见产品主要采用脉冲变压器耦合型开关稳压电源，它分为交流抗干扰电路、功率因数校正电路、高压整流滤波电路、开关电路、低压整流滤波电路5个主要部分。
4交流抗干扰电路
为避免电网中的各种干扰信号影响高频率、高精度的计算机系统．防止电源开关电路形成高频扰窜，影响电网中的其他电器等；各种电磁、安规认证都要求开关电源配有抗干扰电路。主要结构为兀型共模、差模滤波电路．由差模扼流电感、差模滤波电容、共模扼流电感、共模滤波电容组成：
5功率因数校正电路
开关电源传统的桥式整流、电容滤波电路令整体负载表现为容性，且使交流输入电流产生严重的波形畸变，向电网注人大量的高次谐波，功率因数仅有0．6左右，对电网和其他电气设备造成严重的谐波污染与干扰。因此，我国在2003年开始实施的CCC中明确要求计算机电源产品带有功率因数校正器(PowerFactorCorrector，即PFC)，功率因数达到0．7以上。PFC电路分为主动式(有源)与被动式(无源)两种：主动式PFC本身就相当于一个开关电源．通过控制芯片驱动开关管对输入电流进行”调制”，令其与电压尽量同步，功率因数接近于1；同时．主动式PFC控制芯片还能够提供辅助供电，驱动电源内部其他芯片以及负担+5VSB输出。主动式PFC功率因数高、+5VSB输出纹波频率高、幅度小，但结构复杂，成本高，仅在一些高端电源中使用。目前采用主动式PFC的计算机电源一般采用升压转换器式设计，电路原理图如下：被动式PFC结构简单，只是针对电源的整体负载特性表现，在交流输人端．抗干扰电路之后串接了一个大电感，强制平衡电源的整体负载特性。被动式PFC采用的电感只需适应50～60Hz的市电频率，带有工频变压器常用的硅钢片铁芯，而非高频率开关变压器所采用的铁氧体磁芯，从外观上非常容易分辨。被动式PFC效果较主动式PFC有一定差距，功率因数一般为0．8左右；但成本低廉，且无需对原有产品设计进行大幅度修改就可以符合CCC要求，是目前主流电源通常采取的方式。
6高压整流滤波电路
目前的各种开关电源高压整流基本都采用全桥式二极管整流，将输人的正弦交流电反向电压翻转，输出连续波峰的“类直流”。再经过电容的滤波，就得到了约300V的“高压直流”。
开关电路
开关电源的核心部分．主要由精密电压比较芯片、PWM芯片、开关管、驱动变压器、主开关变压器组成。精密电压比较芯片将直流输出部分的反馈电压与基准电压进行比较．PWM芯片根据比较结果通过驱动变压器调整开关管的占空比，进而控制主开关变压器输出给直流部分的能量，实现“稳压”输出。PWM(PulesWidthModulation)即脉宽调制电路，其功能是检测输出直流电压，与基准电压比较，进行放大，控制振荡器的脉冲宽度，从而控制推挽开关电路以保持输出电压的稳定，主要由1CTL494及周围元件组成。使用驱动变压器的目的是为了隔离高压(300V)区与低压区(最高12V)，避免开关管击穿后高压电可能对低压设备造成的危害，也令PWM芯片无需接触高压信号，降低了对元件规格的要求。
冲变压器耦合型开关稳压电源主要的直流(高压到低压)转换方式有5种，其中适合作为计算机电源使用的主要为推挽式与半桥式，而推挽式多用于小型机、UPS等，我们常见的电源产品则基本都采用半桥式变换。
8低压整流滤波电路
经过调制的高压直流成为了低压高频交流，需要经过再次整流滤波才能得到希望的稳定低压直流输出。整流手段与高压整流类似，仍是利用二极管的单向导通性质，将反向波形翻转。为了保证滤波后波形的完整性，要求互相配合实现360。的导通，因此一般采用快速恢复二极管(主要用于+12V整流)或肖特基二极管(主要用于+5V、+3．3V整流)。滤波仍是采用典型的扼流电感配合滤波电容，不过此处的电感不仅为了扼制突变电流，更为重要的作用是像高压滤波部分的电容一样作为储能元件，为输出端提供连续的能量供应。实际产品中高压整流滤波电路、开关电路、低压整流滤波电路是一个整体，虽然原理与前述基本相同，但元件个数、分布方式会有很大变化。例如采用半桥式电压变换的电源就有两个高压滤波电容，每一路直流输出对应两个整流管，各负责半个周期的输出；而采用单端正激式电压变换的电源则只有一个高压滤波电容，每一路直流输出对应两个整流管，工作时间按照开关管占空比分配。其他较为重要的部分还有辅助供电电路与保护电路：辅助供电电路一个小功率的开关电源，交流输入接通后即开始工作。300V直流电被辅助供电开关管调制成为脉冲电流，通过辅助供电变压器输出二路交流电压。一路经整流、三端稳压器稳压，输出为+5VSB，供主板待机所用；另一路经整流滤波，输出辅助+12V电源，供给电源内部的PWM等片工作。主动式PFC具有辅助供电的功能，可以提供+5VSB及电源内部芯片所需电压；故采用主动式PFC的电源可以省略掉辅助供电部分，只使用两个开关变压器。
9保护电路
电源主要的保护措施有7种：
1、输入端过压保护：通过耐压值为270V的压敏电阻实现：
2、输入端过流保护：通过保险丝：
3、输出端过流保护：通过导线反馈，驱动变压器就会相应动作，关断电源的输出；
4、输出端过压保护：当比较器检测到的输出电压与稳压管两端的基准电压偏差较大时，就会对电压进行调整：
5、输出端过载保护：过载保护的机理与过流保护一样，也是通过控制电路和驱动变压器进行的：
6、输出端短路保护：输出端短路时，比较器会侦测到电流的变化，并通过驱动变压器、关断开关管的输出：
7、温度控制：通过温度探头检测电源内部温度，并智能调扇转速，对电源内部温度进行控制；
10电源的好坏对其他部件的影响
CPU对电压就非常敏感，电压稍微高一点就可能烧毁CPU，电压过低则无法启动；而硬盘在电压不足时就无法正常工作，在电压波动大时甚至会划伤盘片，造成无法挽救的物理损害；诸如此类，不一而足。在很多情况下，主机内的配件损坏了，用户只是认为是配件本身的质量问题．而很少考虑可能是电源输出的低压直流电电压不稳所造成的。所以，输出电压的波动范围就是考查电源质量的重要指标之一。目前，一般的电源产品在空载和轻载时的表现都较好(假冒伪劣产品除外)，而重载测验才是烈火试真金的真正考验。
重庆大学通信工程专业的电子技术实验精品课构建了一套电子技术综合实验教学体系，该体系包含基础性的电子技术实验教学和提高性的实验教学，并在后者中引入了EDA综合设计。成都电子科技大学电子工程学院专门设立了名为“电子技术综合实验”的基础实验课程，重点培养学生模电、数电、电路与系统、数字信号处理、单片机控制、EDA技术等多门课程的综合应用与综合设计能力。通信、电子等硬件类专业都在着手构建电子技术综合教学体系，而目前国内众多的软件学院中，还没有一所提出构建“软件学院电子技术综合实验教学体系”的教学改革活动。北京大学将软件工程与微电子两个专业放在同一学院办学，但也没有面向软件工程、网络工程、嵌入式等多专业的模拟与数字电路实验课程。因此，大连理工大学软件学院构建“软件学院电子技术综合实验教学体系”的教学改革实践能够起到“示范性”的作用。
1.2研究意义
软件学院的办学宗旨基于“精英型软件人才”的培养目标，因此一般软件学院通常开设软件工程和网络工程两个专业方向，大连理工大学软件学院为了强化“精英型软件人才”的培养目标，在本科二年级开设了嵌入式和物联网两个专业方向，学生要学习这两个方向必须具备很好的硬件基础，这也是我们面向本科学生开设电子技术综合实验课程的原因之一。很多人认为，软件学院的学生只要学好软件即可，学习硬件没什么用处，因此建议从培养计划中取消电子技术基础教学。但根据以往的经验，硬件知识扎实的学生毕业后很容易自学软件开发，而仅会软件开发的学生很难靠自学熟练掌握底层硬件知识。很多软件学院在培养计划中取缔电子技术综合实验教学但保留了计算机组成原理这一硬件课程。组成原理的知识很抽象，作为计算机组成原理前导课程的电子技术基础如果没有学好，会影响后续课程的学习。在软件学院的教学建设中普遍存在硬件综合实践环境建设不足、教师引导不够等现象，导致学生仅对开发工具、数据库、计算机网络等课程感兴趣，而对硬件技术及其应用研究望而生畏，这对培养高水平、高素质、应用性示范性软件人才是极为不利的。
2构建课程体系教学模型
根据现代教育理念和创新要求，学院电子技术实验教学课题组积极探索实验教学的新技术、新方法和新手段，采取分层次、分阶段、循序渐进的模式，由浅入深、从简单到综合，以基础实验教学为主，辅以开放式提高性实验教学；通过开放式教学，鼓励学生自主立项，充分调动学生的积极性和主动性，并激发学生的创造性。构建电子技术综合实验教学体系如图1所示。新构建的电子技术综合实验教学体系以基础模拟实验教学和基础数字电路实验教学为主，以开放式实验课程为辅，其中3门开放式实验课程（单片机硬件电路实验、通信原理硬件实验、FPGA编程实验）作为提高性、综合性实验来培养高水平硬件人才。实验园地建设能够为开放式实验课程提供更多的教学素材，丰富课堂内容，激发学生学习硬件的兴趣。虚拟实验仪器教学响应全球各大高校提出的“足不出户上大学”的号召，借助虚拟实验仪器，让学生通过网络完成理论学习和实验操作，这是软件学院电子技术综合实验体系独有的特点。开放式电路实验教学由单片机硬件原理实验、FPGA编程和通信原理实验3门课程构成，主要从组织形式、实验内容以及考核方式等方面进行改革创新，体现了办学的灵活性，有益于培养学生的创新能力。
3课程体系建设
构建电子技术综合实验课程体系主要从教学内容、教学手段和考核方式等方面入手，具体体现在实验园地建设、虚拟实验教学平台建设、开放式实验教学建设和实验考核方式探索建设等。
3.1实验园地建设
建设电子技术综合实验园地是本课题要实现的基础目标，是构建学院电子技术综合实验教学体系的基础。实验园地的所有素材由实验教师承担建设，素材建设应针对不同水平的学生，形成验证性、设计性、综合性等层次化实验教学。实验园地建设分为以下几大组成部分。
1)实验基本技能训练园地。实验基本技能训练园地主要包括：查找参考资料完成实验预习；总结实验报告的书写要求；电路设计仿真软件的使用方法；单片机原理硬件实验中嵌入式C、汇编语言集成开发环境的使用；FPGA设计中VHDL、Verilog的ISE集成开发环境的使用；电路板原理图、PCB板图的设计；电路焊接的基本技能等。
2)专用仪器设备园地。参考设备使用说明书和设备介绍课件指导学生学习如何使用示波器、万用表、函数信号发生器、电子技术实验箱等设备。
3)基础模拟与数字电子技术实验园地。按照基础模拟与数字电子技术通用的理论教学，实验园地可分为常用电子元器件、模拟电路模块、数字逻辑和数字电路模块以及可编程逻辑器件模块四大模块。
4)演示实验教学园地。演示实验教学园地分为实物演示实验教学、虚拟仪器实验和电路仿真实验三大模块。演示教学园地由各个模块的演示视频组成，虚拟仪器实验教学演示介绍虚拟实验仪器的使用；仿真实验教学演示展示采用EDA仿真实验结果，并与实际电路结果进行比对，验证正确性。
5)提高性实验园地。提高性实验园地的建设是构建“电子技术综合实验教学体系”的关键，是将电子技术综合实验教学与软件学院的教学体系和培养目标联系起来的重要环节，体现硬件实验教学的重要性和关联性。
3.2虚拟实验教学仪器研发
虚拟实验教学仪器的研发响应教育部提出的积极推广大规模开放式网络教学平台的号召，实现“足不出户上大学”的远程在线教育模式。虚拟实验教学平台采用C/S架构，用户可通过本地客户端选择登录的角色（包括学生、教师和管理员），输入学号、姓名和密码连接远程服务器。连接远程服务器之后，用户可以根据自己的电路设计进行电路搭建。每一个电子元器件都被设计成控件，可采用拖拽的方式搭建电路。该软件支持视图的切换，点击元器件图标可以从电路整体视图切换到该元器件的单独视图。
3.3开放式实验教学
开放式实验教学主要包含单片机硬件实验、FPGA编程硬件实验和通信原理硬件实验3门课程。3门实验课以“开放式”实验为依托，以项目驱动模式进行，学生自行分组，根据兴趣自选题目，然后上报任课教师；通过教师审核后，学生开始实施项目，根据项目需求购买相关的电子元器件实现项目设计。开放式课程的教学方式不拘泥于“先理论教学，然后实验验证”的传统模式，而是采用“先实验，后理论”的方式，让学生带着实验验证的结果和实验中遇到的问题去听理论课。开放式课程的考核采用分组答辩的形式，学生借助PPT讲解自己的设计，配合实物演示，任课教师对整个过程进行综合评分。
3.4实验考核方式
针对目前电子技术课程考核方式存在的不足，该实验教学采取考试考核方式。题目采用A、B卷形式，考试题目是六路流水灯的设计与实现，A卷和B卷的实验结果是一样的，但采用了不同的芯片组，核心芯片74HC161、74HC154、74HC00、74HC106和CD4050都一样，而与非门芯片分别采用74HC10和74HC20。考试总共分为两个阶段，第一阶段学生阅读试卷，并根据实验要求和提供的芯片组进行设计，第二阶段学生参考设计好的电路图，借助导线将元器件搭建起来，使用示波器观察现象，并在实验箱的八位逻辑电平显示区域观察实验结果。考试的最终成绩包括设计和实验操作两部分：设计按点评分，每个设计点都事先规定具体的分数；实验操作根据完成实验的快慢分等级，而未完成实验的同学，则根据完成电路的部分给分，电路的每一部分都事先规定具体分数。
1.分析电路尽量使用多媒体。
电力电子技术的核心就是整流、逆变、斩波和交交变换四大基本电路，在电路工作过程的分析中，通常一个电路都有多个工作状态，不同的工作状态又分别对应着不同的电压电流波形，也就是说电路的工作过程往往都是动态的过程，而传统的书本上的文字和原理图是无法很好地展现动态过程的。这时，如果采用幻灯片等多媒体形式，可以将电路工作的动态过程很好地展现给学生们观看，把书本上静态的电路以及波形图动起来，这样就能够让学生们更好地理解电力电子电路的工作过程。与此同时，结合书本上的理论，再将不同电路的特点进行总结，使同学们复习时结合着书中的理论，头脑中联想着多媒体演示动画，便会在学习中事半功倍，容易记忆，提高学生的分析计算和实际解题的能力。
2.器件与控制部分应注重练习。
电力电子器件及控制部分具有覆盖面大、定性与定量相结合的特点，学好这一部分，就必须将概念的理解与相关的计算进行练习，在习题式的教学中，不断提高分析问题和解决问题的能力。研究生阶段，各高校几乎很少带领学生做与课程相关的习题，多数学生也只有在考试的时候才有机会在试卷中解答一些问题，虽说现在不提倡传统针对考试的题海战术，但是平时适当做一些典型的练习还是有必要的，电力电子器件种类多、特点各不相同，而控制方法也有很多，甚至与自动控制原理等其他学科相关联，在教学中适当找一些典型例题进行讲解，可以让同学们在繁杂的知识中抓住重点内容进行突破，最终掌握这部分知识要点。
3.学生自主参与新技术教学。
电力电子技术具有发展速度快的特点，新的技术和应用领域不断出现，加强电力电子新技术的教学可以扩展学生知识面，掌握电力电子技术发展新方向。这一部分的特点是没有定量计算、难度不大、但对于资料的收集工作量比较大，根据这些特点，在教学中，可以将这部分安排给每个学生进行讲解，在讲解前每个同学查找相关资料，然后对资料进行分类总结，加入自己的理解，在讲解过程中既可以使用多媒体也可使用板书的形式，讲解后学生之间可以相互提出问题，相互讨论，形成良好的研究氛围。在这种学生自主教学的过程中，既提高了学生查找资料的能力，也能提高学生的概括的创新能力，还为研究生毕业学术论文的撰写提供了相关的经验。
二、实验教学应进行分类
电力电子技术是一个应用性很强的一门学科，在理论教学的同时一定要有相应的实验来配合和补充，开设实验课是对理论课的延伸和补充，更能够突出应用型学科的特色。在实验教学上，应分为验证实验、探究实验、拓展实习三个部分进行教学。
1.验证实验应紧密结合课本。
验证性实验的特点是对已经有的理论进行实验验证，与学生的理论教学紧密衔接，通过书上的理论来指导实验的操作，同时实验的结果又可以加深学生对于书本理论的深度理解。在理论课程之后，应当有相应的实验课程相跟进，在实验开始前，老师带领学生对课本知识点进行回顾，确定实验目的和实验步骤，同学们按照实验要求完成相应的实验操作，并能够运用书本上的知识来解释实验中的现象，最后通过实验报告的形式进行总结，得出验证性的结论。
2.鼓励开展探究性试验。
电力电子技术是一门正在快速发展的学科，在实验教学中，应当鼓励学生进行自主探究，通过对已有知识的学习让学生们充分发挥想象力，制作一些相关的小制作、小发明，在探究性试验的过程中培养学生的创新能力。学生根据自己掌握的知识，结合当今电力电子发展的前沿技术，加上自己的想象力和创造力，独立设计出属于自己的电子作品，而在探究的过程中难免会遇到一些问题，这时老师应进行适当指导，给出一些方案，让学生自主解决实际问题。平时尽可能地开放实验室，使学生增加动手操作机会。此外还应当鼓励学生参加“挑战杯”等科技比赛，增加在创新方面的交流合作，从而学会更多解决问题的新方法。
3.拓展实习应突出实际应用。
在传统的教学环节之外，对于电力电子技术这种应用型很强的学科，应适当组织学生到某个单位进行参观学习。学习的目的是为了应用，当今电力电子技术已经应用在了许多领域之中，在实验教学中可以联系某个具体单位进行参观，在实际的生产过程中，让学生们更加具体地了解电力电子技术的应用。除了参观之外，也可由老师或者学生找一些与电力电子技术应用相关的视频资料，分享给大家进行观看，也可以起到非常好的效果。实习结束之后，学生以报告的形式写出自己学到了什么或者是心得体会。这样，理论联系实际，对于理工科的教学是有很大帮助的。
机械制造技术的特点
机械设备的设计、研发、生产，是促进国民经济发展、推进企业创新的一个重要因素。因为无论是新产品的制造，或是新技术的推广，都离不开新的、高科技的机械设备的支持。要想使机械设备的设计研发工作更加合理、科学，要想促进机械水平的整体快速提高，就必须清楚的了解和掌握机械制造技术的特点，只有这样，才能设计出符合规范的大中小型机械设备[3]。
作为一项先进的制造技术，往往在机械产品设计制造、生产组织、管理销售以及售后服务等方面，特别强调计算机技术、信息传感技术、自动化技术以及现代系统管理技术的应用。其原因在于，它要不断使一直以来的传统制造技术和最近的高新技术成果相结合，从而使机械制造技术成为能够驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流三者合一的系统工程。
促进国家经济和综合实力的增强、提高我国企业在国际市场上的竞争能力是先进的制造技术应用的两大目标。因此，它往往并不限于制造过程本身，而是涉及了产品从市场调查、产品研发、工艺设计、生产准备、制造加工以及售后服务等一般产品涵盖的所有内容，在此基础上，将它们结合成为一个有机的整体。最终，提高制造业在所有行业的综合经济效益和社会效益。
怎样提高企业的生产率，是企业参与市场竞争的核心问题。20世纪80年代以后，随着全球市场的进一步融合及发展，制造业要想在市场上拥有一席之地，就必须以侧重提高劳动生产率为根本，转变为侧重时间为核心的时间、质量和成本三者的有机统一为根本。只有达到了三者的统一，机械制造技术才能真正的进步，才能在日渐激烈的市场竞争中处于不败之地。
上世纪80年代开始，全球市场逐步形成，以欧美为首的发达国家通过金融、科技等手段争夺其在全球的市场份额，利用其自身优势，向不发达国家倾销商品、输出资本，导致市场的竞争趋于白热化。为了不被激烈的市场大潮冲垮，各个国家争相发展本国的机械制造技术。只要一个国家的机械制造技术能够赶超世界先进水平，并能成为该国制造业赢得全球市场的支撑力，整个国家的经济实力才能有所提高。与此同时，机械制造技术是21世纪的高科技技术，它理应和最先进的科技成果相集合，理应有明确的新的技术领域。
我国机械制造技术的未来发展
制造技术分为传统制造技术和先进制造技术。显然，先进制造技术是由传统制造技术发展而来的，它保留了传统制造技术中的有效部分，又源源不断的吸取各种新的高技术成果，之后将二者结合到生产的所有领域及其全部过程[4]。扫描显微镜的发明和使用，使人类认识和改造世界的能力进入纳米的尺度。纳米技术是指产品能够实现纳米级精度，是在纳米尺度范围内研究物质原子和分子结构、物质特性及其相互作用和运动，最终运用这种技术为人类服务的高新科技。纳米技术对制造业的发展进程产生了极其深远的影响，就目前来说，它的应用范围十分广泛，包括纳米材料技术、纳米加工技术、纳米装配技术以及纳米测量技术等等。2000年，超精密加工的加工精度已经达到纳米级。而在21世纪初开发的分子束生长技术、离子注入技术和材料合成、扫描隧道工程可使加工精度达到0.0003-0.0001μm。目前的精密工程正向其终极目标——原子级精度的加工逼近，即可以做到移动原子级别的加工[5]。
1）对于现代机械制造技术的未来发展，将主要体现在两个方面：（1）精密工程技术。它以超精密加工的前言部分、微细加工、纳米技术为代表，目的是将来进入微型机械电子和微型机器人的时代。（2）机械制造的高度自动化。它以CIMS和敏捷制造等的发展为代表。
2）飞速发展的网络通讯技术的发展和普及，给从事机械制造业的众多企业的生产经营活动带来了翻天覆地的变化。因此，必须加速技术信息的交流、加强产品开发的合作和经营管理的学习，从而推动机械类企业朝着良性竞争和多方合作的方向发展。
《电工技术应用》课程教学模式设计秉持“教师为主导、学生为主体”的素质教育理念，充分发挥教师的主导作用，改变传统教学中教师的“中心”地位；激发学生的学习兴趣，充分发挥学生的学习主体地位；紧扣“岗位为导向”的人才培养目标，“高等职业教育实质上就是‘就业教育’”。[2]课程教学目标设定要紧扣学生的就业岗位特点与岗位需求，以培养学生的应用技能为本位，重在培养学生运用理论知识解决实际问题的能力，以培养学生的综合职业素养为基本核心，满足岗位对高职多层次人才的需求，构建理论与实践为一体的教学模式。
（二）《电工技术应用》课程教学模式设计思路
课程教学模式研究将在设计理念的引导下，改革《电工技术应用》课程体系，重点调整理论教学与实践教学的比例，打破目前重视理论教学、淡化实训教学的教学模式；根据“岗位为导向”的目标设计理念，调整与优化《电工技术应用》课程教学内容，使课程教学紧紧围绕学生的就业需求；改革教学方法，通用校企结合、案例分析、项目推进、任务引领等教学方法，充分体现教师的主导地位与学生的主体地位，构建理论与实践一体化教学模式。
二、高职院校《电工技术应用》课程教学模式实施
（一）重构《电工技术应用》课程体系
《电工技术应用》课程教学模式实施首先要调整课程体系，根据理论课与实践课的关系，调整理论教学与实训教学的比例。“因此如何加强实践教学便成为高职教育的关键，而如何处理理论课与实践课的关系，则是解决理论先导与观念更新的前提”。[3]理论教学要夯实基础理论，着重提升应用理论教学与新理论教学；实训教学主要突出应用技能培养，突出岗位能力培养目标。目前，高职院校《电工技术应用》课程理论教学主要存在两个问题，一是理论教学所占课程教学比例过大，严重制约了实训教学；一是理论教学难度过大，严重脱离应用实践，不能有效引导学生的实训教学。为此我们要调整高职院校《电工技术应用》课程理论教学与实训教学比例，形成理论与实践互相促进的课程教学体系。1．调整理论与实训教学比例。理论教学是开展实训教学的基础，是不容忽视的一个教学环节。但每一门课程理论的学习应当以“应用”为最终目的，否则理论教学就成了一句空话。目前高职院校《电工技术应用》课程理论教学过于深入，一味强调理论教学，理论教学过深过难。这种现象使学生对学习失去兴趣，学习缺乏主动性，而且高职院校培养出来的人才成为高理论、低能力的“无用人才”，严重脱离了市场需要。高职院校要调整《电工技术应用》课程体系，适当地缩减电子技术应用理论教学，提升实训教学所占比例，尤其要提升实训教学的实效性。2．以理论支撑实训教学。目前高职院校电子技术应用理论教学采用单线教学方法，理论教学与实训教学各自一条线，不能互相融合、互相促进。这种将理论教学与实训教学相隔离的教学体系，使电子技术理论与实践教学严重脱离，制约了学生利用理论解决实际问题的能力。为此，我们要将理论教学与实践教学结合起来，构建理论实训一体化课程体系，激发学生学习兴趣，发挥学生的学习主体地位，使学生“在学中做，做中学”。理论教学要密切联系实训教学，形成“理论服务实训教学、实训教学促进理论提升”的教学体系，使学生既能牢固掌握理论知识，也能灵活地运用理论知识解决实际问题，且在解决实际问题的过程中促进理论的理解与把握。
（二）优化调整课程教学内容
高职院校《电工技术应用》课程实施必须要加强市场调研，了解现阶段电子技术应用市场对电工技术应用人才的需求现状，在充分分析市场需求现状基础上进一步加强宏观分析，把握电工技术应用市场人才需求形势。根据市场需求调整与优化课程教学目标，使课程教学与学生岗位需求相结合，尤其要根据市场需求调整与优化理论教学与实践教学内容的权重。理论教学的内容始终要围绕“实训”教学展开设计，遵循基础性与适度性原则。基础性原则就是在设计理论教学内容时要凸显“基础理论”，如基本概念、基本原理等，这些理论教学的内容是学生“必需”要掌握的基础理论，是开展其他理论教学与实训教学的基础与前提。适度性原则。目前高职院校《电工技术应用》课程理论教学不能切合高职院校人才培养的特点，过于追求理论的高度与深度。殊不知高职院校教学直接面向市场，面向企业。因此高职院校人才培养要注重实践应用型人才培养。理论教学内容设计要适度，理论教学的内容“够用”就行，能够满足学生的实际需求，并且具有一定的前瞻性。实训教学内容设计要以“岗位”为导向，寻找理论教学内容与实训教学内容的衔接点、切合点，将理论教学内容与实训教学内容有机结合起来，两者相互渗透，相互促进，提升学生运用理论知识解决实际问题的能力，实现理论教学内容与实践教学内容一体化。
（三）丰富教学方法
目前《电工技术应用》课程教学方法较为单一，理论教学以课堂讲授为主，实践教学主要通过“工学交替”。这种程式化教学严重制约了《电工技术应用》课程教学进一步提升。因此高职院校《电工技术应用》课程要不断创新教学模式，在传统教学基础上不断丰富教学方法，综合运用校企结合、案例分析、项目推进、任务引领等多种教学方法。1．校企结合。“高职教育中存在信息不畅、教学内容滞后、专业布局不合理、人才定位不准确等问题,这都与校企之间缺乏紧密的联系和沟通有着直接关系”。[4]目前高职院校与企业的结合主要体现在实训教学上，没有实现在理论教学与实训教学上的全面结合。因此高职院校《电工技术应用》课程教学要尝试探求校企结合的新路径，真正实现理论教学与实训教学的一体化。“校企结合”可以遵循“请进来、走出去”的思路和方法。高职院校可以邀请企业人才到高职院校任兼任教师，发挥他们的辐射作用，改变传统理论教学现状，教师站在“实践”的高度进行理论教学，使理论教学更贴近实践。也可走出去，包括教师与学生两个层面。高职院校可以派教师到结合企业参与企业实践与管理，在实践中提升教师的理论水平，同时提升教师实训教学水平。在条件允许的情况下，高职院校可以借助企业真实的工作情境，使学生在真实的工作情境中开展理论与实践学习。通过校企结合，实现理论与实践教学一体化。2．案例分析。案例是宝贵的教学资源之一，它包含着丰富的理论教学与实践教学资源，既有成功的经验，也有不足的启示，高职院校《电工技术应用》课程教学要重视案例教学法的运用。案例教学法的关键在于案例的选择与运用，教师要根据教学任务选择具有典型意义的案例，教学案例要具有丰富的理论要素，同时具有较强的实践启发价值。在进行案例分析时，教师要加强目标导向，使案例分析朝着预期推进；案例分析不能停留在分析层面，教师要引导学生做好案例分析报告与策略优化。学生通过撰写案例分析报告能够有效整合理论，提升自身理论高度。通过案例策略优化，引导学生针对案例寻找优化的策略，并且进行可行性验证，推进理论教学与实训教学的一体化。3．任务引领、项目推进。传统教学中，教师常常将任务引领与项目推进作为两种独立的教学方法，我们可以尝试将这两种方法合二为一，将任务渗透在项目中，以项目任务推进作为实施教学的载体，发挥任务的驱动作用，同时将任务物化。该方法以项目为载体，以任务为引领，以项目推进的实践活动为核心，充分发挥学生的主观能动性。学生摆脱传统单纯的理论教学与实践教学模式，将理论教学与实训教学有机融为一体，“做中学、学中做”，实现理论与实训教学的一体化。
三、高职院校《电工技术应用》课程教学效果
（一）教师层面：促进教师专业成长
在推进理论与实训一体化教学模式实践中，教师的教学改革意识得到进一步增强，许多教师将教学改革作为一种自觉行为。他们拓展教学思路，在教学模式方面展开有益探索。最为重要的是教师改变传统单线教学模式，将理论教学与实践教学融为一体，从理论“教书匠”成长为专业技能型教师。教师在做中学，在学中做，在学做中教，建立起较为科学的课程视野。
（二）学生层面：改变学生学习方式
理论与实训教学一体化模式使《电工技术应用》课程教学发生了重大转变，不论是学习场所还是学习方式。学习场所从传统的课堂向更为广阔的空间拓展，走向实训室、走向企业等，学生在更为真实或真实的情境中学习；从被动接受学习到积极参与课堂学习，将学做结合起来。这些改变有效提升了学生的学习兴趣，也提升了学生的理论积淀与实践技能。
中国古典造园艺术是当代园林景观设计的灵感源泉，其古典造园艺术设计思想更是当代园林艺术的理论基础。中国古典园林作为风景式园林设计的典范，是设计师和工匠在特定的空间内，经过精心设计，运用高超造园手段，将建筑和山、水、植被等加以配置组合，形成源于自然环境，又高于自然环境的有机整体，将自然美和人工美合理地结合在一起。
1.2文化传承
园林景观设计师必须对国内优秀的风景园林景观案例加以深入研究，挖掘出富有本土文化特征的景观元素加以运用，才能设计出具有“中国味道”的风景园林景观作品。园林景观艺术是直观体验性艺术，观赏者无需接受专门的培训，就可以感受到园林景观的形式美。同时，这种直观艺术受时代背景和文化氛围的影响，可以使观赏者耳濡目染的感受到当时的文化修养和审美情趣。
2当代居住区景观设计常见问题
2.1不尊重自然环境
许多居住区的景观设计和营造过程中对景观的功能性考虑不足，注重表现外表的美观。某些开发商为了追求表面的气势和美观效果，达到增加成交量的目的，不惜重金做面子活，为此增加了成本，加重了购房者的资金支出，也使得后期的物业管理面临巨大考验。
2.2缺乏神韵
现代居民小区已经成为居民，尤其是老人和孩子日常休闲活动的主要场所，因此，设置的休闲活动空间充足，有健身区、儿童游乐场地、休闲步道等，这些空间普遍尺度较大，且多以铺装为主，相对缺乏可供好友休闲小憩的私密空间。3.3施工时间短随着社会生产水平的不断提高，很多传统建造技术已经被机器化大生产式的快速施工技术所淘汰，当代施工者往往依靠现代技术手段，使得传统建造技术开始失传，其精髓更难以再现。现代居住小区中经常可以看到其它建筑材料仿制木材建成的亭台水榭，虽然形似，却没有了木材的生动，传统工艺的风采不复存在。
3传统造园艺术对现代居住区的影响
3.1理解古典园林的内涵
要设计具有中国元素的居住区景观设计，必须从观念上彻底改变，不能完全依赖新技术、新材料，更不能对现代西方园林的成功典范照搬照抄，要学习中国古典园林景观艺术的造园理念和设计手法。
3.2尊重自然原则
大自然是园林景观设计中取之不尽、用之不竭的资源，因此，中国古典园林艺术遵从天人合一的思想，在人与自然之间寻求和谐。尊重自然是中国古典园林艺术文化的核心精髓，采用尊重生态自然的客观规律来造园，以自然景致为主，强调设计师对大自然的深刻理解和艺术化的表现。
3.3现代主义与古典主义相结合
中国古典园林讲究依山林而建，通过借景、比喻等方法将园内景观和周围自然生态结合起来，同时，也可以起到延展空间的作用，使各个区域之间相互连接、渗透，彼此呼应，形成一个整体。现代景观设计也要求设计师将视域作为设计范围，以地平线为空间参照，突出与本地区景观的融合。这与古典造园手法中追求无限想象的外延空间理念是一致的。
