系统和要素辩证关系在开关电源及其磁集成研究中的应用

第６卷第４期２００６年２月　科学技术与工程　Ｖｏ１．６　Ｎｏ．４　Ｆｅｂ．２００６　●　１６７１—１８１５（２００６）０４—０４４７－０３　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　⑥　２００６　Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．　机电工程　系统和要素辩证关系在开关电源及其磁　集成研究中的应用　李洪珠孟威　（辽宁工程技术大学电气工程系，阜新ｌ２３ｏｏ０；阜新市项目工作办公室‘，阜新１２３０００）　摘要运用自然辩证法中系统的方法分析开关电源，重视系统中各要素的作用，牢牢把握中心要索，以整体性思想全面地看　问题．着重用系统的分析方法分析了磁性器件的磁集成技术。　关键词　系统要素辩证关系　开关电源磁件集成　中图法分类号ＴＭ５６；　文献标识码Ａ　随着高科技的发展，电源设备广泛地应用于科　部分组成。其结构如图１。其中，整流、逆变、控制电　学技术研究、经济建设、国防设施以及人民生活等　路是该系统的主体，完成开关电源的基本功能；输　各个方面。它是电子和机电设备的基础，不仅仅能　入输出滤波电路有效地滤除杂波，保证电能质量；　提供优质的电能，并且还对科学技术的发展产生巨　辅助电源、保护动作电路、检测电路保证市电停电　大的影响。在电脑、电子仪器和通讯系统中开关电　的情况下继续运行一段时间。可以看到：整流、逆　源的应用极为广泛。在近半个世纪的发展过程中，　变、控制电路缺一不可，它们相互联系，相互作用。　因为它具有小、轻、高效等优点而逐渐取代传统技　根据自然辩证法中系统和要素范畴的规定性可知，　术制造的连续工作电源，成为电子电源中的主流产　该整体是由整流、逆变、控制电路等要素组成的电　品。人们在开关电源技术领域里，边开发相关电子　源系统。具有多种规定性。　技术，边开发新型功能材料和元器件．两者相互促　ＡＣ市电　进，推动着开关电源向轻、小、薄，低噪声、高可靠性　和抗干扰方向发展。为了实现开关电源的小、轻、　薄、低噪声、高可靠性和抗干扰性的要求，科学技术　人员做了大量的研究工作。本文运用自然辩证法中　系统的方法分析开关电源及其磁性器件的集成．重　视系统中各要素的作用．牢牢把握中心要素，以整　体性思想全面地看问题。取得了较好的效果。　１开关电源系统及其各要素的分析　图１开关电源系统结构图　开关电源是由输入滤波器、整流与滤波电路、　１．１开关电源系统具有层次性　逆变电路、输出整流与滤波电路、控制电路等主要　首先．开关电源系统是更大电子设备系统的组　成要素；其次，开关电源系统各组成要素也可看成　更深层次系统，例如逆变电路是由开关元件和变压　２０ｏ５年ｌ０月２０日收到　辽宁Ｔ程技术大学校科研基金　器组成的。　（０ｄ．Ａ０１００ｔｔ）资助　第一作者简介：李洪珠。（１９７４一）。男。黑龙江富锦人．研究方向：开　１．２开关电源系统具有整体性　关电源及磁集成技术。　开关电源系统的功能是为电子设备提供可供　维普资讯 http://www.cqvip.com

４４８　科　学　技　术　与　Ｔ　程　使用的优质电能，系统中的单独要素无法完成该功　能，必须形成一个有机整体。利用相干性达到整体　性要求。同时，开关电源系统整体性又不是绝对的．　它作为整流、逆变、控制等电路这一层次部分的整　体，又是更大电子设备系统层次上的部分。而开关　电源系统的每一部分，相对更低层次而言，各自又　是一个整体。　ｌ＿３开关电源系统具有协同性　开关电源系统各要素之间的特定关系形成一　定的结构，完成特定的功能．即相互联系、相互作　用、相互协调的协同性。整流、逆变电路在控制器的　作用下完成变频变压；输入滤波将电网的杂波滤　除，同时阻碍开关电源产生的杂波馈回电网；输出　整流滤波则根据负载的需要提供稳定可靠的直流　电源。各部分要协同工作，相互配合，才能完成特定　的功能。　１．４开关电源系统具有历史性　随着材料技术、制造工艺、电子技术和控制理　论的不断发展，组成开关电源系统的各要素的性能　不断提高，各要素间的相互联系，相互作用渐趋合　理，开关电源系统的性能也不断改进。　研究开关电源的目的是要把它运用到生产实　践中去．开关电源系统各要素之间有多种规定性．　要正确认识这些规定性，才能真正追求开关电源的　轻、小、薄、低噪声、高可靠性和抗干扰性。　２开关电源系统及其各要素之问的辩证关系　２．１开关电源系统和环境之问的关系　开关电源系统是电能转换系统．它把市电转变　成适应各种负载需要的高质量电能。环境对系统的　影响体现在组成开关电源的元件能否适应各种不　同的环境；开关电源对环境的影响体现在电磁危　害一电磁干扰及电磁辐射。开关电源系统依赖于环　境，磁性器件产生的热量要散发到周围环境中去。　追求开关电源的轻、小、薄，要把开关电源系统置于　环境中，脱离环境的系统是毫无价值的。　２．２开关电源系统和其各要素的关系　开关电源系统性能的好坏与多个层次的系统　和要素有关。如开关元器件的性能直接影响整流器　或逆变器这一低层次系统的输出，进而影响开关电　源系统性能：变压器结构的不同直接影响开关电源　高度和蕈量　２－３开关电源系统内部各要素之问的关系　２．３．１　中心要素和非中心要素的关系　在开关电源系统中，整流、逆变、控制电路是系　统的主体，决定着整个系统的性能。系统中其他要　素都是围绕这一主体而设计的。　２．３．２要素之间的统一性和差异性　开关电源系统的各要素是统一的。首先．组成　各要素的电器元件必须匹配；其次，各电路组成部　分必须匹配。这样才能使系统可靠工作．才能降低　开关电源的成本。开关电源系统的各要素之间是有　差异的，即存在着相对独立性　２＿３．３要素之间的相互联系和相互作用　在开关电源系统中，各组成电路之间是不可分　割的、是相互制约、相互联系的。开关电源性能的好　坏就取决于各要素之间的相互联系和相互影响。各　要素之间的协调配合能使开关电源系统性能达到　最佳。　深入分析开关电源系统各要素之间、要素和系　统之问的辩证关系，才能使开关电源更轻、更小、更　薄，并且噪声更低、可靠性更高、抗干扰性更强。　３用系统的方法研究开关电源系统　所谓系统的方法就是用系统的、整体的观点来　研究、认识、控制和改造对象。这种方法要求人们始　终从系统与环境、系统与系统、系统与要素、要素与　要素之间相互联系、相互制约、相互作用的矛盾关　系中综合而全面地考察对象。达到认识对象、改造　对象使之为人类服务的目的。系统方法耍求人们从　系统与要素的诸矛盾中把握对象，使之实现整体　性、综合性与最优化。　３．１　形成最佳结构。要素的质量均要达到最佳．特　别是中心要素质量更要达到最佳　磁性器件（如变压器、电感）是开关电源的重要　组成部分，它是完成能量储存与转换、滤波和电气　隔离的主要器件．是影响变换器体积、重量的主要　因素Ｅ３：磁件参数的选取直接影响电源的输出电流　脉动和输出动态性能．磁件的损耗影响变换器的效　率；磁件的寄生参数对开关管的电压、电流应力有　很大的影响。所以，开关电源变压器的小、轻、薄、低　维普资讯 http://www.cqvip.com

４期　李洪珠，等：系统和要素辩证关系在开关电源及其磁集成研究中的应用　竺！　噪声、高可靠性和抗干扰性离不开磁性器件的小、　７１　轻、薄、低噪声、高可靠性和抗干扰性。随着现代电　ｌ：ｌ　力电子技术向着高频化、绿色化、集成制造、平面化　以及高功率密度方向的发展，也对磁性元件提出了　更高的要求。磁性元件的高频化、集成化、平面化、　阵列化、模块化及高效率已成为磁性器件发展的必　然趋势。当前，已出现了平面式变压器，美国亚特兰　图２　ＬＬＣ谐振变换器磁件结构　大大学的Ｊａｅ　Ｙ．Ｐａｒｋ研制出的小型平面变压器最小　感Ｌ，、，Ｊ　和变压器　的绕组以及磁芯集成在一起，并　尺寸为２．６　ｍｍｘ２．６　ｍｍｘ７０　ｍ，它采用磁性Ｍｎ—Ｚｎ　采用平面技术和陈列式技术就可以更加优化开关　铁氧体与高分子聚合物复合材料，使用了丝网印　电源。　刷、光刻和线圈制板等技术。又如出现的灵活性很　大的扁平阵列式变压器［６］。　４结束语　３．２最佳中心要素的有机结合　工程领域中的各种复杂系统用系统的方法来　要使开关电源达到小、轻、薄、低噪声、高可靠　分析研究，可以取得事半功倍的效果，至少可以少　性和抗干扰性的要求．不但要使整流、逆变、控制电　走许多弯路。在运用系统方法时，既要重视系统中　路等要素都要有最佳结构，而且各要素之间要有紧　各要素的作用，牢牢把握中心要素，同时叉要全面　密联系．同时这种要素之间的紧密联系不能仅仅考　地看问题，要具备整体性的思想，把各个系统搞活。　虑上层要素．要充分深入分析更深层要素。使用平　面变压器和平面电感可以使开关电源变得轻、小、　参　考　文　献　薄，但是如果要使开关电源更轻、更小、更薄，并且　ｌ　国家教委社科司组编．自然辩证法概论，２版．北京：高等教育出　输出性能更好，就不能把平面变压器和平面电感不　版社．１９９１　加区别的平列起来，要把它们有机的组织起来。如　２胡显章，曾国屏．科学技术概论．北京：高等教育出版社，１９９８　何有机组织平面变压器和平面电感呢？这就是采用　３蔡宣　，龚绍文．高频功率电子学．北京：科学出版社，１９９３　磁集成的方法使两者结合成完成特定功能的最佳　４张占松．蔡宣　．开关电源的原理与设计．北京：电子工业出版　社．１９９８　结构。ＬＬＣ谐振变换器是一种新型的可用于分布式　５杨玉岗．现代电力电子的磁技术．北京：科学出版社。２００３　功率系统中的前置ＤＣ／ＤＣ变换器。图２是ＬＬＣ谐振变　６王信雄．扁平矩阵变压器在开关电源的应用．第ｌ５届全国电源技　换器的磁件结构图，本基金课题实际研究证明把电　术年会论文集．５８５—５８７　Ｔｈｅ　Ｄｉａｌｅｃｔｉｃａｌ　Ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｗｈｉｌｅ　Ｓｔｕｄｙｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｓｗｉｔｃｈ　Ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ＬＩ　Ｈｏｎｇｚｈｕ，ＭＥＮＧ　Ｗｅｉ　（Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｘｉｎ　１２３０００；Ｔｈｅ　ｍａｊｏｒ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆｉｆｃｅ　ｏｆ　Ｆｕｘｉｎ　，Ｆｕｘｉｎ　１２３０００）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｎａｔｕｒｅ　ｄｉａｌｅｃｔｉｃｓ　ｔｏ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈ　ｐｏｗｅｒ　ｉｓ　ｕｓｅｄ．Ｉｔ　ｐａｙ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｈｏｌｄ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｆｉｒｍｌｙ，ｌｏｏｋ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｖｅｒａｌｌｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｇｌｏｂａｌｉｔｙ　ｔｈｏｕｇｈｔ，ｅｍｐｈａｓｉｚｅ　ｔｏ　ｕｓｅ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｍａｃｈｉｎｅ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ｓｙｓｔｅｍ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｄｉａｌｅｃｔｉｃａｌ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｓｗｉｔｃｈ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｍａｇｎｅｔｉｃ