1 引言

　　上世紀60年代，開關電源問世，并逐步取代了線性穩壓電源和可控硅相控電源。40多年來，開關電源技術有了飛速發展和變化，經歷了功率半導體器件應用、高頻化和軟開關技術、開關電源系統綜合集成的三大技術發展階段。從上世紀80年代開始，高頻化和軟開關技術的開發研究，使功率變換器效率更高、性能更好、重量更輕、體積更小。高頻化和軟開關技術是過去20年國際電力電子界研究的熱點之一。上世紀90年代中期，集成電力電子系統和集成電力電子模塊技術開始發展，成為近十幾年來國際電力電子業界努力解決的問題。提升功率半導體器件高效率性能，提高開關電源的功率密度，計算機輔助設計和測試技術應用，高頻磁集成與同步整流技術的應用，模塊化分布式電源結構設計，電源系統高密度集成，低污染電磁兼容性設計等是現代電源技術關注的熱點。而電源數字控制同樣成為一個新的發展趨勢，已經逐漸在功率變換設備中得到推廣應用。業內稱采用數字控制技術的功率變換產品為數字電源。最近幾年，以數字信號處理器為控制核心的大功率數字電源技術已經成為受很多高校、電力電子技術專業機構和電源系統提供商重視的研究課題，國內外每年有很多相關的技術性論文發表，也有少數電源生產商經過多年潛心研究開發，開始逐步推出全數字化的電源產品，尤其是大功率的不間斷電源和通信電源……

　　功率半導體器件高效率性能，提高開關電源的功率密度，計算機輔助設計和測試技術應用，高頻磁集成與同步整流技術的應用，模塊化分布式電源結構設計，電源系統高密度集成，低污染電磁兼容性設計等是現代電源技術關注的熱點。而電源數字控制同樣成為一個新的發展趨勢，已經逐漸在功率變換設備中得到推廣應用。業內稱采用數字控制技術的功率變換產品為數字電源。最近幾年，以數字信號處理器為控制核心的大功率數字電源技術已經成為受很多高校、電力電子技術專業機構和電源系統提供商重視的研究課題，國內外每年有很多相關的技術性論文發表，也有少數電源生產商經過多年潛心研究開發，開始逐步推出全數字化的電源產品，尤其是大功率的不間斷電源和通信電源。

　　2 數字電源概述

　　2.1 基本特點

　　數字電源是采用數字方式實現電源的控制、保護與通信接口的新型電源技術，可編程、優良的響應特性和數字環路控制是表征數字電源的3個主要特征。電源數字化后具有很強的適應性與靈活性，具備直接監測運行狀況的能力，能夠滿足絕大多數電源用戶需求數字電源的自動診斷、在線輸出調節的能力使調試和維護工作變得輕松還可通過遠程診斷以確保持續工作的系統可靠性，實現故障告警管理、過電壓過電流多層次保護、自動冗余并聯等功能。

　　2.2 數字電源與模擬電源的對比

　　相對于模擬控制技術，數字電源大大減少了在模擬電源中常見的誤差、老化包括模擬器件的精度、溫度影響、漂移、非線性不易補償等問題，其穩定的控制參數使得產品個體無須精細調節即可獲得很好的一致性，可靠性好，可生產性好。基于或高速微處理器的數字控制技術，除了具備數字控制技術本身的特點，由于其更快速的數據處理能力，還有其獨特優勢，包括實現更先進的控制算法、更好的優化效率、更高的數據采樣精度和控制開關調節頻率、更高的控制精確度和可靠性、優秀的系統管理和互聯網絡監控功能。

　　基于高速高性能的數字電源控制算法采用軟件實現，軟件運算特性使它更易于實現非線性控制可改善電源的瞬態響應能力和采用多環路控制等更優化的控制算法很多情況下更新軟件即可實現新的拓撲結構和控制算法，更改電源輸出參數也無須變更板卡上的元器件，這樣一來就能提高硬件平臺的重復使用率，通過設計不同軟件即可滿足各種個性化電源系統的新需求，從而縮短開發周期、減少開發成本、加快產品上市速度，降低元器件生產性庫存與風險。數字電源雖然具有很多優點，但仍有一些缺點不能忽視。模擬控制對外界條件變化的反應延時小，而數字電源需要一個采樣、量化和處理的過程來對變化做出反饋和調節控制，因此它對外界條件變化的響應速度一般來說比不上模擬電源。數字電源由于存在轉換的量化誤差，在分辨率、帶寬、與功率元件的電壓兼容性、功耗、開關頻率，精度、效率和材料成本在小功率電源系統中等方面也比模擬電源稍差。不過，在大功率規模化電源產品應用方面，隨著專用于電源控制技術的高速高性能的推出，電源高頻化和軟開關技術更加容易實現，價格卻不斷降低，其構成的數字系統集成度更高，采用數字電源解決方案越來越具有優勢，長期綜合成本并不一定就比模擬電源高，以技術獲取經濟效益的空間更大，這在市場需求量大的通信用電源、工業用電源、電力控制電源，以及金融業、服務業用不間斷電源等較大功率的產品中，數字電源的經濟性優勢更加顯現參見表1.

　　2.3 數字電源產品化趨勢分析

　　可以看出與模擬電源相比，數字電源中包含的技術無疑要復雜一些，還需要一些新的技術，但對用戶而言，數字電源的使用并不復雜，設計得好的則使用更加簡單，隨著技術的發展，當前數字電源的一些劣勢已經可以滿足用戶需求，但其監控管理功能提升和可測試性好，用戶維護更加方便，可以大大降低用戶的經營管理成本，只是要求產品設計人員具備更高的設計能力，這一點用戶并不理會。當然新的產品或技術，用戶往往會持一些懷疑的態度，可靠性能否保證真的能帶來效益嗎這些是需要引導的，市場推廣方面可以通過免費試用或者用后付款等方式解決。相比快速推出更加適應市場需求的產品，從而占領更廣闊的市場，加上技術積累效應和產品快速升級，降低不良庫存周轉，通過規模化生產降低綜合生產管理成本等，電源產品提供商長期經濟效益會更好，因而這種高新技術要求，對于市場驅動研發或者以技術贏取效益的電源產品供應商也很樂意接受，這樣，對買賣雙方都有利，從而會形成強大的市場推動力，未來的電源產品向全數字化控制技術發展的大趨勢就自然形成了。

　　基于的電源數字控制技術，涉及到電力電子、自動控制、數據處理、通信技術等多個學科，其技術難度自然不低，盡管已經可以從學術刊物和網絡媒體上搜尋到很多這方面的技術論文，其中不乏對電源控制技術原理分析得很透徹的文章，然而從技術成果向產品化、產業化的轉化過程中，其難度比其他行業的產品數字化過程有過之而無不及，這或許是真正意義上的全數字化電源從世紀之初提出概念，至今仍然沒有大規模應用的主要原因之一。筆者所在企業為國內著名的高新科技上市公司，主要業務為通信設備產品，其中的一條通信用電源產品線，以研制生產通信用組合電源、通信用不間斷電源等產品，行銷國內外年產值達幾十億元，產品研發投人很大，經歷了高頻開關電源發展的整個過程，積累了很多關鍵技術和獨特的技術，近年來為推動數字化電源技術的發展做了很多努力，從電源監控數字化到電源控制全數字化都進行了深人研究，品嘗了產品開發過程中的酸甜苦辣，也從中獲得了很好的經濟效益。本文基于的電源數字控制技術在通信電源和不間斷電源方面的產品化研究過程，簡略介紹全數字電源產品化所要解決的部分非原理性技術問題，從中即可窺見技術成果產品化實踐的一斑。

　　要原因之一。筆者所在企業為國內著名的高新科技上市公司，主要業務為通信設備產品，其中的一條通信用電源產品線，以研制生產通信用組合電源、通信用不間斷電源等產品，行銷國內外年產值達幾十億元，產品研發投人很大，經歷了高頻開關電源發展的整個過程，積累了很多關鍵技術和獨特的技術，近年來為推動數字化電源技術的發展做了很多努力，從電源監控數字化到電源控制全數字化都進行了深人研究，品嘗了產品開發過程中的酸甜苦辣，也從中獲得了很好的經濟效益。本文基于的電源數字控制技術在通信電源和不間斷電源方面的產品化研究過程，簡略介紹全數字電源產品化所要解決的部分非原理性技術問題，從中即可窺見技術成果產品化實踐的一斑。

　　3 產品化實例分析

　　3.1 通信電源

　　通信用組合電源的重要組成部分是整流器模塊，作為功率變換的主體，整流器模塊的作用是輸人來自電網的正弦交流電，通過整流變換為低壓直流電輸出，目前通信行業內對電源的要求比較高，制定有嚴格的人網標準，諸如變換效率、輸人電流諧波含量、輸人功率因數、輸出電壓紋波、輸出電壓穩定度、輸出動態響應等性能指標等都是用戶高度重視的基本參數，因此普通的整流和變換方式難以滿足，需要采用功率因數校正和電磁兼容性設計等措施，這樣就提出了很多技術性課題，圖1示出了三相無中線輸人兩級電路結構的整流器設計技術。

　　對于全數字化的通信電源整流器模塊，產品化過程中需要解決的包含但不限于上述技術課題，由于其控制已經實現了大部分信號采集并且數字化，在監控通信的部件設計中可以省去一些信號采集的電路，與控制所需的信息共享。

　　3.2 不間斷電源

　　不間斷供電電源在國內外都具有非常廣闊的市場，尤其是雙變換在線式，其良好的輸人輸出性能更是廣受用戶青睞，占據著大部分市場，而且其比例還在繼續擴大。在線式的重要組成部分是整流部件和逆變部件，兩個部件作為功率變換的主體，整流部件的作用是輸人來自電網的正弦交流電，通過整流變換為高壓直流電，然后再由逆變部件完成高壓直流變換為穩定的交流電輸出。

　　同樣，通信行業內對的性能要求比較高，制定有嚴格的人網標準，諸如變換效率、輸人電流諧波含量、輸人功率因數、輸出電壓諧波含量、輸出電壓穩壓精度、輸出電壓動態響應等性能指標等都是用戶高度重視的基本需求，因此普通的整流和變換方式也難以滿足，需要采用、逆變和設計等措施，這樣又提出了很多新的技術性課題。

　　對于不間斷電源產品化所需要的技術，相對于整流器而言，大多可看作大功率電源，其技術組成結構有所不同，從圖所示技術結構圖中可以看到，與整流器模塊相比，多了一個“旁路控制”部件，還有一個“變換”部件取代了整流器的“以以二變換部件”，實際上就是“一變換部件”。在逆變控制方面的技術難度也比整流器的控制要大得多，圖2所示為分布式旁路三相輸人三相輸出的正弦波在線式或模塊設計技術結構。

　　4 數字控制技術成果產品化要點

　　4.1 技術開發要求

　　上面所列一些技術條目在實際產品研制中可能存在重合或交叉，有關“功率因數校正功能控制算法”、“‘高效率軟開關控制算法”和“輸出電壓高精度穩壓控制算法”等這些方面的技術課題在很多高等院校得到了比較深人的研究，一般來說原理上基本不存在問題，也是電源數字化技術的重點，只是需要進行實踐驗證，而在技術走向產品化過程中，由于實際的電路實現和輸人輸出環境并不是理想的模型理論仿真的結果與產品化的情況往往存在偏差甚至是比較大的差別，總是需要引人很多工程思想來處理解決，比如“信號采集修正設計技術”、“輸人電壓不平衡時的控制技術”、“輸出直流電壓中點平衡控制技術”、輸人輸出是否有中線、輸入輸出異常情況的快速保護，以及各種邏輯功能實現等等，這些非純原理性技術問題的解決在產品研制過程中，總是要在一些基礎技術上進行多層次綜合應用開發，而且需要根據產品的業務需求進行設計和不斷的補充完善，按照傳統的瀑布式開發模型，這往往需要更多的研發資源投人，耗費更長的研發時間。

　　4.2 產品化過程管理參考

　　數字化的大功率電源產品研制過程，其資源投人大是不言而喻的，但由于其研制過程中，軟件開發所占的比重相對小功率的數字電源更大，而且主要是嵌人式軟件的開發，其中一部分與硬件的相關性很大，但除去這些與電路拓撲有關的技術和算法部分而外，軟件開發更容易實現模塊化，有很多工作是可逐步積累的，可在不同硬件平臺上移植，一部分經過驗證成熟的模塊在不同的產品中可以實現共享，提升企業核心技術競爭能力。而用戶功能需求的實現對于軟件開發而言，完全可以遵循軟件通常的開發模式，比如增量式模型和迭代式模型等均可以采用。

　　通用的軟件研發過程管理工具以及軟件開發、測試驗證工具和方法都可以得到應用，軟件研發過程能力成熟度提升，也將提升產品研發過程能力成熟度，產品的質量將穩步提升，通過過程能力的改進和提升同時可以弱化產品質量對少數研發人員個人能力的依賴，通過項目管理，產品所需的每一部分技術都可以更加專業化能力水平提升更快。通過團隊運作，其技術能力水平將決定于團隊的總體能力如果團隊運作比較成功，團隊總體能力可以達到或超越隊員的最高水平，這樣一來，最終產品研發能力在各個方面都可做到盡可能地優良，最終產品研發質量自然就好。實際上這種團隊運作的管理在很多企業里都有相對成熟的模型，通用型團隊管理模式同樣適用，可以參考借鑒。

　　5 結語

　　通過對關鍵技術的獨立預研，將耗費時間比較長、影響產品性能且技術風險較大的研發工作集中優勢資源進行項目開發，打好基礎，掌握核心技術，形成技術平臺。將一般性的綜合應用技術和功能實現作為系列產品優化改進項目開發，然后根據市場需求狀況選擇合適的時機進行整合，經過這樣的產品化過程，才能研制成功功能豐富、性能優良、工藝技術精湛、可靠性高、使用維護方便、經濟性好、用戶樂于接受的暢銷產品。