研发超音频宽带正弦波电源的历史意义-电力电子网

许多连续的周期性运动形式，都是按正弦规律变化的，如车轮滚动时任意点的运动轨迹、单摆及弦振动、汽缸内活塞的往复运动和压电陶瓷材料的长度变化等等，电工学也不例外。

能量转换的形式极为重要，其内容将涉及执行程序和辅助功能，二者的融会贯通成为系统的核心，能量通过转换将发生质的变化。内燃机将燃料能转换成扭矩后传送于水泵（负载），二者再加上执行程序及辅助功能和附件后，从而生成了抽水机；当负载换成了陆上行走装置时则变成了汽车。倘使汽油和发动机换成食物、牲口或人力的话，将以别样的风光走上节省能源之路。由于应用领域的不同，负载特征差异极大，于是拓展了将一种能源转换为另一种能源的过程形式，典型的事例为将燃料能转换为电能的发电机组，由燃料能转换为动能（锅炉）；又由动能转换为扭矩（汽轮机）；再有扭矩通过发电机最终转换为电能的发电厂仅仅完成了能量转换。频率为 50Hz 的交流市电业已成为标准，各类用电器具的匹配都趋向这一标准，从而形成为产业和后续的产业链。缘于输电工程和用电单元的需求，电力变压器承担了改变电源电压为目的的能量转换。当应用需要改变电源频率时，电动机与发电机的组合能够完成能量转换，当又需要更高的应用频率时，普通发电机由于受制于物体机械运动速度而无法实现，能量转换的内容和形式必将发生变化。显然，因为负载必须匹配能量源及转换环节，又因为同时必须配合执行程序及辅助功能和附件。所以，忽略整体构造和分散结构的差异，一般说来这一推理无疑是合乎逻辑的。当然，狭义的理解则为简单或复杂化。

在交流传动场合，多数负载需要输入的是正弦波电流，由于高频率应用领域的需求，同时随着电力电子技术和功率半导体器件的迅速发展，通过对静态变流器技术的研究，在能量转换过程中，超音频正弦波输出和能够连续变频的电源将能够实现。

电工学认为，周期性的非正弦波交流是直流、正弦波和余弦波等分量的集合，或者是非正弦波可以分解为相位差和频率不同的正弦波以及直流分量。因此在工程应用中，严格的说，任何正弦波均可理解为畸变波向正弦波的逼近。

由于正弦交流电源是典型的模拟量，而功率半导体器件工作于模拟状态时，影响转换效率的器件内阻损耗剧增，于是，用开关量取代模拟量成为必由之路，并归结为脉冲电路的运行过程，同时也体现了设计或构思的目的与手段。

能够得以实施的形式就其输出波形的基本结构分为调幅波和调宽波及其组合。

脉冲幅值调制法（ Pulse Amplitude Modulation 简称 PAM ）的基本概念是利用多个相同但输出电压幅值不同的方波（矩形波）逆变器，使其依次错开给定的相位角，然后做相当于正弦函数值的幅值叠加，形成面积等效于正弦波的阶梯形正弦化电流输出，连续的阶梯或电平数越多则输出波形的精度就越高。因为幅值的改变通常都依赖于变压器或阻抗变换器，而高频率电感元件的匝数极少，不是线性的正弦函数的运算结果必然会出现分数匝，由于很难处理分数匝数而不被普遍采用。

始于 1975 年推广应用的正弦波脉宽调制（ Sinusoidal pulse Width Modulation 简称 SPWM ）技术是一种基于面积等效理念的能量转换形式，其原理十分简单而且直观。通过 30 多年的努力，成为一门新兴并蓬勃发展的电力电子技术，并越来越多的与其他科学领域相互交叉和渗透，且朝着高性能、高效率、大容量、低污染和模块化的方向迈进。

正弦脉宽调制法（ SPWM ）的基本概念是将每一正弦周期内的多个脉冲作自然或规则的宽度调制，使其依次调制出相当于正弦函数值的相位角和面积等效于正弦波的脉冲序列，形成等幅不等宽的正弦化电流输出。其中每周基波（正弦调制波）与所含调制输出的脉冲总数之比即为载波比，理论上载波比越大输出精度也越高，但过大的载波比也意味着极高的开关频率，在高频率应用场合会带来很大的开关损耗，甚至没有器件可供选择，所以，载波比必须作首要的权衡。

然而，由于 SPWM 控制中载波比的存在，使其难以提高正弦量输出的频率值，又由于非线性造成大占空比这一问题，功率器件的频率特征则相当于在更高的频率环境中运行，必须降额使用，因而也限制了系统频率的提高，所以，控制方法相应不易取得理性的进步，故单纯型单脉冲方波交流逆变电源仍为目前应用主流。

单纯型方波交流电源的应用效果是不理想的，例如交流电动机内部工作于圆形旋转磁场，当输入方波交流电流时，其效率将降低 5% ～ 7%, 功率因数下降 8% 左右，而电流却增加了 10% ，并导致发热量提高，噪声增大和对环境及电网产生干扰或污染。由于方波电源与正弦理论计算值误差偏移很大，低次谐波含量造成的电磁干扰（ EMI ）污染环境及电网，对负载和器件的冲击影响可靠性和寿命，更不利于改善系统性能。尤其在大容量场合，其弊端则有增无减。

超音频正弦应用在节能和环保方面具有很大优势，其效率能提臻至 95% 左右，特别是当负载工作于谐振状态时，谐振条件易于建立，谐振频率必将落在理论计算值的左右近旁。应用于电磁感应加热如热水器、开水炉、灶具、电锅炉、淬火及退火设备、石油输送管道的无明火加热及炼钢电炉之类的高能耗企业的经济和社会效益十分显著。由于 SPWM 波具有多脉冲结构的属性，输出正弦量的谐波含量相对较少，由此造成的公害也相应减少。

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超音频正弦应用在改善系统性能和节约原材料消耗方面也具特色，如方波交流电流输入于脆性的压电陶瓷材料作点频激振时，其冲击作用非但易使材料开裂，同时也影响正常使用寿命和可靠性，而且更大功率的用途也受到限制。尤其在高频应用的特殊条件下，贮能和滤波元件的容量都将大副减少，电感元件的体积、重量和导电材料的消耗也同时降低，对节约资源、提高生产效率和降低成本方面也都大有帮助，对于器件和负载的冲击也变得柔和。又如船用声纳电源，据悉目前世界各国的声纳频率都在 2.5kHz ～ 25kHz 之间，将方波电源换成正弦电源之后，除了提高可靠性外，既改善了性能又能增大输出功率，还能提高使用频率和实现变频及扫频形式的频率捷变，对探测技术的发展具有现实意义。

超音频正弦电源的跨学科应用也不可小觑，高频应用和综合应用有时能获得意想不到的特殊效果。当高频淬火的冷却介质配合施于机械超音频功率时，可减少工件内应力和微裂纹的产生，甚至可以实现低碳钢淬火；冷拔线材时给拉丝模具施于机械超声力后，能降低拉拔牵引力 40% 左右进而提高生产线速度数倍。

中小功率的超音频电源在机械及轻工方面也有着广泛的应用，例如机械加工的超声焊接、铆切与成形、精密切削及模具研磨和超声清洗等；化工医药方面能完成超声粉碎、分散、匀化、渗透、乳化、雾化、除垢及杀菌消毒功能；临床应用如激振碎石、肿瘤的聚焦烧蚀手术以及按摩美容保健理疗等；其他如塑料、轻纺、食品及农作物育种等用途也不胜枚举，甚至建筑行业的静音混凝土振捣和基础夯实也可能获得应用。

另外，方法论的确立必然得益于邻近领域的变革，将职能系统的局部功能移植至现有应用，同样有利于拓展其空间，例如单脉方波的高频端领域的研发等。

宽范围变频正弦波电源在科研和国防领域同样具有很大的潜力。由于这一应用频段在频谱的空白位置，所以，研究课题量将是极大的。

由于超音频宽频带正弦逆变电源使用效果有其特殊的属性，不易形成通用的电源标准，而在特定条件下的应用是必不可少的，尤其这一电源不仅是通常所说的电源管理，其中包含有 PWM 共地低压电源、 PWM 悬浮低压电源与负偏置低压电源和可调功率的能量供给高压电源，与负载匹配之后引入反馈环节和保护、调节等辅助功能，集合成的职能系统将能完成期望的各种不同的任务。

有别于仿真的工程实践涉及安全、成本、可靠性、稳定性及结构工艺性、一致性及质量控制等众多思考，因而，实验将是有针对性的。有人认为电力电子技术是二十一世纪仅次于计算机技术的研究课题之一，面对人类遭遇能源、资源和环境危机的同时，也将促进电力电子技术和功率器件的不断提高，超音频宽频带功率正弦波电源的开发拓宽了应用领域的范围而具有广阔的前景和深远意义。电源技术的升级有待各界致力。