电源并联技术综述

专家论坛

＋

－

电源并联技术综述

王悦，陈志彬

（鞍山科技大学，辽宁鞍山

１１４０４４

）

摘要：多模块并联开关电源能较灵活地实现对电源系统容量的扩展，为了增加整个电源系统

的可靠性，可以用多个电源模块组成并联冗余系统。文中对目前采用的

ＤＣ－ＤＣ

及逆变器并联技术的

现有方法、发展现状及趋势进行了综述。

关键词：

ＤＣ－ＤＣ

逆变器并联并联控制均流

通常，电源模块并联比单个大功率电源集中式供电

更具优势。标准化模块并联方法已经广泛应用于分布式

电源系统。并联供电系统的理想特性是单个模块稳定均

分负载电流。并联模块因为控制参数不同而不同。如果

没有特殊的均流措施

，一个或多个模块有可能过载而引

起某个器件的热应力过大，从而降低系统的稳定性。为

了获得并联电源的理想特性，目前已经提出一系列不同

并联方式和均流方法。成功的选择一个并联方案需要对

这些方法的优缺点有很深的了解。在选择并联方案时必

须考虑复杂性、费用、模块化等。各模块的交互作用应该

在设计和系统综合中被考虑以保证系统的稳定性、可靠

性和动态性能。本文针对

ＤＣ－ＤＣ

以及逆变器并联的均

流方案进行论述。

１．３

按电流自动均流法

［４］

这种方法无需外加均流控制器

，

并联的各个模块间

仅通过一个公共的均流母线

ＳＣＢ

联系。其原理完全是

建立在一个数学模拟电路———平均值电路的基础上实

现的

［３］

。工作示意图如图

１

。

这种方法的缺点是当开关电源处于限流状态时，会

使均流线平均电流降低，开关电源的输出电压将被调至

下限值。当某一开关电源失效时，平均电流值降至更低，

其余开关电源输出电流会同时减少，导致整个开关电源

系统不能正常工作。

１．４

外加控制器法

这种方法需要特殊的均流控制器，比较所有模块的

电流，调节相应的反馈信号以实现均流。图

２

为有均流

控制器时一台电源模块的系统。图中

Ｖ

Ｃ

反映了模块的

输出电流，误差电压

Ｖ

ｅ

综合了

ＳＣ

输出电压

Ｖ

Ｃ

，反馈电

压信号

Ｖ

ｆ

以及基准（参数）电压

Ｖ

ｒ

，各均流控制器联接

在公共母线

ＳＣＢ

上。

１ＤＣ－ＤＣ

并联均流方法

并联均流的基本方法有输出电压调整法、主从电源

控制法和按电流自动均流法等

［１］

。

１．１

输出电压调节法

［２］

在并联的电源系统中，每个模块按外特性和各模块

的电压参数值均分总负载电流。实际上是调节模块外特

性的负斜率的一种方法，利用电流反馈调整各模块的输

这

出阻抗

，进而调整各模块输出电压，使之尽可能相近。

种方法简单，属于开环控制，其缺点是调整精度差，每个

模块必须个别调整，对于不同额定功率的模块并联运行

时，难以实现均流，而且模块间可能有电流不平衡现象。

Ｖ

ｆ

１．５

按热应力自动均流

美国

Ｌａｍｂｄａ

电子公司建议一种按热应力（而不仅

功率级

－

＋

Ｖ′

ｒ

电压放大

Ｖ

ｅ

电流

放大

ａ

Ｖ

Ｉ

ｂ

１．２

主从电源法

［２］

主从法是在并联的若干个电源模块中，一个作为主

电源模块，而其余作为从模块跟随主模块工作。在电流

型控制中误差电压与负载电流成比例，主模块误差电压

设定了整个系统的误差电压，通过各自的电流反馈控

缺点是：主从间

制

，使所有的模块分担相同的负载电流。

通讯联系使连线复杂；如果主模块失效，整个电源系统

不能工作，因而这种方法不适用于冗余系统；电压环带

宽大，易受噪声干扰。

Ｖ

ｒ

＋

＋

Ｖ

ｅ

均流控制器

均

流

母

线

图

１

平均电流法自动均流示意图

ＤＣ－ＤＣ

Ｖ

ｆ

ＰＷＭ

Ｖ

ｅ

＋

－Ｖ

Ｃ

Ｖ

ｒ

图

２

有均流控制器的电源模块原理图

Ｖ

Ｉ

ＳＣ

均

流

母

线

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１

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Ｉ

ＤＣ－ＤＣ

Ｖ

Ｉ

电流放大

从而实现均流，精度可达

２．５％

。

在文献

［５］

中介绍了

ＵＣ３９０７

与

ＳＧ３５２４

Ｒ

５

Ｒ

６

－

ａ

Ｒ

４

＋

Ｒ

７

－

＋

电压放大

结合的

ＰＷＭ

变换器并联均流系统。

Ｖ

ｅ

２

并联逆变技术

二十世纪

８０

年代国外开始研究

ＤＣ／

Ｒ

１

平

均

母

线

Ｖ

ｂ

Ｒ

３

ＤＣ

变换器并联运行技术，现已取得实质

ｂ

Ｒ

２

性的成果，而新的均流技术、系统稳定性等方面的研究

仍在不断深入。同主电路和控制电路的研究发展过程一

样，逆变器并联运行技术的研究也是在借鉴

ＤＣ／ＤＣ

并

联技术的基础上不断深入。但由于是正弦输出

，其并联

图

３

应力法均流原理图

运行远比直流电源困难，首先要解决三个问题：

（

１

）两台或多台投入运行时，相互间及与系统的频

率、相位幅度必须达到一致或小于容许误差时才能投

入，否则可能给电网造成强烈冲击或输出失真。而且并

联工作过程中

，各逆变器也必须保持输出一致，否则，频

率微弱差异和积累将赞成并联系统输出幅度的周期性

变化和波形畸变；相位不同使输出幅度不稳。

（

２

）功率的分配包括有功和无功功率的平均分配，

即均流包括有功和无功均流。直流电源的均流技术不能

直接采用。

（

３

）故障保护。除单机内部故障保护外，当均流或同

步异常时，也要将相应逆变器模块切除。必要时还要实

现不中断转换。

目前

，实现逆变器并联运行的几类典型方法有：

仅是按电流值）的自动均流技术，以下简称应力法，已成

功地应用于该公司的

Ｐ

系列

ＺＶＳ

开关变换器中。

图

３

给出一台模块电源的应力法均流控制示意图，

直流电流检测、放大后得到一个低带宽电压

Ｖ

Ｉ

＝ＫＩＴ

ａ

，

Ｋ

与

ａ

为常数，

Ｔ

与变换器运行温度成正比，

Ｉ

为平均输出

电流。因此

，每个模块的电流和温度（热应力）决定了均

流的程度。

Ｖｃ

加到由

Ｒ

１

－Ｒ

４

组成的电阻电桥输入端，桥

的输出接放大器，

Ｒ

１

和

Ｒ

２

形成加法器，在

ｂ

点产生

ｎ

台

模块的平均电压

Ｖ

ｂ

＝

（

Ｖ

ｃ１

＋Ｖ

ｃ２

＋

…

＋Ｖ

ｃｎ

）

／ｎ

，

ｂ

点接到均流

母线

ＳＣＢ

。

Ｖ

Ｉ

通过

Ｒ

３

、

Ｒ

４

分压得到

Ｖ

ａ

，

Ｖ

ａ

反映了电源的

ＩＴａ

值，

Ｖ

ａ

与

Ｖ

ｂ

比较，若

Ｖ

ａ

﹤

Ｖ

ｂ

，则

Ｒ

５

中电流增大，使该

模块的输出电压上升，输出更多电流，使

Ｖ

ａ

接近于

Ｖ

ｂ

，

Ｒ５

也限制了偏离母线电压

Ｖ

ｂ

的最大偏差。

并联电源系统中各模块在电源柜中的位置不同，对

流情况和散热条件不同

，造成有的模块温度高，有的模

块温度低，按热应力的均流技术可在设计时不必考虑模

块的布置，此外，

Ｌａｍｂｄａ

公司认为，由于这种技术中回

路频带窄，对噪声不敏感，设计时也无需考虑电源对噪

声的屏蔽。

２．１

自整步法

［６］

并联系统中各模块是等价的，没有专门的控制模

!

ｏｄ

均流线实现同步和均流，源于航空块。通过模块间的

Ｉ

恒速恒频（

ＣＳＣＦ

）电源的自整步并联技术。其基本原理

如图

４

。

逆变器输出端通常接

ＬＣ

滤波器，二通道并联时差

模阻抗

Ｚ

１

－Ｚ

２

只包含输出滤波电感

Ｌ

ｆ

，而输出滤波电容

１．６

均流调节器集成电路

ＵＣ３９０７

［４］

美国

ＵｎｉｔｒｏｄｅＩＣ

公司

１９９３

年开发了

ＵＣ３９０７

，一种

便于多个独立电源模块并联用的均流调节器集成电路。

可用以控制并联电源的输出电压

，并在电源模块间均匀

分配负载电流。

!

ｏ１

、

!

ｏ２

存

Ｕ

Ｃ

ｆ

归入负载阻抗

Ｚ

Ｌ

中。当二模块的输出电压

Ｕ

!

ｏｄ

时，其幅度偏差

Ｕ

!

ｏｄｍ

与

Ｕ

!

ｏ１

、

!

ｏ２

基本同相，在偏差电压

ＵＵ

!

ｏｄｐ

超前

Ｕ

!

ｏ１

、

!

ｏ２

、

!

ｏ１

、

!

ｏ２

的幅值偏相位偏差

Ｕ

约

９０°

。减小

ＵＵＵ

!

ｏｄ

（＝Ｕ

!

ｏｄｍ

－

Ｕ

!

ｏｄｐ

）

，从而减

差和相位偏差将会减小偏差电压

Ｕ

!

ｏｄ

（＝

Ｉ

!

ｏｄｍ

－

Ｉ

!

ｏｄｐ

）

。

Ｕ

!

ｏｄｍ

引起的偏差电流

Ｉ

!

ｏｄｍ

滞后偏差小环流

Ｉ

!

ｏｄｐ

引起的偏差电压

Ｉ

!

ｏｄｐ

滞后

Ｕ

!

ｏｄｐ

９０°

!

ｏ１

、

!

ｏ２

基电压

９０°

；

Ｕ

，与

Ｕ

Ｕ

ＵＣ３９０７

集成电路由电压环与电流环组成，电压环中

包含高阻抗、全差动电压放大器，接地放大器和驱动放

大器；电流环中包含低损耗、固定增益电流放大器，缓冲

放大器

，调整放大器和状态指示器。

ＵＣ３９０７

芯片使多个并联在一起的电

源模块分别承担负载电流的一部分，并

且所承担的负载电流大小相等。通过检

测每个模块的电流

，电流均流母线确定

哪个并联模块的输出电流最高，并把它

定为主模块，再根据主模块的电流调节

其他模块的输出电流，使并联运行的电

源模块单元工作在所设定的电流值上，

（ａ）（ｂ）

Ｚ

Ｌ

!

ｏ１

Ｕ

Ｚ

１

!

ｏｄ

Ｉ

Ｚ

２

!

ｏ２

Ｕ

!

ｏ１

Ｕ

!

ｏ２

Ｕ

!

ｏｄｐ

Ｕ

!

ｏｄｐ

Ｉ

!

ｏ１

Ｕ

!

ｏ２

Ｕ

!

ｏｄｍ

Ｉ

（ｃ）

!

ｏｄｍ

Ｕ

图

４

二模块逆变器并联的简化电路及其输出电压电流相量

２

欢迎网上投稿

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本同相。因此，对幅值偏差的控制可以通过对偏差电流

无功分量的控制来实现，使二通道无功功率趋于均衡；

对相位偏差的控制，可以通过对偏差电流有功分量的控

制来实现

，使二者趋于均衡；对相位偏差的控制，可以通

过对偏差电流有功分量的控制来实现，使二通道通过有

功功率趋于均衡。

偏差电流检测电路如图

５

所示，设逆变器模块

１

、

２

Ｕ

ｏｉ

＝Ｕ

ｏｉ０

－ｋ

２ｉ

Ｑ

ｏｉ

（３ｂ）

ωＵ

ｏｉ

分别为输出电压空载时的角频率、有效值，

ｏｉ

、

ｋ

１ｉ

、

ｋ

２ｉ

分别为

ωＵ

ｏｉ

的下降斜率。下垂特性使各逆变器

ｏｉ

、

模块的功率流受控，系统的频率和电压降落到新工作

点，该点环流最小。

非线性负载时，视在功率

Ｓ

的表达式中又增加了一

项谐波电流引起的失真功率

Ｄ

，即

：

!

１

、

!

２

，检测电阻

Ｒ

ｓ１

、中电流互感器二次侧电流分别为

ＩＩ

Ｒ

ｓ２

中的电流分别为

Ｉ

Ｒｓ１

、

Ｉ

Ｒｓ２

，则电流检测闭合环路满足

：

Ｓ

２

＝Ｐ

２

＋Ｑ

２

＋Ｄ

２

与基波无功功率不同，只调整逆变器输出电压的基

波分量不会影响失真功率，解决这一问题的方法之一是

依照失真功率的函数调整电压环增益，使电压环的增益

和带宽随谐波分量而降低

，从而得到所需的输出阻抗特

性。借此降低电压分量，改善各模块对谐波电流的均流。

这一方案的关键环节是功率的计算单元。算法必须

能处理线性和非线性两种负载情况。算法所需信息源于

电感电流和输出电压

，其基本思路是将电感电流谐波分

解，然后以输出电压与之相乘，从而得到各个功率分量。

该方案的优点是各模块仅在负载端相连，方便现场

!

ｏ２

Ｕ

!

Ｒｓ１

Ｒ

ｓ１

＋

Ｉ

!

Ｒｓ２

Ｒ

ｓ２

＝（Ｉ

!

１

－

Ｉ

!

Ａ

）Ｒ

ｓ１

＋（Ｉ

!

２

－

Ｉ

!

Ａ

）Ｒ

ｓ２

＝０

Ｉ

若

Ｒ

ｓ１

＝Ｒ

ｓ２

，则

!

Ａ

＝（Ｉ

!

１

－

Ｉ

!

２

）／２

Ｉ

Ｒ

ｓ１

!

Ｒｓ１

Ｉ

!

Ａ

Ｉ

Ｔ

１

Ｔ

２

!

Ｒｓ２

Ｉ

Ｒ

ｓ２

（１）

（２）

!

１

Ｉ

Ｚ

１

!

ｏ１

Ｕ

!

２

Ｉ

Ｚ

２

Ｚ

Ｌ

组成并联系统，特别适合于分布式并联系统。缺点是下

垂特性赞成系统的频率和电压随负载而变，偏离理想工

作点

，均流效果不够理想。特别是动态过程或带非线性

图

５

偏差电流检测电路

负载时，算法实现较复杂。

!

Ａ

体现了负载电流平均值，

Ｉ

!

Ｒｓ１

、

!

Ｒｓ２

体现式

（２）

表明，

ＩＩ

了电流偏差

，将其分离成无功分量与有功分量，并分别

用来调节电压幅值和相位，从而实现无功功率和有功功

率的均衡，如图

６

。

自整步法常适用于开环控制的低频调制逆变器，电

流检测、分离和控制电路复杂，调节时间长、精度低。

２．３

同步开关控制法

［７］

该方法由一个外部控制器和

Ｎ

个具有相同额定输

出功率的逆变器模块构成

，是一种较简单的集中控制并

外部控制器检测输出电压，联方法，没有设置均流电路。

产生

ＰＷＭ

开关控制信号，控制各模块的功率开关同时

进行状态转换。

并联逆变器同步开关控制法具有如下特点：（

１

）每

个逆变器模块无法脱离外部控制器而独立工作

，系统的

冗余性和模块通用性较差；

（２）

对逆变器模块的参数一

致性要求较高，模块输出阻抗的不一致性引起的负载不

平衡现象无法克服，均流精度差；

（３）

逆变器模块间的通

信信号线多

，增加了控制电路的故障。

２．２

外特性下垂法

［６］［７］

出发点类似于直流输出变换器并联均流的下垂法。

模块间没有控制信号连线。它仅以本模块有功功率、无

功功率和失真功率为控制变量，从而使各模块独立工

作。各模块有自己的控制电路，之间唯一的连接是各模

块交流并联功率输出线。均流靠模块内部输出频率、电

压和谐波电压分别输出的有功功率、无功功率和失真功

率呈下垂特性

，从而实现同步和均流。

各逆变器的下垂特性为

：

２．４

主从模块法

［７］

主从式并联逆变器系统由一个电压控制

ＰＷＭ

逆变

器主模块、数个电流控制

ＰＷＭ

逆变器从模块和一个功

率分配中心组成。主模块保证系统输出的正弦电压幅

值、频率稳定

，从模块输出的电流跟随参考电流的变化

至电流

检测环

ω

ｏｉ

＝ω

ｏｉ０

－ｋ

１ｉ

Ｐ

ｏｉ

电压

电压

幅值

相位

基准

基准

有功分量

相角调节器

（３ａ）

来实现负载均分，功率分配中

心检测负载电流，并分配每个

从模块的参考电流。

主从模块法并联系统具有

如下特点

：

（１）

电压控制

ＰＷＭ

逆

变器模块、电流控制

ＰＷＭ

逆变

器模块均有独立的控制环，系

统稳定性好

，易于容量扩展，均

Ｚ

１

频率控制

Ｔ

１

至负载总线

!

ｏ１

Ｕ

无功分量

至其他模块

图

６

自整步并联逆变系统控制框图

电压调节器

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３

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流效果好；

（２）

电压控制

ＰＷＭ

逆变器、电流控制

ＰＷＭ

逆变

器和功率分配中心是不同性质的模块单元，构成复杂，主

模块一旦失效

，从模块无法工作，系统没有实现冗余，可

靠性低。

（３）

各模块间相互的连接线会引入噪声干扰。

基于“民主”主从模块法的

Ｎ

个逆变器模块并联系

统通过硬件开关选择或软件设置，将任一逆变器模块设

置为主模块

１

并控制其输出电压，电压环的输出即为所

有模块电流给定信号，从模块从

２－Ｎ

自身的电压环不

再起作用。当主模块故障时，任一从模块上升为主模块。

这种主从模块法可实现并联系统的冗余，实现系统的模

块化

，提高了系统的可靠性，但模块间仍有通信连线。

在并联逆控制中的应用。这些都表明并联逆变技术正朝

着高功率、高变换效率、大容量、高可靠性、无污染、智

能化的方向发展。目前国外已经公开发表了很多控制器

用单片

ＦＰＧＡ

或

ＣＰＬＤ

集成方面的文章，国内对这种技

术的研究也在不断深入，但毋庸置疑，这也将是今后并

联逆变技术的一个发展方向。

参考文献

１

朱金芳

．

并联均流技术在通信开关电源中的应用

．

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技学院学报，

２００５

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２

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．

小功率开关电源并联使用均流技术

．

电子

技术与应用，

２００２

；

（２）：３１～３３

２．５

平均值电流控制法

［８］

该系统中，同步的各逆变器模块的基准电压信号的

平均值作为各模块电压外环的给定，各模块电压反馈信

号的平均值作为各模块电压外环的反馈信号，各模块电

压调节器输出的平均值作为各模块电流内环的给定

，各

模块输出滤波电感电流作为电流反馈信号。由于各模块

输出滤波电感电流均跟踪给定电流的变化，所以可以实

现各模块输出均流。

平均值电流控制法与主从模块法均属于电流跟踪

控制法。平均值电流控制法具有如下特点

：（

１

）电压基

准、电压反馈、电流基准均为各并联模块相应信号的平

均值，并联系统的动态和静态性能不比单模块性能差；

（

２

）不需附加额外的并联控制模块；（

３

）模块间的模拟

信号线较多

，易受干扰，不适用于远距离通信；（

４

）并联

控制电路复杂，可靠性较低。

３

李士庆

．

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．

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ＡＣＤＣ

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科技通报

，２００５；２１（３）：３０２～３０５

１０

赵珂

．

模糊控制理论在自动均流技术中的应用

．

电力电

子技术

．２００５；３９（４）：１１５～１１７

３

并联逆变技术的发展趋势

随着智能化技术、模糊控制理论、

ＥＤＡ

技术的出现

及不断发展日渐成熟，各种新的并联逆变控制技术不断

被提出，并付诸研究实践。在文献

［９］

中提出了数字式逆

变器并联智能化均流，文献

［１０］

中提出了模糊控制理论

实现自动均流的应用技术

，文献

［１１］

中提出了

ＤＳＰ

技术

１１

秦娟英

．

逆变器并联控制及

ＤＳＰ

应用

．

电气传动

．２００５；３５

３１

（６）：２９

～

１２ＳｈｉｇｕｏＬｕｏ．ＡＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＰａｒａｌｌｅｌｉｎｇ

ＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＭｏｄｕｌｅｓ：ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ

ＯＮＰＯＷＥＲＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，ＶＯＬ１９，ＰＰ９０１－９０８，ＭＡＹ１９９９

（收稿日期：

２００６－０３－２４

）

!

!

!

!

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!

!

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!

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——面向新型

６５ＮＭＶＩＲＴＥＸ－５ＦＰＧＡＸＩＬＩＮＸ

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ＩＳＥ８．２ｉ

—

系列的完整逻辑设计解决方案

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（ＮＡＳＤＡＱ：ＸＬＮＸ）

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（ＩＳＥ

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２００６

年

７

月

５

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器件的性

能和功耗优势。

满足时间预算的能力是当今设计者们面临的头号生产率问题。随着

ＶｉｒｔｅｘＦＰＧＡ

越来越多地出现在复杂

系统的核心，设计工具帮助设计者实现积极的性能目标并减少设计周期的时间。借助

ＩＳＥ８．２ｉ

实现支持新型

交互式时序收敛环境，

Ｖｉｒｔｅｘ－５

系列的高级特性和性能可以得到快速和高效地利用。

Ｍｅｒｃｕｒｙ

公司已经在使用

ＩＳＥ８．２ｉ

的试用版本为赛灵思

Ｖｉｒｔｅｘ－５

器件芯片创建位流。虽然是试用版本，但

也已证明具有较高的质量。新工具利用

Ｖｉｒｔｅｘ－５

硬件特性来提高

ＦＰＧＡ

编程者的生产率，以较少的努力获得

高性能。欢迎访问：

ｗｗｗ．ｘｉｌｉｎｘ．ｃｏｍ／ｃｎ

（赛灵思公司供稿）

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４

欢迎网上投稿

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《电子技术应用》

２００６

年第

８

期