現代電源技術(shù)發(fā)展綜述

電力電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門(mén)完整的、自成體系的高科技技術(shù)。電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)范疇。電力電子技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了電源技術(shù)的發(fā)展，而電源技術(shù)的發(fā)展又有效地促進(jìn)了電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。迄今為止，電源已成為非常重要的基礎科技和產(chǎn)業(yè)，并廣泛應用于各行業(yè)。其未來(lái)的發(fā)展趨勢為高頻、高效、低壓、大電流化和多元化。本文論述了現代電源技術(shù)電力電子的發(fā)展和未來(lái)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢以及開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展及應用。

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是微電子技術(shù)的發(fā)展，電器設備的種類(lèi)越來(lái)越多，任何電器設備都離不開(kāi)電源，電源正發(fā)揮著(zhù)舉足輕重的作用，同時(shí)隨著(zhù)電源應用的普及，以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是一些先進(jìn)的儀器對電源提出了更新、更高的要求，使原來(lái)的電路技術(shù)特別是整流技術(shù)的效率大大下降而不再適用。因此，必須采用新的器件，研究新的電路。

近幾年來(lái)，隨著(zhù)微電子技術(shù)不斷改進(jìn)和發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也有了突破性的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源以其獨有的體積小、重量輕、效率高、輸出形式多樣化等特點(diǎn)，已被應用到與電有關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域。另外，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的應用成熟，使許多電子產(chǎn)品小型化和微型化變?yōu)榭赡?。所以開(kāi)關(guān)電源不僅成為各種電子設備的心臟，而且也成為了各種電子設備安全可靠運行的關(guān)鍵。

1.現代電源技術(shù)的發(fā)展概況

現代電源技術(shù)的發(fā)展方向，是從以低頻技術(shù)為主的傳統電源技術(shù)，向以高頻技術(shù)為主的現代電源技術(shù)方向轉變。電源技術(shù)始于上世紀的四十年代末五十年代初的硅整流器件，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代，并促進(jìn)了電源技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來(lái)的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高電壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統電源技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現代電源時(shí)代。

1.1整流器時(shí)代

大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供，但是大約20%——40%的電能是以直流形式消費的，其中最典型的是電解、牽引和直流傳動(dòng)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能有效的把工頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開(kāi)發(fā)與應用得以大力發(fā)展。但是，大功率整流器件也存在許多缺點(diǎn)，比如轉換效率低，體積龐大，散熱量大等。

1.2逆變器時(shí)代

七十年代，變頻技術(shù)因節能效果顯著(zhù)而迅速發(fā)展。變頻器的關(guān)鍵技術(shù)是：半導體器件的通斷作用，將工頻電源逆變?yōu)榱硪环N頻率的電能的控制裝置。在七十年代到八十年代，隨著(zhù)變頻調速裝置的普及，大功率電力電子器件成為當時(shí)電機調速的主角。這時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠實(shí)現整流和逆變，但工作頻率較低，使得設備的體積依然龐大，功率器件的損耗也較大，轉換效率不夠高，僅僅局限在中低頻率范圍內使用。

1.3變頻器時(shí)代

進(jìn)入八十年代，大規模和超大規模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，為電源技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎。MOSFET和IGBT的相繼問(wèn)世，是傳統的電力電子向現代電力電子轉變的標志。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展，為用電設備的高效、節能，實(shí)現小型化，機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎。

2.現代電源技術(shù)的發(fā)展概況

現代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，是從以低頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的傳統電力電子學(xué)，向以高頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的現代電力電子學(xué)方向轉變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代，并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來(lái)的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現代電力電子時(shí)代。

2.1整流器時(shí)代

大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供，但是大約20%的電能是以直流形式消費的，其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車(chē)、電傳動(dòng)的內燃機車(chē)、地鐵機車(chē)、城市無(wú)軌電車(chē)等)和直流傳動(dòng)(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?。因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開(kāi)發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時(shí)國內曾經(jīng)掀起了一股各地大辦硅整流器廠(chǎng)的熱潮，目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠(chǎng)家就是那時(shí)的產(chǎn)物。

2.2逆變器時(shí)代

七十年代出現了世界范圍的能源危機，交流電機變頻調速因節能效果顯著(zhù)而迅速發(fā)展。變頻調速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?～100Hz的交流電。在七十年代到八十年代，隨著(zhù)變頻調速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)成為當時(shí)電力電子器件的主角。類(lèi)似的應用還包括高壓直流輸出，靜止式無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補償等。這時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠實(shí)現整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在中低頻范圍內。

2.3變頻器時(shí)代

進(jìn)入八十年代，大規模和超大規模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，為現代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術(shù)的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結合，出現了一批全新的全控型功率器件。首先是功率MOSFET的問(wèn)世，導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣門(mén)極雙極晶體管(IGBT)的出現，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來(lái)機遇。MOSFET和IGBT的相繼問(wèn)世，是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計，到1995年底，功率MOSFET和GTR在功率半導體器件市場(chǎng)上已達到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域已成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展，為用電設備的高效節材節能，實(shí)現小型輕量化，機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎。

3.電源技術(shù)的發(fā)展趨勢

現代電源起始于20世紀50年代末60年代初的硅整流技術(shù)，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流時(shí)代、逆變時(shí)代和變頻時(shí)代，推動(dòng)了電源技術(shù)在許多新興領(lǐng)域的應用。20世紀80年代末期和90年代初期發(fā)展起來(lái)的以功率MOSFET和IGBT為代表的集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統電源技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現代電源技術(shù)的新興時(shí)代。

(1)綠色化、小型化。

低功耗、低污染、低電流、高效率、高集成已成為現代電源技術(shù)的主流，電源技術(shù)的發(fā)展同時(shí)也依賴(lài)于電子元器件和集成電路的發(fā)展。

(2)模塊化、智能化。

電源技術(shù)模塊化包括功率單元模塊化和輸出單元模塊化。新型開(kāi)關(guān)電源將其功率開(kāi)關(guān)管和各種輸出保護模塊集成在一起，使開(kāi)關(guān)電源的體積進(jìn)一步縮小。輸出穩壓電路模塊化，使電源在實(shí)際應用中更加靈活、方便、智能。

(3)數字化、多元化。

隨著(zhù)數字技術(shù)的發(fā)展和成熟，現代電源更多地向數字化方向發(fā)展。采用數字技術(shù)可減小電源高頻諧波干擾和非線(xiàn)性失真，同時(shí)便于CPU數字化控制。

現代電源具備良好的EMC特性，自身產(chǎn)生的高頻諧波功率逐漸減小，降低了對環(huán)境的“污染”，同時(shí)增強了電源本身抗干擾性能。

4.開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展及應用

開(kāi)關(guān)電源是專(zhuān)指電力電子器件工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的直流電源。因此，開(kāi)關(guān)電源也常被稱(chēng)為高頻開(kāi)關(guān)電源，頻率一般可高達100KHz左右，內部功率損耗小，轉換效率高。在一些電子工業(yè)發(fā)達的國家，可以做到MHz以上，這便使得開(kāi)關(guān)轉換電源的效率得到大幅的提高。正由于開(kāi)關(guān)電源效率高、體積小、重量輕、性能好這些優(yōu)點(diǎn)，計算機、電視機、各種電子儀器的電源幾乎都已是開(kāi)關(guān)電源一統天下。

4.1開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展

開(kāi)關(guān)電源的前身是線(xiàn)性穩壓電源，各種電子裝置、許多電氣控制設備的工作電源都是直流電源。在開(kāi)關(guān)電源出現之前，這些裝置的工作電源都采用線(xiàn)性穩壓電源。由于計算機等電子裝置的集成度不斷增加，功能越來(lái)越強，它們的體積越來(lái)越小，迫切需要體積小、重量輕、效率高、性能好的新型電源，這就成了開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的強大動(dòng)力。

20世紀60末，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，高反壓、大電流的功率開(kāi)關(guān)晶體管的出現，使得采用高工作頻率的開(kāi)關(guān)電源得以問(wèn)世，那時(shí)確定的開(kāi)關(guān)電源基本機構一直沿用至今。開(kāi)關(guān)頻率的提高有助于開(kāi)關(guān)電源的體積減小、重量減輕。早期的開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率僅為KHz，隨著(zhù)電力MOS管的應用，開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)一步提高，使得電源體積更小，重量更輕，效率更進(jìn)一步提高。

由于和穩壓電源相比，開(kāi)關(guān)電源在絕大多數性能電源指標上都具有很大的優(yōu)勢。因此，目前除了對直流輸出電壓的紋波要求不高的場(chǎng)合以外，開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)全面取代了線(xiàn)性穩壓電源。作為電子裝置的供電電源，線(xiàn)性穩壓電源主要用于小功率范圍。因此，在20世紀80年代以前，作為線(xiàn)性穩壓電源的更新?lián)Q代產(chǎn)品，開(kāi)關(guān)電源也主要用于小功率的場(chǎng)合。那時(shí)，中、大功率直流電源仍以晶閘管相控整流電源為主。但是，20世紀80年代起，由于絕緣柵雙極型晶體管IGBT的出現，打破了這一格局。使得開(kāi)關(guān)電源的容量不斷增大，在許多中等容量的范圍內，迅速取代了線(xiàn)性電源，在通信領(lǐng)域，早期的48V基礎電源幾乎都是采用晶閘管相控電源，現在已逐步被開(kāi)關(guān)電源所取代。電力系統的操作用直流電源，以前也是采用晶閘管相控電源，目前開(kāi)關(guān)電源已成為其主流電源，開(kāi)關(guān)電源的應用范圍正在不斷擴大。

如前所訴，開(kāi)關(guān)頻率的提高可以使電源的體積減小、重量減輕，但卻使得開(kāi)關(guān)損耗增大，電源效率降低。另外，開(kāi)關(guān)電源頻率的提高也使得電源的電磁干擾問(wèn)題變得突出起來(lái)。為了解決這一問(wèn)題，20世紀80年代，出現了采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。在理想情況下，可使開(kāi)關(guān)損耗降為零，提高效率，同時(shí)也使電磁干擾大大減小，因而也有助于進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率，使得電源進(jìn)一步向體積小、重量輕、效率高的方向發(fā)展。

4.2開(kāi)關(guān)電源的應用

近年來(lái)，隨著(zhù)對開(kāi)關(guān)電源研究的不斷加深，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展迅猛，應用領(lǐng)域不斷擴大。20世紀80年代，國內高頻開(kāi)關(guān)電源，只在及少數設備上使用，現在許多領(lǐng)域，特別是在高薪技術(shù)領(lǐng)域的應用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外，開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應用在節約能源，節約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。這樣一來(lái)，就使得具有眾多優(yōu)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)電源更顯重要了。因此，開(kāi)關(guān)電源在計算機、通信、航海、航天、儀器儀表、傳感器、家用電器等方面得到了越來(lái)越多的廣泛使用，發(fā)揮了不可取代的巨大作用，同時(shí)也大大地促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展。