現代電力電子及電源技術(shù)的發(fā)展

　開(kāi)關(guān)電源現代電源技術(shù)是應用電力電子半導體器件，綜合自動(dòng)控制、計算機（微處理器）技術(shù)和電磁技術(shù)的多學(xué)科邊緣交又技術(shù)。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關(guān)鍵作用，是現代電力電子技術(shù)的具體應用。

　　當前，電力電子作為節能、節才、自動(dòng)化、智能化、機電一體化的基礎，正朝著(zhù)應用技術(shù)高頻化、硬件結構模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來(lái)，電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟、實(shí)用，實(shí)現高效率和高品質(zhì)用電相結合。

　　1. 電力電子技術(shù)的發(fā)展現代電力電子技術(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。

　　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%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-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。

　　1.2 逆變器時(shí)代七十年代出現了世界范圍的能源危機，交流電機變頻惆速因節能效果顯著(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（GT0）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。

　　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M0SFET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M0SFET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)域巳成定論。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。

　　2. 現代電力電子的應用領(lǐng)域

　　2.1 計算機高效率綠色電源高速發(fā)展的計算機技術(shù)帶領(lǐng)人類(lèi)進(jìn)入了信息社會(huì )，同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代，計算機全面采用了開(kāi)關(guān)電源，率先完成計算機電源換代。接著(zhù)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設備領(lǐng)域。

　　計算機技術(shù)的發(fā)展，提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無(wú)害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源，根據美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星”計劃規定，桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的外圍設備，在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦，就符合綠色電腦的要求，提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開(kāi)關(guān)電源而言，電源自身要消耗50瓦的能源。

　　2.2 通信用高頻開(kāi)關(guān)電源通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開(kāi)關(guān)電源及其技術(shù)已成為現代通信供電系統的主流。在通信領(lǐng)域中，通常將整流器稱(chēng)為一次電源，而將直流-直流（DC/DC）變換器稱(chēng)為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱(chēng)值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中，傳統的相控式穩壓電源己被高頻開(kāi)關(guān)電源取代，高頻開(kāi)關(guān)電源（也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)型整流器SMR）通過(guò)MOSFET或IGBT的高頻工作，開(kāi)關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內，實(shí)現高效率和小型化。近幾年，開(kāi)關(guān)整流器的功率容量不斷擴大，單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A.因通信設備中所用集成電路的種類(lèi)繁多，其電源電壓也各不相同，在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊，從中間母線(xiàn)電壓（一般為48V直流）變換成所需的各種直流電壓，這樣可大大減小損耗、方便維護，且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上，對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加，通信電源容量也將不斷增加。

　　2.3 直流-直流（DC/DC）變換器DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種技術(shù)被廣泛應用于無(wú)軌電車(chē)、地鐵列車(chē)、電動(dòng)車(chē)的無(wú)級變速和控制，同時(shí)使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能，并同時(shí)收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能（20～30）%.直流斬波器不僅能起調壓的作用（開(kāi)關(guān)電源）， 同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲的作用。

　　通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化，模塊采用高頻PWM技術(shù)，開(kāi)關(guān)頻率在500kHz左右，隨著(zhù)大規模集成電路的發(fā)展，要求電源模塊實(shí)現小型化，因此就要不斷提高開(kāi)關(guān)頻率和采用新的電路拓撲結構，目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開(kāi)關(guān)和零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的二次電源模塊，功率密度有較大幅度的提高。

　　2.4 不間斷電源（UPS）

　　不間斷電源（UPS）是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場(chǎng)合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流，一部分能量給蓄電池組充電，另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流，經(jīng)轉換開(kāi)關(guān)送到負載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負載提供能量，另一路備用電源通過(guò)電源轉換開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現。