現(xiàn)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(chǔ)科技和產(chǎn)業(yè)，并廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。其未來的發(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(xiàn)代電源技術(shù)電力電子的發(fā)展和未來電源技術(shù)的發(fā)展趨勢以及開關(guān)電源的發(fā)展及應(yīng)用。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是微電子技術(shù)的發(fā)展，電器設(shè)備的種類越來越多，任何電器設(shè)備都離不開電源，電源正發(fā)揮著舉足輕重的作用，同時隨著電源應(yīng)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，隨著微電子技術(shù)不斷改進(jìn)和發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)也有了突破性的發(fā)展，開關(guān)電源以其獨(dú)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(yīng)用到與電有關(guān)的各個領(lǐng)域。另外，開關(guān)電源技術(shù)的應(yīng)用成熟，使許多電子產(chǎn)品小型化和微型化變?yōu)榭赡?。所以開關(guān)電源不僅成為各種電子設(shè)備的心臟，而且也成為了各種電子設(shè)備安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

1.現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展概況

現(xiàn)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(tǒng)電源技術(shù)，向以高頻技術(shù)為主的現(xiàn)代電源技術(shù)方向轉(zhuǎn)變。電源技術(shù)始于上世紀(jì)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)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，并促進(jìn)了電源技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、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(dǎo)體復(fù)合器件，表明傳統(tǒng)電源技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電源時代。

1.1整流器時代

大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機(jī)提供，但是大約20%——40%的電能是以直流形式消費(fèi)的，其中最典型的是電解、牽引和直流傳動三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能有效的把工頻交流電轉(zhuǎn)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發(fā)與應(yīng)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(zhuǎn)換效率低，體積龐大，散熱量大等。

1.2逆變器時代

七十年代，變頻技術(shù)因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻器的關(guān)鍵技術(shù)是：半導(dǎo)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，隨著變頻調(diào)速裝置的普及，大功率電力電子器件成為當(dāng)時電機(jī)調(diào)速的主角。這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變，但工作頻率較低，使得設(shè)備的體積依然龐大，功率器件的損耗也較大，轉(zhuǎn)換效率不夠高，僅僅局限在中低頻率范圍內(nèi)使用。

1.3變頻器時代

進(jìn)入八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)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(chǔ)。MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)變的標(biāo)志。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展，為用電設(shè)備的高效、節(jié)能，實(shí)現(xiàn)小型化，機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展概況

現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué)，向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)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)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、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(dǎo)體復(fù)合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時代。

2.1整流器時代

大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機(jī)提供，但是大約20%的電能是以直流形式消費(fèi)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(jī)車、電傳動的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無軌電車等)和直流傳動(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(zhuǎn)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發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時國內(nèi)曾經(jīng)掀起了一股各地大辦硅整流器廠的熱潮，目前全國大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時的產(chǎn)物。

2.2逆變器時代

七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī)，交流電機(jī)變頻調(diào)速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)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，隨著變頻調(diào)速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)成為當(dāng)時電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出，靜止式無功功率動態(tài)補(bǔ)償?shù)?。這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在中低頻范圍內(nèi)。

2.3變頻器時代

進(jìn)入八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件。首先是功率MOSFET的問世，導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn)，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機(jī)遇。MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到1995年底，功率MOSFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場上已達(dá)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(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展，為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能，實(shí)現(xiàn)小型輕量化，機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.電源技術(shù)的發(fā)展趨勢

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

(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(xiàn)代電源技術(shù)的主流，電源技術(shù)的發(fā)展同時也依賴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。新型開關(guān)電源將其功率開關(guān)管和各種輸出保護(hù)模塊集成在一起，使開關(guān)電源的體積進(jìn)一步縮小。輸出穩(wěn)壓電路模塊化，使電源在實(shí)際應(yīng)用中更加靈活、方便、智能。

(3)數(shù)字化、多元化。

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

現(xiàn)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”，同時增強(qiáng)了電源本身抗干擾性能。

4.開關(guān)電源的發(fā)展及應(yīng)用

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

4.1開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展

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

20世紀(jì)60末，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，高反壓、大電流的功率開關(guān)晶體管的出現(xiàn)，使得采用高工作頻率的開關(guān)電源得以問世，那時確定的開關(guān)電源基本機(jī)構(gòu)一直沿用至今。開關(guān)頻率的提高有助于開關(guān)電源的體積減小、重量減輕。早期的開關(guān)電源的開關(guān)頻率僅為KHz，隨著電力MOS管的應(yīng)用，開關(guān)電源的開關(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(wěn)壓電源相比，開關(guān)電源在絕大多數(shù)性能電源指標(biāo)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合以外，開關(guān)電源已經(jīng)全面取代了線性穩(wěn)壓電源。作為電子裝置的供電電源，線性穩(wěn)壓電源主要用于小功率范圍。因此，在20世紀(jì)80年代以前，作為線性穩(wěn)壓電源的更新?lián)Q代產(chǎn)品，開關(guān)電源也主要用于小功率的場合。那時，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(jì)80年代起，由于絕緣柵雙極型晶體管IGBT的出現(xiàn)，打破了這一格局。使得開關(guān)電源的容量不斷增大，在許多中等容量的范圍內(nèi)，迅速取代了線性電源，在通信領(lǐng)域，早期的48V基礎(chǔ)電源幾乎都是采用晶閘管相控電源，現(xiàn)在已逐步被開關(guān)電源所取代。電力系統(tǒng)的操作用直流電源，以前也是采用晶閘管相控電源，目前開關(guān)電源已成為其主流電源，開關(guān)電源的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大。

如前所訴，開關(guān)頻率的提高可以使電源的體積減小、重量減輕，但卻使得開關(guān)損耗增大，電源效率降低。另外，開關(guān)電源頻率的提高也使得電源的電磁干擾問題變得突出起來。為了解決這一問題，20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了采用軟開關(guān)技術(shù)。在理想情況下，可使開關(guān)損耗降為零，提高效率，同時也使電磁干擾大大減小，因而也有助于進(jìn)一步提高開關(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開關(guān)電源的應(yīng)用

近年來，隨著對開關(guān)電源研究的不斷加深，開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展迅猛，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。20世紀(jì)80年代，國內(nèi)高頻開關(guān)電源，只在及少數(shù)設(shè)備上使用，現(xiàn)在許多領(lǐng)域，特別是在高薪技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外，開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源，節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。這樣一來，就使得具有眾多優(yōu)點(diǎn)的開關(guān)電源更顯重要了。因此，開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、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越多的廣泛使用，發(fā)揮了不可取代的巨大作用，同時也大大地促進(jìn)了開關(guān)電源的發(fā)展。