電力電子技術已經(jīng)發(fā)展成為一門完整的、自成體系的高科技技術。電源技術屬于電力電子技術范疇。電力電子技術的發(fā)展帶動了電源技術的發(fā)展，而電源技術的發(fā)展又有效地促進了電源產(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)代電源技術電力電子的發(fā)展和未來電源技術的發(fā)展趨勢以及開關電源的發(fā)展及應用。
隨著電力電子技術的發(fā)展，特別是微電子技術的發(fā)展，電器設備的種類越來越多，任何電器設備都離不開電源，電源正發(fā)揮著舉足輕重的作用，同時隨著電源應用的普及，以及科學技術的進步，特別是一些先進的儀器對電源提出了更新、更高的要求，使原來的電路技術特別是整流技術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，隨著微電子技術不斷改進和發(fā)展，開關電源技術也有了突破性的發(fā)展，開關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，已被應用到與電有關的各個領域。另外，開關電源技術的應用成熟，使許多電子產(chǎn)品小型化和微型化變?yōu)榭赡堋Ｋ蚤_關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鍵。
1.現(xiàn)代電源技術的發(fā)展概況
現(xiàn)代電源技術的發(fā)展方向，是從以低頻技術為主的傳統(tǒng)電源技術，向以高頻技術為主的現(xiàn)代電源技術方向轉變。電源技術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)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，并促進了電源技術在許多新領域的應用。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體復合器件，表明傳統(tǒng)電源技術已經(jīng)進入現(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、牽引和直流傳動三大領域。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，比如轉換效率低，體積龐大，散熱量大等。
1.2逆變器時代
七十年代，變頻技術因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻器的關鍵技術是：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，隨著變頻調速裝置的普及，大功率電力電子器件成為當時電機調速的主角。這時的電力電子技術已經(jīng)能夠實現(xiàn)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(nèi)使用。
1.3變頻器時代
進入八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展，為電源技術的發(fā)展奠定了基礎。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(xiàn)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展，為用電設備的高效、節(jié)能，實現(xiàn)小型化，機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現(xiàn)代電源技術的發(fā)展概況
現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展方向，是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學，向以高頻技術處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉變。電力電子技術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，并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。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體復合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術已經(jīng)進入現(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、電傳動的內(nèi)燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。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發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內(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，交流電機變頻調速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變?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)和門極可關斷晶閘管(GTO)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出，靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)取＿@時的電力電子技術已經(jīng)能夠實現(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
進入八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合，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)代電力電子轉化的標志。據(jù)統(tǒng)計，到1995年底，功率MOSFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在電力電子領域已成定論。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(xiàn)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展，為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能，實現(xiàn)小型輕量化，機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
3.電源技術的發(fā)展趨勢
現(xiàn)代電源起始于20世紀50年代末60年代初的硅整流技術，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流時代、逆變時代和變頻時代，推動了電源技術在許多新興領域的應用。20世紀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體復合器件，表明傳統(tǒng)電源技術已經(jīng)進入現(xiàn)代電源技術的新興時代。
(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)代電源技術的主流，電源技術的發(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。
電源技術模塊化包括功率單元模塊化和輸出單元模塊化。新型開關電源將其功率開關管和各種輸出保護模塊集成在一起，使開關電源的體積進一步縮小。輸出穩(wěn)壓電路模塊化，使電源在實際應用中更加靈活、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”，同時增強了電源本身抗干擾性能。
4.開關電源的發(fā)展及應用
開關電源是專指電力電子器件工作在高頻開關狀態(tài)下的直流電源。因此，開關電源也常被稱為高頻開關電源，頻率一般可高達100KHz左右，內(nèi)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，這便使得開關轉換電源的效率得到大幅的提高。正由于開關電源效率高、體積小、重量輕、性能好這些優(yōu)點，計算機、電視機、各種電子儀器的電源幾乎都已是開關電源一統(tǒng)天下。
4.1開關電源技術的發(fā)展
開關電源的前身是線性穩(wěn)壓電源，各種電子裝置、許多電氣控制設備的工作電源都是直流電源。在開關電源出現(xiàn)之前，這些裝置的工作電源都采用線性穩(wěn)壓電源。由于計算機等電子裝置的集成度不斷增加，功能越來越強，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，這就成了開關電源發(fā)展的強大動力。
20世紀60末，由于微電子技術的快速發(fā)展，高反壓、大電流的功率開關晶體管的出現(xiàn)，使得采用高工作頻率的開關電源得以問世，那時確定的開關電源基本機構一直沿用至今。開關頻率的提高有助于開關電源的體積減小、重量減輕。早期的開關電源的開關頻率僅為KHz，隨著電力MOS管的應用，開關電源的開關頻率進一步提高，使得電源體積更小，重量更輕，效率更進一步提高。
由于和穩(wěn)壓電源相比，開關電源在絕大多數(shù)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合以外，開關電源已經(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，在通信領域，早期的48V基礎電源幾乎都是采用晶閘管相控電源，現(xiàn)在已逐步被開關電源所取代。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，目前開關電源已成為其主流電源，開關電源的應用范圍正在不斷擴大。
如前所訴，開關頻率的提高可以使電源的體積減小、重量減輕，但卻使得開關損耗增大，電源效率降低。另外，開關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80年代，出現(xiàn)了采用軟開關技術。在理想情況下，可使開關損耗降為零，提高效率，同時也使電磁干擾大大減小，因而也有助于進一步提高開關頻率，使得電源進一步向體積小、重量輕、效率高的方向發(fā)展。
4.2開關電源的應用
近年來，隨著對開關電源研究的不斷加深，開關電源技術發(fā)展迅猛，應用領域不斷擴大。20世紀80年代，國內(nèi)高頻開關電源，只在及少數(shù)設備上使用，現(xiàn)在許多領域，特別是在高薪技術領域的應用，推動了高新技術產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外，開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源，節(jié)約資源及保護環(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)點的開關電源更顯重要了。因此，開關電源在計算機、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，同時也大大地促進了開關電源的發(fā)展。
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