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(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(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(shì)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(shì)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(shí)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(duì)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(gè)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(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(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(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(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(dòng)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(shí)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(shí)電機(jī)調(diào)速的主角。這時(shí)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(shí)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(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(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(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(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(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無軌電車等)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(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(shí)國(guó)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(guó)大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時(shí)的產(chǎn)物。
2.2逆變器時(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)?。這時(shí)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(shí)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(chǎng)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(shì)
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(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(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(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(xiàn)代電源技術(shù)的主流,電源技術(shù)的發(fā)展同時(shí)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(shí)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(duì)環(huán)境的“污染”,同時(shí)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(guó)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(dòng)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(shí)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(shì)。因此,目前除了對(duì)直流輸出電壓的紋波要求不高的場(chǎng)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(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(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(shí)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(duì)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(guó)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(dòng)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(shí)也大大地促進(jìn)了開關(guān)電源的發(fā)展。