电源

1. 电力电子技术的发展

现代电力电子技术的发展方向是从传统的低频技术电子学到现代电力电子学。电力电子技术始于20世纪50年代末60年代初的硅整流器件。其发展经历了整流器、逆变器和变频器时代，促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT以高频、高压、大电流为代表的功率半导体复合器件表明，传统的电力电子技术已进入现代电力电子时代。

1.1 整流器时代

工业率工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供，但约20%的电能以直流形式消耗，其中最典型的是电解（有色金属和化工原料需要直流电解）、牵引（电动机车、电动传动内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等）和直流传动（轧钢、造纸等）。大功率硅整流器可以有效地将工频交流电转化为直流电。因此，在20世纪60年代和70年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发和应用得到了极大的发展。当时，中国掀起了大型硅整流器厂的热潮。目前，硅整流器的半导体制造商是当时的产品。

1.2 逆变器时代

20世纪70年代，由于节能效果显著，交流电机变频忧速发展迅速。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。20世纪70年代至80年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变晶闸管和巨型功率晶体管(GTR)晶闸管与门极可关闭(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。此时，电力电子技术可以实现整流和逆变，但工作频率较低，仅限于中低频。

1.3 变频器时代

20世纪80年代，大规模、大规模集成电路技术的快速发展为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术与高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控功率设备，首先是功率M0SFET随着绝缘门极双极晶体管的出现，中小功率电源向高频发展(IGBT)大中型功率电源的出现给高频发展带来了机遇。MOSFET和IGBT是传统电力电子向现代电力电子转型的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已经达到了平分秋色的水平IGBT代替GTR在电力电子领域已经成定论。新设备的发展不仅为交流电机的变频调速提供了更高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电子技术不断向高频发展，为电气设备的高效节能、小型轻量化、机电一体化和智能提供了重要的技术基础。

2. 现代电力电子的应用领域

2.1 计算机高效绿色电源

计算机技术的快速发展带动了人类进入信息社会，也促进了电力技术的快速发展。20世纪80年代，计算机充分利用开关电源，率先完成计算机电源的更换。然后开关电源技术进入了电子和电气设备领域。

随着计算机技术的发展，提出了绿色计算机和绿色电源。绿色电脑一般是指对环境无害的个人电脑及相关产品。根据美国环境保护署的说法，绿色电源是指与绿色电脑相关的高效节能电源l92年6月17日"根据计划，如果桌上个人电脑或相关外围设备的功耗小于30瓦，则满足绿色电脑的要求。提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言，电源本身需要消耗50瓦的能量。

2.2 高频通信开关电源

通信业的快速发展极大地促进了通信电源的发展。高频小型开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域，整流器通常被称为一次电源(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的功能是将单相或三相交流电网转换为标称值48V直流电源。目前，在程控交换机使用的一次电源中，传统的相控稳压电源已被高频开关电源和高频开关电源取代（也称为开关整流器）SMR)通过MOSFET或IGBT对于高频工作，开关频率一般控制在50-100kHz在范围内，实现高效小型化。近年来，开关整流器的功率容量不断扩大，单机容量从48开始V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

由于通信设备中使用的集成电路种类繁多，其电源电压也不同，在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC从中间母线电压隔离电源模块(一般为48V直流)转换为所需的各种直流电压，可大大降低损耗，维护方便，安装增加非常方便。一般可直接安装在标准控制板上，对二次电源的要求是高功率密度。随着通信容量的增加，通信电源容量也会增加。

2.3 直流-直流(DC/DC)变换器

DC/DC变换器将固定直流电压转换为可变直流电压，广泛应用于无轨电车、地铁列车和电动汽车的无级变速和控制，使上述控制具有加速稳定、响应快的性能，并获得节能的效果。用直流斩波器代替变阻器可以节省电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 还能有效抑制电网侧谐波电流噪声。

二次通信电源DC/DC变换器已商业化，模块采用高频PWM技术，5000开关频率kHz左右，功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展，电源模块需要小型化，需要不断提高开关频率，采用新的电路拓扑结构。目前，一些公司已经开发和生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块，大大提高了功率密度。

2.4 不间断电源(UPS)

不间断电源(UPS)它是计算机、通信系统和要求提供高可靠性和高性能的电源，不能中断。交流市电输入通过整流器直流，部分能量充电电池组，另一部分能量通过逆变器交流，通过转换开关输送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量，另一个备用电源通过电源转换开关实现。

现代UPS脉宽调制技术和功率一般采用M0SFET、IGBT等现代电力电子设备，降低电源噪声，提高效率和可靠性。微处理器软硬件技术的引入可以实现UPS智能管理、远程维护和远程诊断。

目前在线式UPS最大容量可达600kVA。超小型UPS发展也很快，已经有0了.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等各种规格的产品。

2.5 变频器电源

变频器电源主要用于交流电机的变频调速，其在电气传动系统中的地位日益重要，节能效果巨大。变频器电源主电路采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压，然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器， 将直流电压逆变为电压和频率可变的交流输出，电源输出波形与正弦波相似，用于驱动交流异步电机实现无级调速。

国际上400kVA以下变频器电源系列产品已问世。20世纪80年代初，日本东芝公司首次流变频调速技术应用于空调。到1997年，其份额已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。90年代初，我国开始研究变频空调，96年引进生产线生产变频空调，逐步形成变频空调开发生产热点。预计高潮将在2000年左右形成。除变频电源外，变频空调还需要适合变频调速的压缩机电机。空调变频电源开发的进一步发展方向是优化控制策略，选择功能组件。

2.6 高频逆变整流焊机电源

高频逆变整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源，代表了当今焊机电源的发展方向。IGBT大容量模块量模块，该电源应用前景广阔。

逆变焊机电源多采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换方法Hz交流电通过全桥整流成直流，IGBT组成的PWM直流电逆部分将直流电逆转为20kHz通过高频变压器耦合的高频矩形波， 整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。

由于焊机电源工作条件差，短路、燃弧、开路交替变化频繁，高频逆变整流焊机电源的工作可靠性成为用户最关心的关键问题。脉冲宽度调制采用微处理器(PWM)通过提取和分析多参数和多信息，相关控制器可以预测系统的各种工作状态，然后提前调整和处理系统，解决当前的大功率问题IGBT逆变电源的可靠性。

国外逆变焊机额定焊接电流300A,负载连续率60%，全负荷电压60%~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。

2.7 大功率开关型高压直流电源

大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改善、医用x光机和CT机器等大型设备。电压高达50。~l59kV,电流达到0.5A以上功率可达1000kW。

自20世纪70年代以来，一些日本公司开始使用逆变技术，将市电整流逆变为3kHz左右中频，然后升压。20世纪80年代，高频开关电源技术发展迅速。德国西门子公司采用功率晶体管作为主开关元件，将电源开关频率提高到20kHz以上。干式变压器技术成功应用于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，进一步减少了变压器系统的体积。

我国开发了静电除尘高压直流电源，市政电力通过整流变为直流。直流电压通过全桥零电流开关串联谐振逆变电路逆变为高频电压，然后由高频变压器升压，最后整流为直流高压。在电阻负载下，输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。

2.8 电源滤波器

传统交流-直流(AC-DC)变换器投入运行时，会向电网注入大量谐波电流，造成谐波损耗和干扰。同时，设备网侧功率因数恶化，即所谓的电力公害。例如，当无法控制的整流电容器滤波器时，网侧的三个谐波含量可以达到（70~80)%，网侧功率因数只有0.5~0.6。

电力有源滤波器是一种能动态抑制谐波的新型电力电子设备LC滤波器的缺乏是一种非常有前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和特定的控制电路组成。与传统开关电源的区别在于：(l)不仅反馈输出电压，还反馈输入平均电流；

(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。

2.9 分布式开关电源供电系统

分布式电源系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作为基本部件，利用最新的理论和技术成果，形成积木、智能大功率电源，使强弱电紧密结合，降低大功率部件、大功率装置（集中）开发压力，提高生产效率。

20世纪80年代初，对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术上。20世纪80年代中后期，随着高频功率变换技术的快速发展，各种变换器拓扑结构相继出现。结合大型集成电路和功率元件技术，可以集成中小型功率设备，快速促进分布式高频开关电源系统的研究。自20世纪80年代末以来，这一方向已成为国际电力电子学的研究热点，论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。

分布式供电方式具有节能、可靠、高效、经济、维护方便等优点。已逐步采用大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统，也是超高速集成电路的低压电源（3）.3V)最理想的供电方式。在电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电机驱动电源等大功率场合广阔的应用前景。

3. 高频开关电源的发展趋势

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

3.1 高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造, 成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。

3.2 模块化

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量, 在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求, 而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。

3.3 数字化

在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。

3.4 绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电, 这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。

现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。

总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。