現代電源技術發展綜述

電力電子技術已經發展成為一門完整的、自成體系的高科技技術。電源技術屬于電力電子技術范疇。電力電子技術的發展帶動了電源技術的發展，而電源技術的發展又有效地促進了電源產業的發展。迄今為止，電源已成為非常重要的基礎科技和產業，并廣泛應用于各行業。其未來的發展趨勢為高頻、高效、低壓、大電流化和多元化。本文論述了現代電源技術電力電子的發展和未來電源技術的發展趨勢以及開關電源的發展及應用。

隨著電力電子技術的發展，特別是微電子技術的發展，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展，開關電源技術也有了突破性的發展，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，使許多電子產品小型化和微型化變為可能。所以開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.現代電源技術的發展概況

現代電源技術的發展方向，是從以低頻技術為主的傳統電源技術，向以高頻技術為主的現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，其發展先后經歷了整流器時代、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，表明傳統電源技術已經進入現代電源時代。

1.1整流器時代

大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供，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為直流電，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與應用得以大力發展。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，變頻技術因節能效果顯著而迅速發展。變頻器的關鍵技術是：半導體器件的通斷作用，將工頻電源逆變為另一種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能夠實現整流和逆變，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使用。

1.3變頻器時代

進入八十年代，大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展，為電源技術的發展奠定了基礎。MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統的電力電子向現代電力電子轉變的標志。新型器件的發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不斷向高頻化發展，為用電設備的高效、節能，實現小型化，機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。

2.現代電源技術的發展概況

現代電力電子技術的發展方向，是從以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學，向以高頻技術處理問題為主的現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，其發展先后經歷了整流器時代、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，表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。

2.1整流器時代

大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供，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為直流電。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與應用得以很大發展。當時國內曾經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物。

2.2逆變器時代

七十年代出現了世界范圍的能源危機，交流電機變頻調速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0～100Hz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補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在中低頻范圍內。

2.3變頻器時代

進入八十年代，大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展，為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。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展，而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現，又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世，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不斷向高頻化發展，為用電設備的高效節材節能，實現小型輕量化，機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。

3.電源技術的發展趨勢

現代電源起始于20世紀50年代末60年代初的硅整流技術，其發展先后經歷了整流時代、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，表明傳統電源技術已經進入現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、高集成已成為現代電源技術的主流，電源技術的發展同時也依賴于電子元器件和集成電路的發展。

(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)數字化、多元化。

隨著數字技術的發展和成熟，現代電源更多地向數字化方向發展。采用數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數字化控制。

現代電源具備良好的EMC特性，自身產生的高頻諧波功率逐漸減小，降低了對環境的“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，內部功率損耗小，轉換效率高。在一些電子工業發達的國家，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天下。

4.1開關電源技術的發展

開關電源的前身是線性穩壓電源，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。在開關電源出現之前，這些裝置的工作電源都采用線性穩壓電源。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展的強大動力。

20世紀60末，由于微電子技術的快速發展，高反壓、大電流的功率開關晶體管的出現，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。

由于和穩壓電源相比，開關電源在絕大多數性能電源指標上都具有很大的優勢。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，開關電源已經全面取代了線性穩壓電源。作為電子裝置的供電電源，線性穩壓電源主要用于小功率范圍。因此，在20世紀80年代以前，作為線性穩壓電源的更新換代產品，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，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，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，現在已逐步被開關電源所取代。電力系統的操作用直流電源，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，開關電源技術發展迅猛，應用領域不斷擴大。20世紀80年代，國內高頻開關電源，只在及少數設備上使用，現在許多領域，特別是在高薪技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外，開關電源的發展與應用在節約能源，節約資源及保護環境方面都具有重要的意義。這樣一來，就使得具有眾多優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展。