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1、现代电源技术发展历程2007-08-23现代电源技术是应用电力电 子半 导体器件，综合自动控制、计算机（微处理器） 技术和电磁技术的多学科边缘交又技术在各种 高质量、高效、高可靠性的电源 中起关键作用， 是现代电力电子技术的具体应用 个个个个个个个个当前，电力电子作为节能、节才、自动 化、 智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高 频化、硬件结构模块化、产品绿色化 性能 的方向发展在不远的将来子技术，电力电 将使电源技术更加成熟、经用，实现 济、实 高效率和高品质用电相结合1.电力电子技术的发展.现代电力电子技术的发展方向，是从以 低频技术处理 问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理 问
2、题为主的现代电力电子学方向转变电力电子 技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后 经历了整流器时代、逆变器时代和变频器 时 代,并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MOSFE和IGBT为代表的、集高频、 高压和大电流于一身的功率半导体 复合器件， 表明传统电力电子技术已经进入 现代 电力电子时 代 个个个个个个个个个1.1整流器时代大功率的工业用电由工频（50Hz）交流 发电机提供，但是大约20%的电能 是以直流形 式消费的，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（电气机 车、电传动的内燃机车、地铁机 车、城
3、市无轨电 车等）和直流传动（轧钢、造纸等）三大 领域.大功率硅整流器能够高效率地把工频交 流电转变为直流电，因此在 六十年代和七十年 代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得 以很大发展当时国内曾经掀起了 -股各地大 办硅整流器厂的热潮，目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体 厂家就是那时的产物1.2逆变器时代*七十年代出现了世界范围的能源危机，交流 电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展.变频 调速的关键技术是将直流电逆变 为0100Hz的 交流电在七十年代到八十年代，随着变频调 速装置的普及，大功率逆变型功率晶体管(GTR) 用的晶闸管、可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的 主角.类
4、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这时的电力电子技 术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较 低，仅局限在中低频范围内.和门极1.3变频器时代进入八十年代，大规模和超大规模集成电 路技术的迅猛发展，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 术和高压大电流技术 有机结合，出 现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率MOSFET勺问世，导致了中小功率电源向高频 化发展，而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)勺出 现，又为大中型功率电源向高频发展 带来机 遇.MOSFE和IGBT的相继问世，是传 统勺电力电 子向现代电力电子转化勺标志.据统计，到1995 年底，功
5、 率MOSFE和GTR在功率半导体 的地步，而用 器件市场上已达到平分秋色 IGBT 代替 GTF在电力电子领域 巳成定论新型器件的发展不 仅为交流电机 变频调速提供了较高的频率，使 其性能更加完善可靠，而且使现代电子技术不 断向高频化发展，为用电设备的高效节材节 能，实现小型轻量化，机电一体化和智能化提 供了重要的技术基础.2.现代电力电子的应用领域2.1计算机高效率绿色电源高速发展的计算机技术带领人类进入了信息 社会，同时也促进了电源技术的迅速 发展.八 十年代，计算机全面采用了开关电源，率先完 成计算机电源换代接着开关电源技术相继进 人了电子、电器设备领域计算机技术的发展，提出绿色电脑和
6、绿 色 电源绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和 相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相 关的高 效省电电源，根据美国环境保护署1992年6 月17日“能源之星计划规定，桌上型个人 电脑或相关的外围设备，在睡眠状 态下的耗电 量若小于30瓦，就符合绿色电脑的要求，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，电源自 身要消耗50瓦的能源. 个个个个个个个个个2.2通信用高频开关电源通信业的迅速发展极大的推动了通信 电源的 发展-高频小型化的开关电源及其技 术已成为 现代通信供电系统的主流在通信 领域中，通 常将整流器称为一次电源，而将直流-直流 (DC/DC)变换
7、器称为二次电源.一次电源的作用是 将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直 流电源.目前在程控 交换机用的压电源己被高频 开关电源取代次电源中，传统的相控式稳源(也称为开关，高频开关电型整流器SMR通过MOSFEIGBT的高频工作，开关频率一般控制在50-100kHz范围内，实现高效率和小型化近几年，开关整流器的功率容量不断扩大，机容 量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到 48V/200A、 48V/400A.因通信设备中所用集成电路 的种类繁多，其电源电压也各不相同，在通 信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DCb离 电源模块,从 般为48V直 中间母线电压( 流)变换成所需
8、的各种直流电压这样可大大减小损耗、方便维护，且安 装、增加非常方便.一般都可直接装在标准控 制板上，对二次电源的要求是高功率密度 因通信容量的不断增加，通信电源容量也将不 断增加2.3直流-直流(DC/DC)变换器DC/DC变换器将一个固定的直流电压变 换为 可变的直流电压，这种技术被广泛应用于无轨 电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制， 同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果用 直流斩波器代替变阻器可节约电能(2030)%.直 流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源)， 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的 作用通信电源的二次电源DC/DC变换器已商 品
9、化,模块采用高频PWM技术，开关频率在500kHz 左右，功率密度为5W20W/in3.随着大规模集 成电路的发展，要求电源模块实现小型化， 因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑 结构，目前已有一些公司研 制生产了采用零电 流开关和零电压开关技术的二次电源模块， 功率密度有较大幅度的提高. 个个个个个个个个个2.4不间断电源(UPS)不间断电源(UPS)是计算机、通信系统 以及 要求提供不能中断场合所必须的一种 高可靠、高 性能的电源交流市电输入经整 流器变成直 流，一部分能量给蓄电池组充 电，另一部分 能量经逆变器变成交流，经转换开关送到负 载.为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量，另
10、一路备用电源通过电源转换开关来实现.现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功 率 M0SFET、IGBT等现代电力电子器件，电源 的 噪声得以降低，而效率和可靠性得以提高 微处 理器软硬件技术的引入，可以实现对UPS的智能 化管理，进行远程维护和远程诊断.目前在线式UPS的最大容量已可作到 600kVA.超小型UPS发展也很迅速，已经有 0.5kVA、IVA、2kVA、3kVA等多种规格的产 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占据的地位日趋重要，已获 得巨大的节能效果变频器电源 主电路均采用 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
11、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 成电压、频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正弦波，用 于 驱动交流异步电动机实现无级调速.国际 400kVA以下的变频器电源系列 产品 已经问世八十年代初期，日本东芝 公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中. 至1997年，其占有率已达到日本家用空 调的 7%以 .变频空调具有舒适、节能等优 点.国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产 线生产变频空调器，逐渐形成变频空调开发生 产热点预计到2000年左右将形成高潮.变 频空调除了变频电源夕卜，还要求有适合于变频调 速的压缩机电机优化控制策略，精选功能组，是空
12、调变频 件电源研制的进一步发展方2.6高频逆变式整流焊机电源高频逆变式整流焊机电源是一种高性 高效、 能、省材的新型焊机电源，代表了当今焊机电源的发展方向.由于IGBT大容量模 块的商用 化，这种电源更有着广阔的应用前 景逆变焊机电源大都采用交流-直流-交 流- 直流（AC-DC-AC-DC变换的方法50Hz交 流电经 全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换 部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波，经高频变压器耦合，整流滤波后成为 稳定的直流，供电弧使用由于焊机电源的工作条件心、劣，频繁的 处，因此 于短路、燃弧、开路交替变化之中高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最 关键的问
13、题，也是用户最关心的问题-米用 微处理器做为脉冲宽度调制（PWM）的相关控制 器，通过对多参数、多信息的提取与分析，达 到预知系统各种工作状态的目的，进而提前对 系统做出调整和处理，解决了目前大功率IGBT 逆变电源可靠性国外逆变焊机已可做到额定焊接电流 300A，负载持续率60%，全载电压6075V，电 流调节范围5300A，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、水质改良、医用X光机和CT机等大型设 备.电压高达50l59kV,电流达到0.5A以 上,功率可达100kW自从70年代开始，日本的一些公司开始 采用逆变技术，将市电整流后逆变为
14、3kHz左 右 的中频，然后升压-进入8。年代，高频开关 电源技术迅速发 展.德国西门子公司采用功率 晶体管做主开关元件 ，将电源的开关 率提高到20kHz以 频.并将干式变压器 成功的应用于高频高 压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器 系统的体积进一步减 小国内对静电除尘高压直流电源进行了研制 市电经整流变为直流，采 用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压 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条件下，输出 直流电压达到55kV，电流达到15mA,工作频率为 25.6kHz.2.8电力有源滤波器传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投 运时， 将向电网注入
15、大量的谐波电流，引起 谐波损耗 和干扰，同时还出现装置网侧功率因数恶化的 现象，即所谓“电力公害”，例 如，不可控整 流加电容滤波时，网侧三次谐波含量可达 （7080）%,网侧功率因数仅有0506. 个个个个个个个个个电力有源滤波器是一种能够动态抑制 谐波的新型电力电子装置，能克服传统LC滤波 器的不足，是一种很有发展前途的谐波抑制手 段.滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制 电路构成与传统开关电源的区别 是：（1）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供电系统采用小功率模块和大规
16、模控制集成电路作基本部件，利用最新理论和 技术成果，组成积木式、智能化的大功率供电 电源，从而使强电与弱电紧密结合，降低大功率元器件、大功率装置（集中式） 的研制压力，提高生产效率八十年代初期，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的研究上. 八十年代中后期，随着高频功率变换技术的迅 述发展，各种变换 器拓扑结构 相继出现，结 合大规模集成电路和功率元器 件技术，使中小 功率装置的集成成为可能从而迅速地推动了分布 式高频开关电源系统研究的展开自八十年代 后期开始，这 方向已成为国际电力电子学界的 研究热点论文数量逐年增加，应用领域不断扩 大分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济 和
