電力電子與開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展（一）
現代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的傳統電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的現代電力電子學(xué)方向轉變。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)域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來(lái)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(shù)已經(jīng)進(jìn)入現代電力電子時(shí)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(chē)、電傳動(dòng)的內燃機車(chē)、地鐵機車(chē)、城市無(wú)軌電車(chē)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(kāi)發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時(shí)國內曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠(chǎng)的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠(chǎng)家就是那時(shí)的產(chǎn)物。
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著(zhù)而迅速發(fā)展。變頻調速的關(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(zhù)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(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當時(shí)電力電子器件的主角。類(lèi)似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補償等。這時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠實(shí)現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
進(jìn)入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術(shù)的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問(wèn)世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門(mén)極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來(lái)機遇。MOSFET和IGBT的相繼問(wèn)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M0SFET和GTR在功率半導體器件市場(chǎng)上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。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,而且使現代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節材節能,實(shí)現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎。
高速發(fā)展的計算機技術(shù)帶領(lǐng)人類(lèi)進(jìn)入了信息社會(huì ),同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開(kāi)關(guān)電源,率先完成計算機電源換代。接著(zhù)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設備領(lǐng)域。
計算機技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無(wú)害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規定,桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的外圍設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開(kāi)關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開(kāi)關(guān)電源及其技術(shù)已成為現代通信供電系統的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱(chēng)為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱(chēng)為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱(chēng)值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開(kāi)關(guān)電源取代,高頻開(kāi)關(guān)電源(也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)型整流器SMR)通過(guò)MOSFET或IGBT的高頻工作,開(kāi)關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實(shí)現高效率和小型化。近幾年,開(kāi)關(guān)整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類(lèi)繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線(xiàn)電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
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(chē)、電傳動(dòng)的內燃機車(chē)、地鐵機車(chē)、城市無(wú)軌電車(chē)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(kāi)發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時(shí)國內曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠(chǎng)的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠(chǎng)家就是那時(shí)的產(chǎn)物。
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著(zhù)而迅速發(fā)展。變頻調速的關(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(zhù)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(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當時(shí)電力電子器件的主角。類(lèi)似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補償等。這時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠實(shí)現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
進(jìn)入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術(shù)的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問(wèn)世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門(mén)極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來(lái)機遇。MOSFET和IGBT的相繼問(wèn)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M0SFET和GTR在功率半導體器件市場(chǎng)上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。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,而且使現代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節材節能,實(shí)現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎。
高速發(fā)展的計算機技術(shù)帶領(lǐng)人類(lèi)進(jìn)入了信息社會(huì ),同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開(kāi)關(guān)電源,率先完成計算機電源換代。接著(zhù)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設備領(lǐng)域。
計算機技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無(wú)害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規定,桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的外圍設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開(kāi)關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開(kāi)關(guān)電源及其技術(shù)已成為現代通信供電系統的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱(chēng)為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱(chēng)為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱(chēng)值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開(kāi)關(guān)電源取代,高頻開(kāi)關(guān)電源(也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)型整流器SMR)通過(guò)MOSFET或IGBT的高頻工作,開(kāi)關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實(shí)現高效率和小型化。近幾年,開(kāi)關(guān)整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類(lèi)繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線(xiàn)電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
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