可使开关损耗降为零

2019-06-04 06:14字体:
  

  电力电子技术已经发展成为一门完整的、自成体系的高科技技术。电源技术属于电力电子技术范畴。电力电子技术的发展带动了电源技术的发展,而电源技术的发展又有效地促进了电源产业的发展。迄今为止,电源已成为非常重要的基础科技和产业,并广泛应用于各行业。其未来的发展趋势为高频、高效、低压、大电流化和多元化。本文论述了现代电源技术电力电子的发展和未来电源技术的发展趋势以及

  随着电力电子技术的发展,特别是微电子技术的发展,电器设备的种类越来越多,任何电器设备都离不开电源,电源正发挥着举足轻重的作用,同时随着电源应用的普及,以及科学技术的进步,特别是一些先进的仪器对电源提出了更新、更高的要求,使原来的电路技术特别是整流技术的效率大大下降而不再适用。因此,必须采用新的器件,研究新的电路。

  近几年来,随着微电子技术不断改进和发展,开关电源技术也有了突破性的发展,开关电源以其独有的体积小、重量轻、效率高、输出形式多样化等特点,已被应用到与电有关的各个领域。另外,开关电源技术的应用成熟,使许多电子产品小型化和微型化变为可能。所以开关电源不仅成为各种电子设备的心脏,而且也成为了各种电子设备安全可靠运行的关键。

  现代电源技术的发展方向,是从以低频技术为主的传统电源技术,向以高频技术为主的现代电源技术方向转变。电源技术始于上世纪的四十年代末五十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,并促进了电源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为代表的、集高频、高电压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电源技术已经进入现代电源时代。

  大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%40%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解、牵引和直流传动三大领域。大功率硅整流器能有效的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大力发展。但是,大功率整流器件也存在许多缺点,比如转换效率低,体积庞大,散热量大等。

  七十年代,变频技术因节能效果显着而迅速发展。变频器的关键技术是:半导体器件的通断作用,将工频电源逆变为另一种频率的电能的控制装置。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率电力电子器件成为当时电机调速的主角。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,使得设备的体积依然庞大,功率器件的损耗也较大,转换效率不够高,仅仅局限在中低频率范围内使用。

  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,为电源技术的发展奠定了基础。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转变的标志。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、节能,实现小型化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

  

  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MOSFET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。

  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一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。

  七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频调速因节能效果显着而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz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,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GTO)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。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。

  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的问世,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)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率MOSFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域已成定论。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。

  现代电源起始于20世纪50年代末60年代初的硅整流技术,其发展先后经历了整流时代、逆变时代和变频时代,推动了电源技术在许多新兴领域的应用。20世纪80年代末期和90年代初期发展起来的以功率MOSFET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,表明传统电源技术已经进入现代电源技术的新兴时代。

  低功耗、低污染、低电流、高效率、高集成已成为现代电源技术的主流,电源技术的发展同时也依赖于电子元器件和集成电路的发展。

  电源技术模块化包括功率单元模块化和输出单元模块化。新型开关电源将其功率开关管和各种输出保护模块集成在一起,使开关电源的体积进一步缩小。输出稳压电路模块化,使电源在实际应用中更加灵活、方便、智能。

  随着数字技术的发展和成熟,现代电源更多地向数字化方向发展。采用数字技术可减小电源高频谐波干扰和非线性失真,同时便于CPU数字化控制。

  现代电源具备良好的EMC特性,自身产生的高频谐波功率逐渐减小,降低了对环境的“污染”,同时增强了电源本身抗干扰性能。

  开关电源是专指电力电子器件工作在高频开关状态下的直流电源。因此,开关电源也常被称为高频开关电源,频率一般可高达100KHz左右,内部功率损耗小,转换效率高。在一些电子工业发达的国家,可以做到MHz以上,这便使得开关转换电源的效率得到大幅的提高。正由于开关电源效率高、体积小、重量轻、性能好这些优点,计算机、电视机、各种电子仪器的电源几乎都已是开关电源一统天下。

  开关电源的前身是线性稳压电源,各种电子装置、许多电气控制设备的工作电源都是直流电源。在开关电源出现之前,这些装置的工作电源都采用线性稳压电源。由于计算机等电子装置的集成度不断增加,功能越来越强,它们的体积越来越小,迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源,这就成了开关电源发展的强大动力。

  20世纪60末,由于微电子技术的快速发展,高反压、大电流的功率开关晶体管的出现,使得采用高工作频率的开关电源得以问世,那时确定的开关电源基本机构一直沿用至今。开关频率的提高有助于开关电源的体积减小、重量减轻。早期的开关电源的开关频率仅为KHz,随着电力MOS管的应用,开关电源的开关频率进一步提高,使得电源体积更小,重量更轻,效率更进一步提高。

  由于和稳压电源相比,开关电源在绝大多数性能电源指标上都具有很大的优势。因此,目前除了对直流输出电压的纹波要求不高的场合以外,开关电源已经全面取代了线性稳压电源。作为电子装置的供电电源,线性稳压电源主要用于小功率范围。因此,在20世纪80年代以前,作为线性稳压电源的更新换代产品,开关电源也主要用于小功率的场合。那时,中、大功率直流电源仍以晶闸管相控整流电源为主。但是,20世纪80年代起,由于绝缘栅双极型晶体管IGBT的出现,打破了这一格局。使得开关电源的容量不断增大,在许多中等容量的范围内,迅速取代了线性电源,在通信领域,早期的48V基础电源几乎都是采用晶闸管相控电源,现在已逐步被开关电源所取代。电力系统的操作用直流电源,以前也是采用晶闸管相控电源,目前开关电源已成为其主流电源,开关电源的应用范围正在不断扩大。

  如前所诉,开关频率的提高可以使电源的体积减小、重量减轻,但却使得开关损耗增大,电源效率降低。另外,开关电源频率的提高也使得电源的电磁干扰问题变得突出起来。为了解决这一问题,20世纪80年代,出现了采用软开关技术。在理想情况下,可使开关损耗降为零,提高效率,同时也使电磁干扰大大减小,因而也有助于进一步提高开关频率,使得电源进一步向体积小、重量轻、效率高的方向发展。

  近年来,随着对开关电源研究的不断加深,开关电源技术发展迅猛,应用领域不断扩大。20世纪80年代,国内高频开关电源,只在及少数设备上使用,现在许多领域,特别是在高薪技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外,开关电源的发展与应用在节约能源,节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。这样一来,就使得具有众多优点的开关电源更显重要了。因此,开关电源在计算机、通信、航海、航天、仪器仪表、传感器、家用电器等方面得到了越来越多的广泛使用,发挥了不可取代的巨大作用,同时也大大地促进了开关电源的发展。



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