电源发展史

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电源发展史

   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,它们的体积却越来越小。因此,迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源,这就成了开关电源技术发展的强大动力。

    新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。20世纪60年代末,垂直导电的高耐压、大电流的双极型电力晶体管(亦称巨型晶体管,BJTGTR)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的基本结构一直沿用至今。

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数千赫,随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进,开关频率也逐步提高。但当频率达到10kHz左右时,变压器、电感等磁性元件发出的噪声就变得很刺耳。为了减小噪声,并进一步减小体积,在20世纪70年代,开关频率终于突破了人耳听觉极限的20kHz。这一变化甚至被称为“20kHz革命”。后来,随着电力MOSFET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,功率密度更进一步提高。

由于和线性稳压电源相比,开关电源在绝大多数性能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极高的场合以外,开关电源已经全面取代了线性稳压电源。计算机、电视机、各种电子仪器的电源几乎都已是开关电源的一统天下。

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IGBT的出现,打破了这一格局。

IGBT可以看成是MOSFETGTR复合而成的器件。和GTR相同,它们都主要应用于中等功率场合。但是和GTR相比,IGBT工作频率更高,且属于电压驱动型器件,易于驱动,具有突出的优点而没有明显的缺点。因此,IGBT迅速取代了昙花一现的GTR,而成为中等功率范围的主流器件,并且不断向大功率方向拓展其生存空间。

IGBT的出现,使得开关电源的容量不断增大,在许多中等容量范围内,迅速取代了相控电源。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,目前开关电源已经成为其主流电源。此外,电焊机、电镀装置等传统的晶闸管相控电源的应用范围,也逐步在被开关电源所蚕食。

如前所述,开关频率的提高可以使电源体积减小、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,出现了采用准谐振技术的零电压开关电路和零电流开关电路,这种技术被称为软开关技术。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、功率密度大的方向发展。经过近20年的发展,对于软开关技术的研究至今仍十分活跃,它也已经成为应用于务种电力电子电路的一项基础性技术。但是迄今为止,软开关技术应最为成功的领域仍然是在开关电源领域。

如图1-2所示,开关电源和交流电网连接的电路通常都是二极管整流电路,这种电路的入电流已不再是正弦波,而含有大量的谐波,这也使得电源的功率因数很低。当公用电网上接有大量的开关电源负载时,就会对电网产生严重的谐波污染。最近几年,经常听到“绿色电源”这个名词。这里所说的“绿色”,其标志主要就是对电网不产生谐波污染,对环境不产生电磁干扰,当然也包括不产生噪声。为了降低开关电源对电网的谐波污染,提高开关电源的功率因数,在20世纪90年代,出现了功率因数校正(Power Factor Correction-----PFC)技术,并在各种开关电源中大量应用。目前,单相PFC技术已比较成熟,并广泛用于各种开关电源中,而三相PFC技术则还有很长的路要走。

以上结合应用简述了开关电源的发展史。应用即社会需求,社会需求是技术以展的原动力,开关电源的发展过程清楚地表明了这一点。目前,开关电源最主要的市场还是在小功率领域,但在中等功率以至较大功率领域,开关电源的优势已十分明显,并已为市场所接受。

开关电源技术属于电力电子技术的范畴,而且在电力电子技术中占有十分重要的地位。对于这一观点,现在谁都不会否认。但开关电源技术却是在电子学领域孕育而生的。20世纪60年代,当从事整流器行业的技术人员正热衷于晶闸管相控整流装置研究的时候,用于各种电子装置的线性稳压电源缺点已充分显示出来,需要一种采用新技术的替代产品。于是,从事电子技术研究开发的工程技术人员顺应这一市场需求,开发了开关电源技术,并且迅速取得了成功,使其成为一项主流技术。正是由于这一原因,早期及中期有关开关电源的书籍大多是由从事电子技术的学者和技术人员撰写的。

电力电子技术是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的,这一观点已被全世界普遍接受。这说明电力电子技术的产生和电子技术有十公分密切的关系,开关电源技术的产生过程也很清楚地说明了这一点。

随着人们对开关电源技术研究的不断深化,不但使小功率开关电源的性能进一步提高,并且在中等功率及以上的范围内使这一技术大放异彩。目前,开关电源的应用范围越来越广。可以说,除了很大功率范围以外,凡是用到直流电源的地方,人们都会想到采用开关电源。作为一项基础技术,开关电源技术必将占据更加重要的地位。

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