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    電源發展史

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    電源發展史

       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,它們的體積卻越來越小。因此,迫切需要體積小、重量輕、效率高、性能好的新型電源,這就成了開關電源技術發展的強大動力。

        新型電力電子器件的發展給開關電源的發展提供了物質條件。20世紀60年代末,垂直導電的高耐壓、大電流的雙極型電力晶體管(亦稱巨型晶體管,BJT、GTR)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的基本結構一直沿用至今。

    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數千赫,隨著開關器件以及磁性材料性能的不斷改進,開關頻率也逐步提高。但當頻率達到10kHz左右時,變壓器、電感等磁性元件發出的噪聲就變得很刺耳。為了減小噪聲,并進一步減小體積,在20世紀70年代,開關頻率終于突破了人耳聽覺極限的20kHz。這一變化甚至被稱為“20kHz革命”。后來,隨著電力MOSFET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,功率密度更進一步提高。

    由于和線性穩壓電源相比,開關電源在絕大多數性能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極高的場合以外,開關電源已經全面取代了線性穩壓電源。計算機、電視機、各種電子儀器的電源幾乎都已是開關電源的一統天下。

    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IGBT的出現,打破了這一格局。

    IGBT可以看成是MOSFETGTR復合而成的器件。和GTR相同,它們都主要應用于中等功率場合。但是和GTR相比,IGBT工作頻率更高,且屬于電壓驅動型器件,易于驅動,具有突出的優點而沒有明顯的缺點。因此,IGBT迅速取代了曇花一現的GTR,而成為中等功率范圍的主流器件,并且不斷向大功率方向拓展其生存空間。

    IGBT的出現,使得開關電源的容量不斷增大,在許多中等容量范圍內,迅速取代了相控電源。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,目前開關電源已經成為其主流電源。此外,電焊機、電鍍裝置等傳統的晶閘管相控電源的應用范圍,也逐步在被開關電源所蠶食。

    如前所述,開關頻率的提高可以使電源體積減小、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,出現了采用準諧振技術的零電壓開關電路和零電流開關電路,這種技術被稱為軟開關技術。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、功率密度大的方向發展。經過近20年的發展,對于軟開關技術的研究至今仍十分活躍,它也已經成為應用于務種電力電子電路的一項基礎性技術。但是迄今為止,軟開關技術應最為成功的領域仍然是在開關電源領域。

    如圖1-2所示,開關電源和交流電網連接的電路通常都是二極管整流電路,這種電路的入電流已不再是正弦波,而含有大量的諧波,這也使得電源的功率因數很低。當公用電網上接有大量的開關電源負載時,就會對電網產生嚴重的諧波污染。最近幾年,經常聽到“綠色電源”這個名詞。這里所說的“綠色”,其標志主要就是對電網不產生諧波污染,對環境不產生電磁干擾,當然也包括不產生噪聲。為了降低開關電源對電網的諧波污染,提高開關電源的功率因數,在20世紀90年代,出現了功率因數校正(Power Factor Correction-----PFC)技術,并在各種開關電源中大量應用。目前,單相PFC技術已比較成熟,并廣泛用于各種開關電源中,而三相PFC技術則還有很長的路要走。

    以上結合應用簡述了開關電源的發展史。應用即社會需求,社會需求是技術以展的原動力,開關電源的發展過程清楚地表明了這一點。目前,開關電源最主要的市場還是在小功率領域,但在中等功率以至較大功率領域,開關電源的優勢已十分明顯,并已為市場所接受。

    開關電源技術屬于電力電子技術的范疇,而且在電力電子技術中占有十分重要的地位。對于這一觀點,現在誰都不會否認。但開關電源技術卻是在電子學領域孕育而生的。20世紀60年代,當從事整流器行業的技術人員正熱衷于晶閘管相控整流裝置研究的時候,用于各種電子裝置的線性穩壓電源缺點已充分顯示出來,需要一種采用新技術的替代產品。于是,從事電子技術研究開發的工程技術人員順應這一市場需求,開發了開關電源技術,并且迅速取得了成功,使其成為一項主流技術。正是由于這一原因,早期及中期有關開關電源的書籍大多是由從事電子技術的學者和技術人員撰寫的。

    電力電子技術是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的,這一觀點已被全世界普遍接受。這說明電力電子技術的產生和電子技術有十公分密切的關系,開關電源技術的產生過程也很清楚地說明了這一點。

    隨著人們對開關電源技術研究的不斷深化,不但使小功率開關電源的性能進一步提高,并且在中等功率及以上的范圍內使這一技術大放異彩。目前,開關電源的應用范圍越來越廣??梢哉f,除了很大功率范圍以外,凡是用到直流電源的地方,人們都會想到采用開關電源。作為一項基礎技術,開關電源技術必將占據更加重要的地位。

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