現(xiàn)代電源技術(shù)是應(yīng)用高頻電力電子半導(dǎo)體器體，自動控制、高性能數(shù)字處理技術(shù)和電磁技術(shù)的多學(xué)科邊緣交叉技術(shù)。這些技術(shù)的成熟與應(yīng)用在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的直流電源中起著關(guān)鍵的作用，是現(xiàn)代高頻電力電子技術(shù)的整合應(yīng)用。
當(dāng)前，高頻電力電子開關(guān)器作為降耗、節(jié)能、環(huán)保、自動化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、控制方式軟件化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。相信在不遠(yuǎn)的將來，高頻電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。
一、電力電子技術(shù)的發(fā)展
電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，是從以低頻技術(shù)為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué)，向以高頻技術(shù)為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)始于上世紀(jì)的四十年代末五十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(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、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(dǎo)體復(fù)合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。
1.整流器時(shí)代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機(jī)提供，但是大約20%~40%的電能是以直流形式消費(fèi)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(jī)車、電傳動的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠以70~85%的效率把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡虼嗽诹甏推呤甏?，大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。
當(dāng)時(shí)國內(nèi)曾經(jīng)掀起了各地大辦硅整流器廠的熱潮，目前全國大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時(shí)的產(chǎn)物，但是，整流器的高諧波干擾，低轉(zhuǎn)換效率，體積龐大，散熱量大成了實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。
2.逆變器時(shí)代
七十年代中期出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī)，交流電機(jī)變頻調(diào)速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)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，隨著變頻調(diào)速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、大功率達(dá)林頓功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出，靜止式無功功率動態(tài)補(bǔ)償?shù)?。這時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變，但工作頻率較低，使得設(shè)備的體積依然龐大，功率器件的損耗較大，轉(zhuǎn)換效率不夠高，僅僅局限在中低頻范圍內(nèi)。
3.變頻器時(shí)代
進(jìn)入八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，與之配套出現(xiàn)的軟開關(guān)切換技術(shù)，PWM調(diào)制技術(shù)，諧振開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，使得全控型功率器件，首先是金屬氧化物功率管(M0SFET)的應(yīng)用，促使中小功率直流電源向高頻化發(fā)展，而絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn)，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機(jī)遇。MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場上已達(dá)到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域已成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現(xiàn)代電力電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展，促使交流--直流變換、直流--直流變換、直流--交流逆變技術(shù)不斷提升，可靠性不斷提高，為用電設(shè)備提供高效、節(jié)能、降耗、環(huán)保、電源體積小型化、電源重量輕量化、控制技術(shù)智能化和機(jī)電一體化的發(fā)展方向提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)和技術(shù)保障。
二、現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域
1.為高性能計(jì)算機(jī)提供高效率綠色電源
移動通信高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類進(jìn)入了信息社會，同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代，計(jì)算機(jī)全面采用了開關(guān)電源，率先完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。
計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，提出綠色電腦和綠色電源的概念。綠色電腦是泛指對環(huán)境無害的個(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、環(huán)保、低諧波干擾的電源，根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署l992年6月17日“能源之星”計(jì)劃規(guī)定，桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的外圍設(shè)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80%的200瓦開關(guān)電源而言，電源自身就要消耗40瓦的能源，顯然，這與當(dāng)前的能源緊張的局面形成了明顯的對比，因此，待機(jī)功耗1W的開關(guān)電源已經(jīng)成為當(dāng)前的主要奮斗目標(biāo)。
2.通信用高頻開關(guān)電源
通信行業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中，通常將整流器稱為一次電源，而將直流－直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。
目前在程控交換機(jī)用的一次電源中，傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代，高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作，開關(guān)頻率一般控制在50-300kHz范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高效率、低諧波和小型化。近幾年，開關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大，單機(jī)容量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A，但就主設(shè)備的可靠性運(yùn)行和需求來看，主流的高頻開關(guān)電源模塊的輸出容量基本上可以分為單相：48V/30A、48V/50A，三相：48V/100A。
3.不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷交流供電的場合所必須的一種高可靠、高性能的交流不間斷電源系統(tǒng)。
交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流，一部分能量給蓄電池組充電，另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流，經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負(fù)載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負(fù)載提供能量，另一路備用電源通過電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)(ATS)來實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率IGBT等現(xiàn)代電力電子器件，電源的噪聲得以降低，而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入，可以實(shí)現(xiàn)對UPS的智能化管理，進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷。
目前，在線式UPS的最大容量已可作到600kVA，從實(shí)際應(yīng)用上看，單機(jī)容量越大，意味著危險(xiǎn)系數(shù)也越大，因此，很多廠家正在積極研究模塊化的UPS，以單臺為15KVA/20KVA/30KVA/50KVA為單元，通過模塊的逐步并聯(lián)，來達(dá)到滿足客戶負(fù)載的需求，這樣，不僅可以實(shí)現(xiàn)N+1或者N+x的備份供電模式，更可以合理配置交流供電系統(tǒng)，達(dá)到最佳的用電狀態(tài)。
4.大功率開關(guān)型高壓直流電源
大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于工業(yè)類設(shè)備：如靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機(jī)和CT機(jī)等大型設(shè)備，電壓高達(dá)50~l59kV，電流達(dá)到0.5A以上，功率可達(dá)100kW，還有一個(gè)應(yīng)用將是在IT業(yè)的IDC數(shù)據(jù)機(jī)房的供電上。
自從70年代開始，日本的一些公司開始采用逆變技術(shù)，將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻，然后升壓。進(jìn)入80年代，高頻開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件，將電源的開關(guān)頻率提高到20kHz以上；并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源，取消了高壓變壓器油箱，使變壓器系統(tǒng)的體積進(jìn)一步減小。
國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制，市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?，采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓，然后由高頻變壓器升壓，最后整流為直流高壓。在電阻負(fù)載條件下，輸出直流電壓達(dá)到55kV，電流達(dá)到15mA，工作頻率為25.6kHz。
5.電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運(yùn)時(shí)，將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流，引起諧波損耗和干擾，同時(shí)還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象，即所謂“電力公害”，例如，不可控整流加電容濾波時(shí)，網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(dá)(70~80)%，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足，是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由全橋橋開關(guān)功率變換器和偵測控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是：
1)不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流；
2)電流環(huán)基準(zhǔn)信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
6.分布式開關(guān)電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?，利用最新的數(shù)字控制理論和技術(shù)，高頻開關(guān)技術(shù)成果，組成積木式、智能化的大功率供電電源，從而使強(qiáng)電與弱電緊密結(jié)合，降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力，提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期，對分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期，隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)，結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù)，使中小功率裝置的集成成為可能，從而迅速地推動了分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。已被大型計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納，也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合，如電鍍、電解電源、電力機(jī)車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動機(jī)驅(qū)動電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。
