開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的進(jìn)展與管理應(yīng)用
一、引言
電能是目前人類生產(chǎn)和生活中最重要的一種能源形式。合理、高效、精確和方便地利用電能仍然是人類所面臨的重大問(wèn)題。采用電力電子技術(shù)的電源裝置給電能的利用帶來(lái)了革命。在世界范圍內(nèi)，用電總量中經(jīng)過(guò)電力電子裝置變換和調(diào)節(jié)的比例已經(jīng)成為衡量用電水平的重要指標(biāo)，目前全球范圍內(nèi)該指標(biāo)的平均數(shù)為40%，據(jù)美國(guó)國(guó)家電力科學(xué)研究院預(yù)測(cè)，到2010年將達(dá)到80%。這對(duì)電源技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。
上世紀(jì)80年代，提出了電源制造中電力電子集成概念，明確了集成化是電力電子技術(shù)未來(lái)發(fā)展的方向，是解決電力電子技術(shù)發(fā)展面臨障礙的最有希望的出路。電源集成電路逐步成為功率半導(dǎo)體器件中的主導(dǎo)器件，把電源技術(shù)推向了電源管理的新時(shí)代。電源管理集成電路分成電壓調(diào)整器和接口電路兩方面。正是因?yàn)檫@么多的集成電路(IC)進(jìn)入電源領(lǐng)域，人們才更多地以電源管理來(lái)稱呼現(xiàn)階段的電源技術(shù)。
二、電源技術(shù)的進(jìn)展
電源技術(shù)是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的多學(xué)科的邊緣交叉技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前電源技術(shù)已逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。它對(duì)現(xiàn)代通訊、電子儀器、計(jì)算化、工業(yè)自動(dòng)化、電力工程、國(guó)防及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電源起著關(guān)鍵的作用。
上世紀(jì)40年代晶體管問(wèn)世，隨后不到十年，晶閘管在晶體管漸趨成熟的基礎(chǔ)上問(wèn)世，從而揭開(kāi)了電源技術(shù)長(zhǎng)足發(fā)展序幕。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，電源技術(shù)的發(fā)展不斷創(chuàng)新。
1、高頻變換是電源技術(shù)發(fā)展的主流
電源技術(shù)的精髓是電能變換。利用電能變換技術(shù)，將市電或電池等一次電源變換成適合各種用電對(duì)象的二次電源。開(kāi)關(guān)電源在電源技術(shù)中占有重要地位，從20kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開(kāi)關(guān)頻率達(dá)兆赫茲的高頻開(kāi)關(guān)電源，為高頻變換提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，促進(jìn)了電源技術(shù)的發(fā)展。高頻化帶來(lái)的最直接的好處是降低原材料消耗，電源裝置小型化，提高功率密度，加快系統(tǒng)的功態(tài)響應(yīng)，進(jìn)一步提高電源裝置的效率，有效抑制環(huán)境噪聲污染，并使電源進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域，特別是高新技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)一步擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。
2、新理論、新技術(shù)的指導(dǎo)
單管降壓、升壓電路、諧振變換、移相諧振、軟開(kāi)關(guān)PWM、零過(guò)渡PWM等電路拓?fù)淅碚摚挥?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、功率因數(shù)校正、有源箍位、并聯(lián)均流、同步整流、高頻磁放大器、高速編程、 遙感遙控、微機(jī)監(jiān)控等新技術(shù)，指導(dǎo)廠電源技術(shù)的發(fā)展。
3、新器件、新材料的支撐
晶閘管(SCR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、大功率晶體管(GTR)、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、智能ICBT(IPM)、MOS柵控晶閘管(MCT)、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)、超快恢復(fù)二極管、無(wú)感電容器、無(wú)感電阻器、新型鐵氧體、非晶和微晶軟磁合金、納米晶軟磁合金等元器件，裝備廠現(xiàn)代電源技術(shù)、促進(jìn)電源產(chǎn)品升級(jí)換代。并正在研究開(kāi)發(fā)砷化鎵(GaAs)、半導(dǎo)體金剛石、碳化硅(SiC)半導(dǎo)體材料。
4、控制的智能化
控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路采用集成組件。數(shù)字信號(hào)處理器DSP的采用，實(shí)現(xiàn)控制全數(shù)字化�？刂剖侄斡梦⑻幚砥骱蛦纹瑱C(jī)組成的軟件控制方式，達(dá)到了較高的智能化程度，并且進(jìn)一步提高電源裝置的可靠性。
5、電源電路的模塊化、集成化
單片電源和模塊電源取代整機(jī)電源，功率集成技術(shù)簡(jiǎn)化了電源的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在通訊、電力獲得廣泛應(yīng)用，并且派生出新的供電體制??分布式供電，使集中供電單一體制走向多元化。電路集成的進(jìn)一步發(fā)展是做系統(tǒng)集成，將信息傳輸、控制與功率半導(dǎo)體器件全部集成在一起，增加了可靠性。
6、電源設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
電源設(shè)備要進(jìn)入市場(chǎng)，今天的市場(chǎng)已是超越局域融費(fèi)全球的一體化市場(chǎng)，必須遵從能源、環(huán)境、電磁兼容、貿(mào)易協(xié)定等共同準(zhǔn)則，電源設(shè)備要接受安全、 EMC、環(huán)境、質(zhì)量體系等多種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的論證。
電能是目前人類生產(chǎn)和生活中最重要的一種能源形式。合理、高效、精確和方便地利用電能仍然是人類所面臨的重大問(wèn)題。采用電力電子技術(shù)的電源裝置給電能的利用帶來(lái)了革命。在世界范圍內(nèi)，用電總量中經(jīng)過(guò)電力電子裝置變換和調(diào)節(jié)的比例已經(jīng)成為衡量用電水平的重要指標(biāo)，目前全球范圍內(nèi)該指標(biāo)的平均數(shù)為40%，據(jù)美國(guó)國(guó)家電力科學(xué)研究院預(yù)測(cè)，到2010年將達(dá)到80%。這對(duì)電源技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。
上世紀(jì)80年代，提出了電源制造中電力電子集成概念，明確了集成化是電力電子技術(shù)未來(lái)發(fā)展的方向，是解決電力電子技術(shù)發(fā)展面臨障礙的最有希望的出路。電源集成電路逐步成為功率半導(dǎo)體器件中的主導(dǎo)器件，把電源技術(shù)推向了電源管理的新時(shí)代。電源管理集成電路分成電壓調(diào)整器和接口電路兩方面。正是因?yàn)檫@么多的集成電路(IC)進(jìn)入電源領(lǐng)域，人們才更多地以電源管理來(lái)稱呼現(xiàn)階段的電源技術(shù)。
二、電源技術(shù)的進(jìn)展
電源技術(shù)是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的多學(xué)科的邊緣交叉技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前電源技術(shù)已逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。它對(duì)現(xiàn)代通訊、電子儀器、計(jì)算化、工業(yè)自動(dòng)化、電力工程、國(guó)防及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電源起著關(guān)鍵的作用。
上世紀(jì)40年代晶體管問(wèn)世，隨后不到十年，晶閘管在晶體管漸趨成熟的基礎(chǔ)上問(wèn)世，從而揭開(kāi)了電源技術(shù)長(zhǎng)足發(fā)展序幕。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，電源技術(shù)的發(fā)展不斷創(chuàng)新。
1、高頻變換是電源技術(shù)發(fā)展的主流
電源技術(shù)的精髓是電能變換。利用電能變換技術(shù)，將市電或電池等一次電源變換成適合各種用電對(duì)象的二次電源。開(kāi)關(guān)電源在電源技術(shù)中占有重要地位，從20kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開(kāi)關(guān)頻率達(dá)兆赫茲的高頻開(kāi)關(guān)電源，為高頻變換提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，促進(jìn)了電源技術(shù)的發(fā)展。高頻化帶來(lái)的最直接的好處是降低原材料消耗，電源裝置小型化，提高功率密度，加快系統(tǒng)的功態(tài)響應(yīng)，進(jìn)一步提高電源裝置的效率，有效抑制環(huán)境噪聲污染，并使電源進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域，特別是高新技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)一步擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。
2、新理論、新技術(shù)的指導(dǎo)
單管降壓、升壓電路、諧振變換、移相諧振、軟開(kāi)關(guān)PWM、零過(guò)渡PWM等電路拓?fù)淅碚摚挥?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、功率因數(shù)校正、有源箍位、并聯(lián)均流、同步整流、高頻磁放大器、高速編程、 遙感遙控、微機(jī)監(jiān)控等新技術(shù)，指導(dǎo)廠電源技術(shù)的發(fā)展。
3、新器件、新材料的支撐
晶閘管(SCR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、大功率晶體管(GTR)、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、智能ICBT(IPM)、MOS柵控晶閘管(MCT)、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)、超快恢復(fù)二極管、無(wú)感電容器、無(wú)感電阻器、新型鐵氧體、非晶和微晶軟磁合金、納米晶軟磁合金等元器件，裝備廠現(xiàn)代電源技術(shù)、促進(jìn)電源產(chǎn)品升級(jí)換代。并正在研究開(kāi)發(fā)砷化鎵(GaAs)、半導(dǎo)體金剛石、碳化硅(SiC)半導(dǎo)體材料。
4、控制的智能化
控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路采用集成組件。數(shù)字信號(hào)處理器DSP的采用，實(shí)現(xiàn)控制全數(shù)字化�？刂剖侄斡梦⑻幚砥骱蛦纹瑱C(jī)組成的軟件控制方式，達(dá)到了較高的智能化程度，并且進(jìn)一步提高電源裝置的可靠性。
5、電源電路的模塊化、集成化
單片電源和模塊電源取代整機(jī)電源，功率集成技術(shù)簡(jiǎn)化了電源的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在通訊、電力獲得廣泛應(yīng)用，并且派生出新的供電體制??分布式供電，使集中供電單一體制走向多元化。電路集成的進(jìn)一步發(fā)展是做系統(tǒng)集成，將信息傳輸、控制與功率半導(dǎo)體器件全部集成在一起，增加了可靠性。
6、電源設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
電源設(shè)備要進(jìn)入市場(chǎng)，今天的市場(chǎng)已是超越局域融費(fèi)全球的一體化市場(chǎng)，必須遵從能源、環(huán)境、電磁兼容、貿(mào)易協(xié)定等共同準(zhǔn)則，電源設(shè)備要接受安全、 EMC、環(huán)境、質(zhì)量體系等多種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的論證。
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