开关电源现代电源技能是使用电力电子半导体器材,归纳自动操控、计算机(微处理器)技能和电磁技能的多学科边际交又技能。在各种高质量、高效、高牢靠性的电源中起关键效果,是现代电力电子技能的详细使用。
其时,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的根底,正朝着使用技能高频化、硬件结构模块化、产品功能绿色化的方向开展。在不远的将来,电力电子技能将使电源技能愈加老练、经济、有用,完结高功率和高品质用电相结合。
1. 电力电子技能的开展现代电力电子技能的开展方向,是从以低频技能处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技能处理问题为主的现代电力电子学方向改变。
电力电子技能起始于五十年代末六十年代初的硅整流器材,其开展先后阅历了整流器年代、逆变器年代和变频器年代,并促进了电力电子技能在许多新范畴的使用。八十年代晚期和九十年代初期开展起来的、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材,标明传统电力电子技能现已进入现代电力电子年代。
1.1 整流器年代大功率的工业用电由工频(50Hz)沟通发电机供给,可是大约20%的电能是以直流方式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需求直流电解)、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)三大范畴。大功率硅整流器可以高功率地把工频沟通电改变为直流电,因而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使用得以很大开展。其时国内从前掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,现在全国大大小小的制作硅整流器的半导体厂家便是那时的产品。
1.2 逆变器年代七十年代呈现了世界范围的动力危机,沟通电机变频惆速因节能效果显著而迅速开展。变频调速的关键技能是将直流电逆变为0~100Hz的沟通电。在七十年代到八十年代,跟着变频调速设备的遍及,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(GT0)成为其时电力电子器材的主角。相似的使用还包含高压直流输出,停止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技能现已可以完结整流和逆变,但作业频率较低,仅限制在中低频范围内。
1.3 变频器年代进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技能的迅猛开展,为现代电力电子技能的开展奠定了根底。将集成电路技能的精密加工技能和高压大电流技能有机结合,呈现了一批全新的全控型功率器材、首先是功率M0SFET的面世,导致了中小功率电源向高频化开展,然后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的呈现,又为大中型功率电源向高频开展带来机会。MOSFET和IGBT的相继面世,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年末,功率M0SFET和GTR在功率半导体器材市场上已达到不相上下的境地,而用IGBT替代GTR在电力电子范畴巳成结论。新式器材的开展不仅为沟通电机变频调速供给了较高的频率,使其功能愈加完善牢靠,并且使现代电子技能不断向高频化开展,为用电设备的高效节材节能,完结小型轻量化,机电一体化和智能化供给了重要的技能根底。
2. 现代电力电子的使用范畴
2.1 计算机高功率绿色电源高速开展的计算机技能带领人类进入了信息社会,一起也促进了电源技能的迅速开展。八十年代,计算机全面选用了开关电源,首先完结计算机电源换代。接着开关电源技能相继进人了电子、电器设备范畴。
计算机技能的开展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品,绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,依据美国环境保护署l992年6月17日“动力之星”方案规则,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡觉状态下的耗电量若小于30瓦,就契合绿色电脑的要求,进步电源功率是下降电源耗费的根本途径。就现在功率为75%的200瓦开关电源而言,电源本身要耗费50瓦的动力。
2.2 通讯誉高频开关电源通讯业的迅速开展极大的推动了通讯电源的开展。高频小型化的开关电源及其技能已成为现代通讯供电体系的干流。在通讯范畴中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的效果是将单相或三相沟通电网变换成标称值为48V的直流电源。现在在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源替代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)经过MOSFET或IGBT的高频作业,开关频率一般操控在50-100kHz范围内,完结高功率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A.因通讯设备中所用集成电路的品种繁复,其电源电压也各不相同,在通讯供电体系中选用高功率密度的高频DC-DC阻隔电源模块,从中心母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、便利保护,且装置、添加十分便利。一般都可直接装在规范操控板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通讯容量的不断添加,通讯电源容量也将不断添加。
2.3 直流-直流(DC/DC)变换器DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技能被广泛使用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和操控,一起使上述操控取得加快平稳、快速呼应的功能,并一起收到节省电能的效果。用直流斩波器替代变阻器可节省电能(20~30)%.直流斩波器不仅能起调压的效果(开关电源), 一起还能起到有效地按捺电网侧谐波电流噪声的效果。
通讯电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块选用高频PWM技能,开关频率在500kHz左右,跟着大规模集成电路的开展,要求电源模块完结小型化,因而就要不断进步开关频率和选用新的电路拓扑结构,现在已有一些公司研发出产了选用零电流开关和零电压开关技能的二次电源模块,功率密度有较大起伏的进步。
2.4 不间断电源(UPS)
不间断电源(UPS)是计算机、通讯体系以及要求供给不能中止场合所有必要的一种高牢靠、高功能的电源。沟通市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成沟通,经转换开关送到负载。为了在逆变器毛病时仍能向负载供给能量,另一路备用电源经过电源转换开关来完结。