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关闭窗口 关键词：电力电子；开关电源；应用
Abstract: Based on the retrospect and prospect for the development of power elec tronics, its application to switching power supply is discussed, including the p rinciple,classification, developing trend of switching power supply and so on.
Keywords: power electronics; switching power supply; applicatio n
Keywords: power electronics; switching power supply; applicatio n
当今世界能源消耗增长十分迅速。目前，在所有能源中电力能源约占40%，而电力能源中有4 0%是经过电力电子设备的转换才到使用者手中。预计十年后，电力能源中的80%要经过电力 电子设备的转换，电力电子技术在21世纪将起到更大作用。
电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。它包括电力电子器件 、变流电路和控制电路三个部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学 科。随着科学技术的发展，电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电 子技术等许多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。
电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。它包括电力电子器件 、变流电路和控制电路三个部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学 科。随着科学技术的发展，电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电 子技术等许多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。
1电力电子技术的发展
1.1回顾
1957年第一个晶闸管（SCR）在美国通用电气公司的问世标志着电力电子技术的诞生。电力 电子技术的发展先后经历了整流时代、逆变时代和变频时代,并促进了电力电子技术在许多 新领域的应用。
普通SCR是半控型器件，不能自关断，被称为第一代电力电子器件。以SCR为核心的变流电路 沿用了过去水银整流器所用的相控整流电路及周波变换电路。相控整流电路的主要功能是使 交流变成直流。因此当时有整流时代或顺变时代之称。直流传动（轧钢、造纸等）、机车牵 引（电气机车、电传动内燃机、地铁机车等）、电化电源是当时的三大支柱应用领域。
在20世纪70年代到80年代，随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力 电子器件得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出GTR、GTO及其模块。 在中大容量的变流装置中，传统的SCR逐渐被这些新型器件取代。这时的电力电子技术已经 能够实现逆变。这一阶段称为逆变时代。
20世纪80年代，一批全控型器件的大容量化和实用化使电力电子技术完成了从传统电力电 子技术向现代电力电子技术的过渡。MOSFET和IGBT的相继问世，标志着现代电力电子技术时 代的来到。功率MOSFET使得中小功率电源向高频化发展。IGBT的出现为大中型功率电源向高 频发展奠定了基础。
20世纪90年代，电力电子器件的研究和开发，已进入高频化，标准模块化，集成化和智能 时代。
电力电子学的发展史实际上是一部围绕提高效率、提高性能、小型轻量化、消除电力公害、 减少电磁干扰和电噪声进行不懈研究的奋斗史。
1.2广泛应用
电力电子技术作为一门高技术学科，由于其在节能、减小环境污染、改善工作条件等方面有 着重要的作用，现在已广泛的应用于传统工业(例如：电力、机械、交通、化工、冶金、轻 纺等)和高新技术产业(例如：航天、现代化通信等)。下面着重讨论电力电子技术在电力系 统中的一些应用。
1.2.1在高压直流输电（HVDC）方面的应用
直流输电在技术方面有许多优点：（1）不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联； （2）可以限制短路电流；（3）没有电容充电电流；（4）线路有功损耗小；（5）输送相同 功率时，线路造价低；（6）调节速度快，运行可靠；（7）适宜于海下输电。随着大功率电 子器件（如：可关断的晶闸管、MOS 控制的晶闸管、绝缘门极双极性三极管等）开断能力不 断提高，新的大功率电力电子器件的出现和投入应用，高压直流输电设备的性能必将进一步 得以改善，设备结构得以简化，从而减少换流站的占地面积、降低工程造价。
1.2.2在柔性交流输电系统(FACTS)中的应用
20世纪80年代中期，美国电力科学研究院（EPRI）N.G.Hingorani博士首次提出柔性交流 输电技术的概念。近年来柔性交流输电技术在世界上发展迅速，已被国内外一些权威的输电 工作者预测确定为“未来输电系统新时代的三项支持技术（柔性输电技术、先进的控制中心 技术和综合自动化技术）之一”。现代电力电子技术、控制理论和通讯技术的发展为FACTS 的发展提供了条件。采用IGBT等可关断器件组成的FACTS元件可以快速、平滑地调节系统参 数，从而灵活、迅速地改变系统的潮流分布。
1.2.3在电力谐波治理方面的应用
有源滤波是治理日益严重的电力系统谐波的最理想方法之一。有源滤波器的概念最早是在20 世纪70年代初提出来的，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相 等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，从而实现实时补偿谐波电流的目的。随着 中国电能质量治理工作的深入开展，使用以瞬时无功功率理论为理论基础的有源滤波器进行 谐波治理将会有巨大的市场潜力。
1.2.4在不间断电源(UPS)中的应用
UPS紧急供电系统是电力自动化系统安全可靠运行的根本保证，是计算机、通信系统以及要 求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。现代UPS普遍采用脉宽调制技术 和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,降低了电源的噪声,提高了效率和可靠性。
1.3展望
电力电子技术已迅速发展成为一门独立的技术、学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经 济的各个工业部门。毫无疑问，它将成为新世纪的关键支撑技术之一。电力电子技术拥有许 多微电子技术所具有的特征，比如发展迅速、渗透力强、生命力旺盛，并且能与其它学科相 互融合和相互发展。电力电子技术也具有其自身的特色，如高电压、大容量及控制功率范围 大，因此技术创新必须跨越高电压大功率这一关。当前电力电子技术的发展趋势是：高电压 、大容量化、高频化，主电路及保护控制电路模块化、产品小型化、智能化和低成本化。而 对于电力电子产品而言，用于电力系统的电能变换设备、服务于环保和人类健康的电源装置 、适合信息社会需要的电源产品、小型电源模块与装置以及高效节能低污染的"绿色"电源产 品将是21世纪的主流产品。可以预见，在未来现有的电力电子器件的性能会得到不断改进 ，新的器件和先进的技术会不断出现。
1.1回顾
1957年第一个晶闸管（SCR）在美国通用电气公司的问世标志着电力电子技术的诞生。电力 电子技术的发展先后经历了整流时代、逆变时代和变频时代,并促进了电力电子技术在许多 新领域的应用。
普通SCR是半控型器件，不能自关断，被称为第一代电力电子器件。以SCR为核心的变流电路 沿用了过去水银整流器所用的相控整流电路及周波变换电路。相控整流电路的主要功能是使 交流变成直流。因此当时有整流时代或顺变时代之称。直流传动（轧钢、造纸等）、机车牵 引（电气机车、电传动内燃机、地铁机车等）、电化电源是当时的三大支柱应用领域。
在20世纪70年代到80年代，随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力 电子器件得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出GTR、GTO及其模块。 在中大容量的变流装置中，传统的SCR逐渐被这些新型器件取代。这时的电力电子技术已经 能够实现逆变。这一阶段称为逆变时代。
20世纪80年代，一批全控型器件的大容量化和实用化使电力电子技术完成了从传统电力电 子技术向现代电力电子技术的过渡。MOSFET和IGBT的相继问世，标志着现代电力电子技术时 代的来到。功率MOSFET使得中小功率电源向高频化发展。IGBT的出现为大中型功率电源向高 频发展奠定了基础。
20世纪90年代，电力电子器件的研究和开发，已进入高频化，标准模块化，集成化和智能 时代。
电力电子学的发展史实际上是一部围绕提高效率、提高性能、小型轻量化、消除电力公害、 减少电磁干扰和电噪声进行不懈研究的奋斗史。
1.2广泛应用
电力电子技术作为一门高技术学科，由于其在节能、减小环境污染、改善工作条件等方面有 着重要的作用，现在已广泛的应用于传统工业(例如：电力、机械、交通、化工、冶金、轻 纺等)和高新技术产业(例如：航天、现代化通信等)。下面着重讨论电力电子技术在电力系 统中的一些应用。
1.2.1在高压直流输电（HVDC）方面的应用
直流输电在技术方面有许多优点：（1）不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联； （2）可以限制短路电流；（3）没有电容充电电流；（4）线路有功损耗小；（5）输送相同 功率时，线路造价低；（6）调节速度快，运行可靠；（7）适宜于海下输电。随着大功率电 子器件（如：可关断的晶闸管、MOS 控制的晶闸管、绝缘门极双极性三极管等）开断能力不 断提高，新的大功率电力电子器件的出现和投入应用，高压直流输电设备的性能必将进一步 得以改善，设备结构得以简化，从而减少换流站的占地面积、降低工程造价。
1.2.2在柔性交流输电系统(FACTS)中的应用
20世纪80年代中期，美国电力科学研究院（EPRI）N.G.Hingorani博士首次提出柔性交流 输电技术的概念。近年来柔性交流输电技术在世界上发展迅速，已被国内外一些权威的输电 工作者预测确定为“未来输电系统新时代的三项支持技术（柔性输电技术、先进的控制中心 技术和综合自动化技术）之一”。现代电力电子技术、控制理论和通讯技术的发展为FACTS 的发展提供了条件。采用IGBT等可关断器件组成的FACTS元件可以快速、平滑地调节系统参 数，从而灵活、迅速地改变系统的潮流分布。
1.2.3在电力谐波治理方面的应用
有源滤波是治理日益严重的电力系统谐波的最理想方法之一。有源滤波器的概念最早是在20 世纪70年代初提出来的，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相 等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，从而实现实时补偿谐波电流的目的。随着 中国电能质量治理工作的深入开展，使用以瞬时无功功率理论为理论基础的有源滤波器进行 谐波治理将会有巨大的市场潜力。
1.2.4在不间断电源(UPS)中的应用
UPS紧急供电系统是电力自动化系统安全可靠运行的根本保证，是计算机、通信系统以及要 求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。现代UPS普遍采用脉宽调制技术 和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,降低了电源的噪声,提高了效率和可靠性。
1.3展望
电力电子技术已迅速发展成为一门独立的技术、学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经 济的各个工业部门。毫无疑问，它将成为新世纪的关键支撑技术之一。电力电子技术拥有许 多微电子技术所具有的特征，比如发展迅速、渗透力强、生命力旺盛，并且能与其它学科相 互融合和相互发展。电力电子技术也具有其自身的特色，如高电压、大容量及控制功率范围 大，因此技术创新必须跨越高电压大功率这一关。当前电力电子技术的发展趋势是：高电压 、大容量化、高频化，主电路及保护控制电路模块化、产品小型化、智能化和低成本化。而 对于电力电子产品而言，用于电力系统的电能变换设备、服务于环保和人类健康的电源装置 、适合信息社会需要的电源产品、小型电源模块与装置以及高效节能低污染的"绿色"电源产 品将是21世纪的主流产品。可以预见，在未来现有的电力电子器件的性能会得到不断改进 ，新的器件和先进的技术会不断出现。
2在开关电源中的应用
开关电源是利用现代电力电子技术，控制功率半导体器件开通和关断的时间比率，维持稳定 输出电压的一种电源。与线性稳压电源相比，开关电源具有体积小、效率高、重量轻等一系 列优点，在各种电子设备中得到广泛的应用。20世纪90年代，开关电源相继进入各种电子 、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用 了开关电源，这更加促进了开关电源技术的迅速发展。但是，开关电源也存在着电路复杂、 射频干扰、电磁干扰大的缺点。随着电子技术的发展，上述缺点正在被逐步克服。
开关电源是利用现代电力电子技术，控制功率半导体器件开通和关断的时间比率，维持稳定 输出电压的一种电源。与线性稳压电源相比，开关电源具有体积小、效率高、重量轻等一系 列优点，在各种电子设备中得到广泛的应用。20世纪90年代，开关电源相继进入各种电子 、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用 了开关电源，这更加促进了开关电源技术的迅速发展。但是，开关电源也存在着电路复杂、 射频干扰、电磁干扰大的缺点。随着电子技术的发展，上述缺点正在被逐步克服。
图1为开关电源的结构框图。整机电路分为主电路和控制电路。主电路包括输入整流滤波、 功率转换和输出整流滤波三个环节。主电路功能是将电网的能量传递给负载。结构框图中除 主电路外为控制电路，作用是保证主电路正常工作。
2.1开关电源的分类
根据分类的原则不同，开关电源有很多种分类方法：
(1) 根据输入输出类型，可分为DC/DC变换器和AC/DC变换器。
(2) 根据驱动方式，可分为自励式和他励式。
(3) 根据控制方式，可分为脉冲宽度调制式（PWM）、脉冲频率调制式（PFM）、PWM和PFM混 合式。
(4) 根据电路组成，可分为谐振型和非谐振型。
此外还可分为单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式和升降压式 等等。
2.2开关电源的发展趋势
高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化是开关电源的发展趋势。
目前市场上的开关电源中采用双极性晶体管制成的100 kHz、用MOS-FET制成的500 kHz电源 ，其频率有待进一步提高。提高开关频率，需要有高速开关元器件。同时为了保证效率，要 减少开关损耗。开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而 产 生浪涌或噪声。为了控制浪涌，针对不同的情况，可采用R-C或L-C缓冲器、非晶态等磁芯制 成的磁缓冲器、谐振式开关。谐振式开关在控制浪涌的同时还可将可开关损耗。
在可靠性方面，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应 力，使得产品的可靠性大大提高。
若单独追求高频化，必将导致噪声增大。理论上，采用部分谐振转换电路技术，可实现高频 化又可降低噪声。但在这实用化方面存在着技术问题，因此在此领域仍须进行大量研究工作 。
对于开关电源的模块化发展，可采用模块化电源组成分布式电源系统。电源模块的面世可谓 是一大突破，但由于开关频率、功率增加，所产生的EMI噪声、浪涌、功耗也相应地增 加。如果在模块的设计上增加滤波器，并以生产工艺、外围模块做支持，也可解决各个问题 。
2.1开关电源的分类
根据分类的原则不同，开关电源有很多种分类方法：
(1) 根据输入输出类型，可分为DC/DC变换器和AC/DC变换器。
(2) 根据驱动方式，可分为自励式和他励式。
(3) 根据控制方式，可分为脉冲宽度调制式（PWM）、脉冲频率调制式（PFM）、PWM和PFM混 合式。
(4) 根据电路组成，可分为谐振型和非谐振型。
此外还可分为单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式和升降压式 等等。
2.2开关电源的发展趋势
高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化是开关电源的发展趋势。
目前市场上的开关电源中采用双极性晶体管制成的100 kHz、用MOS-FET制成的500 kHz电源 ，其频率有待进一步提高。提高开关频率，需要有高速开关元器件。同时为了保证效率，要 减少开关损耗。开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而 产 生浪涌或噪声。为了控制浪涌，针对不同的情况，可采用R-C或L-C缓冲器、非晶态等磁芯制 成的磁缓冲器、谐振式开关。谐振式开关在控制浪涌的同时还可将可开关损耗。
在可靠性方面，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应 力，使得产品的可靠性大大提高。
若单独追求高频化，必将导致噪声增大。理论上，采用部分谐振转换电路技术，可实现高频 化又可降低噪声。但在这实用化方面存在着技术问题，因此在此领域仍须进行大量研究工作 。
对于开关电源的模块化发展，可采用模块化电源组成分布式电源系统。电源模块的面世可谓 是一大突破，但由于开关频率、功率增加，所产生的EMI噪声、浪涌、功耗也相应地增 加。如果在模块的设计上增加滤波器，并以生产工艺、外围模块做支持，也可解决各个问题 。
3结束语
据美国总统科学和技术顾问委员会称，国家关键性的科技领域有七个方面：能源、环保、资 讯与通信、生命科学、材料和交通。每一领域中电力电子技术都扮演者重要的角色。可见， 电力电子技术是现代社会的重要支撑科技，在国民经济各个领域中有着广泛的应用和美好的 前景。
据美国总统科学和技术顾问委员会称，国家关键性的科技领域有七个方面：能源、环保、资 讯与通信、生命科学、材料和交通。每一领域中电力电子技术都扮演者重要的角色。可见， 电力电子技术是现代社会的重要支撑科技，在国民经济各个领域中有着广泛的应用和美好的 前景。
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