電源技術的創新與發展

New Ideas and Development of Power Supply Technologies

1引言

　　人類的經濟活動已經到了工業經濟時代，并正在轉入高新技術產業迅猛發展的時期。電源是位于市電（單相或三相）與負載之間，向負載提供優質電能的供電設備，是工業的基礎。

　　電源技術是一種應用功率半導體器件，綜合電力變換技術、現代電子技術、自動控制技術的多學科的邊緣交叉技術。隨著科學技術的發展，電源技術又與現代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術等許多領域密切相關。目前電源技術已逐步發展成為一門多學科互相滲透的綜合性技術學科。它對現代通訊、電子儀器、計算機、工業自動化、電力工程、國防及某些高新技術提供高質量、高效率、高可靠性的電源起著關鍵的作用。

　　當代許多高新技術均與市電的電壓、電流、頻率、相位和波形等基本參數的變換與控制相關。電源技術能夠實現對這些參數的精確控制和高效率的處理，特別是能夠實現大功率電能的頻率變換，從而為多項高新技術的發展提供了有力的支持。因此，電源技術不但本身是一項高新技術，而且還是其他多項高新技術的發展基礎。電源技術及其產業的進一步發展必將為大幅度節約電能、降低材料消耗以及提高生產效率提供重要的手段，并為現代生產和現代生活帶來深遠的影響。

　　電源如今已是非常重要的基礎科技和產業，從日常生活到最尖端的科技，都離不開電源技術的參與和支持，電源技術也正是在這種環境中一步步發展起來的。

2電源技術的創新

1947年底晶體管問世，隨后不到十年，可控硅整流器（SCR，現稱晶閘管）在晶體管漸趨成熟的基礎上問世，從而揭開了電源技術長足發展的序幕。半個世紀以來，電源技術的發展不斷創新。

2.1高頻變換是電源技術發展的主流

　　電源技術的精髓是電能變換，即利用電能變換技術，將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對象的二次電源。開關電源在電源技術中占有重要地位，從20kHz發展到高穩定度、大容量、小體積、開關頻率達到兆赫級的高頻開關電源，為高頻變換提供了物質基礎，促進了現代電源技術的繁榮和發展。高頻化帶來的最直接的好處是降低原材料消耗，電源裝置小型化，加快系統的動態反應，進一步提高電源裝置的效率，有效抑制環境噪聲污染，并使電源進入更廣闊的領域特別是高新技術領域，進一步擴展了它的應用范圍。

2.2新理論、新技術的指導

諧振變換、移相諧振、零開關PWM、零過渡PWM等電路拓撲理論；功率因數校正、有源箝位、并聯均流、同步整流、高頻磁放大器、高速編程、遙感遙控、微機監控等新技術，指導了現代電源技術的發展。

2.3新器件、新材料的支撐

　　絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、功率場效應晶體管（MOSFET）、智能IGBT功率模塊（IPM）、MOS柵控晶閘管（MCT）、靜電感應晶體管（SIT）、超快恢復二極管、無感電容器、無感電阻器、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，裝備了現代電源技術，促進產品升級換代。

2.4控制的智能化

　　控制電路、驅動電路、保護電路采用集成組件。控制電路采用全數字化。控制手段用微處理器和單片機組成的軟件控制方式，達到了較高的智能化程度，并且進一步提高了電源設備的可靠性。

2.5電源電路的模塊化、集成化

　　電源技術發展的特點是電源電路的模塊化、集成化。單片電源和模塊電源取代整機電源，功率集成技術簡化了電源的結構。已經在通訊、電力獲得廣泛應用，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。

2.6電源設備的標準規范

　　電源設備要進入市場，今天的市場已是超越區域融貫全球的一體化市場，必須遵從能源、環境、電磁兼容、貿易協定等共同準則，電源設備生產廠家必須接受安全、EMC、環境、質量體系等種種標準規范的認證。

3電源技術的發展

　　隨著科學技術的發展，對電源技術的要求越來越高，規格品種越來越多，技術難度越來越大，涉及的學術領域也越來越廣。特種電源（或稱工業電源）應用的對象具有多樣性、新穎性和復雜性，要求特種電源設備不僅要保證內在性能的完美，而且要賦于其各式各樣特定的外特性以及和外部的接口方式，這就決定了特種電源技術必須兼收并蓄眾多學科的精華，融匯各行各業的科技成果。特種電源輸入多為交流市電，輸出有直流、交流或脈沖形式。

3.1交流變頻調速器

交流變頻調速器電源驅動交流異步電動機實現無級調速，已在電氣傳動中占據越來越重要的地位，并且已獲得巨大的節能效果。應用于產業自動化，風機、水泵流量控制，細紗機、捻紗機程序控制，恒壓供水可多泵并聯，造紙機械變頻同步控制。最大功率達500kW。將交流變頻調速技術應用于空調器中，具有舒適、節能等優點。

3.2電解、電鍍電源

　　電解、電鍍電源要求穩流、穩壓。電解生產需要消耗巨大的直流電能，由大功率整流設備供給，采用晶閘管穩流、有載調壓加飽和電抗器穩流方式，最大輸出容量3～350V，5～150kA。脈沖電源用作金屬表面電化學過程，輸出容量0～100V，10～4000A。逆變式真空離子鍍膜電源性能的優劣直接影響鍍膜性能的高低。

3．3高頻逆變式整流焊機電源

高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效率、省材料的新型焊機電源，代表了當今焊機電源的發展方向。由于焊機電源的工作條件惡劣，頻繁地處于短路、燃弧、開路交替變化之中，因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性成為關鍵問題。額定焊接電流可達500A。多用等離子體切割焊機切割電流達20～90A，焊接電流為5～320A。

3．4中頻感應加熱電源

　　中頻感應加熱電源可廣泛應用于各行業的金屬熔煉，表面誶火處理以及透熱彎管等領域。至今仍主要采用快速或高頻晶閘管，頻率為500～80000Hz，功率為100～3000kW，與國外產品相比有一定差距。

3．5電力操作電源

電力操作電源是為發電廠、水電站及500kV、220kV、110kV、35kV等各類變電站提供直流的電源設備，包括供給斷路器分合閘及二次回路的儀器儀表、繼電保護、控制、應急燈光照明等各類低壓電器設備用電。最大輸出電壓315V，最大輸出電流120A。

3．6正弦波逆變電源

　　正弦波逆變電源要求高精度穩壓、穩頻、并要求波形品質。400Hz中頻逆變電源三相容量30～90kVA，穩壓精度2％，穩頻精度0.1％，波形失真小于3％，能適應各種負載。同時發展了郵電通訊專用逆變電源，電力系統、發電廠及直流電池屏專用逆變電源，車船載逆變電源，太陽能及風力發電系統專用逆變電源等。

3．7大功率高頻高壓直流電源

大功率高頻高壓直流電源得到廣泛的應用，如工業上用于環保的靜電除塵、污水處理、激光器等。醫學方面用于X光機、CT等大型設備。科研上用于高能物理、等離子體物理。軍事上雷達發射器。最高電壓可達800kV。

3．8熒光燈鎮流器

　　電子鎮流器的核心是一個高頻發生器。當熒光燈工作在幾千赫的較高頻率下，將燈和高頻電路匹配，能夠較大幅度地提高光效而達到節能目的。功率因數提高到接近1的水平。

3．9動態靜止無功補償裝置

動態靜止無功補償裝置在電壓等級、裝置容量上不斷提高，實現了全數字化計算機控制，我國已在鋼廠等企業得到了成功應用，取得了較大的經濟效益和社會效益。

由上述可見，電源技術的創新，促進電源技術迅速發展，它將為生產和科技進步做出更大的貢獻，可以預言，電源技術和電源設備將成為新世紀的主導技術和主流產品。