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直流电源的发展与应用前景


  来源: 电子发烧友 时间:2020-01-03 编辑:马致远
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现代电源技术是应用高频电力电子半导体器体,自动控制、高性能数字处理技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。这些技术的成熟与应用在各种高质量、高效、高可靠性的直流电源中起着关键的作用,是现代高频电力电子技术的整合应用。


当前,高频电力电子开关器作为降耗、节能、环保、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、控制方式软件化、产品性能绿色化的方向发展。相信在不远的将来,高频电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济实用,实现高效率和高品质用电相结合。


一、电力电子技术的发展


电力电子技术的发展方向,是从以低频技术为主的传统电力电子学,向以高频技术为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术始于上世纪的四十年代末五十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、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件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。


1.整流器时代

大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%~40%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、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)三大领域。大功率硅整流器能够以70~85%的效率把工频交流电转变为直流电,因此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应用得以很大发展。


当时国内曾经掀起了各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物,但是,整流器的高谐波干扰,低转换效率,体积庞大,散热量大成了实际应用的瓶颈。


2.逆变器时代

七十年代中期出现了世界范围的能源危机,交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、大功率达林顿功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,使得设备的体积依然庞大,功率器件的损耗较大,转换效率不够高,仅仅局限在中低频范围内。


3.变频器时代

进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,与之配套出现的软开关切换技术,PWM调制技术,谐振开关技术的应用,使得全控型功率器件,首先是金属氧化物功率管(M0SFET)的应用,促使中小功率直流电源向高频化发展,而绝缘栅极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,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年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域已成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电力电子技术不断向高频化发展,促使交流--直流变换、直流--直流变换、直流--交流逆变技术不断提升,可靠性不断提高,为用电设备提供高效、节能、降耗、环保、电源体积小型化、电源重量轻量化、控制技术智能化和机电一体化的发展方向提供了重要的技术基础和技术保障。


二、现代电力电子的应用领域


1.为高性能计算机提供高效率绿色电源

移动通信高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。


关键词:电源 负载 功率 测试    浏览量:249

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