关键词：开关电源；电力电子技术；运用
1.电力电子技术的发展历程
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，不能自行关断，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。
综上电力电子技术的发展历程可以看出，其正朝着提高效率、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的方向不断发展。
2.电源开关中的电力电子技术概述
当前，随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。
开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET，这是因为SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。
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3.电力电子技术在大功率开关电源中的应用
3.1功率半导体器件
功率半导体器件的发展是高频开关电源技术的重要支撑。功率MOSFET和IGBT的出现，使开关电源高频化的实现成为可能：超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发，为研制高效率或低电压输出的开关电源创造了条件：功率半导体器件的额定电压和额定电流不断增大，为实现单机电源模块的大电流的和高率提供了保证。
3.1.1功率MOSFET
功率MOSFET是一种单极型（只有电子或空穴作单一导电机构）电压控制半导体元件，其特点是控制极（栅极）静态内阻极高，驱动功率很小，开关速度高，无二次击穿，安全区宽等。开关频率可高达500kHz，特别适合高频化的电力电子装置。
3.1.2绝缘栅双极晶体管IGBT
绝缘栅双极晶体管IGBT是一种双（导通）机制复合器件，它的输入控制部分为MOSFET，输出极为GTR，集中了MOSFET及GTR分别具有的优点：高输入阻抗，可采用逻辑电平来直接驱动，实现电压控制，开关速度高，饱和压降低，电阻及损耗小，电流、电压容量大，抗浪涌电流能力强，没有二次击穿现象，安全区宽等。
3.2软开关技术
传统大功率开关电源逆变主电路结构多采用PWM硬开关控制的全桥电路结构，功率随着开关器件在开关瞬间承受很大的电流和电压应力，产生很大的开关损耗，且随着频率的提高而损耗增大。工作频率在20kHz，采用IGBT功率器件的PWM硬开关控制的电源，功率器件开关损耗占总损耗的60%—70%，甚至更大。为了消除或抑制电路的电压尖峰和浪涌电流，一般增加缓冲电路，不仅使电路更加复杂，还将功率器件的开关损耗转移到缓冲电路，而且缓冲电路的损耗随着工作频率的提高而增大。
软开关技术利用谐振原理，使开关器件两端的电压或流过的电流呈区间性正弦变化，而且电压、电流波形错开，使开关器件实现接近零损耗。谐振参数中吸收了高频变压器的漏抗、电路中寄生电感和功率器件的寄生电容，可以消除高频条件下的电压尖峰和浪涌电流，极大地降低器件的开关应力，从而大大提高开关电源的效率和可靠性。
3.3控制技术
开关变换器具有强非线性、离散性、变结构的特点，负载性质也是多变的，因此主电路的性能必须满足负载大范围的变化，这使开关电源的控制方法和控制器的设计变得比较复杂。
电流型控制及多环控制在开关电源中得到了较广泛的应用；电荷控制、单周期控制等技术使开关电源的动态性能有了很大的提高。一些新的方法，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制及各种调制方式在开关电源中的应用，已经引起关注。
随着微电子技术的发展，微控制器的处理速度越来越快，集成度越来越高，将微控制器或者DSP应用的大功率开关电源的数字控制模块已经成为现实。开关电源的高性能数字控制芯片的出现，推动了电源数字化的进程。
数字控制可以实现精细的非线性算法，监控多部件的分布电源系统，减少产品测试的调整时间，使产品生产率更高，实时数字控制可以实现快速、灵活的控制设计，改善电路的瞬间响应性能，使之速度更快、精度更高、可靠性更强。
结束语：电力电子器件从开始的单一功率整流管与晶闸管发展到现今的现代电力电子器件，尤其是绝缘栅双极晶体管与 MOS门极晶闸管的出现，摆脱了传统电力电子器件的一些弊端，使电力电子技术进入了一个全新的发展时代，也让其在开关电源中的运用提供了极大的便利。本文仅针对开关电源方面电力电子技术的应用进行了论述，但是在实际的应用中，电力电子技术还有着极为广阔的应用空间，这就要求相关人员加大对其的关注与研究，以推动电力电子技术的发展。
参考文献
[1]陈晨.电力电子技术发展动向与应用[J].电子技术与软件工程.2013
[2]程鹏飞.电力电子技术的应用及发展前景探析[J].科学之友.2013.
[3]姜婷婷.开关电源技术综述[J].科学与财富.2015.
论文作者:王松长
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第18期
论文发表时间:2017/12/7
标签：开关电源论文; 电力论文; 电子技术论文; 功率论文; 电路论文; 电压论文; 器件论文; 《建筑学研究前沿》2017年第18期论文;