當今世界能源消耗增長十分迅速。目前，在所有能源中電力能源約占40%，而電力能源中有4 0%是經(jīng)過電力電子設備的轉(zhuǎn)換才到使用者手中。預計十年后，電力能源中的80%要經(jīng)過電力電子設備的轉(zhuǎn)換，電力電子技術(shù)在21世紀將起到更大作用。 電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對電能進行控制和轉(zhuǎn)換的學科。它包括電力電子器件 、變流電路和控制電路三個部分，是電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領域之間的交叉學科。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)由于和現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程、微電 子技術(shù)等許多領域密切相關，已逐步發(fā)展成為一門多學科相互滲透的綜合性技術(shù)學科。 1電力電子技術(shù)的發(fā)展 1.1回顧 1957年第一個晶閘管（SCR）在美國通用電氣公司的問世標志著電力電子技術(shù)的誕生。電力 電子技術(shù)的發(fā)展先后經(jīng)歷了整流時代、逆變時代和變頻時代,并促進了電力電子技術(shù)在許多 新領域的應用。 普通SCR是半控型器件，不能自關斷，被稱為第一代電力電子器件。以SCR為核心的變流電路 沿用了過去水銀整流器所用的相控整流電路及周波變換電路。相控整流電路的主要功能是使 交流變成直流。因此當時有整流時代或順變時代之稱。直流傳動（軋鋼、造紙等）、機車牽 引（電氣機車、電傳動內(nèi)燃機、地鐵機車等）、電化電源是當時的三大支柱應用領域。 在20世紀70年代到80年代，隨著電力電子技術(shù)理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力 電子器件得到了很大發(fā)展，是電力電子技術(shù)的又一次飛躍，先后研制出GTR、GTO及其模塊。 在中大容量的變流裝置中，傳統(tǒng)的SCR逐漸被這些新型器件取代。這時的電力電子技術(shù)已經(jīng) 能夠?qū)崿F(xiàn)逆變。這一階段稱為逆變時代。 20世紀80年代，一批全控型器件的大容量化和實用化使電力電子技術(shù)完成了從傳統(tǒng)電力電 子技術(shù)向現(xiàn)代電力電子技術(shù)的過渡。MOSFET和IGBT的相繼問世，標志著現(xiàn)代電力電子技術(shù)時 代的來到。功率MOSFET使得中小功率電源向高頻化發(fā)展。IGBT的出現(xiàn)為大中型功率電源向高 頻發(fā)展奠定了基礎。 20世紀90年代，電力電子器件的研究和開發(fā)，已進入高頻化，標準模塊化，集成化和智能 時代。 電力電子學的發(fā)展史實際上是一部圍繞提高效率、提高性能、小型輕量化、消除電力公害、 減少電磁干擾和電噪聲進行不懈研究的奮斗史。 　　1.2廣泛應用 電力電子技術(shù)作為一門高技術(shù)學科，由于其在節(jié)能、減小環(huán)境污染、改善工作條件等方面有 著重要的作用，現(xiàn)在已廣泛的應用于傳統(tǒng)工業(yè)（例如：電力、機械、交通、化工、冶金、輕 紡等）和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)（例如：航天、現(xiàn)代化通信等）。下面著重討論電力電子技術(shù)在電力系 統(tǒng)中的一些應用。 1.2.1在高壓直流輸電（HVDC）方面的應用 直流輸電在技術(shù)方面有許多優(yōu)點：（1）不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題，可實現(xiàn)電網(wǎng)的非同期互聯(lián)； （2）可以限制短路電流；（3）沒有電容充電電流；（4）線路有功損耗??；（5）輸送相同 功率時，線路造價低；（6）調(diào)節(jié)速度快，運行可靠；（7）適宜于海下輸電。隨著大功率電 子器件（如：可關斷的晶閘管、MOS 控制的晶閘管、絕緣門極雙極性三極管等）開斷能力不 斷提高，新的大功率電力電子器件的出現(xiàn)和投入應用，高壓直流輸電設備的性能必將進一步 得以改善，設備結(jié)構(gòu)得以簡化，從而減少換流站的占地面積、降低工程造價。 1.2.2在柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）中的應用 20世紀80年代中期，美國電力科學研究院（EPRI）N.G.Hingorani博士首次提出柔性交流 輸電技術(shù)的概念。近年來柔性交流輸電技術(shù)在世界上發(fā)展迅速，已被國內(nèi)外一些權(quán)威的輸電 工作者預測確定為“未來輸電系統(tǒng)新時代的三項支持技術(shù)（柔性輸電技術(shù)、先進的控制中心 技術(shù)和綜合自動化技術(shù)）之一”?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制理論和通訊技術(shù)的發(fā)展為FACTS 的發(fā)展提供了條件。采用IGBT等可關斷器件組成的FACTS元件可以快速、平滑地調(diào)節(jié)系統(tǒng)參 數(shù)，從而靈活、迅速地改變系統(tǒng)的潮流分布。 　　1.2.3在電力諧波治理方面的應用 有源濾波是治理日益嚴重的電力系統(tǒng)諧波的最理想方法之一。有源濾波器的概念最早是在20 世紀70年代初提出來的，即利用可控的功率半導體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相 等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，從而實現(xiàn)實時補償諧波電流的目的。隨著 中國電能質(zhì)量治理工作的深入開展，使用以瞬時無功功率理論為理論基礎的有源濾波器進行 諧波治理將會有巨大的市場潛力。 　　1.2.4在不間斷電源（UPS）中的應用 UPS緊急供電系統(tǒng)是電力自動化系統(tǒng)安全可靠運行的根本保證，是計算機、通信系統(tǒng)以及要 求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。現(xiàn)代UPS普遍采用脈寬調(diào)制技術(shù) 和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,降低了電源的噪聲,提高了效率和可靠性。 　　1.3展望 電力電子技術(shù)已迅速發(fā)展成為一門獨立的技術(shù)、學科領域。它的應用領域幾乎涉及到國民經(jīng) 濟的各個工業(yè)部門。毫無疑問，它將成為新世紀的關鍵支撐技術(shù)之一。電力電子技術(shù)擁有許 多微電子技術(shù)所具有的特征，比如發(fā)展迅速、滲透力強、生命力旺盛，并且能與其它學科相 互融合和相互發(fā)展。電力電子技術(shù)也具有其自身的特色，如高電壓、大容量及控制功率范圍 大，因此技術(shù)創(chuàng)新必須跨越高電壓大功率這一關。當前電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢是：高電壓 、大容量化、高頻化，主電路及保護控制電路模塊化、產(chǎn)品小型化、智能化和低成本化。而 對于電力電子產(chǎn)品而言，用于電力系統(tǒng)的電能變換設備、服務于環(huán)保和人類健康的電源裝置 、適合信息社會需要的電源產(chǎn)品、小型電源模塊與裝置以及高效節(jié)能低污染的"綠色"電源產(chǎn) 品將是21世紀的主流產(chǎn)品?？梢灶A見，在未來現(xiàn)有的電力電子器件的性能會得到不斷改進 ，新的器件和先進的技術(shù)會不斷出現(xiàn)。 2在開關電源中的應用 開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制功率半導體器件開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定 輸出電壓的一種電源。與線性穩(wěn)壓電源相比，開關電源具有體積小、效率高、重量輕等一系 列優(yōu)點，在各種電子設備中得到廣泛的應用。20世紀90年代，開關電源相繼進入各種電子 、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用 了開關電源，這更加促進了開關電源技術(shù)的迅速發(fā)展。但是，開關電源也存在著電路復雜、 射頻干擾、電磁干擾大的缺點。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，上述缺點正在被逐步克服。 　　圖1為開關電源的結(jié)構(gòu)框圖。整機電路分為主電路和控制電路。主電路包括輸入整流濾波、 功率轉(zhuǎn)換和輸出整流濾波三個環(huán)節(jié)。主電路功能是將電網(wǎng)的能量傳遞給負載。結(jié)構(gòu)框圖中除 主電路外為控制電路，作用是保證主電路正常工作。 　　2.1開關電源的分類 根據(jù)分類的原則不同，開關電源有很多種分類方法： （1） 根據(jù)輸入輸出類型，可分為DC/DC變換器和AC/DC變換器。 （2） 根據(jù)驅(qū)動方式，可分為自勵式和他勵式。 （3） 根據(jù)控制方式，可分為脈沖寬度調(diào)制式（PWM）、脈沖頻率調(diào)制式（PFM）、PWM和PFM混 合式。 （4） 根據(jù)電路組成，可分為諧振型和非諧振型。 此外還可分為單端正激式和反激式、推挽式、半橋式、全橋式、降壓式、升壓式和升降壓式 等等。 　　2.2開關電源的發(fā)展趨勢 高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化是開關電源的發(fā)展趨勢。 目前市場上的開關電源中采用雙極性晶體管制成的100 kHz、用MOS-FET制成的500 kHz電源 ，其頻率有待進一步提高。提高開關頻率，需要有高速開關元器件。同時為了保證效率，要 減少開關損耗。開關速度提高后，會受電路中分布電感和電容或二極管中存儲電荷的影響而 產(chǎn) 生浪涌或噪聲。為了控制浪涌，針對不同的情況，可采用R-C或L-C緩沖器、非晶態(tài)等磁芯制 成的磁緩沖器、諧振式開關。諧振式開關在控制浪涌的同時還可將可開關損耗。 在可靠性方面，美國的開關電源生產(chǎn)商通過降低運行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應 力，使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。 若單獨追求高頻化，必將導致噪聲增大。理論上，采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，可實現(xiàn)高頻 化又可降低噪聲。但在這實用化方面存在著技術(shù)問題，因此在此領域仍須進行大量研究工作 。 對于開關電源的模塊化發(fā)展，可采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)。電源模塊的面世可謂 是一大突破，但由于開關頻率、功率增加，所產(chǎn)生的EMI噪聲、浪涌、功耗也相應地增 加。如果在模塊的設計上增加濾波器，并以生產(chǎn)工藝、外圍模塊做支持，也可解決各個問題 。 3結(jié)束語 據(jù)美國總統(tǒng)科學和技術(shù)顧問委員會稱，國家關鍵性的科技領域有七個方面：能源、環(huán)保、資 訊與通信、生命科學、材料和交通。每一領域中電力電子技術(shù)都扮演者重要的角色。可見， 電力電子技術(shù)是現(xiàn)代社會的重要支撐科技，在國民經(jīng)濟各個領域中有著廣泛的應用和美好的 前景。