現(xiàn)代電源技術的發(fā)展趨勢怎么樣？它綠色環(huán)保嗎？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-14 16:51
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引言
綠色、環(huán)保、高效、節(jié)能，已成為當代電子系統(tǒng)發(fā)展的主流和趨勢。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理速度越來越快，數(shù)據(jù)流量和存儲空間越來越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性越來越高，而電子設備體積不斷減小，集成度不斷增高，功耗不斷降低。特別是現(xiàn)代手持便攜設備和遠程控制設備不僅要求電子系統(tǒng)集成度高、體積小，而且要求整個系統(tǒng)功耗低，電池在相同體積和功耗下待機時間更長。電子設備外形變得越來越簡單，終端產(chǎn)品變得更加小巧，集成電路生產(chǎn)商需要設計出更加緊湊小巧的封裝。由于系統(tǒng)內處理器、存儲器及其他集成電路數(shù)量不斷增加，產(chǎn)生更多熱量，使熱管理在系統(tǒng)設計中變得非常重要。這些因素給集成電路生產(chǎn)商和電子設計工程師帶來了更多挑戰(zhàn)。
1電源技術的發(fā)展趨勢和種類
1．1電源技術的發(fā)展趨勢
現(xiàn)代電源起始于20世紀50年代末60年代初的硅整流技術，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流時代、逆變時代和變頻時代，推動了電源技術在許多新興領域的應用。20世紀80年代末期和90年代初期發(fā)展起來的以功率MOSFET和IGBT為代表的集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統(tǒng)電源技術已經(jīng)進入現(xiàn)代電源技術的新興時代。
現(xiàn)代電源技術的發(fā)展趨勢：
?、倬G色化、小型化。低功耗、低污染、低電流、高效率、高集成已成為現(xiàn)代電源技術的主流，電源技術的發(fā)展同時也依賴于電子元器件和集成電路的發(fā)展。
?、谀K化、智能化。電源技術模塊化包括功率單元模塊化和輸出單元模塊化。新型開關電源將其功率開關管和各種輸出保護模塊集成在一起，使開關電源的體積進一步縮小。輸出穩(wěn)壓電路模塊化，使電源在實際應用中更加靈活、方便、智能。
?、蹟?shù)字化、多元化。隨著數(shù)字技術的發(fā)展和成熟，現(xiàn)代電源更多地向數(shù)字化方向發(fā)展。采用數(shù)字技術可減小電源高頻諧波干擾和非線性失真，同時便于CPU數(shù)字化控制。
現(xiàn)代電源具備良好的EMC特性，自身產(chǎn)生的高頻諧波功率逐漸減小，降低了對環(huán)境的“污染”，同時增強了電源本身抗干擾性能。
1．2電源種類
按輸入一輸出狀態(tài)分類：AC-AC、AC—DC、DC—AC、DC—DC。
按工作狀態(tài)分類：線性電源、開關電源、二極管穩(wěn)壓電源。
按同負載連接穩(wěn)壓方式分類：串聯(lián)型穩(wěn)壓電源、并聯(lián)型穩(wěn)壓電源。
按輸出電壓調整方式分類：固定輸出電源、可調電源。隨著電源技術的發(fā)展，電源分類和界定越來越模糊。例如，LA76810電視接收機集成音頻功放AN5265采用9V直流供電，而電視接收機并不是采用9V直流直接輸出或穩(wěn)壓塊7809輸出，而是采用7812輸出后由9V穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓并給集成電路供電。
對于固定電源與可調電源，78系列和79系列是電子工程師常用的固定電壓穩(wěn)壓輸出集成電路，317和337是常用可調電壓輸出集成電路。而現(xiàn)在1085可以是3．3V輸出，也可以是1．7V輸出，只需改變集成電路外圍電阻。
開關電源以其體積小、效率高、環(huán)路PWM控制、輸出短路和過載保護等特性已占領了電源市場，線性電源已經(jīng)完成了使命，逐步退出歷史舞臺。
2低功耗管理策略
隨著IT技術發(fā)展，電子信息行業(yè)從模擬時代過渡到數(shù)字時代，從分離晶體管時代過渡到集成電路時代，從純硬件電路過渡到軟硬件相結合、操作系統(tǒng)可裁減的嵌入式系統(tǒng)。數(shù)字技術高速發(fā)展，對電子系統(tǒng)低能耗要求越來越高，電子工程師想出各種解決方法和策略。
(1)OPU低功耗電源策略
現(xiàn)代CPU為降低系統(tǒng)功耗，無論在軟件上還是硬件上都支持電源低功耗管理模塊APM(AdvancedPowerManagement)、高級配置和電源接口ACPI(AdvancedConfigurationandPowerInterface)，對多個電源轉換模塊和外部元件通過數(shù)字內核和內部通信接口進行控制，以提供更高的系統(tǒng)性能、可靠性以及更低的功耗；對APM和ACPI進行創(chuàng)新和運用，并引入CPU系統(tǒng)內核和I／O中，特別是嵌入式系統(tǒng)和FPGA系統(tǒng)。
例如，F(xiàn)PGA系統(tǒng)電源功耗一般取決于以下因素：內部資源使用頻率、工作時鐘頻率、輸出變化頻率、布線密度、I／O電壓等。不同應用電源實際功耗相差非常大，根據(jù)采用FPGA系列不同、內核和I／O供電電壓不同，可能是3．3V、2．5V、1．8V和1．5V。
(2)靜態(tài)與動態(tài)電源低功耗策略
靜態(tài)電源策略是指系統(tǒng)在初始化過程中的電源低功耗管理技術，其功能和管理模式隨系統(tǒng)初始化確定。動態(tài)電源策略是指CPU運行過程中的低功耗技術。調整程序運行頻率，當系統(tǒng)忙時提高CPU運行速度，系統(tǒng)空閑時使CPU處于睡眠狀態(tài)；降低I／O口的平均電流和電壓，在電流和壓電不變時降低供電時間，從而降低系統(tǒng)功耗。
靜態(tài)電源管理策略在初始化過程中確定，在實際應用中局限性很大；而動態(tài)電源管理技術是在程序運行過程中動態(tài)控制整個系統(tǒng)能耗，并采用各種措施降低功耗，應用更加廣泛。
現(xiàn)代電源技術是應用電力電子半導體器件，綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科邊沿交又技術。在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用，是現(xiàn)代電力電子技術的具體應用。
當前，電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎，正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來，電力電子技術將使電源技術更加成熟、經(jīng)濟、實用，實現(xiàn)高效率和高品質用電相結合。
1.電力電子技術的發(fā)展
現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展方向，是從以低頻技術處理題目為主的傳統(tǒng)電力電子學，向以高頻技術處理題目為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，并促進了電力電子技術在很多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術已經(jīng)進進現(xiàn)代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的產(chǎn)業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供，但是大約20%的電能是以直流形式消費的，其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的高潮，目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產(chǎn)物。
1.2逆變器時代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機，交流電機變頻惆速因節(jié)能效果明顯而迅速發(fā)展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代，隨著變頻調速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出，靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術已經(jīng)能夠實現(xiàn)整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進進八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世，導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后盡緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn)，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉化的標志。據(jù)統(tǒng)計，到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現(xiàn)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展，為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能，實現(xiàn)小型輕量化，機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現(xiàn)代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進進了信息社會，同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代，計算機全面采用了開關電源，率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發(fā)展，提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源，根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規(guī)定，桌上型個人電腦或相關的外圍設備，在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦，就符合綠色電腦的要求，進步電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言，電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通訊用高頻開關電源
通訊業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通訊電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通訊供電系統(tǒng)的主流。在通訊領域中，通常將整流器稱為一次電源，而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中，傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代，高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作，開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內，實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年，開關整流器的功率容量不斷擴大，單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通訊設備中所用集成電路的種類繁多，其電源電壓也各不相同，在通訊供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊，從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓，這樣可大大減小損耗、方便維護，且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上，對二次電源的要求是高功率密度。因通訊容量的不斷增加，通訊電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源)，同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲的作用。
通訊電源的二次電源DC/DC變換器已商品化，模塊采用高頻PWM技術，開關頻率在500kHz左右，功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求電源模塊實現(xiàn)小型化，因此就要不斷進步開關頻率和采用新的電路拓撲結構，目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊，功率密度有較大幅度的進步。
2.4不中斷電源(UPS)
不中斷電源(UPS)是計算機、通訊系統(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。交流市電輸進經(jīng)整流器變成直流，一部分能量給蓄電池組充電，另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流，經(jīng)轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量，另一路備用電源通過電源轉換開關來實現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件，電源的噪聲得以降低，而效率和可靠性得以進步。微處理器軟硬件技術的引進，可以實現(xiàn)對UPS的智能化治理，進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速，已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速，其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要，已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓，然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器，將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出，電源輸出波形近似于正弦波，用于驅動交流異步電動機實現(xiàn)無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期，日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年，其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內于90年代初期開始研究變頻空調，96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調器，逐漸形成變頻空調開發(fā)生產(chǎn)熱門。預計到2000年左右將形成高潮。變頻空調除了變頻電源外，還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略，精選功能組件，是空調變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6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、省材的新型焊機電源，代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化，這種電源更有著廣闊的應用遠景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流，IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波，經(jīng)高頻變壓器耦合，整流濾波后成為穩(wěn)定的直流，供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣，頻繁的處于短路、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題目成為最關鍵的題目，也是用戶最關心的題目。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器，通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析，達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的，進而提前對系統(tǒng)做出調整和處理，解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A，負載持續(xù)率60%，全載電壓60~75V，電流調節(jié)范圍5~300A，重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV，電流達到0.5A以上，功率可達100kW。
自從70年代開始，日本的一些公司開始采用逆變技術，將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻，然后升壓。進進80年代，高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件，將電源的開關頻率進步到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源，取消了高壓變壓器油箱，使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制，市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?，采用全橋零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓，然后由高頻變壓器升壓，最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下，輸出直流電壓達到55kV，電流達到15mA，工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時，將向電網(wǎng)注進大量的諧波電流，引起諧波損耗和干擾，同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象，即所謂“電力公害”，例如，不可控整流加電容濾波時，網(wǎng)側三次諧波含量可達(70~80)%，網(wǎng)側功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足，是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓，還反饋輸進均勻電流;(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件，利用最新理論和技術成果，組成積木式、智能化的大功率供電電源，從而使強電與弱電緊密結合，降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力，進步生產(chǎn)效率。
八十年代初期，對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術的研究上。八十年代中后期，隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結構相繼出現(xiàn)，結合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術，使中小功率裝置的集成成為可能，從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始，這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱門，論文數(shù)目逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通訊設備、航空航天、產(chǎn)業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納，也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合，如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用遠景。
3.高頻開關電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源，傳統(tǒng)的電路非常龐大而粗笨，假如采用高頓開關電源技術，其體積和重量都會大幅度下降，而且可極大進步電源利用效率、節(jié)省材料、降低本錢。在電動汽車和變頻傳動中，更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率，從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術，更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操縱電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經(jīng)驗表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz進步到20kHz，進步400倍的話，用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機，還是通訊電源用的開關式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造，成為“開關變換類電源”，其主要材料可以節(jié)約90%或更高，還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步進步，促使很多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化，帶來明顯節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益，更可體現(xiàn)技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實質上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年，有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中往，構成了“智能化”功率模塊(IPM)，不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上，由于頻率的不斷進步，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了進步系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM)，它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，這樣的模塊經(jīng)過嚴格、公道的熱、電、機械方面的設計，達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫進該模塊中的微處理器芯片，再把整個模塊固定在相應的散熱器上，就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，進步系統(tǒng)的可靠性。另外，大功率的開關電源，由于器件容量的限制和增加冗余進步可靠性方面的考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術，所有模塊共同分擔負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再均勻分擔負載電流。這樣，不但進步了功率容量，在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，極大的進步系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復提供充分的時間。
3.3數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(進步抗干擾能力)、便于軟件包調試和遠感遠測遠調，也便于自診斷、容錯等技術的植進。所以，在八、九十年代，對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說，模擬技術還是有用的，特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)題目以及功率因數(shù)修正(PFC)等題目的解決，離不開模擬技術的知識，但是對于智能化的開關電源，需要用計算機控制時，數(shù)字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是明顯節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準，如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上，很多功率電子節(jié)電設備，往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注進嚴重的高次諧波電流，使總功率因數(shù)下降，使電網(wǎng)電壓耦合很多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀批量生產(chǎn)各種綠色開關電源產(chǎn)品奠定了基礎。
現(xiàn)代電力電子技術是開關電源技術發(fā)展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應用技術下，由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性，使器件性能對開關電源性能的影響減至最小，新型的電源電路拓撲和新型的控制技術，可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態(tài)，從而可大大的進步工作頻率，進步開關電源工作效率，設計出性能優(yōu)良的開關電源。
總而言之，電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展，新技術的出現(xiàn)又會使很多應用產(chǎn)品更新?lián)Q代，還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn)，將標志著這些技術的成熟，實現(xiàn)高效率用電和高品質用電相結合。這幾年，隨著通訊行業(yè)的發(fā)展，以開關電源技術為核心的通訊用開關電源，僅國內有20多億人民幣的市場需求，吸引了國內外一大批科技職員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨，因此，同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操縱電源系統(tǒng)的國內市場正在啟動，并將很快發(fā)展起來。還有其它很多以開關電源技術為核心的專用電源、產(chǎn)業(yè)電源正在等待著人們往開發(fā)。
綠色、環(huán)保、高效、節(jié)能，已成為當代電子系統(tǒng)發(fā)展的主流和趨勢。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理速度越來越快，數(shù)據(jù)流量和存儲空間越來越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性越來越高，而電子設備體積不斷減小，集成度不斷增高，功耗不斷降低。特別是現(xiàn)代手持便攜設備和遠程控制設備不僅要求電子系統(tǒng)集成度高、體積小，而且要求整個系統(tǒng)功耗低，電池在相同體積和功耗下待機時間更長。電子設備外形變得越來越簡單，終端產(chǎn)品變得更加小巧，集成電路生產(chǎn)商需要設計出更加緊湊小巧的封裝。由于系統(tǒng)內處理器、存儲器及其他集成電路數(shù)量不斷增加，產(chǎn)生更多熱量，使熱管理在系統(tǒng)設計中變得非常重要。這些因素給集成電路生產(chǎn)商和電子設計工程師帶來了更多挑戰(zhàn)。
1電源技術的發(fā)展趨勢和種類
1．1電源技術的發(fā)展趨勢
現(xiàn)代電源起始于20世紀50年代末60年代初的硅整流技術，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流時代、逆變時代和變頻時代，推動了電源技術在許多新興領域的應用。20世紀80年代末期和90年代初期發(fā)展起來的以功率MOSFET和IGBT為代表的集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統(tǒng)電源技術已經(jīng)進入現(xiàn)代電源技術的新興時代。
現(xiàn)代電源技術的發(fā)展趨勢：
?、倬G色化、小型化。低功耗、低污染、低電流、高效率、高集成已成為現(xiàn)代電源技術的主流，電源技術的發(fā)展同時也依賴于電子元器件和集成電路的發(fā)展。
?、谀K化、智能化。電源技術模塊化包括功率單元模塊化和輸出單元模塊化。新型開關電源將其功率開關管和各種輸出保護模塊集成在一起，使開關電源的體積進一步縮小。輸出穩(wěn)壓電路模塊化，使電源在實際應用中更加靈活、方便、智能。
?、蹟?shù)字化、多元化。隨著數(shù)字技術的發(fā)展和成熟，現(xiàn)代電源更多地向數(shù)字化方向發(fā)展。采用數(shù)字技術可減小電源高頻諧波干擾和非線性失真，同時便于CPU數(shù)字化控制。
現(xiàn)代電源具備良好的EMC特性，自身產(chǎn)生的高頻諧波功率逐漸減小，降低了對環(huán)境的“污染”，同時增強了電源本身抗干擾性能。
1．2電源種類
按輸入一輸出狀態(tài)分類：AC-AC、AC—DC、DC—AC、DC—DC。
按工作狀態(tài)分類：線性電源、開關電源、二極管穩(wěn)壓電源。
按同負載連接穩(wěn)壓方式分類：串聯(lián)型穩(wěn)壓電源、并聯(lián)型穩(wěn)壓電源。
按輸出電壓調整方式分類：固定輸出電源、可調電源。隨著電源技術的發(fā)展，電源分類和界定越來越模糊。例如，LA76810電視接收機集成音頻功放AN5265采用9V直流供電，而電視接收機并不是采用9V直流直接輸出或穩(wěn)壓塊7809輸出，而是采用7812輸出后由9V穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓并給集成電路供電。
對于固定電源與可調電源，78系列和79系列是電子工程師常用的固定電壓穩(wěn)壓輸出集成電路，317和337是常用可調電壓輸出集成電路。而現(xiàn)在1085可以是3．3V輸出，也可以是1．7V輸出，只需改變集成電路外圍電阻。
開關電源以其體積小、效率高、環(huán)路PWM控制、輸出短路和過載保護等特性已占領了電源市場，線性電源已經(jīng)完成了使命，逐步退出歷史舞臺。
2低功耗管理策略
隨著IT技術發(fā)展，電子信息行業(yè)從模擬時代過渡到數(shù)字時代，從分離晶體管時代過渡到集成電路時代，從純硬件電路過渡到軟硬件相結合、操作系統(tǒng)可裁減的嵌入式系統(tǒng)。數(shù)字技術高速發(fā)展，對電子系統(tǒng)低能耗要求越來越高，電子工程師想出各種解決方法和策略。
(1)OPU低功耗電源策略
現(xiàn)代CPU為降低系統(tǒng)功耗，無論在軟件上還是硬件上都支持電源低功耗管理模塊APM(AdvancedPowerManagement)、高級配置和電源接口ACPI(AdvancedConfigurationandPowerInterface)，對多個電源轉換模塊和外部元件通過數(shù)字內核和內部通信接口進行控制，以提供更高的系統(tǒng)性能、可靠性以及更低的功耗；對APM和ACPI進行創(chuàng)新和運用，并引入CPU系統(tǒng)內核和I／O中，特別是嵌入式系統(tǒng)和FPGA系統(tǒng)。
例如，F(xiàn)PGA系統(tǒng)電源功耗一般取決于以下因素：內部資源使用頻率、工作時鐘頻率、輸出變化頻率、布線密度、I／O電壓等。不同應用電源實際功耗相差非常大，根據(jù)采用FPGA系列不同、內核和I／O供電電壓不同，可能是3．3V、2．5V、1．8V和1．5V。
(2)靜態(tài)與動態(tài)電源低功耗策略
靜態(tài)電源策略是指系統(tǒng)在初始化過程中的電源低功耗管理技術，其功能和管理模式隨系統(tǒng)初始化確定。動態(tài)電源策略是指CPU運行過程中的低功耗技術。調整程序運行頻率，當系統(tǒng)忙時提高CPU運行速度，系統(tǒng)空閑時使CPU處于睡眠狀態(tài)；降低I／O口的平均電流和電壓，在電流和壓電不變時降低供電時間，從而降低系統(tǒng)功耗。
靜態(tài)電源管理策略在初始化過程中確定，在實際應用中局限性很大；而動態(tài)電源管理技術是在程序運行過程中動態(tài)控制整個系統(tǒng)能耗，并采用各種措施降低功耗，應用更加廣泛。
現(xiàn)代電源技術是應用電力電子半導體器件，綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科邊沿交又技術。在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用，是現(xiàn)代電力電子技術的具體應用。
當前，電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎，正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來，電力電子技術將使電源技術更加成熟、經(jīng)濟、實用，實現(xiàn)高效率和高品質用電相結合。
1.電力電子技術的發(fā)展
現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展方向，是從以低頻技術處理題目為主的傳統(tǒng)電力電子學，向以高頻技術處理題目為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，并促進了電力電子技術在很多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術已經(jīng)進進現(xiàn)代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的產(chǎn)業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供，但是大約20%的電能是以直流形式消費的，其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的高潮，目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產(chǎn)物。
1.2逆變器時代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機，交流電機變頻惆速因節(jié)能效果明顯而迅速發(fā)展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代，隨著變頻調速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出，靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術已經(jīng)能夠實現(xiàn)整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進進八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世，導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后盡緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn)，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉化的標志。據(jù)統(tǒng)計，到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現(xiàn)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展，為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能，實現(xiàn)小型輕量化，機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現(xiàn)代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進進了信息社會，同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代，計算機全面采用了開關電源，率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發(fā)展，提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源，根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規(guī)定，桌上型個人電腦或相關的外圍設備，在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦，就符合綠色電腦的要求，進步電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言，電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通訊用高頻開關電源
通訊業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通訊電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通訊供電系統(tǒng)的主流。在通訊領域中，通常將整流器稱為一次電源，而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中，傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代，高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作，開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內，實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年，開關整流器的功率容量不斷擴大，單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通訊設備中所用集成電路的種類繁多，其電源電壓也各不相同，在通訊供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊，從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓，這樣可大大減小損耗、方便維護，且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上，對二次電源的要求是高功率密度。因通訊容量的不斷增加，通訊電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源)，同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲的作用。
通訊電源的二次電源DC/DC變換器已商品化，模塊采用高頻PWM技術，開關頻率在500kHz左右，功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求電源模塊實現(xiàn)小型化，因此就要不斷進步開關頻率和采用新的電路拓撲結構，目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊，功率密度有較大幅度的進步。
2.4不中斷電源(UPS)
不中斷電源(UPS)是計算機、通訊系統(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。交流市電輸進經(jīng)整流器變成直流，一部分能量給蓄電池組充電，另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流，經(jīng)轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量，另一路備用電源通過電源轉換開關來實現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件，電源的噪聲得以降低，而效率和可靠性得以進步。微處理器軟硬件技術的引進，可以實現(xiàn)對UPS的智能化治理，進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速，已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速，其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要，已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓，然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器，將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出，電源輸出波形近似于正弦波，用于驅動交流異步電動機實現(xiàn)無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期，日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年，其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內于90年代初期開始研究變頻空調，96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調器，逐漸形成變頻空調開發(fā)生產(chǎn)熱門。預計到2000年左右將形成高潮。變頻空調除了變頻電源外，還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略，精選功能組件，是空調變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6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、省材的新型焊機電源，代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化，這種電源更有著廣闊的應用遠景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流，IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波，經(jīng)高頻變壓器耦合，整流濾波后成為穩(wěn)定的直流，供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣，頻繁的處于短路、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題目成為最關鍵的題目，也是用戶最關心的題目。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器，通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析，達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的，進而提前對系統(tǒng)做出調整和處理，解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A，負載持續(xù)率60%，全載電壓60~75V，電流調節(jié)范圍5~300A，重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV，電流達到0.5A以上，功率可達100kW。
自從70年代開始，日本的一些公司開始采用逆變技術，將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻，然后升壓。進進80年代，高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件，將電源的開關頻率進步到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源，取消了高壓變壓器油箱，使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制，市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?，采用全橋零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓，然后由高頻變壓器升壓，最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下，輸出直流電壓達到55kV，電流達到15mA，工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時，將向電網(wǎng)注進大量的諧波電流，引起諧波損耗和干擾，同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象，即所謂“電力公害”，例如，不可控整流加電容濾波時，網(wǎng)側三次諧波含量可達(70~80)%，網(wǎng)側功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足，是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓，還反饋輸進均勻電流;(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件，利用最新理論和技術成果，組成積木式、智能化的大功率供電電源，從而使強電與弱電緊密結合，降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力，進步生產(chǎn)效率。
八十年代初期，對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術的研究上。八十年代中后期，隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結構相繼出現(xiàn)，結合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術，使中小功率裝置的集成成為可能，從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始，這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱門，論文數(shù)目逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通訊設備、航空航天、產(chǎn)業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納，也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合，如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用遠景。
3.高頻開關電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源，傳統(tǒng)的電路非常龐大而粗笨，假如采用高頓開關電源技術，其體積和重量都會大幅度下降，而且可極大進步電源利用效率、節(jié)省材料、降低本錢。在電動汽車和變頻傳動中，更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率，從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術，更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操縱電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經(jīng)驗表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz進步到20kHz，進步400倍的話，用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機，還是通訊電源用的開關式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造，成為“開關變換類電源”，其主要材料可以節(jié)約90%或更高，還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步進步，促使很多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化，帶來明顯節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益，更可體現(xiàn)技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實質上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年，有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中往，構成了“智能化”功率模塊(IPM)，不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上，由于頻率的不斷進步，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了進步系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM)，它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，這樣的模塊經(jīng)過嚴格、公道的熱、電、機械方面的設計，達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫進該模塊中的微處理器芯片，再把整個模塊固定在相應的散熱器上，就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，進步系統(tǒng)的可靠性。另外，大功率的開關電源，由于器件容量的限制和增加冗余進步可靠性方面的考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術，所有模塊共同分擔負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再均勻分擔負載電流。這樣，不但進步了功率容量，在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，極大的進步系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復提供充分的時間。
3.3數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(進步抗干擾能力)、便于軟件包調試和遠感遠測遠調，也便于自診斷、容錯等技術的植進。所以，在八、九十年代，對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說，模擬技術還是有用的，特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)題目以及功率因數(shù)修正(PFC)等題目的解決，離不開模擬技術的知識，但是對于智能化的開關電源，需要用計算機控制時，數(shù)字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是明顯節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準，如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上，很多功率電子節(jié)電設備，往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注進嚴重的高次諧波電流，使總功率因數(shù)下降，使電網(wǎng)電壓耦合很多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀批量生產(chǎn)各種綠色開關電源產(chǎn)品奠定了基礎。
現(xiàn)代電力電子技術是開關電源技術發(fā)展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應用技術下，由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性，使器件性能對開關電源性能的影響減至最小，新型的電源電路拓撲和新型的控制技術，可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態(tài)，從而可大大的進步工作頻率，進步開關電源工作效率，設計出性能優(yōu)良的開關電源。
總而言之，電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展，新技術的出現(xiàn)又會使很多應用產(chǎn)品更新?lián)Q代，還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn)，將標志著這些技術的成熟，實現(xiàn)高效率用電和高品質用電相結合。這幾年，隨著通訊行業(yè)的發(fā)展，以開關電源技術為核心的通訊用開關電源，僅國內有20多億人民幣的市場需求，吸引了國內外一大批科技職員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨，因此，同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操縱電源系統(tǒng)的國內市場正在啟動，并將很快發(fā)展起來。還有其它很多以開關電源技術為核心的專用電源、產(chǎn)業(yè)電源正在等待著人們往開發(fā)。
