大功率开关电源的发展前途

有报道称我国开关电源近年来发展速度极快。本世纪第一个十年每年的销售增长都达百分之十几，每年销售量超过2000万台(见“开关电源的现状及发展趋势分析”)。仔细阅读，发现此数字包含了个人电脑和家用电器等百瓦级以下的小功率开关电源。本文仅就千瓦级以上电力电子范围的开关电源进行讨论。应该肯定，大功率开关电源的发展速度应以突飞猛进来描绘。

一、大功率电源的分类

大致上大功率电源可分为线性电源和开关电源两类。

(1)线性电源主要包括工频变压器、大功率整流回路、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等。它是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到直流电压，再经过电压反馈调整输出电压，就得到高精度的直流电压。

(2)开关电源是通过电子技术实现的。先是把电网输入交流整流成直流，通过逆变器高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管，输出锯齿状的高频交流电压并加到开关变压器初级上，开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。

它的特点是，在功率相同时,开关频率越高，开关变压器的体积就越小，但对开关管的要求就越高。开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头，以得到需要的输出。

其实现在已经有了集成度非常高的专用芯片,可以使外围电路非常简单,甚至做到免调试。例如开关电源芯片(或称模块)，只要配合一些阻容元件和一个开关变压器，就可以做成一个基本的开关电源。

(3)都是直流电按要求不同使用在不同场合。线性电源输出的是线性直流电，技术很成熟，可以达到很高的稳定度，质量高、波纹也很小，而且没有干扰与噪音，可以用在要求高的场合。它的缺点是庞大而笨重，功耗大，转换效率低。这种电源不适合计算机等设备的需要，将逐步被开关电源所取代。上世记使用的就是这种传统的线性电源。开关电源次之，工作时会产生很大的尖峰脉冲干扰，纹波大，需采取措施。优点是重量小、容量大、效率高、体积小、热损耗小。它的缺点是噪音大、有电磁干扰，但现在的屏蔽技术已经非常到位。

二、开关电源的现状

20世纪90年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。可开关电源也存在着电路复杂、射频干扰、电磁干扰大的缺点。随着电子技术的发展，上述缺点正在被逐步克服。整机电路分为主电路和控制电路。主电路包括输入整流滤波、功率转换和输出整流滤波三个环节。

大容量电力电源产品的需求迅速提升，开关电源市场稳步增长。因为国家对能源和环保问题日益重视，电力行业结构调整势在必行;随着电力电子技术的进步，开关电源在节能降耗环保问题上的作用日益显著;高效、大容量机组渐成市场主力，有效拉动电源市场需求，所以中国电力电源市场的这种变化与我国宏观政策导向和电力行业的影响密不可分。受国家宏观政策的影响，我国电力行业结构有所调整，小火电机组相继叫停，大型、高效机组陆续投产。这种电力行业结构的转变显著拉动了大容量电源的市场需求，从而有效带动开关电源市场稳步增长。

市场集中度较低，厂商竞争相对激烈。中国电力电源厂商有近1000家，分布地域广而分散，市场规模亦较为均衡，厂商市场占有率均在10%以下。开关电源市场集中度相对较低，厂商间竞争较为激烈成为开关电源市场的主要特征之一。随着竞争的加剧，电力电源厂商在市场规模效应和技术研发能力上充分重视起来，以提高品牌影响力和市场竞争力。

技术进步驱动产品创新。电力电源产品与电子技术的进步发展密切相关。近年来，随着我国电力电子技术的快速发展，开关电源产品也朝着高频化、高功率密度、高功率因素、高效率、高可靠性和高智能化方向发展。这种由于技术进步带动的产品创新同时受到市场的认可。“绿色”电源，模块化电源的问世在节能、降耗、环保方面发挥了重要的作用，对于缓解我国的能源和环境问题大有裨益。

总之，开关电源是电力电子发展的必然产物，顺应了时代的发展，它的出现已经带来了技术的革新。现在无论是国内还是国外都在发展开关电源，所以其前景是美好的，开关电源在一定程度上取代传统电源已经是必然的趋势了。

三、开关电源的发展趋势

在电力电子各种电源系统中,开关电源技术处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术,通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

21世纪开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下三个方面

(1)高频化理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至1/20。

(2)模块化模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。

(3)数字化现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点，所以对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。

(4)绿色化电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,节电就可以减少对环境的污染。其次这些电源不能(或少)对电网产生污染。开关电源需要绿色化。