電源技術的創新與發展
人類的經濟活動已經到了工業經濟時代，并正在轉入高新技術產業迅猛發展的時期。電源是位于市電（單相或三相）與負載之間，向負載提供優質電能的供電設備，是工業的基礎。
電源技術是一種應用功率半導體器件，綜合電力變換技術、現代電子技術、自動控制技術的多學科的邊緣交叉技術。隨著科學技術的發展，電源技術又與現代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術等許多領域密切相關。目前電源技術已逐步發展成為一門多學科互相滲透的綜合性技術學科。它對現代通訊、電子儀器、計算機、工業自動化、電力工程、國防及某些高新技術提供高質量、高效率、高可靠性的電源起著關鍵的作用。
當代許多高新技術均與市電的電壓、電流、頻率、相位和波形等基本參數的變換與控制相關。電源技術能夠實現對這些參數的精確控制和高效率的處理，特別是能夠實現大功率電能的頻率變換，從而為多項高新技術的發展提供了有力的支持。因此，電源技術不但本身是一項高新技術，而且還是其他多項高新技術的發展基礎。電源技術及其產業的進一步發展必將為大幅度節約電能、降低材料消耗以及提高生產效率提供重要的手段，并為現代生產和現代生活帶來深遠的影響。
電源如今已是非常重要的基礎科技和產業，從日常生活到最尖端的科技，都離不開電源技術的參與和支持，電源技術也正是在這種環境中一步步發展起來的。
2電源技術的創新
1947年底晶體管問世，隨后不到十年，可控硅整流器（SCR，現稱晶閘管）在晶體管漸趨成熟的基礎上問世，從而揭開了電源技術長足發展的序幕。半個世紀以來，電源技術的發展不斷創新。
2.1高頻變換是電源技術發展的主流
電源技術的精髓是電能變換，即利用電能變換技術，將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對象的二次電源。開關電源在電源技術中占有重要地位，從20kHz發展到高穩定度、大容量、小體積、開關頻率達到兆赫級的高頻開關電源，為高頻變換提供了物質基礎，促進了現代電源技術的繁榮和發展。高頻化帶來的最直接的好處是降低原材料消耗，電源裝置小型化，加快系統的動態反應，進一步提高電源裝置的效率，有效抑制環境噪聲污染，并使電源進入更廣闊的領域特別是高新技術領域，進一步擴展了它的應用范圍。
2.2新理論、新技術的指導
諧振變換、移相諧振、零開關PWM、零過渡PWM等電路拓撲理論；功率因數校正、有源箝位、并聯均流、同步整流、高頻磁放大器、高速編程、遙感遙控、微機監控等新技術，指導了現代電源技術的發展。
2.3新器件、新材料的支撐
絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、功率場效應晶體管（MOSFET）、智能IGBT功率模塊（IPM）、MOS柵控晶閘管（MCT）、靜電感應晶體管（SIT）、超快恢復二極管、無感電容器、無感電阻器、新型鐵氧體、非晶和微晶軟磁合金、納米晶軟磁合金等元器件，裝備了現代電源技術，促進產品升級換代。
2.4控制的智能化
控制電路、驅動電路、保護電路采用集成組件。控制電路采用全數字化。控制手段用微處理器和單片機組成的軟件控制方式，達到了較高的智能化程度，并且進一步提高了電源設備的可靠性。
2.5電源電路的模塊化、集成化
電源技術發展的特點是電源電路的模塊化、集成化。單片電源和模塊電源取代整機電源，功率集成技術簡化了電源的結構。已經在通訊、電力獲得廣泛應用，并且派生出新的供電體制—分布式供電，使集中供電單一體制走向多元化。
2.6電源設備的標準規范
電源設備要進入市場，今天的市場已是超越區域融貫全球的一體化市場，必須遵從能源、環境、電磁兼容、貿易協定等共同準則，電源設備生產廠家必須接受安全、EMC、環境、質量體系等種種標準規范的認證。
3電源技術的發展
隨著科學技術的發展，對電源技術的要求越來越高，規格品種越來越多，技術難度越來越大，涉及的學術領域也越來越廣。特種電源（或稱工業電源）應用的對象具有多樣性、新穎性和復雜性，要求特種電源設備不僅要保證內在性能的完美，而且要賦于其各式各樣特定的外特性以及和外部的接口方式，這就決定了特種電源技術必須兼收并蓄眾多學科的精華，融匯各行各業的科技成果。特種電源輸入多為交流市電，輸出有直流、交流或脈沖形式。
3.1交流變頻調速器
交流變頻調速器電源驅動交流異步電動機實現無級調速，已在電氣傳動中占據越來越重要的地位，并且已獲得巨大的節能效果。應用于產業自動化，風機、水泵流量控制，細紗機、捻紗機程序控制，恒壓供水可多泵并聯，造紙機械變頻同步控制。最大功率達500kW。將交流變頻調速技術應用于空調器中，具有舒適、節能等優點。
3.2電解、電鍍電源
電解、電鍍電源要求穩流、穩壓。電解生產需要消耗巨大的直流電能，由大功率整流設備供給，采用晶閘管穩流、有載調壓加飽和電抗器穩流方式，最大輸出容量3～350V，5～150kA。脈沖電源用作金屬表面電化學過程，輸出容量0～100V，10～4000A。逆變式真空離子鍍膜電源性能的優劣直接影響鍍膜性能的高低。
3．3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、高效率、省材料的新型焊機電源，代表了當今焊機電源的發展方向。由于焊機電源的工作條件惡劣，頻繁地處于短路、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成為關鍵問題。額定焊接電流可達500A。多用等離子體切割焊機切割電流達20～90A，焊接電流為5～320A。
3．4中頻感應加熱電源
中頻感應加熱電源可廣泛應用于各行業的金屬熔煉，表面誶火處理以及透熱彎管等領域。至今仍主要采用快速或高頻晶閘管，頻率為500～80000Hz，功率為100～3000kW，與國外產品相比有一定差距。
3．5電力操作電源
電力操作電源是為發電廠、水電站及500kV、220kV、110kV、35kV等各類變電站提供直流的電源設備，包括供給斷路器分合閘及二次回路的儀器儀表、繼電保護、控制、應急燈光照明等各類低壓電器設備用電。最大輸出電壓315V，最大輸出電流120A。
3．6正弦波逆變電源
正弦波逆變電源要求高精度穩壓、穩頻、并要求波形品質。400Hz中頻逆變電源三相容量30～90kVA，穩壓精度2％，穩頻精度0.1％，波形失真小于3％，能適應各種負載。同時發展了郵電通訊專用逆變電源，電力系統、發電廠及直流電池屏專用逆變電源，車船載逆變電源，太陽能及風力發電系統專用逆變電源等。
3．7大功率高頻高壓直流電源
大功率高頻高壓直流電源得到廣泛的應用，如工業上用于環保的靜電除塵、污水處理、激光器等。醫學方面用于X光機、CT等大型設備。科研上用于高能物理、等離子體物理。軍事上雷達發射器。最高電壓可達800kV。
3．8熒光燈鎮流器
電子鎮流器的核心是一個高頻發生器。當熒光燈工作在幾千赫的較高頻率下，將燈和高頻電路匹配，能夠較大幅度地提高光效而達到節能目的。功率因數提高到接近1的水平。
3．9動態靜止無功補償裝置
動態靜止無功補償裝置在電壓等級、裝置容量上不斷提高，實現了全數字化計算機控制，我國已在鋼廠等企業得到了成功應用，取得了較大的經濟效益和社會效益。
由上述可見，電源技術的創新，促進電源技術迅速發展，它將為生產和科技進步做出更大的貢獻，可以預言，電源技術和電源設備將成為新世紀的主導技術和主流產品。
電子產品的質量是技術性和可靠性兩方面的綜合。電源作為一個電子系統中重要的部件，其可靠性決定了整個系統的可靠性，開關電源由于體積小,效率高而在各個領域得到廣泛應用,如何提高它的可靠性是電力電子技術的一個重要方面.
1 開關電源電氣可靠性工程設計技術
1.1 供電方式的選擇
供電方式一般分為：集中式供電系統和分布式供電。現代電力電子系統一般采用采用分布式供電系統，以滿足高可靠性設備的要求。
1.2 電路拓撲的選擇
開關電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓撲。其中雙管正激式、雙正激式和半橋電路的開關管承壓僅為輸入電源電壓，60%降額時選用600 V的開關管比較容易，而且不會出現單向偏磁飽和的問題，這三種拓撲在高壓輸入電路中得到廣泛的應用。
1 .3 功率因數校正技術
開關電源的諧波電流污染電網，干擾了其它共網設備，還可能會使采用三相四線制的中線電流過大，引發事故，解決途徑之一是采用具有功率因素校正技術的開關電源。
1.4 控制策略的選擇
在中小功率的電源中，電流型PWM控制是大量采用的方法，在 DC-DC變換器中輸出紋波可以控制在10 mV，優于電壓型控制的常規電源。
硬開關技術因開關損耗的限制，開關頻率一般在350 kHz以下;軟開關技術是使開關器件在零電壓或零電流狀態下開關，實現開關損耗為零，從而可將開關頻率提高到兆赫級水平，此技術主要應用于大功率系統，小功率系統中較少見。
1.5 元器件的選用
因為元器件直接決定了電源的可靠性，所以元器件的選用是非常重要。元器件的失效主要集中在以下四點：制造質量問題、器件可靠性的問題、設計問題、損耗問題。在使用中應對此予以足夠重視。
1.6 保護電路
為使電源能在各種惡劣環境下可靠地工作，應在設計時加入多種保護電路，如防浪涌沖擊、過欠壓、過載、短路、過熱等保護電路。
2 電磁兼容性(EMC)設計技術
開關電源多采用脈沖寬度調制(PWM)技術，脈沖波形呈矩形，其上升沿與下降 沿包含大量的諧波成分，另外輸出整流管的反向恢復也會產生電磁干擾(EMI)，這是影響可靠性的不利因素，這使得系統具有電磁兼容性成為重要問題。
如圖1所示，產生電磁干擾有三個必要條件：干擾源、傳輸介質、敏感接收單元，EMC設計就是破壞這三個條件中的一個。
對于開關電源而言，主要是抑制干擾源，干擾源集中在開關電路與輸出整流電路。采用的技術包括濾波技術、布局與布線技術、屏蔽技術、接地技術、密封技術等技術。
3 電源設備可靠性熱設計技術
統計資料表明電子元器件溫度每升高2 ℃，可靠性下降10 %;溫升50 ℃時的壽命只有溫升25 ℃時的1/6。除了電應力之外，溫度是影響設備可靠性最重要的因素。
這就需要在技術上采取措施限制機箱及元器件的溫升，這就是熱設計。熱設計的原則，一是減少發熱量，即選用更優的控制方式和技術，如移相控制技術、同步整流技術等技術，另外就是選用低功耗的器件，減少發熱器件的數目，加大粗印制線的寬度，提高電源的效率。二是加強散熱，即利用傳導、輻射、對流技術將熱量轉移，這包括散熱器設計、風冷(自然對流和強迫風冷)設計、液冷(水、油)設計、熱電致冷設計、熱管設計等。
強迫風冷的散熱量比自然冷卻大十倍以上，但是要增加風機、風機電源、聯鎖裝置等，在設計中要根據實際情況選取散熱方式。
4 安全性設計技術
對于電源而言，安全性歷來被確定為最重要的性能，不安全的產品不但不能完成規定的功能，而且還有可能發生嚴重事故，甚至造成機毀人亡的巨大損失。為保證產品具有相當高的安全性，必須進行安全性設計。電源產品安全性設計的內容包括防止電危險、過熱危險。
對于商用設備市場，具有代表性的安全標準有UL、CSA、VDE等，內容因用途而異，容許泄漏電流在0.5～5mA之間，我國用軍標準GJB1412規定的泄漏電流小于5 mA。電源設備對地泄漏電流的大小取決于EMI濾波器的Y電容的容量，如圖二所示。從EMI濾波器角度出發Y電容的容量越大越好，但從安全性角度出發Y電容的容量越小越好，Y電容的容量根據安全標準來決定。根據GJB151A，50 Hz設備小于0.1 μF，400Hz設備小于0.02 μF。若X電容器的安全性能欠佳，電網瞬態尖峰出現時可能被擊穿，它的擊穿不危及人身安全，但會使濾波器喪失濾波功能。
5 三防設計技術
三防設計是指防潮設計、防鹽霧設計和防霉菌設計。凡應用我國長江以南、沿海地區以及軍用電源均應進行三防設計。
電子設備的表面在潮濕的海洋大氣中會吸附一層很薄的濕水層，即水膜，但水膜達到20～30分子層厚時，就形成化學腐蝕所必須的電解質膜，這種富含鹽分的電解質對裸露的金屬表面具有很強的腐蝕活性。另外溫度突變，在空氣中產生露點，會使印制線間絕緣電阻下降、元器件發霉，產生銅綠、引腳被腐蝕斷裂等情況。
濕熱環境為霉菌的滋生提供了有利條件。霉菌以電子設備中的有機物為養料，吸附水分并分泌有機酸，破壞絕緣，引發短路，加速金屬腐蝕。
在工程上，可以選用耐蝕材料，再通過鍍、涂或化學處理即通過對電子設備及零部件的表現覆蓋一屋金屬或非金屬保護膜，使之與周圍介質隔離，從而達到防護的目的。在結構上采用密封或半密封形式來隔絕外部不利環境。對印制板及組件表現涂覆專用三防清漆可以有效避免導線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性。變壓器應進行浸漆，端封，以防潮氣進入引發短路事故。
三防設計與電磁屏蔽往往是矛盾的。如果三防設計優異就具有良好的電氣絕緣性，而電氣絕緣的外殼就沒有好的屏蔽效果，這兩方面需綜合考慮。
在整機設計中，應充分考慮屏蔽與接地要求，采取合理的工藝，保證有電接觸的表面長期導通。
6 抗振性設計技術
振動也是造成電源故障的一個重要原因。在振動試驗中常發生鉭電容和鋁電解電容器引線被振斷情況，這些就要求加固設計。一般可以用硅膠固定鉭電容，給高度超過25cm和直徑超過12cm的鋁電解電容器加裝固定夾，給印制板加裝肋條。
7 結束語
以上建議只是適用于工業品和軍品電源，對于商業級產品可以在某些方面作出不同的選擇。總之電源設備可靠性的高低，不僅跟電氣設計，而且跟裝配、工藝、結構設計、加工質量等各方面有關。可靠性是以設計為基礎，在實際工程應用上，還應通過各種試驗取得反饋數據來完善設計，進一步提高電源的可靠性。
開關電源的特征就是產生強電磁噪聲，若不加嚴格控制，將產生極大的干擾。下面介紹的技術有助于降低開關電源噪聲，能用于高靈敏度的模擬電路。
1電路和器件的選擇
一個關鍵點是保持dv/dt和di/dt在較低水平,有許多電路通過減小dv/dt和/或di/dt來減小輻射，這也減輕了對開關管的壓力，這些電路包括ZVS(零電壓開關)、ZCS(零電流開關)、共振模式.(ZCS的一種)、SEPIC(單端初級電感轉換器)、CK(一套磁結構，以其發明者命名)等。
減小開關時間并非一定就能引起效率的提高，因為磁性元件的RF振蕩需要強損耗的緩沖，最終可以觀察到不斷減弱的回程。使用軟開關技術，雖然會稍微降低效率，但在節省成本和濾波/屏蔽所占用空間方面有更大的好處。
2阻尼
為了保護開關管免受由于寄生參數等因素引起的振蕩尖峰電壓的沖擊常需要阻尼。阻尼器連到有問題的線圈上，這也可以減小發射。
阻尼器有多種類型：從EMC角度看，RC阻尼器通常在EMC上是最好的，但比其他的發熱多一些。權衡各方面的利弊，在緩沖器中應謹慎使用感性電阻。
3磁性元件有關問題及解決方案
特別需注意的是電感和變壓器的磁路要閉合。例如，用環形或無縫磁芯，環形鐵粉芯適合于存儲磁能的場合，若在磁環上開縫，則需一個完全短路環來減小寄生泄漏磁場。
初級開關噪聲會通過隔離變壓器的線圈匝間電容注入到次級，在次級產生共模噪聲，這些噪聲電流難以濾除，而且由于流過路徑較長，便會產生發射現象。
一種很有效的技術是將次級地用小電容連接到初級電源線上，從而為這些共模電流提供一條返回路徑，但要注意安全，千萬別超出安全標準標明的總的泄漏地電流，這個電容也有助于次級濾波器更好的工作。
線圈匝間屏蔽(隔離變壓器內)可以更有效地抑制次級上感應的初級開關噪聲。雖然也曾有過五層以上的屏蔽，但三層屏蔽更常見。靠近初級線圈的屏蔽通常連到一次電源線上，靠近次級線圈的屏蔽經常連到公共輸出地(若有的話)，中間屏蔽體一般連到機殼。在樣機階段最好反復實驗以找到線圈匝間屏蔽的最好的連接方式。
以上兩項技術也能減小輸入端上感應的次級開關噪聲。適當大小的輸出電感可以將次級交流波形變成半正弦波，因此可以顯著地減小變壓器繞組間噪聲(直流紋波).
4散熱器
散熱器與集電極或TO247功率器件的漏極之間有50pF的電容，因此可以產生很強的發射。僅僅直接地把散熱片連到機殼，這只是把噪聲引向大地，很可能不能減小總體發射水平。
較好的做法是：把它們連到一恰當的電路結點——一次整流輸出端，但要注意安全要求。具有屏蔽作用的絕緣隔離片可以連接到開關管上，把它們屏蔽內層接至一次整流端，散熱片要么懸浮要么連到機殼。
散熱片也可以通過電容連到有危險電壓的線上，電容的引線和PCB軌線構成的電感可能會與電容“諧振”，這可對解決某些特殊頻率上的問題特別有效。應該在樣機上多次試驗，最終找到散熱片的最佳安裝方法。
5整流器件
用于一次電源上的整流器和二次整流器，因為其反向電流，可以引起大量的噪聲，最好使用快速軟開關型號的器件。
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