电力电子

第4篇催生了开关电源的电力电子技术史

真空管收音机和真空管功放如今正悄然成为潮流。其原因之一或许是曾经的婴儿潮世代的“收音机”少年们如今已经长大成人了的缘故。直到20世纪刚过半的时期，真空管都是推动电子技术发展的明星产品。将商用交流电转变为直流电的电路也是靠真空管构建的。从20世纪初开始的电源进化如今也在继续。

从真空管到半导体元件，从串联电源到开关电源
开关电源堪称电子设备的心脏
整流平滑电路中也蕴含着精巧工艺

从真空管到半导体元件，从串联电源到开关电源

真空管已被二极管或晶体管等半导体元件所取代，但如今的电力电子学仍然继承了真空管时代的各种技术。二极管的名称最初源于二级真空管。
最初用真空管制作的二极管是根据电灯泡（白炽灯泡）实验的原理开发的。1884年，爱迪生为了改良自己发明的电灯泡（白炽灯泡），在实验中向电灯泡内插入了电极，向电极施加正电后，他发现电极和灯丝之间的空间有电流流动。这后来被称作爱迪生效应。由于这中现象对电灯泡改良没有用，爱迪生未再深入研究，而真正关注它的是当时爱迪生电灯公司的技术顾问弗莱明。他着眼于“电极和灯丝之间存在一定方向的电流”的事实，想出了将其作为无线通信检波器（从通信电波中提取信号的装置）的主意。由此，二级真空管（diode）于1904年被发明了出来。其名称中的di和ode分别表示“2”和通行电流的“路”。
二极管起初被用作检波器，之后又被用于整流电路中。在无线电广播刚兴起的时期，其接收器还是电池式的，但因为频繁更换电池太过麻烦，后来它就安装了将商用交流电转换为直流电的电源电路（矿石收音机没有电池也能收音，但扬声器不会响）。下图展示的是战前和战后初期日本使用的并三型和并四型真空管收音机的整流电路。其重量和体积的大部分被电源变压器和大容量电解电容器（平滑电容器）占据。
进入1950年代后，身为半导体元件的二极管和晶体管实现了量产，真空管式的电源也开始迈向“固态”时代。但虽说如此，电源的小型、轻量化却几乎没有进展。如果按照传统方式，首先变换交流电的电压在进行整流，那沉重而巨大的电源变压器和大容量电解电容器就不可或缺。此外，晶体管和真空管不同，不太耐热，为了应对晶体管的发热也需要大型的散热器。
电源的小型、轻量化是电路技术实现革命性创新的必要条件。当时正是太空竞赛的开幕期，人们开始探索用于太空设备的电源。在此背景下，NASA在推进阿波罗计划的过程中开发了开关电源。

开关电源堪称电子设备的心脏

此前的文章曾提到过，开关式的电源是依靠晶体管等半导体元件的高速开关（ON/OFF）来控制功率的。若是串联式电源，电流会不断地流过晶体管，而与之相反，若是开关式电源，电流仅会在晶体管为ON时流动，其目的是减少电力浪费、提高效率。
开关式的设计是在1950年代构思的。不过当时的设计称为“串联开关电源”，是通过电源变压器将输入交流电进行变压，再用二极管整流，最后用开关晶体管通过ON/OFF操作再对其变压。虽然这比以前的串联电源效率更高，但因为使用了沉重的电源变压器，因此并未实现多么显著的轻量化。当然，接下来的技术问题就是变压器的小型化了。变压器的大小由单个线圈所通行的交流电频率所决定。也就是说，提高频率就能实现变压器的小型化。因此，人们考虑了用二极管将输入交流电直接整流后，在变压器的电源侧进行高速开关的方案，并为此开发了电路用的耐高压开关晶体管。变压器由此实现了小型和轻量化，以及70%以上的高变换效率。电路技术和半导体技术顺应了电源小型、轻量、高效化的需求。
如今，将商用交流电转换为所需直流电（称为线操作型）的开关式电源一般称作“开关电源”或“开关稳压器”。如果将电子设备比作机器人，开关电源就是它的心脏。如果能根据机器人的性能和功率需求，像其它部件一样选择和更换电源的话，就十分便利了。而根据此想法而量产的电源称作“标准开关电源”。在1970年代初，日本开始开发标准开关电源。随着红白机等游戏机的流行和自动售货机、个人电脑等设备的普及，标准开关电源的重要性急剧提高，其小型、轻量、高效化工作也显著进展。与当时相比，如今的标准开关电源已经缩小到了十分之一以下的程度。此外，除了单元型（有盖式或开放式），开关电源还包括用于多种用途的类型，例如安装在设备内部的载板型开关电源等。

整流平滑电路中也蕴含着精巧工艺

开关电源由整流平滑电路、转换直流电压的DC-DC转换器，以及检测和反馈输出并得到稳定电压的稳压电路等组成。为了进一步提高效率、抑制噪声，开关电源在上述基本电路中又加入了各种电路技术。例如，整流平滑电路中的突入电流抑制电路就是其中之一。
开关电源的整流平滑电路氛围电容器输入型和扼流圈输入型。经过二极管整流后的电流仍然是脉动电流。为了使其平坦化，而在整流电路后面并联电容器的就是电容器输入型。电容器输入型虽然简便，但缺点是功率系数较低。功率系数是视在功率（电压计和电流计的测定值乘积）与有效功率的比值。功率系数低的话，就无法实现高效。
扼流圈输入型的目的是实现进一步的平坦化。它利用了线圈的类似刹车的作用（自我诱导），能降低脉动典雅（细波状电压变化），从而改善功率系数。不过随着扼流线圈的增加，电源的提及和重量也会增加。因此，一般的开关电源主要采用电容器输入型（近年来，为了解决此问题而搭载功率系数改善电路的电源也不断增多。这方面的详情将在之后的文章中介绍）
在电容器输入型方面，应对突入电流的对策逐渐成为了一个重要需求。突入电流是指在电源开关ON的瞬间流动的大电流。电容器输入型因为没有扼流圈，无法像刹车一样大幅削减突入电流，因此大电流会急剧地流入电容器。最简单的办法是串联电阻进去，但这样会造成功率损耗，因此仅适用于小功率的类型。一般的办法是采用热敏电阻或晶闸管。
热敏电阻是随温度上升而降低电阻的元件。突入电流流动导致温度上升，随之电阻下降，这样就能以少量功率损耗来抑制突入电流。晶闸管方案则是将晶闸管与电阻并联组成电路。晶闸管开始处于OFF状态，作为电阻抑制突入电流，在电容器充电完毕的时候，晶闸管变为ON，消除电阻减少损耗。在这样抑制突入电流用的小电路里，也为了省电和高效下了大量工夫。了解了这些，您是否感受到电力电子学的深奥冰山的一角了呢？