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      現代電力電子及電源技術的發展
      更新時間:2020-04-04 發布:www.coscinvest.com


      關頭詞電力電子技術開關電源

      現代電源技術是運用電力電子半導體器件,綜合自動控制、計較機(微處置器)技術和電磁技術的多學科邊緣交又技術。在各類高質量、高效、高靠得住性的電源中起關頭作用,是現代電力電子技術的具體運用。

      當前,電力電子作為節能、節才、自動化、智能化、機電一體化的根蒂根基,正朝著運用技術高頻化、硬件結構模塊化、產物性能綠色化的標的目的成長。在不遠的未來,電力電子技術將使電源技術加倍成熟、經濟、實用,實現高效率和高品質用電相連系。

      1.電力電子技術的成長

      現代電力電子技術的成長標的目的,是從以低頻技術處置問題為主的傳統電力電子學,向以高頻技術處置問題為主的現代電力電子學標的目的轉變。電力電子技術肇端于五十年月末六十年月初的硅整流器件,其成長前后履歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的運用。八十年月末期和九十年月早期成長起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和年夜電流于一身的功率半導體復合器件,講明傳統電力電子技術已進進現代電力電子時代。

      1.1整流器時代

      年夜功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發機電提供,可是年夜約20的電能是以直流形式消費的,其中典型的是電解(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)和直撒播動(軋鋼、造紙等)三年夜領域。年夜功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電,是以在六十年月和七十年月,年夜功率硅整流管和晶閘管的開發與運用得以很年夜成長。那時國內曾掀起了-股各地年夜辦硅整流器廠的熱潮,今朝全國年夜年夜小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。

      1.2逆變器時代

      七十年月泛起了世界范圍的能源危機,交流機電變頻惆速因節能效果顯著而迅速成長。變頻調速的關頭技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年月到八十年月,隨著變頻調速裝配的普及,年夜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)成為那時電力電子器件的主角。類似的運用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態抵償等。這時候的電力電子技術已能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。

      1.3變頻器時代

      進進八十年月,年夜規模和超年夜規模集成電路技術的迅猛成長,為現代電力電子技術的成長奠基了根蒂根基。將集成電路技術的邃密加工技術和高壓年夜電流技術有機連系,泛起了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,致使了中小功率電源向高頻化成長,而后盡緣門極雙極晶體管(IGBT)的泛起,又為年夜中型功率電源向高頻成長帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,到1995年末,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已到達等分秋色的境界,而用IGBT取代GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的成長不僅為交流機電變頻調速提供了較高的頻率,使其性能加倍完善靠得住,而且使現代電子技術不竭向高頻化成長,為用電裝備的高效節材節能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術根蒂根基。

      2.現代電力電子的運用領域

      2.1計較機高效率綠色電源

      高速成長的計較機技術率領人類進進了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速成長。八十年月,計較機周全采用了開關電源,率先完成計較機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器裝備領域。

      計較機技術的成長,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對情況無害的小我電腦和相關產物,綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,憑據美國情況庇護署l992年6月17日“能源之星"計劃劃定,桌上型小我電腦或相關的外圍裝備,在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦,就合適綠色電腦的要求,提高電源效率是下降電源消耗的基本途徑。就今朝效率為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

      通訊業的迅速成長極年夜的推動了通訊電源的成長。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通訊供電系統的主流。在通訊領域中,凡是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訂交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。今朝在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩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)經由過程MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不竭擴年夜,單機容量己從48V/12.、48V/20A擴年夜到48V/200A、48V/400A。

      因通訊裝備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不不異,在通訊供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中心母線電壓(通常是48V直流)變換成所需的各類直流電壓,這樣可年夜年夜減小消耗、利便維護,且安裝、增加很是利便。一般都可直接裝在尺度控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通訊容量的不竭增加,通訊電源容量也將不竭增加。

      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,這類技術被普遍運用于無軌電車、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、快速響應的性能,并同時收到勤儉電能的效果。用直流斬波器取代變阻器可勤儉電能(20~30)。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有用地抑制電網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。隨著年夜規模集成電路的成長,要求電源模塊實現小型化,是以就要不竭提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,今朝已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較年夜幅度的提高。

      2.4不中斷電源(UPS)

      不中斷電源(UPS)是計較機、通訊系統和要求提供不能中斷場所所必需的一種高靠得住、高性能的電源。交流市電輸進經整流器釀成直流,一部門能量給蓄電池組充電,另外一部門能量經逆變器釀成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另外一路備用電源經由過程電源轉換開關來實現。

      現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以下降,而效率和靠得住性得以提高。微處置器軟硬件技術的引進,可以實現對UPS的智能化經管,進行遠程維護和遠程診斷。

      今朝在線式UPS的年夜容量已可作到600kVA。超小型UPS成長也很迅速,已有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產物。

      2.5變頻器電源

      變頻器電源主要用于交流機電的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日益重要,已獲得龐大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源經由過程整流器釀成固定的直流電壓,然后由年夜功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆釀成電壓、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念頭實現無級調速。

      國際上400kVA以下的變頻器電源系列產物已問世。八十年月早期,日本東芝公司早將交流變頻調速技術運用于空調器中。至1997年,其據有率已到達日本家用空調的70以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年月早期起頭研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱門。預計到2000年左右將形成熱潮。變頻空調除變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機機電。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步成長標的目的。

      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,代表了現今焊機電源的成長標的目的。由于IGBT年夜容量模塊的商用化,這類電源更有著廣漠的運用前景。

      逆變焊機電源年夜都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方式。50Hz交流電經全橋整流釀成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部門將直流電逆釀成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。

      由于焊機電源的工作條件惡劣,頻仍的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,是以高頻逆變式整流焊機電源的工作靠得住性問題成為關頭的問題,也是用戶關心的問題。采用微處置器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,經由過程對多參數、多信息的提取與分析,到達預知系統各類工作狀態的目的,進而提早對系統做出調整和處置,解決了今朝年夜功率IGBT逆變電源靠得住性。

      國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載延續率60,全載電壓60~75V,電流調理范圍5~300A,重量29kg。

      2.7年夜功率開關型高壓直流電源

      年夜功率開關型高壓直流電源普遍運用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等年夜型裝備。電壓高達50~l59kV,電流到達0.以上,功率可達100kW。

      自從70年月起頭,日本的一些公司起頭采用逆變技術,將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻,然后升壓。進進80年月,高頻開關電源技術迅速成長。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的運用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進一步減小。

      國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然后由高頻變壓器升壓,后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓到達55kV,電流到達15mA,工作頻率為25.6kHz。

      2.8電力有源濾波器

      傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注進年夜量的諧波電流,引發諧波消耗和干擾,同時還泛起裝配網側功率因數惡化的現象,即所謂“電力公害”,例如,不成控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80),網側功率因數0.5~0.6。

      電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝配,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有成長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組成。與傳統開關電源的區分是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸進平均電流;(2)電流環基準旌旗燈號為電壓環誤差旌旗燈號與全波整流電壓取樣旌旗燈號之乘積。

      2.9散布式開關電源供電系統

      散布式電源供電系統采用小功率模塊和年夜規模控制集成電路作基本部件,哄騙新理論和技術功效,組成積木式、智能化的年夜功率供電電源,從而使強電與弱電慎密連系,下降年夜功率元器件、年夜功率裝配(集中式)的研制壓力,提高生產效率。

      八十年月早期,對散布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年月中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述成長,各類變換器拓撲結構相繼泛起,連系年夜規模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝配的集成成為可能,從而迅速地推動了散布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年月后期起頭,這一標的目的已成為國際電力電子學界的研究熱門,論文數目逐年增加,運用領域不竭擴年夜。

      散布供電方式具有節能、靠得住、高效、經濟和維護利便等優點。已被年夜型計較機、通訊裝備、航空航天、工業控制等系統逐漸采用,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的為理想的供電方式。在年夜功率場所,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電念頭驅動電源等領域也有廣漠的運用前景。

      3.高頻開關電源的成長趨向

      在電力電子技術的運用及各類電源系統中,開關電源技術均處于焦點地位。對于年夜型電解電鍍電源,傳統的電路很是龐年夜而粗笨,若是采用高頓開關電源技術,其體積和重量城市年夜幅度下降,而且可極年夜提高電源哄騙效率、節省材料、下降成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術,經由過程開關電源改變用電頻率,從而到達近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各類年夜功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的焦點技術。

      3.1高頻化

      理論分析和實踐經驗講明,電氣產物的變壓器、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提高到20kHz,提高400倍的話,用電裝備的體積重量年夜體下降至工頻設計的5~l0。不管是逆變式整流焊機,仍是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。一樣,傳統“整流行業”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各類直流電源也能夠憑據這一原理進行改造,成為“開關變換類電源”,其主要材料可以勤儉90或更高,還可節電30或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的慢慢提高,促使許多原來采用電子管的傳統高頻裝備固態化,帶來顯著節能、節水、勤儉材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。

      3.2模塊化

      模塊化有兩方面的寄義,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的續流二極管,實質上都屬于“尺度”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動庇護電路也裝到功率模塊中往,組成了“智能化”功率模塊(IPM),不單縮小了整機的體積,更利便了整機的設計制造。現實上,由于頻率的不竭提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響越發嚴重,對器件造成更年夜的電應力(浮現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的靠得住性,有些制造商開發了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾近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的引線毗連,這樣的模塊經過嚴酷、合理的熱、電、機械方面的設計,到達優化完善的境地。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置器芯片,再把整個模塊固定在響應的散熱器上,就組成一臺新型的開關電源裝配。因而可知,模塊化的目的不僅在于使用利便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線,把寄生參數降到小,從而把器件承受的電應力降至低,提高系統的靠得住性。另外,年夜功率的開關電源,由于器件容量的限制和增加冗余提高靠得住性方面的斟酌,一般采用多個自力的模塊單元并聯工作,采用均流技術,所有模塊配合分管負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分管負載電流。這樣,不單提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下知足了年夜電流輸出的要求,而且經由過程增加相對整個系統來說功率很小的冗余電源模塊,極年夜的提高系統靠得住性,即使萬一泛起單模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充實的時間。

      3.3數字化

      在傳統功率電子技術中,控制部門是按模擬旌旗燈號來設計和工作的。在6、七十年月,電力電子技術完全是建立在模擬電路根蒂根基上的。可是,現在數字式旌旗燈號、數字電路顯得越來越重要,數字旌旗燈號處置技術日益完善成熟,顯示出越來越多的優點:便于計較機處置控制、避免模擬旌旗燈號的畸變失真、減小雜散旌旗燈號的干擾(提高抗干擾能力)、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8、九十年月,對于各類電路和系統的設計來說,模擬技術仍是有用的,出格是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題和功率因數批改(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的常識,可是對于智能化的開關電源,需要用計較機控制時,數字化技術就離不開了。

      3.4綠色化

      電源系統的綠色化有兩層寄義:首先是顯著節電,這意味著發電容量的勤儉,而發電是造成情況污染的重要緣由,所以節電就能夠削減對情況的污染;其次這些電源不能(或少)對電網發生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列尺度,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節電裝備,往往會釀成對電網的污染源:向電網注進嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至泛起缺角和畸變。20世紀末,各類有源濾波器和有源抵償器的方案誕生,有了多種批改功率因數的方式。這些為2l世紀批量生產各類綠色開關電源產物奠基了根蒂根基。

      現代電力電子技術是開關電源技術成長的根蒂根基。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竭泛起,現代電源技術將在現實需要的推動下快速成長。在傳統的運用技術下,由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能遭到影響。為了極年夜闡揚各類功率器件的特征,使器件性能對開關電源性能的影響減至小,新型的電源電路拓撲和新型的控制技術,可以使功率開關工作在零電壓或零電流狀態,從而可年夜年夜的提高工作頻率,提高開關電源工作效率,設計出性能優良的開關電源。

      總而言之,電力電子及開關電源技術因運用需求不竭向前成長,新技術的泛起又會使許多運用產物更新換代,還會開拓更多更新的運用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相連系。這幾年,隨著通訊行業的成長,以開關電源技術為焦點的通訊用開關電源,僅國內有20多億人平易近幣的市場需求,吸引了國內外一年夜批科技人員對其進行開發研究。開關電源取代線性電源和相控電源是年夜勢所趨,是以,一樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動,并將很快成長起來。還有其它許多以開關電源技術為焦點的專用電源、工業電源正在期待著人們往開發。


      參考文獻

      (l)林渭勛:淺談半導體高頻電力電子技術,電力電子技術選編,浙江年夜學,384-390,1992

      (2)季幼章:迎接常識經濟時代,成長電源技術運用,電源技術運用,N0.2,l998

      (3)葉治正,葉靖國:開關穩壓電源。高等教育出書社,1998


      張國君,男,1962年生,博士后,副總工程師,1997年5月于天津年夜學測控博士后流動站出站,現從事通訊電源和電力直流操作電源系統的研究開發工作,并在清華年夜學電力電子研究中心進行第二站博士后研究工作。

      王學禮,男,1968年生,博士,結業于天津年夜學光電子專業,現從事高頻電力直流電源模塊及系統的研究開發工作。


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