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现代电力电子及电源技术的发展

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-06-26  浏览次数:438
核心提示:现代电源技俏江湖术是运用电力电子半导体器件,综合自动控制、计较机(微处置器)技术和电磁技术的多杭州金地大厦桑拿学科边缘交又技术。在各类高质量、高效、高靠得住性的电源中起关头作寻秦记国语用,是现代电力电子技术的具体运用。当前,电力电子作为节能马云退出阿里巴巴、节才、自动化、智能化、机电一
现代电源技术是运用电力电子半导体器件,综合自动控制、计较机(微处置器)技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各类高质量、高效、高靠得住性的电源中起关头作用,是现代电力电子技术的具体运用。
当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的根蒂根基,正朝着运用技术高频化、硬件结构模块化、产物性能绿色化的标的目的成长。在不远的未来,电力电子技术将使电源技术加倍成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相连系。
1.电力电子技术的成长
现代电力电子技术的成长标的目的,是从以低频技术处置问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处置问题为主的现代电力电子学标的目的转变。电力电子技术肇端于五十年月末六十年月初的硅整流器件,其成长前后履历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的运用。八十年月末期和九十年月早期成长起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和年夜电流于一身的功率半导体复合器件,讲明传统电力电子技术已进进现代电力电子时代。
1.1整流器时代
年夜功率的工业用电由工频(50Hz)交流发机电提供,可是年夜约20的电能是以直流形式消费的,其中典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直撒播动(轧钢、造纸等)三年夜领域。年夜功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,是以在六十年月和七十年月,年夜功率硅整流管和晶闸管的开发与运用得以很年夜成长。那时国内曾掀起了-股各地年夜办硅整流器厂的热潮,今朝全国年夜年夜小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
1.2逆变器时代
七十年月泛起了世界范围的能源危机,交流机电变频惆速因节能效果显著而迅速成长。变频调速的关头技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年月到八十年月,随着变频调速装配的普及,年夜功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为那时电力电子器件的主角。类似的运用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态抵偿等。这时候的电力电子技术已能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。
1.3变频器时代
进进八十年月,年夜规模和超年夜规模集成电路技术的迅猛成长,为现代电力电子技术的成长奠基了根蒂根基。将集成电路技术的邃密加工技术和高压年夜电流技术有机连系,泛起了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,致使了中小功率电源向高频化成长,而后尽缘门极双极晶体管(IGBT)的泛起,又为年夜中型功率电源向高频成长带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年末,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已到达等分秋色的境界,而用IGBT取代GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的成长不仅为交流机电变频调速提供了较高的频率,使其性能加倍完善靠得住,而且使现代电子技术不竭向高频化成长,为用电装备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术根蒂根基。
2.现代电力电子的运用领域
2.1计较机高效率绿色电源
高速成长的计较机技术率领人类进进了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速成长。八十年月,计较机周全采用了开关电源,率先完成计较机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器装备领域。
计较机技术的成长,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对情况无害的小我电脑和相关产物,绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,凭据美国情况庇护署l992年6月17日“能源之星"计划划定,桌上型小我电脑或相关的外围装备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就合适绿色电脑的要求,提高电源效率是下降电源消耗的基本途径。就今朝效率为75的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通讯用高频开关电源
通讯业的迅速成长极年夜的推动了通讯电源的成长。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通讯供电系统的主流。在通讯领域中,凡是将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三订交流电网变换成标称值为48V的直流电源。今朝在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)经由过程MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不竭扩年夜,单机容量己从48V/12.、48V/20A扩年夜到48V/200A、48V/400A。
因通讯装备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不不异,在通讯供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中心母线电压(通常是48V直流)变换成所需的各类直流电压,这样可年夜年夜减小消耗、利便维护,且安装、增加很是利便。一般都可直接装在尺度控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通讯容量的不竭增加,通讯电源容量也将不竭增加。
2.3直流-直流(DC/DC)变换器
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这类技术被普遍运用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到勤俭电能的效果。用直流斩波器取代变阻器可勤俭电能(20~30)。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有用地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
通讯电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着年夜规模集成电路的成长,要求电源模块实现小型化,是以就要不竭提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,今朝已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较年夜幅度的提高。
2.4不中断电源(UPS)
不中断电源(UPS)是计较机、通讯系统和要求提供不能中断场所所必需的一种高靠得住、高性能的电源。交流市电输进经整流器酿成直流,一部门能量给蓄电池组充电,另外一部门能量经逆变器酿成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另外一路备用电源经由过程电源转换开关来实现。
现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以下降,而效率和靠得住性得以提高。微处置器软硬件技术的引进,可以实现对UPS的智能化经管,进行远程维护和远程诊断。
今朝在线式UPS的年夜容量已可作到600kVA。超小型UPS成长也很迅速,已有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产物。
2.5变频器电源
变频器电源主要用于交流机电的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日益重要,已获得庞大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源经由过程整流器酿成固定的直流电压,然后由年夜功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆酿成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电念头实现无级调速。
国际上400kVA以下的变频器电源系列产物已问世。八十年月早期,日本东芝公司早将交流变频调速技术运用于空调器中。至1997年,其据有率已到达日本家用空调的70以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年月早期起头研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热门。预计到2000年左右将形成热潮。变频空调除变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机机电。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步成长标的目的。
2.6高频逆变式整流焊机电源
高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了现今焊机电源的成长标的目的。由于IGBT年夜容量模块的商用化,这类电源更有着广漠的运用前景。
逆变焊机电源年夜都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方式。50Hz交流电经全桥整流酿成直流,IGBT组成的PWM高频变换部门将直流电逆酿成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。
由于焊机电源的工作条件恶劣,频仍的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,是以高频逆变式整流焊机电源的工作靠得住性问题成为关头的问题,也是用户关心的问题。采用微处置器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,经由过程对多参数、多信息的提取与分析,到达预知系统各类工作状态的目的,进而提早对系统做出调整和处置,解决了今朝年夜功率IGBT逆变电源靠得住性。
国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载延续率60,全载电压60~75V,电流调理范围5~300A,重量29kg。
2.7年夜功率开关型高压直流电源
年夜功率开关型高压直流电源普遍运用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等年夜型装备。电压高达50~l59kV,电流到达0.以上,功率可达100kW。
自从70年月起头,日本的一些公司起头采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进进80年月,高频开关电源技术迅速成长。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的运用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。
国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压到达55kV,电流到达15mA,工作频率为25.6kHz。
2.8电力有源滤波器
传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注进年夜量的谐波电流,引发谐波消耗和干扰,同时还泛起装配网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不成控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80),网侧功率因数0.5~0.6。
电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装配,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有成长前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路组成。与传统开关电源的区分是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输进平均电流;(2)电流环基准旌旗灯号为电压环误差旌旗灯号与全波整流电压取样旌旗灯号之乘积。
2.9散布式开关电源供电系统
散布式电源供电系统采用小功率模块和年夜规模控制集成电路作基本部件,哄骗新理论和技术功效,组成积木式、智能化的年夜功率供电电源,从而使强电与弱电慎密连系,下降年夜功率元器件、年夜功率装配(集中式)的研制压力,提高生产效率。
八十年月早期,对散布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年月中后期,随着高频功率变换技术的迅述成长,各类变换器拓扑结构相继泛起,连系年夜规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装配的集成成为可能,从而迅速地推动了散布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年月后期起头,这一标的目的已成为国际电力电子学界的研究热门,论文数目逐年增加,运用领域不竭扩年夜。
散布供电方式具有节能、靠得住、高效、经济和维护利便等优点。已被年夜型计较机、通讯装备、航空航天、工业控制等系统逐渐采用,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的为理想的供电方式。在年夜功率场所,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电念头驱动电源等领域也有广漠的运用前景。
3.高频开关电源的成长趋向
在电力电子技术的运用及各类电源系统中,开关电源技术均处于焦点地位。对于年夜型电解电镀电源,传统的电路很是庞年夜而粗笨,若是采用高顿开关电源技术,其体积和重量城市年夜幅度下降,而且可极年夜提高电源哄骗效率、节省材料、下降成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术,经由过程开关电源改变用电频率,从而到达近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各类年夜功率开关电源(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)的焦点技术。
3.1高频化
理论分析和实践经验讲明,电气产物的变压器、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,用电装备的体积重量年夜体下降至工频设计的5~l0。不管是逆变式整流焊机,仍是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。一样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各类直流电源也能够凭据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,其主要材料可以勤俭90或更高,还可节电30或更多。由于功率电子器件工作频率上限的慢慢提高,促使许多原来采用电子管的传统高频装备固态化,带来显著节能、节水、勤俭材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。
3.2模块化
模块化有两方面的寄义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“尺度”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动庇护电路也装到功率模块中往,组成了“智能化”功率模块(IPM),不单缩小了整机的体积,更利便了整机的设计制造。现实上,由于频率的不竭提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响越发严重,对器件造成更年夜的电应力(浮现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的靠得住性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几近所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线毗连,这样的模块经过严酷、合理的热、电、机械方面的设计,到达优化完善的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写进该模块中的微处置器芯片,再把整个模块固定在响应的散热器上,就组成一台新型的开关电源装配。因而可知,模块化的目的不仅在于使用利便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到小,从而把器件承受的电应力降至低,提高系统的靠得住性。另外,年夜功率的开关电源,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,一般采用多个自力的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块配合分管负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分管负载电流。这样,不单提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下知足了年夜电流输出的要求,而且经由过程增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极年夜的提高系统靠得住性,即使万一泛起单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充实的时间。
3.3数字化
在传统功率电子技术中,控制部门是按模拟旌旗灯号来设计和工作的。在6、七十年月,电力电子技术完全是建立在模拟电路根蒂根基上的。可是,现在数字式旌旗灯号、数字电路显得越来越重要,数字旌旗灯号处置技术日益完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计较机处置控制、避免模拟旌旗灯号的畸变失真、减小杂散旌旗灯号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和远感远测远调,也便于自诊断、容错等技术的植进。所以,在8、九十年月,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术仍是有用的,出格是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题和功率因数批改(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的常识,可是对于智能化的开关电源,需要用计较机控制时,数字化技术就离不开了。
3.4绿色化
电源系统的绿色化有两层寄义:首先是显著节电,这意味着发电容量的勤俭,而发电是造成情况污染的重要缘由,所以节电就能够削减对情况的污染;其次这些电源不能(或少)对电网发生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列尺度,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电装备,往往会酿成对电网的污染源:向电网注进严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至泛起缺角和畸变。20世纪末,各类有源滤波器和有源抵偿器的方案诞生,有了多种批改功率因数的方式。这些为2l世纪批量生产各类绿色开关电源产物奠基了根蒂根基。
现代电力电子技术是开关电源技术成长的根蒂根基。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不竭泛起,现代电源技术将在现实需要的推动下快速成长。在传统的运用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能遭到影响。为了极年夜阐扬各类功率器件的特征,使器件性能对开关电源性能的影响减至小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可以使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可年夜年夜的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。
总而言之,电力电子及开关电源技术因运用需求不竭向前成长,新技术的泛起又会使许多运用产物更新换代,还会开拓更多更新的运用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相连系。这几年,随着通讯行业的成长,以开关电源技术为焦点的通讯用开关电源,仅国内有20多亿人平易近币的市场需求,吸引了国内外一年夜批科技人员对其进行开发研究。开关电源取代线性电源和相控电源是年夜势所趋,是以,一样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快成长起来。还有其它许多以开关电源技术为焦点的专用电源、工业电源正在期待着人们往开发。


参考文献
(l)林渭勋:浅谈半导体高频电力电子技术,电力电子技术选编,浙江年夜学,384-390,1992
(2)季幼章:迎接常识经济时代,成长电源技术运用,电源技术运用,N0.2,l998
(3)叶治正,叶靖国:开关稳压电源。高等教育出书社,1998


张国君,男,1962年生,博士后,副总工程师,1997年5月于天津年夜学测控博士后流动站出站,现从事通讯电源和电力直流操作电源系统的研究开发工作,并在清华年夜学电力电子研究中心进行第二站博士后研究工作。
王学礼,男,1968年生,博士,结业于天津年夜学光电子专业,现从事高频电力直流电源模块及系统的研究开发工作。



 
 
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