電力電子技術的發(fā)展史

電力電子技術的發(fā)展史 電子技術是根據(jù)電子學的原理 運用電子器件設計和制造某種特定功能的 電路以解決實際問題的科學 包括信息電子技術和電力電子技術兩大分支 信 息電子技術包括 Analog 模擬 電子技術和 Digital 數(shù)字 電子技術 電子 技術是對電子信號進行處理的技術 處理的方式主要有 信號的發(fā)生 放大 濾波 轉換 目錄 電力電子技術 現(xiàn)代電力電子技術 高頻開關電源的發(fā)展趨勢 半導體器件基礎 電路發(fā)展 1 電力電子技術發(fā)展 現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展方向 是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電 子學 向以高頻技術處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉變 電力電子技術起 始于五十年代末六十年代初的硅整流器件 其發(fā)展先后經(jīng)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應用 八十年代末 期和九十年代初期發(fā)展起來的 以功率 MOSFET 和 IGBT 為代表的 集高頻 高 壓和大電流于一身的功率半導體復合器件 表明傳統(tǒng)電力電子技術已經(jīng)進入現(xiàn)代 電力電子時代 整流器時代 大功率的工業(yè)用電由工頻 50Hz 交流發(fā)電機提供 但是大約 20 的電能是以 直流形式消費的 其中最典型的是電解 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(nèi)燃機車 地鐵機車 城市無軌電車等 和直流傳動 軋 鋼 造紙等 三大領域 大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?yōu)橹绷?電 因此在六十年代和七十年代 大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很 大發(fā)展 當時國內(nèi)曾經(jīng)掀起了 股各地大辦硅整流器廠的熱潮 目前全國大大小 小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產(chǎn)物 逆變器時代 七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機 交流電機變頻調(diào)速因節(jié)能效果顯著而 迅速發(fā)展 變頻調(diào)速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?0 100Hz 的交流電 在七十 年代到八十年代 隨著變頻調(diào)速裝置的普及 大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 成為當時電力電子器件的主角 類似的 應用還包括高壓直流輸出 靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)?這時的電力電子技術已 經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變 但工作頻率較低 僅局限在中低頻范圍內(nèi) 變頻器時代 進入八十年代 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展 為現(xiàn)代電力電 子技術的發(fā)展奠定了基礎 將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術 有機結合 出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件 首先是功率 M0SFET 的問世 導致 了中小功率電源向高頻化發(fā)展 而后絕緣門極雙極晶體管 IGBT 的出現(xiàn) 又為大 中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇 MOSFET 和 IGBT 的相繼問世 是傳統(tǒng)的電力 電子向現(xiàn)代電力電子轉化的標志 據(jù)統(tǒng)計 到 1995 年底 功率 M0SFET 和 GTR 在 功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步 而用 IGBT 代替 GTR 在電力電子 領域巳成定論 新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率 使 其性能更加完善可靠 而且使現(xiàn)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展 為用電設備的高 效節(jié)材節(jié)能 實現(xiàn)小型輕量化 機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎 2 現(xiàn)代電力電子的應用領域 計算機高效率綠色電源 高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會 同時也促進了電源技術的 迅速發(fā)展 八十年代 計算機全面采用了開關電源 率先完成計算機電源換代 接著開關電源技術相繼進入了電子 電器設備領域 計算機技術的發(fā)展 提出綠色電腦和綠色電源 綠色電腦泛指對環(huán)境無害的 個人電腦和相關產(chǎn)品 綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源 根據(jù)美國 環(huán)境保護署 l992 年 6 月 17 日 能源之星 計劃規(guī)定 桌上型個人電腦或相關的 外圍設備 在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于 30 瓦 就符合綠色電腦的要求 提高電 源效率是降低電源消耗的根本途徑 就目前效率為 75 的 200 瓦開關電源而言 電源自身要消耗 50 瓦的能源 通信用高頻開關電源 通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展 高頻小型化的開關電源 及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流 在通信領域中 通常將整流器稱為一 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 或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為 48V 的直流電源 目前在程控交換機用的一次 電源中 傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)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 通過 MOSFET 或 IGBT 的高頻工作 開關頻率一般控制在 50 100kHz 范圍內(nèi) 實現(xiàn)高效率和小型化 近幾年 開關整流器的功率容量不斷擴大 單 機容量己從 48V 12 5A 48V 20A 擴大到 48V 200A 48V 400A 因通信設備中所用集成電路的種類繁多 其電源電壓也各不相同 在通信供 電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻 DC DC 隔離電源模塊 從中間母線電壓 一般為 48V 直流 變換成所需的各種直流電壓 這樣可大大減小損耗 方便維護 且安裝 增加非常方便 一般都可直接裝在標準控制板上 對二次電源的要求是高功率密 度 因通信容量的不斷增加 通信電源容量也將不斷增加 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 這種技術被廣 泛應用于無軌電車 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(wěn) 快速響應的性能 并同時收到節(jié)約電能的效果 用直流斬波器代替變 阻器可節(jié)約電能 20 30 直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用 開關電源 同時 還能起到有效地抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲的作用 通信電源的二次電源 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 隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展 要 求電源模塊實現(xiàn)小型化 因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構 目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模 塊 功率密度有較大幅度的提高 不間斷電源 UPS 不間斷電源 UPS 是計算機 通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的 一種高可靠 高性能的電源 交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流 一部分能量給蓄 電池組充電 另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流 經(jīng)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 另一路備用電源通過電源轉換開關來實現(xiàn) 現(xiàn)代 UPS 普遍了采用脈寬調(diào)制技術和功率 M0SFET IGBT 等現(xiàn)代電力電子器 件 電源的噪聲得以降低 而效率和可靠性得以提高 微處理器軟硬件技術的引 入 可以實現(xiàn)對 UPS 的智能化管理 進行遠程維護和遠程診斷 目前在線式 UPS 的最大容量已可作到 600kVA 超小型 UPS 發(fā)展也很迅速 已經(jīng)有 0 5kVA lVA 2kVA 3kVA 等多種規(guī)格的產(chǎn)品 變頻器電源 變頻器電源主要用于交流電機的變頻調(diào)速 其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位 日趨重要 已獲得巨大的節(jié)能效果 變頻器電源主電路均采用交流 直流 交流方 案 工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓 然后由大功率晶體管或 IGBT 組 成的 PWM 高頻變換器 將直流電壓逆變成電壓 頻率可變的交流輸出 電源輸出 波形近似于正弦波 用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速 國際上 400kVA 以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世 八十年代初期 日本 東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術應用于空調(diào)器中 至 1997 年 其占有率已達 到日本家用空調(diào)的 70 以上 變頻空調(diào)具有舒適 節(jié)能等優(yōu)點 國內(nèi)于 90 年代 初期開始研究變頻空調(diào) 96 年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器 逐漸形成變頻空調(diào)開 發(fā)生產(chǎn)熱點 預計到 2000 年左右將形成高潮 變頻空調(diào)除了變頻電源外 還要 求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機電機 優(yōu)化控制策略 精選功能組件 是空調(diào)變頻 電源研制的進一步發(fā)展方向 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 了當今焊機電源的發(fā)展方向 由于 IGBT 大容量模塊的商用化 這種電源更有著 廣闊的應用前景 逆變焊機電源大都采用交流 直流 交流 直流 AC DC AC DC 變換的方法 50Hz 交流電經(jīng)全橋整流變成直流 IGBT 組成的 PWM 高頻變換部分將直流電逆變 成 20kHz 的高頻矩形波 經(jīng)高頻變壓器耦合 整流濾波后成為穩(wěn)定的直流 供電 弧使用 由于焊機電源的工作條件惡劣 頻繁的處于短路 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問題成為最關鍵的問題 也是用戶最關 心的問題 采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制 PWM 的相關控制器 通過對多參數(shù) 多信息的提取與分析 達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的 進而提前對系統(tǒng)做出 調(diào)整和處理 解決了目前大功率 IGBT 逆變電源可靠性 國外逆變焊機已可做到額定焊接電流 300A 負載持續(xù)率 60 全載電壓 60 75V 電流調(diào)節(jié)范圍 5 300A 重量 29kg 大功率開關型高壓直流電源 大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵 水質(zhì)改良 醫(yī)用 X 光機 和 CT 機等大型設備 電壓高達 50 l59kV 電流達到 0 5A 以上 功率可達 100kW 自從 70 年代開始 日本的一些公司開始采用逆變技術 將市電整流后逆變?yōu)?3kHz 左右的中頻 然后升壓 進入 80 年代 高頻開關電源技術迅速發(fā)展 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應用于高頻高壓電源 取消了高壓變壓器油箱 使變 壓器系統(tǒng)的體積進一步減小 國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制 市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋 零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓 然后由高頻變壓器升 壓 最后整流為直流高壓 在電阻負載條件下 輸出直流電壓達到 55kV 電流達 到 15mA 工作頻率為 25 6kHz 電力有源濾波器 傳統(tǒng)的交流 直流 AC DC 變換器在投運時 將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流 引起諧波損耗和干擾 同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象 即所謂 電力 公害 例如 不可控整流加電容濾波時 網(wǎng)側三次諧波含量可達 70 80 網(wǎng)側 功率因數(shù)僅有 0 5 0 6 電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置 能克服傳統(tǒng) LC 濾波器的不足 是一種很有發(fā)展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構成 與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是 l 不僅反饋輸出電 壓 還反饋輸入平均電流 2 電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積 分布式開關電源供電系統(tǒng) 分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?利 用最新理論和技術成果 組成積木式 智能化的大功率供電電源 從而使強電與 弱電緊密結合 降低大功率元器件 大功率裝置 集中式 的研制壓力 提高生產(chǎn) 效率 八十年代初期 對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技 術的研究上 八十年代中后期 隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展 各種變換器 拓撲結構相繼出現(xiàn) 結合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術 使中小功率裝置的 集成成為可能 從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開 自八十 年代后期開始 這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點 論文數(shù)量逐年增 加 應用領域不斷擴大 分布供電方式具有節(jié)能 可靠 高效 經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點 已被大型 計算機 通信設備 航空航天 工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納 也是超高速型集成電 路的低電壓電源 3 3V 的最為理想的供電方式 在大功率場合 如電鍍 電解電 源 電力機車牽引電源 中頻感應加熱電源 電動機驅(qū)動電源等領域也有廣闊 的應用前景 3 高頻開關電源的發(fā)展趨勢 在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中 開關電源技術均處于核心地位 對于大型電解電鍍電源 傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重 如果采用高頓開關電源技 術 其體積和重量都會大幅度下降 而且可極大提高電源利用效率 節(jié)省材料 降低成本 在電動汽車和變頻傳動中 更是離不開開關電源技術 通過開關電源 改變用電頻率 從而達到近于理想的負載匹配和驅(qū)動控制 高頻開關電源技術 更是各種大功率開關電源 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 的核心技術 高頻化 理論分析和實踐經(jīng)驗表明 電氣產(chǎn)品的變壓器 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 用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的 5 l0 無論是逆變式整流 焊機 還是通訊電源用的開關式整流器 都是基于這一原理 同樣 傳統(tǒng) 整流行 業(yè) 的電鍍 電解 電加工 充電 浮充電 電力合閘用等各種直流電源也可 以根據(jù)這一原理進行改造 成為 開關變換類電源 其主要材料可以節(jié)約 90 或更高 還可節(jié)電 30 或更多 由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高 促 使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化 帶來顯著節(jié)能 節(jié)水 節(jié)約材料 的經(jīng)濟效益 更可體現(xiàn)技術含量的價值 模塊化 模塊化有兩方面的含義 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 六單元直至七元 包括開 關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管 實質(zhì)上都屬于 標準 功率模塊 SPM 近 年 有些公司把開關器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去 構成了 智能化 功率模塊 IPM 不但縮小了整機的體積 更方便了整機的設計制造 實際上 由 于頻率的不斷提高 致使引線寄生電感 寄生電容的影響愈加嚴重 對器件造成 更大的電應力 表現(xiàn)為過電壓 過電流毛刺 為了提高系統(tǒng)的可靠性 有些制造 商開發(fā)了 用戶專用 功率模塊 ASPM 它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片 的形式安裝到一個模塊中 使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接 這樣的模塊經(jīng) 過嚴格 合理的熱 電 機械方面的設計 達到優(yōu)化完美的境地 它類似于微電 子中的用戶專用集成電路 ASIC 只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯 片 再把整個模塊固定在相應的散熱器上 就構成一臺新型的開關電源裝置 由 此可見 模塊化的目的不僅在于使用方便 縮小整機體積 更重要的是取消傳統(tǒng)連 線 把寄生參數(shù)降到最小 從而把器件承受的電應力降至最低 提高系統(tǒng)的可靠性 另外 大功率的開關電源 由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考 慮 一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作 采用均流技術 所有模塊共同分擔負 載電流 一旦其中某個模塊失效 其它模塊再平均分擔負載電流 這樣 不但提高 了功率容量 在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求 而且通過 增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊 極大的提高系統(tǒng)可靠性 即使 萬一出現(xiàn)單模塊故障 也不會影響系統(tǒng)的正常工作 而且為修復提供充分的時間 數(shù)字化 在傳統(tǒng)功率電子技術中 控制部分是按模擬信號來設計和工作的 在六 七 十年代 電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的 但是 現(xiàn)在數(shù)字式信號 數(shù)字電路顯得越來越重要 數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟 顯示出越來越多的 優(yōu)點 便于計算機處理控制 避免模擬信號的畸變失真 減小雜散信號的干擾 提高抗干擾能力 便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào) 也便于自診斷 容錯等技 術的植入 所以 在八 九十年代 對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說 模擬技術還 是有用的 特別是 諸如印制版的布圖 電磁兼容 EMC 問題以及功率因數(shù)修正 PFC 等問題的解決 離不開模擬技術的知識 但是對于智能化的開關電源 需要 用計算機控制時 數(shù)字化技術就離不開了 綠色化 電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義 首先是顯著節(jié)電 這意味著發(fā)電容量的節(jié)約 而 發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因 所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染 其次這些 電源不能 或少 對電網(wǎng)產(chǎn)生污染 國際電工委員會 IEC 對此制定了一系列標準 如 IEC555 IEC917 IECl000 等 事實上 許多功率電子節(jié)電設備 往往會變成 對電網(wǎng)的污染源 向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流 使總功率因數(shù)下降 使電網(wǎng)電 壓耦合許多毛刺尖峰 甚至出現(xiàn)缺角和畸變 20 世紀末 各種有源濾波器和有源 補償器的方案誕生 有了多種修正功率因數(shù)的方法 這些為 2l 世紀批量生產(chǎn)各 種綠色開關電源產(chǎn)品奠定了基礎 現(xiàn)代電力電子技術是開關電源技術發(fā)展的基礎 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斷出現(xiàn) 現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下 快速發(fā)展 在傳統(tǒng)的應用技術下 由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能 受到影響 為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性 使器件性能對開關電源性能的影 響減至最小 新型的電源電路拓撲和新型的控制技術 可使功率開關工作在零電 壓或零電流