浅析现代电力电子技术发展方向

1、    浅析现代电力电子技术发展方向    公衍海现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、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应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率mosfet和igbt为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。1、现代电力电子技术的发展阶段1.1 整流器时代大功率的工业用电由工频（5

2、0hz）交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解（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）和直流传动（轧钢、造纸等）三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮，目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。1.2 逆变器时代七十年代出现了世界范围的能源危机，交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0100hz的交流电。在七

3、十年代到八十年代，随着变频调速装置的普及，大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）成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出，静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经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 变频器时代进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率m0sfet的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管（igbt）的出现，又为大中型功率电源向高

4、频发展带来机遇。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。2、现代电力电子的应用领域2.1 计算机高效率绿色电源高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会，同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代，计算机全面采用了开关电源，率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。2.2 通信用高频开关电源通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。因通信设备中所用集成电路的种类繁多，其电源电压也各不相同，在通信供电系统中采用高功率密度的高频dc-dc隔离电源模块，从中间母线电压（一般为48

5、v直流）变换成所需的各种直流电压，这样可大大减小损耗、方便维护，且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上，对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加，通信电源容量也将不斷增加。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，这种技术被广泛应用于无轨电车、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，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能（2030）%。直流斩波器不仅能起调压的作用（开关电源）， 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。2.4 不间断电源（ups）不间断电

6、源（ups）是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流，一部分能量给蓄电池组充电，另一部分能量经逆变器变成交流，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，另一路备用电源通过电源转换开关来实现。2.5 变频器电源变频器电源主要用于交流电机的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压，然后由大功率晶体管或igbt组成的pwm高频变换器， 将直流电压逆变成电压、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

7、流异步电动机实现无级调速。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，代表了当今焊机电源的发展方向。由于igbt大容量模块的商用化，这种电源更有着广阔的应用前景。2.7 大功率开关型高压直流电源大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用x光机和ct机等大型设备。电压高达50l59kv，电流达到0.5a以上，功率可达100kw。3、高频开关电源的发展趋势3.1 高频化理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、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，用电设备的体积

8、重量大体下降至工频设计的 5l0%。3.2 模块化模块化有两方面的含义，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"标准"功率模块（spm）。3.3 数字化在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代，电力电子技术 拟电路基础上的。但是，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点：便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰（提高抗干扰能力）、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。3.4 绿色化电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电， 这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能（或少）对电网产生污染，20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种修正功率因数的方法。总而言之，电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志