1、現代電力電子及電源技術的發展觀代電澹技術是應用電力電子半導體器件，綜合自動控W3t算機（撤處理器）技術和電磁技術 的多學科迪緣交Q技術。在各神高質量、高效、高可靠性的電灘中起關址作用，是現代電力 電子技術的具體應用。當前,電力電子作為節能、節才、自動化、皆能化、機電一11化的星此正朝著應用技術高航 化、硬件給構模挾化、嚴品性能綠色化的方向發展。在不遠的將來，電力電子枝術將使電源 技術更加成熟、經濟、實乩實現高效率和高品質用電松結合。1.電力電子技術的發展現代電力電子技術的發展方向，是從以低頻技術處理間題為壬的傳貌電力電子學，向以高預技 術處理冋題力壬的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于

2、五十年代未兀十年代初的 徒整說器件，其發展先后經歷了整說器時代、逆變器時代和變航器時代，并促進了電力電子技 術在許多新頡域的應用。八十年代末期和九十年代朋期發展起來的、以功率MOSFET fll IGBT 為代表的、集高順、高壓和大電逍于一身的功率半導體復合器件，表明傳銳電力電子技術已 經進人現代電力電子時代。1.1整流器時代大功率的工業用電由工S（50Hz）交運發電提供，但是大約20%的電能是H g S形衣消貴的， 貝中最典塑的是電解（有色金屬和化工原料需要頁說電解）、牽弓1（電氣til車、電傳動的熔機車、 地鐵機車、城市無機電車等）和頁說傳動（軋爾、造縱等）三大領域。大功率旺整逍器能笳高效

3、 率地把工頻交說電轉變為在兀十年代和七十年代,大功率徒整流管和晶閘管的開 發與應用得1很大發展。當時國曾經掀起了股各地大外徒整說器的熱潮，目前全國大大小 小的制匾徒整流器的半導It家就是那吋的產物。1.2逆變器時代七十年代出規了世界圍的fiJS.fe機，交運電機變頫惆速因節能效果顯菁而迅速發展。變頻調 速的關猊技術是電逆變力0100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,18著變頫調速 裝置的普及，大功率逆變用的品用管、巨里妙率晶體管(GTR)和門根可關斷晶閘管(GTO)ffi為當 時電力電子器件的主角。類儉的甌用還包牯高壓ISffi岀，靜止衣無助【力率動態補償等。這 時的電力電子技術已經能夠實現

4、整說和逆變，但工作航率較化僅同限在中低頫圍。1.3變頤器時代進人八十年代，大規模和超大規模集成電路技術的迅聒發展，力現代電力電子技術的發最奠定 了基砒。將集應電路技術的精細加工技術和高壓大電說技術有機結合，出現了一批全新的全率器件、首先是功率M OSFET的冋世，導致了中小助率電潔向高頫化發展，而后經緣門 極雙極晶體管(IGBT)的出現,2為大中塑助率電源向畐頻發展帶來機SoMOSFET fll IGBT的相 罐冋世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統廿，到1995年仏功率M0SFET 和GTR在0率半導體器件市場上已達到平分秋色的地趴而用IGBT代替GTR在電力電子領 域巳成定論

5、。新里器件的發展不儀為交浹電機變頫調JigffiT較高的顓率，便具性能更加完 善可靠,而目便現代電子技術不斷向高順化發照力用電設備的高效節M節能，實現小塑輕量 化，機電一體化和智能化提供了璧要的技術基礎。2.現代電力電子的應用領鎮2.1廿算機畐效率綠色電源高速發展的it算HI技術帑領人類進人了信息杜會，同時也促進了電源技術的迅速發展。八十 年代龍算機全面采用了開關電虬率先完成廿算機電濂換代。接著開關電源技術IOiS人了 電子、電器設備領頸。it算機技術的發照提出綠色電胎和綠色電饑綠色電膽泛常對壞境無害的個人電腑和關 產品，綠色電淵系指與綠色電胎1關的高效省電電源，根據美國環境保護署1992年6

6、月17 日“能淵之星計劃規定,桌上塑個人電腑或柑關的外圍設備，在陋眼狀態下的蔽電量若小于30 瓦,就符合綠色電膽的要求，提高電灘效率是瞬低電源消耗的根本途徑。就目前效率力75%的 200 K開關電潔而言，電源自身要消ft 50瓦的能（8。2.2通信用高頻開關電源通信業的迅速發最板大的推動了通當電源的發展。高額小塑化的開關電澹及貝技術已成力現 代通信供電系貌的主逍。在通信領域中,通常為整逍器稱為一次電舐而將1-I；4（DC/DC） 變換器林為二次電源。一次電源的作用是將單岀或三HI交運電網變換成標稱值力48V的頁 浦電灘。目前在程腔交換til用的一次電源中，傳統的!控氏穩壓電源己被高頫開關電濂取

7、代, 高頻開關電源（也稱為開關型整浹器SMR）通過MOSFET或IGBT的高碩工作，開關順率一般控 制在50-100kHz B,實規高效率和小里化。近幾年，開關整說器的助率容量不斷擴大，單1容量 己 U 48V/12.5A、48V/20A 擴大到 48V/200A. 48V/40OA。因通信設備中所用集成電路的忡類繁欽具電濂電壓也各不H!間，在通信供電系貌中采用高ID 率密度的高顏DC-DC用離電澹模挾，從中間母找電壓（一般為48V1S）變換成所需的各種頁 運電壓謔樣可大大窩小損耗、方便維護,目安裝、惱加非常方便。一般邵可直接裝在標準控 制板上，對二次電澹的要高助率密度。因通信容量的不斷增加，

8、通18電涮容量也將2.3 fifi- 1（DC/DC）變換器DC/DC變換器將一個固定的頁說電壓變換為可變的頁渣電壓虎種技術被廣泛應用于無乳電 車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制侗時便上述控制獲得）1速平穩、快速響應的性能, 并同時收到節約電能的效果。用liSIM器代替變朋器可節約電能（2030）%。頁流瀝波器不 僅能起調壓的作用（開關電澹），同時還能起到有效地抑制電網明諧波電流曝聲的作用。 通信電澹的二次電混DC/DC變換器已商品化,模挾采用高頻PWM枝術，開關頻率在500kHz左 右為率密度力5W20W/in3砸著大規模集成電路的發展虎求電源模挾實規小里化,因此就 要不斷提高開關頤率和采

9、用新的電路柘撲結構,目前已有一些貸司研K生嚴了采用零電浹開 關和零電壓開關技術的二次電混模挾,助率密度有較大幅度的提高。2.4不同斷電源(UPS)不間斷電源(UPS)是廿算機、通信系SWE1求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高 11能的電源。交渝市電輸人經整逍器變戒直說，一部分能量給蓄電池組充電，另一部分能量經 逆變器變成交說，經轉換開關送到ftfto力了在逆變器故障時旳能向負我提供能量，另一路備 用電海通過電海轉換開關來實現。現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M OSFET、IGBT等現代電力電子器件，電濂的噪聲 得以降低,而效率和可靠11得以提高。fit處理器軟硬件技術的引人，可以

10、實現對UPS的智能化 管理，進行遠樣細護和遠程診斷。目前在踐式UPS的最大容量巳可作到600kVAo超爪型UPS發最也很jfi速,已經有0.5kVA、 IkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。2.5變頻器電邃變額器電源主要用于交說電機的變盹嗚速虎在電氣傳朋系統中占據的地E0B41.已獲得 巨大的節能效果。變額器電灘主電路均采用交S-SiS-交渝方案。工頡電源通過整說器變成 固定的頁浹電壓，然后由大助率6JIO或IGBT組成的PWM高頫變換器，増頁說電壓逆變成 電壓、順率可變的交逍揄岀，電涮輸岀iOiilil于正取於,用干驅動交逍異步電動機實現無級 調速。國際上400KVA以卞的變順器電潟

11、系列嚴品已經問世。八十年代初期，日本東芝公司最先將交 說變航鳴速技術應用于空調器中。至1997年，貝占有率已達到日本家用空闔的70% H上。變 頻空說具有舒適、節能等優點。國于90年代初期開始研究變頻空1196年引進生嚴線生產變 頫空期器，逐漸形成變顏空凋開發生嚴熱點。預廿到2000年左右將形成高潮。變順空闔除了 變頻電澹外用要求有適合于變頻明速的壓縮機電機。優化技制眾略，績選功能組件，是空調變 頻電源研匍的進一步發展方向。2.6高頤逆變式整說焊機電涌高頻逆變直整流焊機電灌是一神高性能、高效、省材的新塑焊機電舐代表了當今焊Hl電源 的發展方向。由干IGBT大容量模塊的商用化衛種電澹更有著廣副的

12、應用前景。逆變焊別電源大都采用交說宜逍交渝IS(AC-DC-AC-DC)變換的方沫。50Hz交逍電經全 橋整說變ISISJGBT組應的PWM高頻變換跚分將頁運電逆變成20kHz的高潁矩形況經高 頫變壓器IS合，整浹謔逋后成為穩定的SiS.lft電恥便用。由TfftH電源的工作條件惡劣億繁的處于短路、燃醫、開路交替變化之中，因此高頤逆變氏 整St? tn電源的工作可靠性冋題成為最關進的冋臥也是用戶最關0的冋題。采用倫處理器 做力脈沖寬度調嗣(PWM)的相關腔闕器,通過對鄉參數、鄉信息的提取與分札達到預知系統 各種工作狀態的目的，進而提前對系貌做出說整和處理,解決了目前大1)1率IGBT逆變電源可

13、 靠也國外逆變焊機已可做到額定焊接電潦300A,負數持續率60%,全我電壓6075V,電流調節圍 530叭1 量 29kg。2.7大功率開關型畐壓童浹電瀾大功率開關塑高壓宜逍電澡廣泛應用于靜電除塵、水噴改良、醫用X光til和CT機等大塑設 備。電壓高達50l59kV,電說ji到0.5A以上，功率可達100kWo自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術，將市電整渣后逆變為3kHz左右的中航, 然后升圧。進人80年代，高航開關電源技術迅速發展。徳國西門子公司采用助率晶體管做壬 開關元件，將電澹的開關顓率提高到20kHz lUo并為干直變壓器技術應功的應用于高頻高 壓電源，取涓了高圧變壓器油

14、箱，便變壓器系貌的體枳進一步城小。國對靜電除塵高圧宜逍電淵進行了研制，市電經整逍變為頁仏采用全橋零電運開關串聯諧掠 逆變電JS45IS電壓逆變為高頫電壓忠后由高頫變壓器升壓，最后整逍為頁謨高壓。在電阻 負我條件下，輸岀頁浹電壓達到55kV,電逍達S 15mA,I作順率為25.6kHz。2.8電力有源濾渡器傳統的交S-iS(AC-DC)變換器在投運臥將向電網注人大量ffliSS電浹，引起諧極損耗和干 擾，同時還出現裝置網HH力率因數惡化的觀象.KPBiiB “電力公害”用如不可技整流加電容花 渋時.MBE次諧$含量可g (70-80)%, B U功率因數儀有0.50.6。電力有澹濾波器是一種能動

15、態抑制諧渋的新里電力電子裝置，能克服傳蔬LC濾波器的不 足,是一種很有發最南途的諧渋抑制手段。激液器由橋直開關功率變換器和具體技制電路構 成。與傳貌開關電瀑的區別是:不輸岀電壓，還反!輸人平均電浹；(2)電逍環基準侑號 為電壓壞誤差信號與全波整說電壓取樣信號之乘枳。2.9分布it開關電澹供電系統分布衣電混供電系統采用小助率模挾和大址模控嗣集應電路作基本部件，利用最新理論和技 術成果，組成枳木直、智能化的大功率供電電職從而使強電與勇電緊密結合思低大助率元器 件、大功率蕓置(集中直)的研制壓力，提高生嚴效率。 八十年代初期，對分布衣高頻開關電澹系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八 十年代

16、中后期他著高顏功率變換技術的迅述發最，各種變換器柘撲結構出罐出現，結合大規 模集成電胳和功率元器件技術，便中小助率裝置的集應成為可能,11而迅速地推動了分布直高 頫開關電源系就研究的展開。自八十年代后期開始遠一方向已成為國際電力電子學界的研 究熱點淤文數量逐年常加，應用領域不斷擴大。分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型it算機、通信設備、 航空航天、工業控制等系銳逐瀟采納,也是超高連塑集應電路的低電壓電灌(3.3V)的最力理想 的供電方沈。在大助率場合，如電痕、電解電澹、電力til車牽引電澹、中頤感應加熱電源、 電動機驅別電源等領域也有廣闔的應用繭景。3.高順開關電

17、海的發展趟勢在電力電子枝術的應用及各種電涮系貌中，開關電混技術均處于核心地位。對于大里電解電 踱電灘，傳統的電路非常砸大而策車，如杲采用高頓開關電源技術量都會大幅廈 下附而目可根大提高電灌利用效率、節省M料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中，更是 離不開開關電海技術，通過開關電灘改變用電頻率，從而達到近于理憩的負敎匹配和驅動技 制。髙頻開關電源技術，更是各種大功率開關電混(逆變焊1、通HI電源、高頻10熱電瀾、淵 光器電漳、電力操作電源等)的核血技術。3.1高頻化理論分折和實戲經坊表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的W枳車量與供電頰率的平方根成反比。所以當我0】把航率從工順50業提高S20RH

18、乙提高400倍的話，用電毀備的體枳蹙量 大WTB至工頻設計的5io%0無論是逆變直整說焊機顯是通爪電澹用的開關貳整逍器，都 是基于迪一原理。同樣，傳統“整逍行業”的電龍、電解、電M工、充電、浮充電、電力合H 用等各伸直逍電澹也可以根據這一原BfflliiSiS,成為“開關變換類電源”，其主要林料可以 節約90%或更臥if可節電30%或更多。由于功率電子器件工作順率上限的逐形提高,促便許 多原來采用電子管的傳貌高頓設備19態化，帑來顯蓍節能、節水、節約的經濟效益，更可 休觀技術含量的價值。3.2模挾ft模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模挾仏其二是指電源單元的模換化。我常見 的器件模挾，含

19、有一單元、兩單元、穴單元頁至七單元，包括開關器件相與之反并聯的續逍二 執管,實質上8tHT “標準功率模tt(SPM)o近年，有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝 到BJ率模換中去，構成了“曾能化” U率模快(IPM),不但編小了整的體枳，更方便了整機的設 it Milo實際上，由于順率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響斂加嚴垂,對器件 造成更大的電應力(表觀力過電圧、過電渣毛剌)。力了提高系就的可靠性,有些制造商開發了 “用戶專用”功率模tt(ASPM),E把一臺整Hl的幾乎所有硬件郡以芯片的形式安裝到一個模 挾中，便元器件之間不再有傳統的引線連接虎樣的模挾經過嚴格、合理的熱、電、

20、機植方面 的git.fi到優化芫美的境地。它類做于fit電子中的用戶專用集成電協(ASIC)。只要把技制軟 件寫人垓模挾中的缺處理器茜片，再把整個模挾固定在皿應的股熱器上,就構成一臺新里的開 關電源裝置。由此可見,模快化的目的不儀在于使用方便腐小整Jilt枳,更重要的是取消傳統 連技，把寄生參數障到最扎從而把器件承受的電應力瞬至系統的可靠性。另外,大功 率的開關電源，由于器件容量的限翻和J9加冗余提畐可靠性方面的考慮,一般采用多個獨立的 模塊單元并取工作，采用均浹技術,所有模快共間分擔負我電說，一旦具屮杲個模挾失效，其它 模塊再平均分擔負我電說。這樣,不但提高了功率容量，在有限的器件容量的悄況

21、下滿足了大 電逍輸岀的要求，而且通過增加1對整個系就來說血率很小的冗余電涮模挾，根大的提高系 統可靠性，即便Jj-ih現單模挾故障，也不會影響系貌的正常工作，而且為修夏提供充分的時 冋。3.3數字化 在傳筑功率電子技術中，控制跚分是按模擁信號來i殳廿和工作的。在穴、七十年代，電力電子 技術完全是建立在模抓電路星就上的。但是，現在數字貳(I號、數字電路顯得越來趙巫娶，數 字信號業理技術日趨完善成熟，顯示岀越來越名的優點:便于it算tH處理控制、直免模折信號 的時變失真、績小雜做信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和爲感遙測墻調,也便 于自診斷、容錯等技術的栢人。所1,在八、九十年代，對干各類電路相系統的設廿來說，模抓 技術U是有用的，特別是:諸咖印制版的布圖、電陋兼容(EMC) FnlittKJj率因數修正(PFC)等 冋題的解決，離不開模抵枝術的知識，但是對于智能化的開關電瀛需要用it算機控制時，數字 化技術就離不開了。3.4綠色化電涮系統的綠色化有兩層含義:首先是顯菁節電，這意味著發電容量的節約，而發電是造成壞 境污染的車要原因，所1節電就可以減少對環境的污