電力電子技術在電氣控制領域中的應用

摘要：電力電子技術是應.用于電力領域中的電子技術。目前，在電氣控制領域中，主要以MOSFET和IGBT兩種全控型器件為主。隨著電力MOSFET技術和IGBT技術的迅猛發(fā)展，PWM控制技術不斷發(fā)展。同時，軟開關技術也應社會需求而迅猛發(fā)展。由于傳統(tǒng)的保護措施已不再適用，提高驅(qū)動電路自我保護功能已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢.如橋臂互鎖保護法。

關鍵詞：電力電子技術 控制 過電流保護

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2012)02(b)-0078-01

1引言

顧名思義，電力電子技術就是應用于電力領域中的電子技術，是誕生于20世紀后半葉的一門嶄新的技術。按照w·Newell(1974)的觀點，可以將其劃分為電力學、電子學和控制理論三大交叉學科。隨著電力電子技術的迅猛發(fā)展，尤其是80年后期，絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)的興起，標志著電力電子技術開始進入以復合型器件為主的時代，各種新型安全型復合控件不斷涌現(xiàn)。電力電子技術作為一門新興的基礎技術在21世紀將仍以迅猛的速度發(fā)展，并同計算機技術共同服務于人類社會的各個方面。

本文從電氣控制領域中的電力電子器件、控制技術、器件維護及未來發(fā)展趨勢出發(fā)，介紹電力電子技術在電氣控制領域中的應用。

2電氣控制領域電力電子器件的發(fā)展

按照電力電子器件能夠被控制電路信號控制的程度，可以將電力電力電子器件分為不可控器件(如電力二極管)、半控器件(如晶閘管)、壘控型器件(如電力MOSFET，IGBT)。毫無疑問，通過控制信號既可以控制通導，又可以控制關斷的全控型器件是目前研究的熱點。20世紀80年代中期，全控型器件開始興起，各種全控型器件之間展開了激烈的斗爭。直到90年代末期，才形成了以MOSFET和IGBT兩種壘控型器件為主的局勢。

電力MOSFET主要適用于小功率(10kW以下)場合的優(yōu)勢器件，其主要以槽溝技術(Treneh Technology)為主，門極垂直伸入低摻雜N區(qū)的槽型孔中。IGBT技術與電力MOSFET技術相對，主要適用于中、大功率場合。IGBT技術在不斷發(fā)展的過程中，綜合性能得到顯著提高，從而在電氣控制領域中的地位日益凸顯。

3電力電子電路的控制技術

3.1PWM控制技術

PWM(Pulse Width Modulation)控制是通過調(diào)節(jié)脈沖寬度，以獲得所需要的波形的一種控制技術，其理論基礎是面積等效原理，即面積相等相等(等沖量)而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，環(huán)節(jié)的輸出響應波基本相同。近年來，隨著電力MOSFET技術和IGBT技術的迅猛發(fā)展，為PWM技術提供了廣闊的發(fā)展空間，使其能夠直一直、交一交、逆變、整流等所有變流電路都能夠使用。

直一直斬波電路是PWM應用最成熟的控制電路類型，把直流斬波電路應用于直流電機控制系統(tǒng)，成為應用最為廣泛的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。交一交變流電路中的PWM控制技術最要以斬控式交流調(diào)壓電路和矩陣式變頻電路為代表。就目前而言，這類應用尚未推廣，但是由于矩陣式變頻電路容易實現(xiàn)集成化，所以發(fā)展空間巨大。PWM控制技術最有代表性的就是在逆變電路中的應用。目前，除了超大功率的逆變裝置，幾乎所有的逆變電路都采用PWM控制技術，所以說逆變電路中PWM技術的使用，奠定了PWM控制技術的核心地位。

3.2軟開關控制技術

隨著技術的發(fā)展，電力電子裝置越來越趨向輕型化、小型化，提高了對電磁兼容和效率的要求。一般情況下，電力電子裝置中，濾波電感、變壓器、電容等都占據(jù)了很大的空間，而通過開關頻率的提高，可以降低濾波器的參數(shù)，減小裝置空間大小。也就是說，通過電路的高頻化可以直接實現(xiàn)裝置輕型化、小型化的要求。但是，電路高頻化勢必會增加開關損耗，嚴重影響電路效率，同時會增大電磁干擾水平。為了解決這個矛盾，軟開關技術迅速發(fā)展起來，用于解決開關噪音與開關損耗的問題。

目前，軟開關技術在時代發(fā)展需求的推動下，表現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢：第一，軟開關技術越來越多的用到IT產(chǎn)業(yè)中，其拓撲數(shù)量呈不斷上升趨勢。第二，諧振電路在效率要求高，且開關頻率超過IMhz的場合中性能很高。第三，通過并聯(lián)、串聯(lián)、級聯(lián)實現(xiàn)多個高效簡單電路的組合電路，在多種場合中表現(xiàn)出很高的性能，成為一種趨勢。

4電氣控制系統(tǒng)中過電流保護

當電力電子電路運行失常或發(fā)生故障時，有可能產(chǎn)生過電流現(xiàn)象。以往常采用快速熔斷器、直流快速斷路器以及過電流繼電器對電力電子主電路的保護措施，但由于目前的電力電子器件小型化、高功率、輕型化的特點，傳統(tǒng)的保護措施已經(jīng)無法發(fā)揮作用。因此，驅(qū)動控制信號的自動去除已經(jīng)成為未來極具潛力的方向。一般情況下，常通過設置專門的過電流保護電子電路，檢測到過電流之后直接調(diào)節(jié)出發(fā)或驅(qū)動電路，或者關斷被保護器件。本文將以橋臂互鎖保護法為例，介紹在故障狀態(tài)下快速自動切除驅(qū)動信號的過程機制。

橋式逆變電路常常因為信號重疊或開關器件長時延時而產(chǎn)生橋臂短路的現(xiàn)象。因此，需要以聯(lián)鎖控制的方式，使同橋臂的兩個元件上的控制信號互鎖。也就是說，禁止同一橋臂上的兩個器件同時開通。

如圖所示，在決定是否開通某個GTR時，必須首先要判斷另一個GTR是否關斷。也就是說，每一個器件的驅(qū)動信號是否能通過決定了對方的開通狀態(tài)。只有當一個GTR被判斷為關斷時，另一個才能通過。一般情況下，可以通過三種方法判斷GTR的阻斷狀態(tài)；一是通過檢測發(fā)射極電流的方法判斷，二是通過檢測集電極的方琺判斷，三是通過識別發(fā)生狀態(tài)來判斷。這種嚴格的控制過程可以有效防止橋臂過電流事故的發(fā)生。

5總結

總而言之，電力電子技術在電氣控制領域中的應用具有十分重要的意義。如何在現(xiàn)有技術的基礎上發(fā)展出適應社會需求的新技術與新產(chǎn)品成為電力電子技術已經(jīng)成為勢不可免的趨勢，而且還會開拓出更多的應用領域。

參考文獻

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