電力電子技術(shù)

吳慶峰

【摘 要】電力電子及開(kāi)關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展，新技術(shù)的出現(xiàn)又會(huì)使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代，還會(huì)開(kāi)拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實(shí)現(xiàn)，將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟，實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。

【關(guān)鍵詞】電力電子技術(shù)；開(kāi)關(guān)電源

當(dāng)前，電力電子作為節(jié)能、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。

1.電力電子技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，是從以低頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué)，向以高頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)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(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代，并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.1 整流器時(shí)代。大功率的工業(yè)用電由工頻（50Hz）交流發(fā)電機(jī)提供，但是大約20%的電能是以直流形式消費(fèi)的，其中最典型的是電解、牽引和直流傳動(dòng)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，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(kāi)發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時(shí)國(guó)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(guó)大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時(shí)的產(chǎn)物。

1.2 逆變器時(shí)代。七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī)，交流電機(jī)變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?～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、巨型功率晶體管和門(mén)極可關(guān)斷晶閘管成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主角。這時(shí)的電力電子技術(shù)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)。

1.3 變頻器時(shí)代。進(jìn)入八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機(jī)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(shù)不斷向高頻化發(fā)展，為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能，實(shí)現(xiàn)小型輕量化，機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

2. 現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 通信用高頻開(kāi)關(guān)電源。通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開(kāi)關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)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(biāo)稱值為48V的直流電源。近幾年，開(kāi)關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大，因此通信容量的增加，通信電源容量也將不斷增加。

2.2 直流-直流（DC/DC）變換器。DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓。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(kāi)關(guān)電源）， 同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。

2.3 不間斷電源（UPS）。不間斷電源（UPS）是計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場(chǎng)合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流電輸入經(jīng)過(guò)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(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)送到負(fù)載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負(fù)載提供能量，另一路備用電源通過(guò)電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.4 變頻器電源。變頻器電源主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速，其在電氣傳動(dòng)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(guò)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(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。

2.5 分布式開(kāi)關(guān)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米钚吕碚摵图夹g(shù)成果，組成積木式、智能化的大功率供電電源，從而使強(qiáng)電與弱電緊密結(jié)合，降低大功率元器件、大功率裝置的研制壓力，提高生產(chǎn)效率。

3. 高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)

在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對(duì)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(kāi)關(guān)電源技術(shù)，其體積和重量都會(huì)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。

3.1 高頻化。理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍的話，用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的 5～l0%。無(wú)論是逆變式整流焊機(jī)，還是通訊電源用的開(kāi)關(guān)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(jìn)行改造， 成為"開(kāi)關(guān)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(lái)采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化，帶來(lái)顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟(jì)效益，更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)值。

3.2 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(jiàn)的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開(kāi)關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實(shí)質(zhì)上都屬于"標(biāo)準(zhǔn)"功率模塊（SPM）。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(yán)重，對(duì)器件造成更大的電應(yīng)力。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開(kāi)發(fā)了"用戶專用"功率模塊（ASPM），它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)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(guò)嚴(yán)格、合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化完美的境地。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(guò)增加相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(wàn)一出現(xiàn)單模塊故障，也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復(fù)提供充分的時(shí)間。

3.3 數(shù)字化。在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中，控制部分是按模擬信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)和工作的。在六、七十年代，電力電子技術(shù) 擬電路基礎(chǔ)上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號(hào)、數(shù)字電路顯得越來(lái)越重要，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn)：便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小雜散信號(hào)的干擾、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測(cè)遙調(diào)，也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。對(duì)于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，模擬技術(shù)還是有用的，特別是：諸如印制版的布圖、電磁兼容（EMC） 問(wèn)題以及功率因數(shù)修正（PFC）等問(wèn)題的解決，離不開(kāi)模擬技術(shù)的知識(shí)，但是對(duì)于智能化的開(kāi)關(guān)電源，需要用計(jì)算機(jī)控制時(shí)，數(shù)字化技術(shù)就離不開(kāi)了。

3.4 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(duì)環(huán)境的污染；其次這些電源不能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國(guó)際電工委員會(huì)對(duì)此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，許多功率電子節(jié)電設(shè)備，往往會(huì)變成對(duì)電網(wǎng)的污染源：向電網(wǎng)注入嚴(yán)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(jì)末，各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生，有了多種修正功率因數(shù)的方法。

總而言之，電力電子及開(kāi)關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展，新技術(shù)的出現(xiàn)又會(huì)使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代，還會(huì)開(kāi)拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實(shí)現(xiàn)，將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟，實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。還有其它許多以開(kāi)關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1]林渭勛.淺談半導(dǎo)體高頻電力電子技術(shù)[J].電力電子技術(shù)選編，浙江大學(xué)，1992.

[2]熊文靜，鄭耀林，黃傳明. 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的原理及發(fā)展[J]. 儀器儀表用戶，2007，02：3-4.