淺析現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展方向

公衍海

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。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來(lái)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(dǎo)體復(fù)合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。

1、現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展階段

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（有色金屬和化工原料需要直流電解）、牽引（電氣機(jī)車(chē)、電傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車(chē)、地鐵機(jī)車(chē)、城市無(wú)軌電車(chē)等）和直流傳動(dòng)（軋鋼、造紙等）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(chǎng)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(chǎng)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（GTR）和門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GT0）成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主角。類(lèi)似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出，靜止式無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)?。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、首先是功率M0SFET的問(wèn)世，導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣門(mén)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(lái)機(jī)遇。MOSFET和IGBT的相繼問(wèn)世，是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。

2、現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 計(jì)算機(jī)高效率綠色電源

高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類(lèi)進(jìn)入了信息社會(huì)，同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代，計(jì)算機(jī)全面采用了開(kāi)關(guān)電源，率先完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。

2.2 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。因通信設(shè)備中所用集成電路的種類(lèi)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(xiàn)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(hù)，且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)控制板上，對(duì)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。

2.3 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，這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無(wú)軌電車(chē)、地鐵列車(chē)、電動(dòng)車(chē)的無(wú)級(jí)變速和控制，同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時(shí)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(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。

2.4 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(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)。

2.5 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。

2.6 高頻逆變式整流焊機(jī)電源

高頻逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機(jī)電源，代表了當(dāng)今焊機(jī)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(yīng)用前景。

2.7 大功率開(kāi)關(guān)型高壓直流電源

大功率開(kāi)關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機(jī)和CT機(jī)等大型設(shè)備。電壓高達(dá)50～l59kV，電流達(dá)到0.5A以上，功率可達(dá)100kW。

3、高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)

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(huà)，用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的 5～l0%。

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）。

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（提高抗干擾能力）、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。

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（或少）對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，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。開(kāi)關(guān)電源代替線(xiàn)性電源和相控電源是大勢(shì)所趨，因此，同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)正在啟動(dòng)，并將很快發(fā)展起來(lái)。還有其它許多以開(kāi)關(guān)電源技術(shù)為核心的專(zhuān)用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)。