现代电力电子技术的发展及未来趋势

现代电力电子技术的发展及未来趋势

摘要:电力电子技术是指利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术,对节省电能有重要意义,从根本上讲,电力电子技术也是研究电源的技术。目前,电力电子作为智能化、自动化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,随着第三代半导件器件的成熟和应用,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用且节能高效,实现高效率和高品质用电相结合。

关键词:电力电子技术;发展;未来趋势

1. 电力电子技术的发展

电力电子技术起始于五十年代末六十年代初,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,八十年代末和九十年代初,是以IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的全控型功率半导体复合器件时代,其发展以低频技术向以高频技术方向转变。

1.1整流器时代

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,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一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。但目前也只有国产晶闸管可在世界上与其他国家生产的同类产品相媲美,甚至略胜一筹。

1.2逆变器时代

七十年代出现了全控型器件,它们在交流电机变频调速因节能效果显著而得到迅速发展和广泛应用。随着变频调速装置的迅速发展,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管和门极可关断晶闸管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电,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

进入八十年代后期,以绝缘栅双极晶体管为代表的复合型器件异军突起。随之而来大规模和超大规模集成电路技术也得到迅猛发展。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,导致了中小功率电源向高频化发展,也为大中型功率电源向高频发展带来机遇。

新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电力电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节能,

实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

1.4基于新型材料的电力电子器件的发展

进入二十一世纪,碳化硅可制作出性能更加优异的耐高温(300℃～500℃)、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。此新器件将在今后5～10年内出现,并将对半导体材料产生革命性的影响。碳化硅也将真正引领电力电子技术领域的又一次革命。

2. 高频开关电源的发展趋势

电力电子技术实质上是研究电源的一门技术,在电力电子技术的应用及各种电源系统中,开关电源技术均处于核心地位。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

2.1 集成化和模块化

几乎所有全控型器件都是由许多微小的器件单元胞并联而成的,即一个器件由许多子器件所集成。模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的集成模块化,其二是指电源单元的集成模块化。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。

2.2 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,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5-l0%。由于这个原因,在电力电子界人们为了使全控型器件的开关频率突破20kHz的极限,曾经掀起所谓的20kHz的革命。这标志着电力电子技术已进入高频化时代。

2.3 全控化

电力电子器件实现全控化,是现代电力电子器件在功能上的重大突破,从而避免了传统电力电子器件关断时所需要的强迫关断换流电路,既简化了电路结构又提高了系统的可靠性。

2.4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;其次这些电源不能对电网产生污染,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源。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。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。

2.5电路形式的弱电化和控制技术的数字化

全控型器件的高频化促进了电力电子电路拓扑形式的弱电化。PWM电路、谐振变换和高频斩波等电路这些本来用于弱电领域的电路而今又成为电力电子电路的主要拓扑形式。伴随着微电子技术的迅猛发展,电力电子电路的控制技术也在逐步实现全方位的数字化和集成化。

在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但数字式信号、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、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.结语

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,新材料、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、集成化和模块化、弱电化和数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。

参考文献:

[1] 张加胜,张磊.电力电子技术[M]北京:中国石油大学出版社,2007.(03 ).

[2] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M]北京:机械工业出版社, 2005.(09 ).

[3]科学研究动态监测快报2007.7第14 期(总第36 期) 先进制造与新材料科技专辑专题.

[4]姜山,黄可,冯瑞华.宽禁带半导体器件的发展与应用[M]北京:机械工业出版社, 2001.(09 ).

[5] 张承慧崔纳新交流电机变频调速及其应用[M]北京:机械工业出版社, 2008.