（精密仪器及机械专业论文）新型离子源的电源研制.pdf

4 , o 学科：精密仪器及机械 研究生签字： 指导教师签字： 新型离子源的电源研制 摘要 在离子束辅助镀膜过程中，绝缘薄膜材料上的电荷积累效应严重影响了薄膜质量。通 过对宽束冷阴极离子源的改进，在引出极施加交变电压交替引出电子和离子，以消除薄膜 表面的电荷积累现象。 本文讨论了改进型冷阴极离子源配套电源的研制方法，离子源引出极电源设计结构由 以下几部分组成：2 个直流电源模块、4 只i g b t 组成的全桥逆变模块和主控制器。通过 电压幅值可调的直流模块向全桥逆变模块提供电压，调整全桥逆变模块触发脉冲的宽度， 即可生成电压幅值和占空比分别可调的交变方波电压。 电源硬件部分主要包括整流滤波电路、调压及逆变电路、驱动及控制电路、辅助保护 电路等。功率开关电路以i g b t 为主控开关功率转换器件，采用全桥变换拓扑电路形式， 将电压分时提供给负载。 软件部分主要研究了i g b t 驱动脉冲占空比的控制算法，电源控制电路采用高性能单 片机s t c l 2 c 5 4 1 0 为核心，给出了软件控制i g b t 驱动脉冲调整电压占空比的算法。并对 电源系统进行监控，实时快速响应系统过压、过流等故障信号，保证电源稳定可靠的工作。 实验证明，采用所研究电源的改进型冷阴极离子源可使离子和电子在薄膜表面达到很 好的中和效果。 关键词：离子源；离子束辅助镀膜；脉冲电源；逆变电源；s t c 单片机 o na p o w e rs u p p l y o fan e wk i n do f i o ns o u r c e d i s c i p l i n e ：p r e c i s i o ni n s t r u m e n ta n dm a c h i n e r y s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r ： & 葫他 m & ；帅 a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o c e s so fi o nb e a ma s s i s t e dd e p o s i t i o n ( i b a d ) ，t h ec h a r g eb u i l d u po nt h e i n s u l a t i o nf i l mm a t e r i a li n f l u e n c e st h ef i l mq u a l i t y t h r o u g ht h ei m p r o v e m e n to ft h eb r o a db e a m c o l d c a t h o d ei o ns o u r c e ，t h ef i l ms u r f a c ec h a r g ea c c u m u l a t i o np h e n o m e n o ni se l i m i n a t e db y a p p l y i n ga l t e r n a t i n gv o l t a g eo ne x t e n s i o np o l a r i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g nm e t h o do ft h ep o w e rs u p p l yo fc o l dc a t h o d ei o ns o u r c ei s d e s i g n e d ，t h ep o w e rs u p p l yo ft h ei o ns o u r c ee x t e n s i o np o l a ri s i n c l u d e d ：t w od i r e c tc u r r e n t p o w e rm o d u l e s ，t h ef u l l b r i d g ei n v e r s i o nm o d u l e a n dm a i nc o n t r o l l e rc o n s t i t u t e db yf o u ri g b t t h ea l t e r n a t i o ns q u a r ew a r ev o l t a g e ，w h i c hv o l t a g ea m p l i t u d e a n d d u t y f a c t o r c a l lb e a a j u s t e d ，c a l lb eg e n e r a t e dt h r o u g hd i r e c tc u r r e n tm o d u l e ss u p p l y i n gv o l t a g e t of u l l - b r i d g e i n v e r s i o nm o d u l ea n da d ju s t i n gi t st r i g g e rp u l s ew i d t h t h eh a r d w a r ep a r to fp o w e r - s u p p l ys y s t e mi n c l u d e sr e c t i f y i n ga n dw a v e f i l t e r i n gc i r c u i t ， v o l t a g er e g u l a t i o na n di n v e r s i o nc i r c u i t ，d r i v ea n d c o n t r o lc i r c u i t ，p r o t e c t i v ec i r c u i ta n ds oo n t h ep o w e rs w i t c h i n gc i r c u i t , t h a tm a s t e r - s w i t c hp o w e rc h a n g ed e v i c ei si g b tm o d u l e ，s u p p l i e s v o l t a g et ot h el o a du t i l i z i n gb yt h ef o r mo ft h ef u l l - b r i d g ea l t e r n a t i o nt o p o l o g yc i r c u i t i nt h es o f t w a r ep a r t ，t h ec o n t r o la r i t h m e t i co fi g b td r i v ep u l s ed u t y f a c t o ra n dp e r f o r m a n c eo f s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rs t c 12 c 5 410a r es t u d i e d t h es t c12 c 5 410i st h eg o r ep a r to f p o w e rs u p p l yc o n t r o lc i r c u i t ，i nw h i c ht h e a r i t h m e t i co fc a l i b r a t i o nv o l t a g ei sp r e s e n t e db y u s i n gs t c 12 c 5 410s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r m o r e o v e r ，t h es i g n a lo fp o w e rs u p p l yd e t e c t i o n a n do v e r - v o l t a g ea n do v e r - c u r r e n to fs y s t e mc a nb er e s p o n d e df l e e t l yt og u a r a n t e et h ep o w e r s u p p l yt ow o r kr e l i a b l ya n ds t a b l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h ep o w e rs u p p l yc a nw o r kw e l la n dt h en e u t r a l i z a t i o n e f f e c to fi o na n de l e c t r o no nt h ef i l ms u r f a c ec a nb ea c h i e v e db yt h ei m p r o v e dc o l d c a t h o d ei o n s o u r c e k e yw o r d ：i o ns o u r c e ；i o nb e a ma s s i s t e dd e p o s i t i o n ( i b a d ) ；p u l s ep o w e rs u p p l y ；i n v e r s i o n p o w e rs u p p l y ；s t cs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r 目录 l 绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外的研究现状3 1 3 课题研究的任务4 1 3 1 主要研究内容4 1 3 2 技术路线及措施妻4 1 3 3 理论依据5 1 3 4 研究预期结果6 1 4 _ 、结。6 2 电力变换技术分析7 2 1 概述7 2 1 1 电力电子技术的发展历史7 2 1 2 现代电力电子技术的主要特点9 2 1 3 电力电子器件1 0 2 2 可控硅电源12 2 2 1 可控硅调压原理13 2 2 2 可控硅工作原理13 2 2 3 变压器1 4 2 2 4 整流电路l5 2 2 5 电容滤波电路16 2 3 逆变电源18 2 3 1 电压型逆变电路1 9 2 3 2 电压型逆变电路结构1 9 2 4 小结2 0 3 系统主电路的设计2 l 3 1 主电路的结构2 1 3 2 可控硅调压电路2 2 3 2 1 可控硅驱动2 2 3 2 2 可控硅选择2 4 3 3 整流滤波电路2 5 3 3 1 整流桥的设计2 5 3 3 2 平波滤波器的设计2 6 3 4i g b t 驱动电路设计2 8 3 4 1i g b t 的基本结构一2 8 i 3 4 2i g b t 的工作原理和工作特性2 9 3 4 3i g b t 的驱动与保护3 0 3 4 4i g b t 模块的选择3 l 3 4 5e x b 8 4 1 驱动芯片3 1 3 4 6e x b 8 4 1 驱动芯片外围电路设计与调试3 3 3 5 逆变电路设计3 4 3 5 1 逆变电流分析3 5 3 5 2 逆变电压分析3 5 3 6 ，j 、结3 6 4 系统控制电路的设计3 7 4 1 控制器功能设计3 7 4 2 电压占空比控制3 8 4 2 1 占空比调整3 8 4 2 2 算法分析3 9 4 2 3 单片机控制器o 4 0 4 3 检测电路设计4 3 4 4 保护回路的设计4 3 4 4 1 过流保护回路的设计4 3 4 4 2 过压保护回路的设计4 4 4 5 辅助电源4 5 4 6 系统驱动电路4 6 4 7 控制器程序4 7 4 8 小结5 2 5 实验结果5 3 5 1 实验波形5 3 5 2 实验结果分析5 5 5 3 小结5 6 6 结论5 7 6 1 冷阴极离子源配套电源各项参数5 7 6 2 展望5 7 参考文献5 9 攻读硕士学位期间发表的论文6 1 致谢6 2 学位论文知识产权声明6 3 学位论文独创性声明6 4 1 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 等离子体辅助镀膜是国内外光学镀膜技术的一次重大突破，该项技术不仅具有节能、 不造成环境污染的特点，而且在大规模制造各种高品质的光学薄膜上更具有优势。在薄膜 沉积过程中通过离子轰击，可有效提高薄膜和基体之间的结合力，同时使膜层致密，从而 提高了薄膜的光学及机械性能。此外，在薄膜沉积过程中通入所需反应气体，反应气体原 子在等离子体中离化后，沉积在基体上形成一定化学成分的薄膜。目前，国外利用等离子 体源辅助沉积光学薄膜技术在大规模生产红外、紫外波段滤光片及光纤通信中用滤光片等 高科技领域内得到了成功的应用。 实践研究表明，等离子体辅助镀制的薄膜结构致密，机械强度高，光学损耗超过了传 统技术的最好水平。由于许多应用领域提出了新的要求，以及许多基础学科( 特别是等离 子体物理，表面物理等) 的研究成果引入离子源，致使在离子源研究工作中出现了新的高 潮。近来离子束沉积( i b d ) 技术发展得很快，由于其可以维持较低的成膜温度，并且可 沉积多种材料，所以用途越来越广。i b d 技术的主要特点是可获取纯度高、致密度高和附 着力强的高质量膜，适用于高性能、高功能和特殊要求性能的薄膜要求。而离子束辅助镀 膜( i b a d ) 广泛应用于光学、微电子、能源和材料、机械等领域中。冷阴极离子源因其 较低的阴极温度，可大大延长阴极的使用寿命，目前己广泛应用于工业生产领域。与其他 离子源比较，冷阴极离子源具有以下优点：1 、因为没有灯丝，在活性气体中( 特别是在 通氧气的情况下) 工作寿命长；2 、结构简单、易于清洗；3 、电源系统简单，因而在离子 束辅助沉积技术中选用冷阴极离子源是比较合适的【1 】【2 】。 宽束冷阴极离子源是西安工业大学在上世纪末研制出来的，它是利用冷阴极潘宁放电 产生等离子体，再用多孔大面积引出系统从等离子体中引出宽离子束。该离子源具有结构 简单、寿命长、污染小、调节参数少、操作方便等优点。它可以很方便地安装在现有的热 蒸发镀膜机内，在蒸发镀膜同时，用离子束轰击，使膜层致密。提高薄膜器件的机械性能、 稳定性及抗腐蚀能力，提高薄膜的抗激光损伤阈值。利用该技术，己镀制了性能良好的金 属反光膜、棱镜分色膜、增透膜、滤光膜、抗电、磁绝缘膜、大面积紫外激光高反膜等等。 采用离子束辅助镀膜能提高光学薄膜的性能，这己得到广大光学薄膜工作者的共识。 图1 为宽束冷阴极离子源原理示意图。气体在阳极电压v d 的作用下发生辉光放电， 等离子体中的离子将向上阴极和下阴极运动，电子将向阳极运动。同时在轴向磁场的作用 下，电子作螺旋运动，由于电子运动路径增大，电子与气体碰撞几率增加。气体电离效率 西安工业大学硕士学位论文 增大，使等离子体维持一定的浓度。在阴极电压v a 的作用下，离子由下阴极和引出极组 成的引出系统引出。 1 ：上阴极2 ：阳极3 ：下阴极4 ：引出极 图1 宽束冷阴极离子源原理图 由图1 知，由于下阴极的作用，引出的离子体中离子数大于电子数，使等离子体宏观 上呈现正电性。这样就产生了两方面的影响。第一，离子束到达基板后，由于基板采用了 绝缘材料，正电荷在基板上沉积【3 】。长时间的静电沉积会引起闪烁和火花，导致基板边缘 被烧坏或者基板的光学性能产生变化。第二，长时间的静电沉积使基板上产生很强的电场， 这个电场排斥正电离子，影响薄膜的沉积效果。随着科技的进步，现在很多时候要求在树 脂基底上镀制薄膜，要求的膜系层数也越来越多，这就要求有更长的镀膜时间，大大增加 了放电现象发生的可能性，这种放电可以让零件直接报废，对生产造成极大的破坏。国内 外针对这种情况都做了很多的研究。在亚洲一些国家，人们采用电子枪中和的办法，在镀 膜过程中用电子枪发射电子来中和多余的正电荷。欧美国家现在大多采用射频离子源，但 是它的电源制作成本高。还有采用加中和灯丝的方法，利用灯丝加热发射电子的方法来中 和。这种方法一方面需要大的电流，另一方面阴极溅射会对膜层产生污染，不利于低温要 求的镀膜过程【4 1 。针对这种情况，我们致力于对离子源进行改进，减少基板上的放电现象， 使冷阴极离子源更适用于镀膜过程。 本文的研究是在冷阴极离子源改进后，为其制作匹配的供电电源。通过对宽束冷阴极 离子源的改进，在引出极施加交变电压分时引出电子和离子，使之在绝缘材料表面电荷中 和，以消除薄膜表面的电荷积累现象。要求供电电源在每个交流周期内生成正负电压幅值 分别可调整和占空比可调整的交变方波电压。在改进后冷阴极离子源系统中供电电源的作 用尤为显著，而且必须是专用电源，制作要求较高。现代电源技术的发展给冷阴极离子源 系统的供电带来很大的变化，高效、稳定的电源是保证冷阴极离子源设备正常工作的关键 因素之一。新时代对电源的基本要求是：高可靠性、高效率、智能化。电源技术经历了近 二十年的革命性发展，正逐步替代落后的工频硅整流而进入了高频变换的开关电源时代。 高频开关电源使得电源的体积大大缩小，电源中的电力电子器件工作在开关状态，使整机 效率很高。由于器件的开关频率一般大于2 0 k h z ，所以基本上听不到噪音，正因为高频 2 l 绪论 开关电源具有体积小、重量轻、效率高、噪音低、自动化程度高等优点，从而必然取代传 统的电源，实现电源领域中的一项革命【5 1 。本文结合开关电源所具有的优点以及线性电源 简单实用的特点，来进行冷阴极离子源配套电源的研制。 1 2 国内外的研究现状 国内，众多电源企业采用了先进的逆变电源技术，使用最新开关器件，使电源产品具 有优异的输出特性和良好的适应性，参数调节范围宽且可稳定电流输出，保护措施完善合 理，且具备体积小、重量轻、效率高的优点，可作为镀制介质膜、绝缘保护膜等产品的专 用电源。此类产品的主要特点是输出直流，具有稳流功能，稳流精度l ，输出电压和输 出功率范围宽等优点。另外已有企业生产的直流电源系统具有高频开关电源的技术优势， 开关频率高达4 0 k h z ，体积小，重量轻，脉宽调制技术，高效、高可靠性。模块化设计， n + i 备份，自动稳压、稳流、稳功率、过载保护。模块化是逆变电源发展的总体趋势， 可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成n + 1 冗余电源系统，并实现 并联方式的容量扩展。针对逆变电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声 也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低 噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大 量的工作，以使得该项技术得以实用化。 国外，近年来，随着电力电子技术的进步和开关器件的发展，逆变电源技术不断发展。 逆变电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于逆变电 源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大电源制造商都致力于同步开发新型 高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体( m nz n ) 材 料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度( b s ) 下获得高的磁性能，而电 容器的小型化也是一项关键技术。s m t 技术的应用使得开关电源取得了长足的进展， 在电路板两面布置元器件，以确保逆变开关电源的轻、小、薄。逆变电源的高频化也 就必然对传统的p w m 开关技术进行创新，实现z v s 、z c s 的软开关技术已成为逆变 电源的主流技术，并大幅提高了逆变电源的工作效率。对于高可靠性指标，美国的电 源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性 大大提高。突出表现是频率在不断提高：例如p h i l i p s 公司3 0 k w 以下移动式x 光机的x 线发生装置频率达3 0 k h z 以上。1 9 9 8 年以后通用电气公司和瓦里安公司都研制成功 i o o k h zx 线机发生器。另外，逆变电源的功率也在不断地提高，1 0 - - 3 0 k w 的大功率电 源在产品上已很成熟，更高功率的电源也有很快的发展，例如：由于雷达发射机的1 4 0 k w 高压开关电源( 俄罗斯) 1 6 j ，用于脉冲功率技术中的3 0 0 k w 大功率恒流充电电源( 美国 e e v 公司) 等等。从技术的角度看，目前国外厂家的产品一般有以下一些特点 7 1 【8 】：采用 相移控制的模式软开关技术，既全桥零电压开关；采用功率因数校正技术；具有模块自动 均流功能；具有完善的遥控、遥测、遥信三遥功能；具有界面友好的监控软件；良好的电 西安工业大学硕士学位论文 磁兼容性和防雷措施：完善的保护和告警功能。 1 3 课题研究的任务 1 3 1 主要研究内容 课题研究内容是根据改进后的冷阴极离子源的工作原理，研制其所需配套电源。该电 源由功率变换主回路和控制回路两大部分构成，功率变换回路采用高频变换，使整个电源 具有体积小、重量轻、效率高、噪音低的特点，控制回路使用以单片机为核心的完成对电 源参数的控制及响应故障信号，使交流电源在前半周期与后半周期的输出电压分别可调且 电压占空比也可调，具有短路、过压、过流保护功能。系统静态误差小，动态响应迅速。 其主要技术指标：输入电压单相2 2 0 v 士1 0 5 0 h z 士1 0 ，输出交变电压，频率2 0 k h z ，电 流小于0 2 , 4 ，电压一1 2 0 0 , - , + 1 2 0 0 v 。要达到上述要求需要做好以下几方面的工作。 1 ) 主电路和开关管驱动电路的设计 主电路的拓扑结构很多，但各种结构在功率范围、应用领域和特性上有很大的不同， 应合理确定主电路的结构。开关管驱动电路的形式也很多，但各种驱动电路在开关速度、 驱动能力、复杂程度等方面差别很大。故选择合适的驱动电路形式、合理确定各元器件的 参数将是减少开关管开关应力和功率损耗、提高电源可靠性的关键【9 】1 o 】1 1 1 。 2 ) 主电路过压、过流保护电路的设计 电路工作中，有可能因为外部干扰或者电力电子元件失效而导致器件过压、过流，而 使得电源可靠性降低甚至烧毁。因此，必须合理的设计过压、过流保护电路才能提高系统 安全性和可靠性。 3 ) 电源系统的热设计【1 2 】 在主电路拓扑形式一定时，电源效率总有一个极限值，不可能无限提高。这样，在输 出功率较大时，表现为发热的功率损耗相对来说就较为可观。如何处理这些热量，以使功 率元件、变压器等工作在安全的温度范围内，是影响电源可靠性的关键因素。 4 ) 控制电路的设计【1 3 】【1 4 】 设计简单、合理的控制电路以及精确的控制算法，是确保整个电源控制精度和可靠性 的又一个关键i ”】。 1 3 2 技术路线及措施 跟据改进的冷阴极离子源对供电电源的要求以及现代电源技术的发展，确定了用高频 开关电源的系统结构。整个系统由主电路和控制电路两部分组成。主回路包括低压可控硅 调压电路、工频升压变压器、高压全桥整流滤波电路、高频逆变开关电路四部分，逆变电 路核心部件采用绝缘栅双极型晶体管i g b t 作为开关管。控制电路包括主控单元和p w m 单元两部分，以s t c l 2 c 5 4 1 0 单片机为核心构成，主要有信号检测电路、控制和保护单 元、监控单元、辅助电源。各个部分设计思想为以下几点： 4 1 绪论 1 ) 可控硅调压电路设计 在2 2 0 v 交流与工频升压变压器之间采用双向可控硅电路，调节可控硅的导通角度即 可使得电压平均值可线性调整。 2 ) 输入整流电路的设计 采用单相输入方式，在整流器输出端接有r c 滤波网络，将脉动电流变成平滑直流。 为了抑制模块投入时电解电容充电所产生的合闸浪涌电流，在输入整流回路内串入合闸浪 涌电流抑制电路【1 6 】。 3 ) 逆变电路的设计 逆变电路主要包括逆变电路的拓扑形式的选择、功率开关管的选择。逆变电路的 拓扑：本设计采用全桥逆变电路，因此电路结构较为简单。采用单片机控制技术，在左右 两桥臂的驱动信号脉冲之间留有一定的死区时间，通过单片机定时功能可以使占空比改 变，从而完成对输出电压占空比的控制。功率开关管的选择：功率开关管承受的最大电压 为单项交流经工频变压器升压、全桥整流滤波后的峰值电压，一般取最大负载电压的1 5 倍，最大电流i m 舣取2 倍负载电流。 4 ) 脉宽调制p w m 模块电路的设计 逆变器的控制电路是逆变器的核心，它的功能是实现对逆变器主回路的控制和调节， 保持输出电压和电流的稳定，同时应用一定的保护功能。本设计选择s t c l 2 c 5 4 1 0 单片机 定时计数器生产p w m 脉冲，改变定时器时间片，即可调节输出电压的占空比。 5 ) i g b t 驱动电路 为了使控制电路尽量避免受到高压的功率部分影响，要求控制电路与驱动电路隔离， 隔离的方法可采用光电耦合器或脉冲变压器隔离。本设计中采用e x b 8 4 1 系列驱动电路模 块。 6 ) 保护电路 当开关电源的负载超过设定值或短路时，对电源必须提供过电流保护。当输出电压高 于允许额定电压时，应对负载设过压保护电路。当检测到过流时，其过流信号直接接入开 关电源控制器s t c l 2 c 5 4 1 0 单片机的电流检测信号输入端，使其封锁输出开关管的驱动 信号，同时发出报警信号。 1 3 3 理论依据 本研究的理论依据为电力电子技术。电力电子技术一般应用于功率强大，诸如电力系 统那样大电流、高电压场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处不仅 仅因为它能够通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运行效 率的问题。为了解决发热和效率问题，对于大功率的电子电路，器件的运行都采用开关方 式。 5 两安工业大学硕士学位论文 1 3 4 研究预期结果 电源输出电压满足幅值在一1 2 0 0 v , - - , + 1 2 0 0 v 可调、频率2 0 k h z ，电压占空比调节范围 1 0 0 o , - - 8 0 。通过电源给改进后的冷阴极离子源供电，在镀膜过程中能有效的抑制绝缘材 料表面的电荷积累现象，提高离子束辅助镀膜效果。 1 4 小结 本节概述了冷阴极离子源的工作原理以及为其制作的配套电源的预期参数，初步制定 了电源制作的步骤，总体电源设计包括强电硬件电路设计、弱电硬件电路和电源控制器软 件设计。 6 2 电力变换技术原理 2 1 概述 2 电力变换技术分析 电力电子技术主要用于电力变换。电力电子技术的发展是以电力电子器件为核心，伴 随变换技术和控制技术的发展而发展的。电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电 力系统那样大电流、高电压场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处 不仅仅因为它能够通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运 行效率的问题。为了解决发热和效率问题，对于大功率的电子电路，器件的运行都采用开 关方式。这种开关运行方式就是电力电子器件运行的特点。控制理论广泛用于电力电子技 术中，它使电力电子装置和系统的性能日益优越和完善，可以满足人们的各种需求。电力 电子技术可以看作弱电控制强电的技术。 2 1 1 电力电子技术的发展历史 电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术 的发展是以电力电子器件的发展为基础的。电力电子技术的发展史，如图2 1 所示。 晶体竹隧像li 赫棚僻问肚 1 9 0 4 年i q 3 0i 71 9 5 71 9 7 0l q 釉1 9 蝴2 0 0 0 电产盼 问俄 面由圈t 图2 1 电力电子器件发展史 1 9 5 7 年第一个晶闸管的诞生为标志的。但在晶闸管出现之前，电力电子技术就已经 用于电力变换了。因此，晶闸管出现前的时期称为电力电子技术的史前期。 1 8 7 6 年出现了硒整流器。1 9 0 4 年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制， 并应用于通信和无线电，从而开创了电子技术之先河。1 9 1 1 年出现了金属封装水银整流 器，它把水银封于管内，利用对其蒸气的点弧可对大电流进行有效控制，其性能与晶闸管 类似。2 0 世纪3 0 5 0 年代，是水银整流器发展迅速并广泛应用时期。它广泛用于电化学 工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动。 7 西安工业大学硕士学位论文 2 0 世纪5 0 年代初，1 9 5 3 年出现了锗功率二极管；1 9 5 4 年出现了硅二极管，普通的半 导体整流器开始使用；1 9 5 7 年诞生了晶闸管，一方面由于其变换能力的突破，另一方面实 现了弱电对以晶闸管为核心的强电变换电路的控制，使之很快取代了水银整流器和旋转变 流机组，进而使电力电子技术步入了功率领域。变流装置由旋转方式变为静止方式，具有 提高效率、缩小体积、减轻重量、延长寿命、消除噪声、便于维修等优点。因此，其优越 的电气性能和控制性能，在工业上引起一场技术革命。 在以后的2 0 年内，随着晶闸管特性不断提高，晶闸管已经形成了从低电压、小电流到 高电压、大电流的系列产品。同时研制出一系列晶闸管的派生器件，如快速晶闸管( f s t ) 、 逆导晶闸管( r c t ) 、双向晶闸管( t 砒a c ) 、光控晶闸管( l t t ) 等器件，大大地推动 各种电力变换器在冶金、电化学、电力工业、交通及矿山等行业中的应用，促进了工业技 术的进步，形成了以晶闸管为核心的第一代电力电子器件，也称为传统电力电子技术阶段。 晶闸管通过对门极的控制可以使其导通，而不能使其关断，因此属于半控型器件。对 晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。即使在电流、电压这两个方面，晶闸管系列 器件仍然有一定的发展余地，但因下述原因阻碍了它们的继续发展，由于它是半控器件， 要想关断它必须用强迫换相电路，结果使得电路复杂、体积增大、重量增加、效率较低以 及可靠性下降；由于器件的开关频率难以提高，一般低于4 0 0 h z ，大大限制了它的应用范 围；由于相位运行方式使电网及负载上产生严重的谐波，不但电路功率因数降低，而且对 电网产生“公害”。随着工业生产的发展，迫切要求新的器件和变流技术出现，以便改进或 取代传统的电力电子技术。 2 0 世纪7 0 年代后期，以门极可关断晶闸管( g t o ) 、电力双极型晶体管( g t r ) 、电 力场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 为代表的第二代自关断全控型器件迅速发展。全控型 器件的特点是，通过对门极( 基极、栅极) 的控制既可以使其开通，又可以使其关断。另 外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可以用于开关频率较高的电路。全控器件优越 的特性使其逐渐取代了变流装置中的晶闸管，把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。 和晶闸管电路的相位控制方式想对应，采用全控型器件的电路主要控制方式为脉冲宽 度调制( p w m ) 方式。p w m 控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的地位。它使 电路的控制性能大大改善，使以前难以实现的功能得以实现，对电力电子技术的发展产生 了深远的影响。 2 0 世纪8 0 年代，出现了以绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 为代表的第三队复合型场控 半导体器件，另外还有静电感应式晶体管( s i t ) 、静电感应式晶闸管( s i t h ) 、m o s 晶闸 管( m c t ) 等。这些器件不仅有很高的开关频率，一般为几十到几百千赫兹，而且有更高 的耐压性，电流容量大，可以构成大功率、高频的电力电子电路。 2 0 世纪8 0 年代后期，电力半导体器件的发展趋势是模块化、集成化，按照电力电子 电路的各种拓扑结构，将多个相同的电力半导体器件或不同的电力半导体器件封装在一个 模块中，这样可以缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。现在已经出现了第四代电力电 8 2 电力变换技术原理 子器件一集成功率半导体器件( p i c ) ，它将电力电子器件与驱动电路、控制电路及保护 电路集成在一块芯片上，开辟了电力电子器件智能化的方向，应用前景广阔。目前经常使 用的智能化功率模块( i p m ) ，除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流和 过热等故障检测电路，并可将监测信号传送至c p u ，以保证i p m 自身不受损害。 2 1 2 现代电力电子技术的主要特点 新型电力电子器件呈现出许多优势，它使得电力电子技术发生了突变，进入了现代电 力电子技术阶段。 1 ) 全控化 全控化是由半控型普通晶闸管发展到各类自关断器件，是电力电子器件在功能上的重 大突破。自关断器件实现了全控化，取消了传统电力电子器件的复杂换相电路，使电路大 大简化。 2 ) 集成化 集成化与传统电力电子器件的分立方式完全不同，所有的全控型器件都是由许多单元 器件并联在一起，集成在一个基片上。 3 ) 高频化 高频化是指随着器件集成化的实现，同时也提高了器件的工作速度，例如g t r 可工 作在1 0 k h z 频率以下，i g b t 工作在几十千赫兹以上，功率m o s f e t 可达数百千赫兹以 上。 4 ) 高效率化 高效率化体现在器件和变换技术这两个方面，由于电力电子器件的导通压降不断减少 降低了导通损耗，器件开关的上升和下降过程加快也降低了开关损耗，器件处于合理的运 行状态提高了运行效率，变换器中采用的软开关技术使得运行效率得到进一步提高。 5 ) 变换器小型化 变换器小型化是指随着器件的高频化，控制电路的高度集成化和微型化，使得滤波电 路和控制器的体积大大减小。电力电子器件的多单元集成化，减少了主电路的体积。控制 器和功率半导体器件等，采用微型化的表面贴技术使得变换器的体积得到了进一步减少， 功率为1 0 k v a ，体积只有信用卡那样大。 6 ) 电源变换绿色化 电力电子技术中广泛采用p w m 脉宽调制技术、s p w m 正弦波脉宽调制和消除特定 次谐波技术，采用多重化技术，使得变换器的谐波大为降低，同时也使变换器的功率因数 得到提高，进而使得变换电源绿色化。 7 ) 改善和提高供电网的供电质量 近年来出现的静止无功发生器( s v g ) 、有源电力滤波器等新型电力电子装置，具有 优越的无功功率和谐波补偿的性能，因此大大提高了电网的供电质量。 8 ) 电力电子器件的容量和性能的优化 9 西安工业大学硕士学位论文 近年来，新型半导体材料的研究正在取得不断地突破，碳化硅( s i c ) 、金刚石等新 材料用于电力电子器件，特别是金刚石器件与硅器件相比，功率可提高1 0 6 个数量级，频 率可提高5 0 倍，导通压降降低一个数量级，最高结温可达6 0 0 。 2 1 3 电力电子器件 1 ) 电力电子器件类型 电力电子器件用于大功率变换和控制时，与信息处理用器件不同：一是必须具有承受 高电压、大电流的能力；二是以开关方式运行。因此电力电子器件也被称为电力电子开关 器件，电力电子器件种类繁多，分类方法也不同。按照开通、关断的控制可分为3 类： a 、不控型 不控型器件的一端是阳极，另一端是阴极。其开关的工作状态取决于施于器件阳极、 阴极间的电压，正向导通、反向关断，流过的电流是单向的。因为其开通和关断不能按需 要控制，所以这类器件被称为不控型器件，常用的有大功率二极管、快恢复二极管等。 b 、半控型 半控型器件是三端器件，除了阳极和阴极外，另增加了一个控制门极。它的开通不仅 需要在阳、阴极间加正向电压，而且还必须在门极和阴极间加正向控制功率信号。然而这 类器件一旦开通，就不能通过门极控制关断，只能通过在阳、阴极间加反向电压，或减少 阳极电流到某一个值使其关断，所以称为半控型器件。这类器件主要有晶闸管( s c r ) 及 其派生器件。 c 、全控型 全控型器件也是具有控制端的三端器件，但控制极不但可控制开通，而且也能控制其 关断，故称为全控型器件。由于不需要外部提供关断条件，仅靠自身控制就可关断，所以 也被称为自关断器件。这类器件种类很多，在现代电力电子技术应用中起发展主导作用。 这类器件主要有电力晶体管( g t r ) 、门极可关断晶闸管( g t o ) 、功率场效应晶体管( p o w e r m o s f e t ) 和绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 等。 按照电力电子器件的驱动性质，可以将器件分为电压型和电流型两种。电流型器件需 要较大的驱动电流才能使器件导通，而电压型器件只需足够的电压和很小的驱动电流就可 以导通。 在应用器件时，选择电力电子器件一般需要考虑的是：器件的容量( 额定电压和额定 电流值) 、过载能力、关断控制方式、导通压降、开关速度、驱动性质和驱动功率等。 2 ) 电力电子变换器的主电路 以电力电子器件为核心，采用不同的电路拓扑结构和控制方式来实现对电能的变换和 控制，这就是变流电路。变换器拓扑结构实质是将有源和无源电力电子器件，按照一定的 规律连接的电路。在不同的拓扑中，不控、半控及全控器件可同时存在或独立存在。为了 防止电力电子器件因过流、过压而造成损坏，应该采用器件并联或串联，器件上并联续流 二极管及缓冲吸收电路等措施。变流拓扑还应该包括电流、电压及温度传感器。 1 0 2 电力变换技术原理 现代电力电子技术的主要研究方向之一是变换器主电路的拓扑优化。拓扑优化可以理 解为：在变换器设计中，合理选择确定网络中各元件的位置，以便实现功能和性能指标要 求且最经济。拓扑优化的目标为高频化、高效率、高功率因数和低变换损耗。高频化加软 开关技术和p w m 控制方式，既可以减少变换器体积、重量和开关损耗，又能提高波形质 量、功率因数和变换效率。 变换过程也是主电路研究的问题之一。电力电子变换器在工作时，各开关器件轮流交 替导通向负载提供电能，因此流向负载的电能一定要从一个或一组元件向另一个或另一组 元件转移，这个过程叫做换相或换流。 3 ) 换流方式有以下4 种 a 、器件换流 利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。在采用g t r ，i g b t 等全控型 器件的电路中，其换流方式即为器件换流。这种换流方式可以应用于各种电力电子电路中。 b 、电网换流 由电网提供换流电压称为电网换流。这种换流方式只适合交流供电的场合，可应用于 不控或半控开关器件组成的交流电路中，不适于没有交流电网的无源逆变电路。 c 、负载换流 由负载提供换流电压或电流称为负载换流。凡是负载电流的相位超前于负载电压的场 合，都可以实现负载换流。当同步电动机工作于容性状态时，也可以实现负载换流。 d 、强迫换流 由外部电路向导通器件强行提供反向封锁电压，这种换流方式需要附加换流电路，通 常利用附加电容上所存储的能量来实现，因此也称为电容换流。由电容直接提供换流电压 的方式，称为直接耦合强迫换流。通过电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流的方 式，则称为电感式强迫换流。 4 ) 电力电子变换的基本类型 负载性质不同，供电要求也不同，应用电力电子技术组成变流装置也应不同。按其功 能可分为a c d c 变换、d c a c 变换、a c a c 变换和d c d c 变换。在