电力电子技术的发展史

1、电力电子技术的发展史电子技术是一门基于电子原理，使用电子器件修订制造某一特定功能的电路，解决实际问题的科学，包括信息电子技术和电力电子技术两个领域。 信息电子技术有模拟(Analog )电子技术和数字(Digital )电子技术。 电子技术是处理电子信号的技术，处理方式主要是信号的发生、放大、滤波、变换。目录电力电子技术现代电力电子技术高频开关电源的发展趋势半导体器件的基础电路的发展1 .电力电子技术的发展现代电力电子技术的发展方向从以低频技术处理问题为主的传统电力电子向以高频技术处理问题为主的现代电力电子转变。 电力电子技术始于五十年代末六十年代初的硅整流装置，其发展经历了整流器时代、逆变器

2、时代和逆变器时代，促进了电力电子技术在许多新领域的应用。 八十年代末期和九十年代初期发展起来的以功率MOSFET和IGBT为代表的集成了高频、高压和大电流的功率半导体复合器件，标志着传统的功率电子技术进入了现代的功率电子时代。整流器时代大功率的工业用电由商用频率(50Hz )交流发电机供给，但约20%的电能以直流形式消耗，其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电力机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(直流传动) 由于高功率硅整流器能够高效地将商用交流电转换为直流电，所以在60年代和70年代，高功率硅整流管和晶闸管的开发和应用有了很大的发展。 当时国

3、内曾经在-股各地掀起了大规模经营硅整流器工厂的热潮，现在制造全国大小硅整流器的半导体制造商就是当时的产物。变频器时代20世纪70年代发生了全球能源危机，交流电机的变频调速节能效果显着、发展迅速。 变频调速的关键技术是将直流电逆变为0100Hz的交流电。 从20世纪70年代到80年代，随着逆变器装置的普及，大功率逆变器用的晶闸管、巨大功率晶体管(GTR )、栅极可断开晶闸管(GT0)成为当时的电力电子器件的主角。 同样的应用也包括高压直流输出、静止无功功率动态补偿等。 此时的电力电子技术虽然能够实现整流和逆变换，但是动作频率低，被限定在中低频范围内。逆变器时代进入八十年代，大规模和超大规模集成电

4、路技术的飞速发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。 集成电路技术的微加工技术与高压大电流技术有机结合，出现了一种新的全控型功率器件，首先是功率M0SFET的出现，中小功率电源向高频化发展，然后出现绝缘栅双极晶体管(IGBT )，中型功率电源向高频发展MOSFET和IGBT相继出现，是传统电力电子向现代电力电子转换的标志。 根据统一修订，截止到1995年末，功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已经达到了将秋色平分的水平，用GTR代替IGBT在电力电子领域是有定论的。 新型器件的发展为交流电机的变频调速提供了高频，不仅进一步完善其性能提高了可靠性，而且使现代电子技术不断高频化发展，为

5、实现功耗设备的高效节能、小型轻量化、机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。2 .现代电力电子的应用领域计算机高效绿色电源高速发展的计算机技术将人类引导到了信息社会，同时促进了电源技术的迅速发展。 八十年代，计算机全面采用开关电源，率先完成了计算机电源的世代交替。 其次开关电源技术相继进入电子电器领域。计算机技术的发展，提出绿色计算机和绿色电源。 绿色电脑是指环保型电脑及相关产品，是指与绿色电脑相关的高效省电电源，根据美国环保厅的l992年6月17日“energystar”计划，台式电脑及相关外围设备在睡眠中的耗电量不足30瓦现在的效率为75%的200开关电源，电源本身消耗50w的能量。通信用

6、高频开关电源通信业的迅速发展极大地推动了通信电源的发展。 高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。 在通信领域中，一般将整流器称为一次电源，将直流-直流(DC/DC )变换器称为二次电源。 一次电源的作用是将单相或三相交流电网转换为标称值为48V的直流电源。 当前，在用于可编程开关的初级电源中，已有的相控制电源由高频开关电源代替，高频开关电源(也称为开关型整流器SMR )以MOSFET或IGBT的高频操作，且开关频率通常为50-100 近年来，开关整流器的功率容量扩大，单机容量从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。由于通信设备中使用的集

7、成电路的种类很多，其电源电压也各不相同，所以在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源块，从中间母线电压(一般为48V直流)转换为所需的各种直流电压，能够大幅降低损失、维护，设置、增加非常方便一般可以直接安装在标准控制板上，对二次电源的要求是高功率密度。 随着通信容量的增加，通信电源容量也增加。直流-直流(DC/DC )变换器DC/DC变换器将一定的直流电压变换为可变的直流电压，该技术广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动汽车的无级变速和控制，同时使这些控制获得加速稳定、快速响应的性能，同时受到节电效果。 使用直流斩波器代替变阻器可以节省电力(2030)%。 直流斩波器不仅起到调压的作

8、用(开关电源)，还起到有效抑制输电网侧的高次谐波电流噪声的作用。通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化，模块采用高频PWM技术，开关频率为500kHz左右，功率密度为5W20W/in3。 随着大规模集成电路的发展，要求电源模块的小型化，必须采用开关频率的提高和新的电路拓扑，现在，一些公司开发生产采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块，电力密度大幅度提高。不间断电源(UPS )不间断电源(UPS )是计算机、通信系统和无法中断时所需的可靠、高性能的电源。 交流商用输入经由整流器变为直流，一部分能量充电到蓄电池组，另一部分能量经由逆变器变为交流，经由切换开关传送到负载。 为了即使变频器发

9、生故障也能向负载供给能量，另一个备用电源由电源切换开关实现。现代UPS采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件，降低了电源噪声，提高了效率和可靠性。 微处理器硬件和软件技术的引入，实现了UPS的智能管理、远程维护和远程诊断。目前，在线UPS的最大容量可达600kVA。 超小型UPS的发展也很快，有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。逆变器电源逆变电源主要用于交流电机的逆变调速，在电传动系统中的地位越来越重要，取得了很大的节能效果。 逆变电源主电路均采用交流-直流-交流方式。 商用电源通过整流器变为一定的直流电压，然后通过大功率晶体管或由IGBT构成的

10、PWM高频变换器将直流电压逆变换为电压、频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正弦波，驱动交流异步电动机实现无级调速。国际上出现了400kVA以下的逆变电源系列。 八十年代初期，东芝最早将交流变频技术应用于空调。 到1997年，其占有率达到了日本家用空调的70%以上。 变频空调具有舒适、节能等优点。 国内从90年代初期开始从事变频空调的研究，96年引进生产线生产变频空调，逐渐形成变频空调的开发生产热点。 估计2000年前会掀起高潮。 变频空调除了变频电源外，还要求适合变频调速的压缩机电动机。 优化控制策略，筛选功能部件，是空调逆变电源研制的进一步发展方向。高频逆变式整流焊机电源高频逆变式整流焊

11、机电源是一种高性能、高效率、省材的新型焊机电源，代表了目前焊机电源的发展方向。 由于IGBT大容量模块的商业化，该电源有着更广泛的应用前景。逆变焊机的电源多采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC )变换的方法。 50Hz交流通过全桥整流变换为直流，由IGBT构成的PWM高频变换部将直流反过来变换为20kHz的高频矩形波，通过高频变压器结合，整流平滑变换为稳定的直流，作为供电电弧使用。由于焊机电源工作条件差，短路、燃弧、开放交替变化，高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最重要的问题，也是用户最关心的问题。 采用微处理器作为脉宽调制(PWM )的相关控制器，通过多残奥仪表、多信息

12、的提取和分析，达到了预测系统各种工作状态的目的，并进行了系统的调整和处理，解决了目前大功率IGBT逆变电源的可靠性。国外逆变焊机可实现额定焊接电流300A、负载持续率60%、全负载电压6075V、电流调节范围5300A、重量29kg。大功率开关型高压直流电源大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用x线机和CT机等大型设备。 电压高达50l59kV，电流在0.5A以上，电力达到100kW。从70年代开始，日本的一部分公司开始采用逆变器技术，将市电整流后的逆变器变换为3kHz左右的中频，并升压。 进入80年代，高频开关电源技术迅速发展。 德国西门子公司使用功率晶体管确定主开关元件

13、，将电源的开关频率提高到20kHz以上。 干式变压器技术成功应用于高频高压电源，取消了高压变压器箱，进一步缩小了变压器系统的体积。国内研制了静电除尘高压直流电源，商用电源经整流变为直流，采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压，然后用高频变压器升压，最后整流为直流高压。 在电阻负载条件下，输出直流电压为55kV，电流为15mA，工作频率为25.6kHz。电力有源滤波器现有的交流-直流(AC-DC )变换器在接通时，向电网注入大量的高次谐波电流，引起高次谐波损失和干扰，同时出现装置网侧功率因数恶化的现象，即所谓的“电力公害”，例如不能控制整流和电容滤波的情况下，网侧三次谐波的含

14、量为(70 )电力有源滤波器是能够动态抑制高次谐波的新型电力电子装置，能够克服以往的LC滤波器的不足，是有前途的高次谐波抑制手段。 滤波器由桥式开关功率变换器和具体的控制电路构成。 与以往的开关电源的不同之处在于，(l )不仅反馈输出电压，还反馈输入平均电流(2)电流环基准信号是电压环误差信号与全波整流电压采样信号的积。分布式开关供电系统分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作为基本部件，利用最新的理论和技术成果，构成积木式、智能化的大功率供电电源，通过强弱电结合，降低大功率部件、大功率装置(集中型)的研发压力，提高生产效率。八十年代初期，分布式高频开关电源系统的研究基本集中在逆

15、变器并联技术的研究上。 八十年代后期，随着高频电力转换技术的迅速发展，各种转换器的拓扑相继出现，大规模集成电路与功率器件技术相结合，使中小功率装置的集成成成为可能，迅速推进了分布式高频开关电源系统的研究开展。 从八十年代后期开始，这一方向成为国际电力电子学界的研究热点，论文数量逐年增加，应用领域扩大。分散供电方式具有节能、可靠性、效率性、经济性、易于维护等优点。 大型计算机、通信设备、航空航天、产业控制等系统逐渐采用，也是超高速集成电路低压电源(3.3V )的最理想供电方式。 大功率的情况下，在例如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广泛的应用前景。3

16、.高频开关电源的发展趋势在电力电子技术的应用和各种电源系统中，开关电源技术都处于核心地位。 对于大型电镀电源，传统电路非常巨大而重，采用高吨位开关电源技术，其体积和重量大幅降低，并且能大幅提高电源利用效率，节约材料，降低成本。 在电动汽车和变频器执行机构中，开关电源技术是不可缺少的，通过开关电源改变消耗电力的频率，实现接近理想的负载匹配和驱动控制。 高频开关电源技术是各种大功率开关电源(逆变焊机、通信电源、高频加热电源、激光电源、电力操作电源等)的核心技术。高频化理论分析和实践经验表明，电器产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。 因此，如果将频率从商用频率50Hz提高到2

17、0kHz，使其成为400倍，则消耗电力设备的体积重量几乎降低到商用频率设定修正的5l0%。 无论是逆变式整流焊机，还是通信电源用的开关式整流器，都是基于这个原理。 同样，传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮动充电、接通电力等各种直流电源也可以根据该原理进行改造，成为“开关转换系统电源”，其主要材料可以节约90%以上，并且可以节约30%以上。 由于功率电子器件的工作频率上限逐渐提高，促进了采用电子管的传统高频设备的固体化，带来了显着的节能、节水、节省材料的经济效益，更好地体现了技术含量的价值。模块化模块化有两个意义。 一个是电源设备的模块化，另一个是电源单元的模块化。 我们常见的装置模

18、块包括一个单元、两个单元、六个单元至七个单元，包括交换机装置和与其反向并联的回流二极管，并且基本上属于“标准”功率模块(SPM )。 近年来，一些公司将开关器件的驱动保护电路也纳入功率模块，构成“智能”功率模块(IPM )，缩小机械整体的体积，使机械整体的设定修订制造更加方便。 实际上，随着频率的提高，引线的寄生电感、寄生电容的影响越来越严重，给器件带来了很大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。 为了提高系统的可靠性，一些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM )，将整个机器的大部分硬件以芯片的形式实现在一个模块中，使部件之间没有传统的引线连接，这样的模块类似于微电子用户专用集成电路(ASIC )。