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现代电力电子技术的发展

现代电力电子技术的发展
浙江大学电气工程学院电气工程及其自动化 992 班 马玥
(浙江 杭州 310027 E-mail: yeair@cee.zju.edu.cn) 学号:3991001053

摘要: 本文简要回顾电力电子技术的发展, 阐述了现代电力电子技术发展的趋势, 论述了走向信息时代的电力电子技术和器件的创新、应用,将对我国工业 尤其是信息产业领域形成巨大的生产力,从而推动国民经济高速、高效可 持续发展。 关键词:现代电力电子技术;应用;发展趋势 The Development of Modern Power Electronics Technique Ma Yue
Electrical Engineering College. Zhejiang University. Hangzhou 310027, China E-mail: yeair@cee.zju.edu.cn

Abstract: This paper reviews the development of power electronics technique, as well as its current situation and anticipated trend of development. Keywords: modern power electronics technique, application, development trend.

1、

概述

自本世纪五十年代未第一只晶闸管问世以来, 电力电子技术开始登上现代电 气传动技术舞台, 以此为基础开发的可控硅整流装臵,是电气传动领域的一次革 命, 使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件 构成的变流器时代,这标志着电力电子的诞生。 那么究竟什么是现代电力电子技术呢?[1]麻省理工学院的 KASSAKIAN 教 授的观点是: “目前电子技术的典型应用是信息处理,这些应用都需要电源提供 电能; 而电力电子技术主要关心的是能量处理,它把电能从一种形式高效地转换 成另外一种形式”,这里强调的是电能的转换和利用效率。九州大学的原田耕介 先生认为: “电力电子技术是一种借助于半导体功率器件的开关技术”,这里强 调的是电力电子器件的开关作用。柏林工业大学的 HEUMAN 教授认为:“电力 电子技术借助于半导体功率器件对电能进行控制” , 这里强调的是对电能的控制。 综上所述, 电力电子技术就是采用功率半导体器件对电能进行转换、控制和优化 利用的技术, 它广泛应用于电力、电气自动化及各种电源系统等工业生产和民用 部门。 从几十年的发展来看,[2]半导体器件确实起了推动电子技术发展的作用。晶 闸管等电力半导体器件扮演了电力电子发展中的主要角色。进入 70 年代,晶闸

管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品。 普通晶闸管不能自关断 的半控型器件, 被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造 工艺水平的不断提高, 电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展,是电 力电子技术的又一次飞跃,先后研制出 GTR、GTO、功率 MOSFET 等自关断全 控型第二代电力电子器件。这些年来的经验表明:[2]当某种关键的半导体器件诞 生后,往往会引起电子技术的一个飞跃。可以看到,以绝缘栅双极晶体管(IGBT) 为代表的第三代电力电子器件, 开始向大容易高频率、 响应快、 低损耗方向发展, 这又是一个飞跃。而进入 90 年代,电力电子器件正朝着复杂化、标准模块化、 智能化、功率集成的方向发展,以此为基础形成了电力电子技术的理论研究,器 件开发研制,应用的高新技术领域,在国际上竞争颇激烈。 目前,[3]电力电子技术的应用已从机械、石化、纺织、冶金、电力、铁路、 航空、航海等领域,进一步扩展到汽车、现代通信、家用电器、医疗设备、灯光 照明等领域。进入 21 世纪,随着新的理论、新的器件、新的技术的不断涌现, 特别是与微电子(计算机与信息)技术的日益融合,电力电子技术的应用领域也 必将不断地得以拓展,随之而来的必将是智能电力电子时代。

2、

电力电子技术的主要应用概况

电力电子技术以实现功率变换为主,传递的是电能,微电子技术则以实现信 号变换为主,传递的是信息。如果说微电子技术是弱电电子的话,电力电子技术 则是强电电子, 是现代工业电子。 电力电子技术的应用贯穿在电能的获取、 传输、 变换和利用的几乎每个环节,将在新世纪发挥越来越重要的作用。[4]概括地说, 电力电子技术就是在采用电力半导体器件实现各种频率变换的基础上, 完成运动 控制(Motion Control)和功率变换(Power Conversion),提供各种变频器和功 率控制电源。 2.1 发电领域中的电力电子技术 (1)发电机的直流励磁 现在, 常规发电机中励磁的建立,已经从传统的直流磁励机转变为由中频交 流励磁机加电力电子整流的方法,并已取得较好的技术经济效益,可靠性大为提 高。 (2)水轮发电机的低频交流变频励磁 发电频率取决于发电机的转速。而水力发电受水流量随季节的变化,特别是 枯水期水流量明显减少的影响,频率无法调节到额定(50Hz),只好放弃发电, 缩短发电机工作时间,浪费了许多水能。现在,采用电力电子技术,把直流励磁 转变为低频交流变频励磁:当水流量减少时,提高励磁频率,可以把发电频率补 偿到额定, 使水轮发电机的发电周期大大延长。这对三峡电站等大型水力发电设 施来说,将带来巨大的经济效益。 (3)可再生能源发电中的电力电子技术 利用风能、太阳能、潮汐能、地热能等新能源发电,是克服能源危机(煤、 石油、天然气等石化类能源日趋匮乏)的重要措施,它们是可再生的绿色能源, 对环境和气候的影响也会得到缓解。但是这些能源转换的电能,其电压、频率难 免波动,无法并网应用。通过电力电子变换装臵,使这些波动的电能以恒压恒额 方式输出,实现这些新能源的实用化。 2.2 储能领域中的电力电子技术

用电受昼夜影响而出现高峰和低谷,如果晚间能把发电机的多余电能储存起 来,到白天再送到电网应用,相当于多盖了至少三分之一的发电厂,其经济价值 是明显的。 (1)抽水储能发电 白天,上游水库泄水发电;晚间,利用多余的电网电能并使发电机转变成电 动机运行,驱动水泵把下游水库的水抽进上游水库,增加上游水库蓄水,使白天 可以更多地发电。当然,这种电能变为机械能,再变成电能的能量变换过程,效 率是比较低的。 (2)地下室内的蓄电池与电容器组储能 把夜间电网提供的多余交流电整流成直流电,储存在建筑物地下室内的“蓄 电池一电容器组”;白天,再把这些储存的电能逆变成交流电供给整个建筑物内 的用电,已经成为某些地方的时尚。 (3)超导线圈的磁场储能 上述变换还是有相当能耗的。在超导体线圈中,数十万安培的直流电流在其 中流动是不会损耗的,这种储能器体积大为缩小,转换效率很高。但是,如何实 现常规交流电能同这种低电压超大电流的直流电能的互相转换, 给电力电子技术 提出了更新的课题。 2.3 输电领域中的电力电子技术 (1)高压直流输电(HVDCT)技术 在远距离输电、跨海输电、非同期(非同步)的电力系统实现联网方面,高 压直流输电优于高压交流输电。 直流输电是把发电机发出的交流电通过变压器升 压,再经过整流器使之变为直流,跨过几百、上千公里后,再通过逆变器变换为 工频交流电,供终端使用。这里需要几十、乃至数百万千伏安的超大功率电力电 子装臵。 (2)动态无功功率补偿(SVC)技术 发电厂发出的电能,只有一部分能有效地做功,称为有功功率,它占总发电 量的比例称功率因数;另一部分能量或者因为电感(储磁能)、电容(储电能) 的存在而与电源发生能量交换不做功,或者因为谐波的存在而不做功,这部分称 之为无功功率。无功的存在使发电机功率因数降低.谐波污染电网,增加发电机 和其他电气设备发热,无功的波动使电网电压波动。因此,对无功功率进行补偿 具有明显的经济效益和社会效益。 采用电力电子技术的动态无功功率补偿装臵在 这方面起着重要作用。 (3)消除谐波改善电网供电品质 相控型电力电子设备是一谐波发生器.其大量的采用严重地污染了公用电网, 带来电力品质的恶化。危及电网安全运行,其产生的电磁干扰(EMI)也危及通信、 金融、航空、交通、医疗等行业的安全运行。采用电力电子技术,特别是有源滤 波技术,抑制谐波发生,实现绿色电源,是新世纪必须要解决的问题。 2.4 用电领域中的电力电子技术 (1)电动机的优化运行 全世界的用电量中[4]约有 60%左右是通过电动机来消耗的。 电动机只是在额 定负载附近才是高效率的,但由于对过载、安全系数的考虑,电动机经常是在低 效状态下运行。 采用计算机——电力电子技术结合, 使电动机经常处于高效状态, 具有巨大的效益。 ①变负载电动机的调压节能

车床、冲床、剪床等许多机械,作为动力源的电动机是按最大负载功率来选 取的。而它们的大部分工况是轻载。根据负载力矩大小的变化,采用电力电子技 术自动改变电机的端电压——轻载时降低电压,就能使电动机轻载损耗降低。这 就是所谓“马达节能器”。 ②通用机械的节能调速 风机、泵、压缩机等通用机械用电量占电动机用电量的一半左右。采用变频 调速调节流体流量,比以往用挡板、阀门之类来调节,可节电 20%~70%。 ③工业应用机械的工艺调速 轧钢、有色金属压延、造纸、榨糖、大型机床等,基于工艺需要,其拖动电 动机需要调速。采用变频调速,不仅效率高可节能,而且能使产品产量增加,质 量提高。 ④运输机械的牵引调速 电气机车、内燃机车、地下铁道、轻轨机车、无轨电车,乃至磁悬浮列车和 电动汽车,以及电梯、自动扶梯、矿井卷扬机和龙门吊等都是电动牵引系统。这 些运输工具在运行中要求及时调速。 国际上交流电动机变频调速在牵引应用中已 占了优势。 ⑤精密调速 数控机床、伺服传动、机器人等各种运动控制,都要求很宽的调速范围和很 高的调速精度,在国防上也有很多精密调速的需求。这里,采用[4]永磁无刷电动 机达到 1:50000 到 1:100000 的宽域高精度调速已经实现。 按照最保守的计算,[4]全国现有电动机需要改造为变频调速的市场总价将是 1200 亿~1800 亿元人民币, 目前中国变频器市场的年销售额约为 15 亿元人民币。 依此,需 100 年才能改造一遍,何况每年还有许多新机组投入。 (2)高能量密度的电源应用 ①电化学电源 铜、铝、锌、镍等有色金属,氯碱等化工原料,都是靠电解来实现的。 [4] 现在几十万安培的直流电解装臵早己实现国产化。一般说来,它们都是电老虎, 又是国民经济的基础。 ②开关电源 体积小、重量轻、效率高的各种开关电源已经从电视机、计算机、各种仪器 仪表上的小功率应用,扩展到通讯电源、电焊电源、X 光电源和 CT 电源、加速 器磁铁电源、军用电源等中功率应用。通过适度提高开关频率,电源的体积、重 量会成数十倍地减少下来。 ③变频电源 适应各种应用需要的、 许多原来采用电子管的高频电源已越来越多的被采用 电力电子器件的固态化电源替代。[4]例如:超声波电源、臭氧发生器、负氧离子 发生器、荧光灯电子镇流器、热处理电源、声纳电源、无线电(长、中、短波) 发射电源,以至微波电源。在新世纪中,随着电力电子技术的发展,更高频率、 更大功率的固态化电源将不断开拓出来。 ④特种电源 不间断电源(UPS)、稳压稳流电源、高精度洁净电源等特种电源,采用电力 电十技术后,各方面指标均大大改善。 总而言之,在各种与电相关的地方,凡是要求调节控制以实现自动化、智能 化的场合,电力电子技术将同微电子——计算机技术相辅相成,发挥巨大作用。

2.5 信息领域中的电力电子技术 信息技术的基础是微电子——计算机技术,它同电力电子技术是姐妹技术, 互相密切结合,成为改造传统产业和发展各种高新技术的基础技术。反过来。电 力电子技术为信息技术提供先进的电源和运动控制, 日益成为信息产品中不可缺 少的一部分。 信息产业要用到一系列电源(如各种交直流稳压电源、开关电源、UPS)以 保证信息产品的正常安全运行。另外,现代信息产品对电源的体积、重量、效率 都提出了越来越高的要求。[4]例如,通讯和计算机产品的小型化,使传统电源明 显地不适应。笔记本电脑必须采用高能量密度的精密电源。通讯电源(380V 交 流/48V 直流)在采用高频开关电源技术后,相同功率产品与十年前比,已经缩 小到 1/15,它们在国内的销售额已经达到近百亿元;其二次电源(由直流 48V 通过 DC/DC 变换器转换到 36V、24V、12V、6V 等)几乎全部模块化;特别是 计算机芯片的工作电压由 6V、3V、……向 1V 乃至更低发展,为此要求电力电 子技术提供低电压的高效率大电流直流电源; 另一方面, 广播电视和军事通讯 (从 超长波到短波,包括潜水艇不可缺少的声纳)需要很大功率、覆盖很宽频率范围 的固态化、小型化发射电源,所有这些新电源都是电力电子新技术的应用领域。 在信息产品的主电路中,正在用 MOS 场效应管取代双极晶体管来完成各种 变换,其用量也越来越多,[4]1998 年的世界晶体管市场中,MOS 场效应管的市 场份额已超过了双权晶体管。 在移动电话和笔记本式、 掌上式电脑等广泛推广使用之后,对各种可充电电 池的需求也迅速增长。于是各种规格,不同功能,要求小型化的快速充电器的需 求也应运而生。 在未来的电动机车中, 蓄电池快速充电也是不可缺少的重要环节。 这些都离不开电力电子新技术。 运动控制产品在信息产业中也有很大的需求。 FAX 机、 计算机、 VCD、 DVD 等许多整机中都装备着多种电动机。尤其在各种打印机中,离开对电动机运动的 高精度控制,其打印效果是不可想象的。至于在信息工业(特别是微电子产业) 的各种精密微细加工设备中,高精度的伺服控制、机器人、机器手的工作都对运 动控制提出了更高的要求。 信息产品中和其他产品中用 VDMOS、ICBT 做无触点开关的市场更大,程 控交换机的每条线都至少用 1 个 VDMOS 管。为此,[4]我国目前每年要进口几千 万只;每辆现代轿车中要用七、八十只到一百五、六十只 VDMOS 管。所以, 从当前到未来的信息产业是电力电子产品现实的巨大市场之一。 近年来,电力电子的环境及产业都有了很大的变化。整体而言,电力电子技 术的发展在许多应用领域上获得了认同。 广泛应用的技术有下列几点特性: (1)应用领域扩大; (2)成本大幅降低; (3)风险大幅降低; (4)价值小幅减少。 就电力电子技术而言,过去着重应用在交通、工业、军事、商事、航天等领 域,今后将走进家电、信息、通信以及信息家电(Information Appliances)等领 域。 网络化时代电脑性能日新月异,为了克服因快速运算及处理能力带来的散热 问题,电脑原先的供电电压已由 5V 降为 3.3V,今后还会更低。因而赋予电力电 子工程师在电源转换设计上有更大的空间,[5]Motorola 出品的 WaveFET 相信会

为电力电子产业带来一片新的天空。此外,后 PC 时代的产品方兴未艾,人类正 面临新的挑战。新兴器件的发展必然会影响到市场,未来的冲击将会更为猛烈, 需要我们去努力适应。

3、
[4]

电力电子器件发展趋势

电力半导体器件是电力电子应用技术的基础 , 必须重视电力电子器件的发 展。 国际上电力半导体器件经历了晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)和 场控器件(IGBT 和功率 MOSFET)三个阶段。单管耐压 6.5kV、电流 1kA、工 作频率在 20kHz~50kHz 的大功率 IGBT,耐压 600V、电流 100A、工作频率达 150kHz(硬开关)到 300kHz(软开关)的高频化 IGBT 均已问世。 进入 90 年代,[6]电力电子器件的研究和开发已进入大功率化、高频化、标 准模块化、集成化和智能化时代。由于加工工艺的不断进步,各类电力电子器件 的容量日益增大。 从理论分析和实验证明电气产品的体积与重量的缩小与供电频 率的平方根成反比,也就说,当我们将 50Hz 的标准工频大幅的提高之后,使用 这样工频的电气设备的体积与重量就能大大缩小,使电气设备制造节约材料,运 行时节电就更加明显, 设备的系统性能亦大为改善,尤其是对航天工业其意义十 分深远的。 故电力电子器件的高频化是今后电力电子技术创新的主导方向。而硬 件结构的标准模块化是器件发展的必然趋势。目前先进的模块,已经包括开关元 件和与其反向并联的续流二极管在内,以及驱动保护电路等多个单元,都以标准 化生产出系列产品, 并且可以在一致性与可靠性上达到极高的水平。目前世界上 许多大公司已开发出 IPM 智能化功率模块,如日本三菱、东芝及美国的国际整 [7] 流器公司已有成熟的产品推出。 例如, 日本新电元公司的 IPM 智能化功率模块 的主要特点是: (1)它内部集成了功率芯片,检测电路及驱动电路,使主电路的结构为最 简。 (2)其功率芯片采用的是开关速度高,驱动电流小的 IGBT,且自带电流传 感器,可以高效地检测出过电流和短路电流,给功率芯片以安全的保护。 (3)在内部配线上将电源电路和驱动电路的配线长度控制到最短,从而很 好地解决了浪涌电压及噪声影响误动作等问题。 (4)自带可靠的安全保护措施,当故障发生时能及时关断功率器件并发出 故障信号,对芯片实施双重保护,以保证其运行的可靠性。 然而, 国产电力半导体器件基本上停留在晶闸管阶段,严重落后于世界电力 电子器件的发展水平。 在新世纪国际电力电子崛起之时,中国电力半导体器件的 被动状态将会拖延中国振兴的进程,因此,必须大家共同努力,使这一被动局面 早日得到改变。

4、

结论

1998 年末朱镕基总理明确指示,今后必须加快国家创新体系的建设,因此 可以肯定的说,在 21 世纪初国家发展中,技术创新将要变成企业工作的主导内 容, 而发展与建立适合中国国情的电气工业的技术创新机制,通过电力电子技术 长足进步推动新型电气工业不断升级和进步,进而走向世界。电力电子技术具有 微电子技术的许多共同特征, 如发展变化都非常迅速,渗透力和创新表现十分突

出,生命力格外旺盛,处于阳光产业地位,并与其它学科相互融合和发展,产生 新的机遇;同时,电力电子技术还有其自身一些独具特色的地方,如高电压、大 容量及控制功率范围大等等, 因此技术的创新难度在于必须跨越高电压大功率这 一关卡,以及其技术的综合难点,如材料工业和制造工艺等等。同时,电力电子 器件工作的可靠性是其极为重要的一个技术指标,为此,电力电子技术的创新是 与多种学科相互渗透并对各种工业领域有着极强渗透性的创新。因此,电力电子 技术与国家的基础产业关系密切, 并与国家发展的各项方针及产业政策相配合的 要求在将来会显得越来越强烈。 电力电子技术又称为能流技术,因此电力电子技 术的发展与创新是 21 世纪可持续发展战略纲领的重要组成部分。 在 21 世纪初加 快现代电力电子化转化的力度, 必将形成一条朝阳的高科技产业链,推动我国工 业领域的技术创新。 电力电子技术的创新与电力电子器件制造工艺, 已成为世界各国工业自动化 控制和机电一体化领域竞争最激烈的阵地, 各发达国家均在这一领域注入极大的 人力、物力和财力,使之进入高科技行业。就电力电子技术的理论研究言, [7] 目前日本、美国及法国、荷兰、丹麦等西欧国家可以说是齐头并进,在这些国家 各种先进的电力电子功率量不断开发完善,促进电力电子技术向着高频化迈进, 实现用电设备的高效节能,为真正实现工控设备的小型化、轻量化、智能化奠定 了重要的技术基础,也为 21 世纪电力电子技术的不断拓展创新描绘了广阔的前 景。 我国开发研制电力电子器件的综合技术能力与国外发达国家相比,仍有较大 的差距,要发展和创新我国电力电子技术,并形成产业化规模,就必须走产学创 新之路,即牢牢坚持和掌握产、学、研相结合的方法走共同发展之路。从跟踪国 外先进技术,逐步走上自主创新;从交叉学科的相互渗透中创新,从器件开发选 择及电路结构变换上创新, 这对电力技术创新是尤其实用的。也要从器件制造工 艺技术引导创新, 从新材料科学的应用上创新,以此推动电力电子器制造工艺的 技术创新,提高器件的可靠性,由此形成基础积累型的创新之路。并要把技术创 新与产品应用及市场推广有机结合,加快科技创新的自我强化的循环,促进和带 动技术创新, 以使我国电力电子技术及器件制造工艺技术得以长足的发展,并形 成一个全新的产业, 转化为巨大的生产力,推动我国工业领域由粗放型经营走向 集约型,促进国民经济以高速、高效、可持续发展。

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