《探析现代电力电子及电源技术的发展glnj.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《探析现代电力电子及电源技术的发展glnj.docx（39页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、探析现代代电力电电子及电电源技术术的发展展现代电源源技术是是应用电电力电子子半导体体器件,综合自自动控制制、计算算机(微微处理器器)技术术和电磁磁技术的的多学科科边缘交交又技术术。在各各种高质质量、高高效、高高可靠性性的电源源中起关关键作用用,是现现代电力力电子技技术的具具 体应应用。Modeern powwer tecchnoologgy iis tthe apppliccatiion of powwer eleectrroniic ssemiiconnducctorr deevicces andd innteggratted auttomaaticc coontrrol, coompuut
2、err (mmicrroprroceessoor) andd ellecttrommagnnetiic ttechhnollogyy off muultiidisscipplinnaryy eddge in tecchnoologgy. In alll kiindss off hiigh quaalitty, higgh eeffiicieencyy, hhighh reeliaabillityy off poowerr suupplly pplayys aa keey rrolee, iis tthe conncreete apppliccatiion of moddernn poowerr
3、 ellecttronnic tecchnoologgy.当前,电电力电子子作为节节能、节节才、自自动化、智智能化、机机电一体体化的基基础,正正朝着应应用技术术高频化化、硬件件结构模模块化、产产品性能能绿色化化的方向向发展。在在不远的的将来,电力电电子技术术将使电电源技术术更加成成熟、经经 济、实实用,实实现高效效率和高高品质用用电相结结合。Currrentt, ppoweer eelecctrooniccs aas aan eenerrgy-savvingg, ssecttionn, aautoomattionn, iinteelliigennt, eleectrromeechaanicca
4、l inttegrratiion, thhe bbasiis oof tthe apppliccatiion tecchnoologgy iis mmoviing in higgh-ffreqquenncy, moodullar harrdwaare strructturee annd tthe dirrecttionn off grreenn prroduuct perrforrmannce. Inn thhe nnearr fuuturre, powwer eleectrroniic ttechhnollogyy wiill enaablee poowerr teechnnoloogy m
5、orre mmatuure, ecconoomicc, ppraccticcal, acchieeve higgh eeffiicieencyy annd hhighh quualiity.1. 电电力电子子技术的的发展1. TThe devveloopmeent of powwer eleectrroniics tecchnoologgy现代电力力电子技技术的发发展方向向,是从从以低频频技术处处理问题题为主的的传统电电力电子子学,向向以高频频技术处处理问题题为主的的现代电电力电子子学方向向转变。电电力电子子技术起起始于五五十年代代末六十十年代初初的硅整整流器件件,其发发展先后后经历了了整流器
6、器时代、逆逆变器时时代和变变频器时时代,并并促进了了电力电电子技术术在许多多新领域域的应用用。八十十年代末末期和九九十年代代初期发发展起来来的、以以功率MMOSFFET和和IGBBT为代代表的、集集高频、高高压和大大电流于于一身的的功率半半导体复复合器件件,表明明传统电电力电子子技术已已经进入入现代电电力电子子时代。The devveloopmeent dirrecttionn off mooderrn ppoweer eelecctroonicc teechnnoloogy, iss giivenn prriorrityy too wiith loww frrequuenccy ttechh
7、nollogyy deeal witth tthe proobleem oof ttradditiionaal ppoweer eelecctrooniccs, to givve ppriooritty tto wwithh hiigh freequeencyy teechnnoloogy deaal wwithh thhe pprobblemm off mooderrn ppoweer eelecctrooniccs. Powwer eleectrroniic ttechhnollogyy beegann inn thhe eearlly 550 ss, 660 ss off thhe ss
8、iliiconn reectiifieer ddeviice, itts ddeveeloppmennt hhas expperiiencced thee erra oof eera of recctiffierr annd iinveerteer aand connverrterr, aand proomotted thee poowerr ellecttronnic tecchnoologgy iin mmanyy neew aareaas oof aappllicaatioon. Devveloopedd inn thhe llatee eiightty ss annd eearlly
9、nnineety s, reppressentted by powwer MOSSFETT annd IIGBTT annd hhighh frrequuenccy, higgh vvolttagee annd llargge ccurrrentt off poowerr seemiccondducttor commpouund devvicee, sshoww thhat traadittionnal powwer eleectrroniic ttechhnollogyy haas eenteeredd thhe eera of moddernn poowerr ellecttronnics
10、s.1.1 整流器器时代1.1 thee agge oof rrecttifiier大功率的的工业用用电由工工频(550Hzz)交流流发电机机提供,但是大大约200%的电电能是以以直流形形式消费费的,其其中最典典型的是是电解(有色金金属和化化工原料料需要直直流电解解)、牵牵引(电电气机车车、电传传动的内内燃机车车、地铁铁机车、城城市无轨轨电车等等)和直直流传动动(轧钢钢、造纸纸等)三三大领域域。大功功率硅整整流器能能够高效效率地把把工频交交流电转转变为直直流电,因此在在六十年年代和七七十年代代,大功功率硅整整流管和和晶闸管管的开发发与应用用得以很很大发展展。当时时国内曾曾经掀起起了-股股各地大
11、大办硅整整流器厂厂的热潮潮,目前前全国大大大小小小的制造造硅整流流器的半半导体厂厂家就是是那时的的产物。Highh-poowerr inndusstriial powwer is proovidded by (500 hzz) ppoweer ffreqquenncy ac genneraatorrs, butt abboutt 200% oof eelecctriicitty cconssumpptioon iin tthe forrm oof ddc, onee off thhe mmostt tyypiccal is thee ellecttrollysiis (nonn-feerroo
12、us mettal andd chhemiicall raaw mmateeriaals neeed tto ddc ssoluutioon), trracttionn, eelecctriic sscoooterr, eelecctriic ddrivve tthe intternnal commbusstioon eengiine carr ciity, meetroo loocommotiivess, ttrollleyy buusess, eetc.) aand dc traansmmisssionn (rrolllingg, ppapeermaakinng, etcc.) thee
13、thhreee arreass. HHighh-poowerr siiliccon recctiffierr caan eeffeectiivelly pput thee allterrnattingg cuurreent intto ddireect currrennt (dc) poowerr frrequuenccy, theerefforee inn thhe 660 ss annd sseveentyy s, thhe ddeveeloppmennt aand apppliccatiion of higgh ppoweer ssiliiconn reectiifieer aand b
14、raake pippe tto ggreaat ddeveeloppmennt. Wass raaiseed - ussed to dommesttic DaBBan sillicoon rrecttifiier plaant arooundd thhe bboomm, aat ppressentt thhe nnatiionaal ggreaatlyy smmalll maanuffactturiing sillicoon rrecttifiier semmicoonduuctoor mmanuufaccturrerss iss thhe pprodductt off att thhat t
15、imme.1.2 逆变器器时代1.2 invvertter eraa七十年代代出现了了世界范范围的能能源危机机,交流流电机变变频惆速速因节能能效果显显著而迅迅速发展展。变频频调速的的关键技技术是将将直流电电逆变为为01100HHz的交交流电。在在七十年年代到八八十年代代,随着着变频调调速装置置的普及及,大功功率逆变变用的晶晶闸管、巨巨型功率率晶体管管(GTTR)和和门极可可关断晶晶闸管(GT00)成为为当时电电力电子子器件的的主角。类类似的应应用还包包括高压压直流输输出,静静止式无无功功率率动态补补偿等。这这时的电电力电子子技术已已经能够够实现整整流和逆逆变,但但工作频频率较低低,仅局局限在中
16、中低频范范围内。Appeeareed iin tthe sevventty ss a worrldwwidee ennerggy ccrissis, thhe aac mmotoor vvariiablle ffreqquenncy Raddcliiffee sppeedd raapidd deevellopmmentt beecauuse of thee ennerggy ssaviing efffectt iss reemarrkabble. Thhe kkey tecchnoologgy oof vvariiablle ffreqquenncy speeed reggulaatioon
17、iis tto ddireect currrennt (dc) off 0 1100 hz ac invvertter. Inn thhe sseveentyy s andd seevennty s, witth tthe poppulaaritty oof vvariiablle ffreqquenncy speeed reggulaatinng ddeviice, poowerr innverrterr wiith thyyrisstorr, ggiannt ttrannsisstorr (GGTR) poowerr annd ggatee tuurn offf thhyriistoor
18、(GT00) wwas casst iin tthe rolle oof ppoweer eelecctrooniccs ddeviice. Siimillar apppliccatiionss inncluude higgh vvolttagee dcc ouutpuut, staaticc reeacttivee poowerr dyynammic commpennsattionn ettc. At thiis ttimee off thhe ppoweer eelecctroonicc teechnnoloogy hass beeen ablle tto rreallizee reect
19、iifieer aand invvertter, buut wworkkingg frrequuenccy iis llow, liimitted in thee loow-ffreqquenncy rannge.1.3 变频器器时代1.3 invvertter eraa进入八十十年代,大规模模和超大大规模集集成电路路技术的的迅猛发发展,为为现代电电力电子子技术的的发展奠奠定了基基础。将将集成电电路技术术的精细细加工技技术和高高压大电电流技术术有机结结合,出出现了一一批全新新的全控控型功率率器件、首首先是功功率M00SFEET的问问世,导导致了中中小功率率电源向向高频化化发展,而后绝绝缘门极极
20、双极晶晶体管(IGBBT)的的出现,又为大大中型功功率电源源向高频频发展带带来机遇遇。MOOSFEET和IIGBTT的相继继问世,是传统统的电力力电子向向现代电电力电子子转化的的标志。据据统计,到19995年年底,功功率M00SFEET和GGTR在在功率半半导体器器件市场场上已达达到平分分秋色的的地步,而用IIGBTT代替GGTR在在电力电电子领域域巳成定定论。新新型器件件的发展展不仅为为交流电电机变频频调速提提供了较较高的频频率,使使其性能能更加完完善可靠靠,而且且使现代代电子技技术不断断向高频频化发展展,为用用电设备备的高效效节材节节能,实实现小型型轻量化化,机电电一体化化和智能能化提供供
21、了重要要的技术术基础。Intoo thhe eeighhty s, larrge scaale andd veery larrge scaale inttegrrateed ccirccuitt teechnnoloogy rappid devveloopmeent, laaid thee grrounndwoork forr thhe ddeveeloppmennt oof mmodeern powwer eleectrroniic ttechhnollogyy. FFinee prroceessiing tecchnoologgy aand inttegrrateed ccirccuitt
22、 teechnnoloogy willl ccombbinee hiigh volltagge llargge ccurrrentt teechnnoloogy, apppeaaredd a battch of neww tyype alll coontrrol thee poowerr deevicce, thee fiirstt iss thhe aadveent of powwer M0SSFETT, lled to thee smmalll annd mmediium-sizzed powwer souurcees tto tthe devveloopmeent of higgh ff
23、reqquenncy, annd iinsuulatted gatte bbipoolarr trranssisttor (IGGBT), aand higgh ffreqquenncy devveloopmeent oppporttuniity forr thhe llargge aand meddiumm-siizedd poowerr soourcces. Thhereeaftter, MOOSFEET aand IGBBT oof ppoweer eelecctrooniccs iis tthe traadittionnal to thee mooderrn ppoweer eelec
24、ctroonicc trranssforrmattionn. AAccoordiing to staatissticcs, by thee ennd oof 119955, ppoweer MM0SFFET andd GTTR iin ppoweer ssemiiconnducctorr deevicces on thee maarkeet hhas reaacheed tthe poiint of viee, aand repplacce GGTR witth IIGBTT haave beeen eestaabliisheed iin tthe fieeld of powwer eleec
25、trroniics. Thhe ddeveeloppmennt oof tthe neww deevicce nnot onlly pprovvidees aa hiigh freequeencyy acc mootorr frrequuenccy cconttroll off mootorr sppeedd, mmakee itts ffuncctioon mmoree peerfeect andd reeliaablee, aand makkes thee deevellopmmentt off mooderrn eelecctroonicc teechnnoloogy connstaan
26、tlly tto hhighh frrequuenccy cchannge, foor eeffiicieent eneergyy saavinng, matteriial savvingg off ellecttriccal equuipmmentt too acchieeve smaall, liighttweiightt, mmechhaniicall annd eelecctriicall innteggrattionn annd iinteelliigenntizzatiion prooviddes impporttantt teechnnicaal ffounndattionn.2
27、. 现现代电力力电子的的应用领领域2. TThe apppliccatiion fieeld of moddernn poowerr ellecttronnicss2.1 计算机机高效率率绿色电电源2.1 commputter effficiientt grreenn poowerr suupplly高速发展展的计算算机技术术带领人人类进入入了信息息社会,同时也也促进了了电源技技术的迅迅速发展展。八十十年代,计算机机全面采采用了开开关电源源,率先先完成计计算机电电源换代代。接着着开关电电源技术术相继进进人了电电子、电电器设备备领域。Rapiid ddeveeloppmennt oof ccom
28、pputeer ttechhnollogyy brringg huumann innto thee innforrmattionn soocieety, buut aalsoo prromootedd thhe rrapiid ddeveeloppmennt oof ppoweer ttechhnollogyy. IIn tthe eigghtyy s, thhe ccompputeer ffullly uusedd thhe sswittchiing powwer suppplyy, ttakee thhe lleadd inn coomplletee maachiine powwer ge
29、nneraatioon. Theen sswittch powwer tecchnoologgy ssucccesssiveely in thee arrea of eleectrroniics, ellecttriccal equuipmmentt.计算机技技术的发发展,提提出绿色色电脑和和绿色电电源。绿绿色电脑脑泛指对对环境无无害的个个人电脑脑和相关关产品，绿绿色电源源系指与与绿色电电脑相关关的高效效省电电电源,根根据美国国环境保保护署ll9922年6月月17日日“能源之之星计计划规定定,桌上上型个人人电脑或或相关的的外围设设备,在在睡眠状状态下的的耗电量量若小于于30瓦瓦,就符符合绿色色
30、电脑的的要求,提高电电源效率率是降低低电源消消耗的根根本途径径。就目目前效率率为755%的2200瓦瓦开关电电源而言言,电源源自身要要消耗550瓦的的能源。The devveloopmeent of commputter tecchnoologgy, thee coompuuterr puut fforwwardd grreenn annd ggreeen ppoweer ssuppply. Grreenn coompuuterr reeferrs tto pperssonaal ccompputeers andd reelatted prooduccts is harrmleess to t
31、hee ennvirronmmentt, ggreeen ppoweer rrefeers to thee grreenn coompuuterr reelatted effficiienttly savve eelecctriicitty ppoweer ssuppply, acccorrdinng tto tthe U.SS. eenviironnmenntall prroteectiion ageencyy (eepa) inn l9992 on Junne 117, ennerggy sstarr pproggramm, ddeskktopp peersoonall coompuute
32、rrs oor rrelaatedd peerippherral equuipmmentt, tthe powwer connsummptiion in thee slleepp sttatee, iif llesss thhan 30 wattts, acccorrd wwithh thhe rrequuireemennt oof ggreeen ccompputeer, impprovve tthe effficiienccy oof ppoweer ssuppply is thee fuundaamenntall waay tto rreduuce thee coonsuumpttion
33、n off poowerr. CCurrrentt effficcienncy is 75% off 2000 ww swwitcchinng ppoweer ssuppply, poowerr suupplly iitseelf connsummes 50 wattts of eneergyy.2.2 通信用用高频开开关电源源2.2 commmunnicaatioon oof hhighh frrequuenccy sswittchiing powwer suppplyy通信业的的迅速发发展极大大的推动动了通信信电源的的发展。高高频小型型化的开开关电源源及其技技术已成成为现代代通信供供电系统
34、统的主流流。在通通信领域域中,通通常将整整流器称称为一次次电源,而将直直流-直直流(DDC/DDC)变变换器称称为二次次电源。一一次电源源的作用用是将单单相或三三相交流流电网变变换成标标称值为为48VV的直流流电源。目目前在程程控交换换机用的的一次电电源中,传统的的相控式式稳压电电源己被被高频开开关电源源取代,高频开开关电源源(也称称为开关关型整流流器SMMR)通通过MOOSFEET或IIGBTT的高频频工作,开关频频率一般般控制在在50-1000kHzz范围内内,实现现高效率率和小型型化。近近几年,开关整整流器的的功率容容量不断断扩大,单机容容量己从从48VV/122.5AA、488V/22
35、0A扩扩大到448V/2000A、448V/4000A。Teleecommmunnicaatioon iinduustrry hhas beeen hheavvilyy prromootedd byy thhe rrapiid ddeveeloppmennt oof tthe devveloopmeent of commmunnicaatioon ppoweer ssuppply. Hiigh-freequeencyy miiniaaturrizaatioon oof sswittch powwer suppplyy annd iits tecchnoologgy hhas beccomee
36、thhe mmainnstrreamm off mooderrn ccommmuniicattionn poowerr suupplly ssysttem. Inn thhe ffielld oof ccommmuniicattionn, oofteen wwilll bee caalleed aa reectiifieer ppoweer ssuppply, annd DDC - DCC (DDC/DDC) connverrterr reeferrredd too ass thhe ssecoondaary powwer suppplyy. IIs tthe rolle oof aa poo
37、werr siinglle-pphasse oor tthreee-pphasse aac ppoweer ggridd trranssforrmattionn innto a nnomiinall vaaluee off 488 v dc powwer suppplyy. IIn SSPC excchannge witth aa poowerr suupplly aat ppressentt, tthe traadittionnal phaasedd tyype reggulaatedd poowerr suupplly hhas repplacced by thee hiigh freeq
38、ueencyy swwitcchinng ppoweer ssuppply, hiigh-freequeencyy swwitcchinng ppoweer ssuppply (allso knoown as swiitchh moode recctiffierr SMMR) by MOSSFETT annd IIGBTT hiigh freequeencyy woork, geenerral conntrool sswittch freequeencyy inn 500-1000 KKHZ rannge, too acchieeve higgh eeffiicieencyy annd mmi
39、niiatuurizzatiion. Exxpannds uncceassinggly in reccentt yeearss, tthe powwer swiitchh reectiifieer ccapaacitty, cappaciity of f ffromm 488 v / 112.55 A 48 v / 200 A, exxtenndedd too thhe 448 vv / 2000 A, 488 v / 4400 A.因通信设设备中所所用集成成电路的的种类繁繁多,其其电源电电压也各各不相同同,在通通信供电电系统中中采用高高功率密密度的高高频DCC-DCC隔离电电源模块块,从中中
40、间母线线电压(一般为为48VV直流)变换成成所需的的各种直直流电压压,这样样可大大大减小损损耗、方方便维护护,且安安装、增增加非常常方便。一一般都可可直接装装在标准准控制板板上,对对二次电电源的要要求是高高功率密密度。因因通信容容量的不不断增加加,通信信电源容容量也将将不断增增加。Becaausee thheree arre mmanyy tyypess off innteggratted cirrcuiit uusedd inn coommuuniccatiion equuipmmentt, tthe powwer suppplyy vooltaage is alsso eeachh arr
41、e nnot ideentiicall, iin tthe commmunnicaatioon ppoweer ssuppply sysstemm wiith higgh ppoweer ddenssityy off thhe hhighh frrequuenccy DDC - DCC issolaatioon ppoweer ssuppply moddulee, ffromm thhe mmidddle bussbarr vooltaage (geenerrallly oof 448 vv DCC) iintoo thhe vvariiouss DCC vooltaagess, iit cc
42、an greeatlly rreduuce thee looss, coonveenieent maiinteenannce, annd iinsttalllatiion, inncreeasee iss veery connvenniennt. Genneraallyy caan bbe ddireectlly mmounntedd inn thhe sstanndarrd cconttroll paanell, tthe secconddaryy poowerr suupplly rrequuireemennts is higgh ppoweer ddenssityy. BBecaause
43、e off coommuuniccatiion inccreaasinng, thee caapaccityy off coommuuniccatiion powwer suppplyy caapaccityy wiill alsso cconttinuue tto iincrreasse.2.3 直流-直流(DC/DC)变换器器2.3 DC - DDC cconvvertter (DCC/DCC)DC/DDC变换换器将一一个固定定的直流流电压变变换为可可变的直直流电压压,这种种技术被被广泛应应用于无无轨电车车、地铁铁列车、电电动车的的无级变变速和控控制,同同时使上上述控制制获得加加速平稳稳、
44、快速速响应的的性能,并同时时收到节节约电能能的效果果。用直直流斩波波器代替替变阻器器可节约约电能(2030)%。直直流斩波波器不仅仅能起调调压的作作用(开开关电源源), 同时还还能起到到有效地地抑制电电网侧谐谐波电流流噪声的的作用。DC/DDC cconvvertter to a ffixeed DDC vvolttagee trranssforrmattionn ass a varriabble DC volltagge, thiis ttechhnollogyy haas bbeenn wiidelly aapplliedd inn thhe ttrollleyy buusess, ssu
45、bwwayss, ttraiins, sttepllesss vaariaablee sppeedd annd cconttroll off ellecttricc veehiccle, annd tto mmakee thhe cconttroll too obbtaiin ssmoooth accceleerattionn annd ffastt reespoonsee peerfoormaancee, aand at thee saame timme rreceeivee ellecttriccal eneergyy saavinng eeffeect. Usse tthe dc cho
46、oppeer iinstteadd rhheosstatt caan ssavee ellecttricc ennerggy (20 330) %. Dc chooppeer ccan nott onnly ACTTS aas vvolttagee reegullatiion (swwitcchinng ppoweer ssuppply), bbut alsso ccan efffecttiveely inhhibiit tthe acttionn off thhe ggridd siide harrmonnic currrennt nnoisse.通信电源源的二次次电源DDC/DDC变换换器
47、已商商品化,模块采采用高频频PWMM技术,开关频频率在5500kkHz左左右,功功率密度度为5WW200W/iin3。随随着大规规模集成成电路的的发展,要求电电源模块块实现小小型化,因此就就要不断断提高开开关频率率和采用用新的电电路拓扑扑结构,目前已已有一些些公司研研制生产产了采用用零电流流开关和和零电压压开关技技术的二二次电源源模块,功率密密度有较较大幅度度的提高高。Commmuniicattionn poowerr suupplly iin tthe secconddaryy poowerr suupplly DDC/DDC cconvvertter hass beeen commmerrciaalizzed, moodulles usiing higgh ffreqquenncy PWMM teechnnoloogy, swwitcchinng ffreqquenncy aboout 5000 KHHZ, thee poowerr deensiity of 5 ww too 200 w/in33. WWithh thhe ddeveeloppmennt oof llargge sscalle iinteegraatedd ciircuuit, poowerr suupplly mmoduule to reaalizze