電子技術研究電子器件和由電子器件組成的電路的應用。半導體器件是各種分立和集成電子電路的最基本元件。隨著電子技術的飛速發展,各種新型半導體器件層出不窮。現代電力電子技術的發展方向是從低頻技術的傳統電力電子向高頻技術的現代電力電子轉變。電力電子技術始於20世紀50年代末60年代初的矽整流器件,其發展經歷了整流器時代、逆變器時代、變頻器時代,推動了電力電子技術在許多新領域的應用。20世紀80年代末90年代初發展起來的以功率MOSFET和IGBT為代表的集高頻、高壓、大電流於壹體的功率半導體復合器件,標誌著傳統的電力電子技術進入了現代電力電子時代。高效綠色電腦電源
計算機技術的飛速發展引領人類進入了信息社會,也促進了電源技術的飛速發展。80年代,電腦全面采用開關電源,率先完成了電腦電源的替代。於是開關電源技術進入了電子電氣設備領域。
隨著計算機技術的發展,綠色計算機和綠色電源被提出。綠色電腦壹般是指對環境無害的個人電腦及相關產品,綠色電源是指與綠色電腦相關的高效節能電源。根據美國環境保護署1992年6月的“能源之星計劃”,如果臺式個人計算機或相關外圍設備的功耗小於30瓦,則符合綠色計算機的要求。提高電源效率是降低功耗的根本途徑。就目前效率75%的200瓦開關電源而言,電源本身就消耗50瓦的能量。
與高頻開關電源的通信
通信行業的快速發展極大地促進了通信電源的發展。高頻小型化開關電源及其技術已成為現代通信電源系統的主流。在通信領域,整流器通常被稱為壹次電源,而DC/DC轉換器被稱為二次電源。壹次電源用於將單相或三相交流電網轉換為標稱值為48V的DC電源。目前,在程控交換機的初級電源中,傳統的相控穩壓電源已被高頻開關電源所取代。高頻開關電源(又稱開關整流SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率壹般控制在50-100kHz範圍內,實現了高效率和小型化。近年來,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
由於通信設備中使用的集成電路種類繁多,其電源電壓也各不相同。在通信電源系統中,采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,將中間母線電壓(壹般為48V DC)轉換成各種DC電壓,可以大大降低損耗,方便維護,安裝和增加都非常方便。壹般可以直接安裝在標準控制板,對二次電源的要求是高功率密度。由於通信容量的不斷增加,通信電源的容量也會隨之增加。
直流-直流(DC/DC)轉換器
DC/DC轉換器將固定的DC電壓轉換成可變的DC電壓。該技術廣泛應用於無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制。同時使上述控制達到加速、穩定、快速響應的性能,同時收到省電的效果。用DC斬波器代替變阻器可節能20 ~ 30%。DC斬波器不僅能調節電壓(開關電源),還能有效抑制電網側的諧波電流噪聲。
通信電源的二次DC/DC變換器已經商品化。該模塊采用高頻PWM技術,開關頻率約為500kHz,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展,要求功率模塊小型化,因此需要不斷提高開關頻率,采用新的電路拓撲。目前,壹些公司已經開發生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次功率模塊,功率密度有了很大的提高。
不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是壹種高可靠性、高性能的電源,適用於計算機、通信系統和需要不間斷供電的場合。交流市電輸入通過整流器轉換成DC,壹部分能量給蓄電池充電,另壹部分通過逆變器轉換成交流電,通過轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能給負載提供能量,通過功率轉換開關實現了另壹個備用電源。
現代UPS普遍采用脈寬調制技術和M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,降低了電源噪聲,提高了效率和可靠性。微處理器軟硬件技術的引入可以實現UPS的智能管理、遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已經達到600kVA。超小型UPS也發展迅速,產品有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等規格。
逆變器電源
逆變電源主要用於交流電機的變頻調速,在電氣傳動系統中發揮著越來越重要的作用,並取得了巨大的節能效果。逆變電源主電路采用交流-DC-交流方案。工頻電源通過整流器轉換成固定的DC電壓,再由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器將DC電壓轉換成電壓和頻率可變的交流輸出。電源的輸出波形類似正弦波,用來驅動交流異步電機實現無級調速。
世界上400kVA以下逆變電源系列產品已經問世。20世紀80年代初,日本東芝公司首先將交流變頻調速技術應用於空調。到1997,其份額已經達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適節能的優點。國內對變頻空調的研究始於上世紀90年代初。1996年引進生產線生產變頻空調,逐漸形成了變頻空調研發生產的熱點。預計2000年左右會達到高潮。變頻空調除了變頻供電,還需要壹臺適合變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略和選擇功能元件是空調變頻電源的進壹步發展方向。
高頻逆變整流焊機電源
高頻逆變整流焊機電源是壹種高性能、高效率、節材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發展方向。由於IGBT大容量模塊的商品化,該電源具有更廣闊的應用前景。
交流-DC-交流-DC(交流-DC-交流-DC)變換法大多用於逆變焊機電源。50Hz交流電經全橋整流轉換成DC,由IGBT組成的PWM高頻轉換部分將DC轉換成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合、整流、濾波後成為電源電弧的穩定DC。
由於焊機電源工作條件惡劣,短路、電弧和開路頻繁發生,因此高頻逆變整流焊機電源的工作可靠性成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器作為脈寬調制(PWM)的相關控制器。通過對多種參數和信息的提取和分析,達到預測系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統進行調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源的可靠性問題。
國外逆變焊機已實現額定焊接電流300A,負載持續時間60%,滿載電壓60~75V,電流調節範圍5~300A,重量29kg。
大功率開關高壓DC電源
大功率開關高壓DC電源廣泛應用於靜電除塵、水質改善、醫用x光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流在0.5A以上,功率可達100kW。
從20世紀70年代開始,壹些日本公司開始采用逆變技術,將市電整流後逆變為3kHz左右的中頻,然後升壓。20世紀80年代,高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管作為主要開關元件,使電源的開關頻率提高到20kHz以上。幹式變壓器技術成功應用於高頻高壓電源,取消了高壓變壓器的油箱,進壹步減小了變壓器系統的體積。
我國研制了靜電除塵器用高壓DC電源。市電整流後轉換為DC。DC電壓由全橋零電流開關串聯諧振逆變電路轉換成高頻電壓,再由高頻變壓器升壓,最後整流成DC高壓。在阻性負載條件下,輸出DC電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz
有源電力濾波器
傳統的交流DC變換器在投入運行時,會向電網註入大量的諧波電流,造成諧波損耗和幹擾,同時設備網側的功率因數也會惡化,即所謂的“電源汙染”。比如加上不可控整流和容性濾波,網側三次諧波含量可達(70-80)%,網側功率因數僅為0.5-0.6。
有源電力濾波器是壹種能動態抑制諧波的新型電力電子裝置,它能克服傳統LC濾波器的缺點,是壹種很有前途的諧波抑制方法。該濾波器由橋式開關功率變換器和特定的控制電路組成。與傳統開關電源的區別在於:(1)不僅反饋輸出電壓,而且反饋平均輸入電流;(2)電流回路參考信號是電壓回路誤差信號和全波整流電壓采樣信號的乘積。
分布式開關電源系統
分布式電源系統以小功率模塊和大規模控制集成電路為基本元件,利用最新的理論和技術成果,形成模塊化、智能化的大功率電源,使強電和弱電緊密結合,減輕大功率元件和大功率器件(集中式)的發展壓力,提高生產效率。
80年代初,分布式高頻開關電源系統的研究基本上集中在變換器的並聯技術上。20世紀80年代中後期,隨著高頻功率變換技術的快速發展,各種變換器拓撲相繼出現。大規模集成電路和功率器件技術的結合,使中小功率器件的集成成為可能,從而迅速推動了分布式高頻開關電源系統的發展。自20世紀80年代後期以來,該方向已成為國際電力電子領域的研究熱點。論文數量逐年增加,應用領域不斷擴大。
分布式供電方式具有節能、可靠、高效、經濟、維護方便等優點。已逐漸被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統采用,也是超高速集成電路低壓電源(3.3V)最理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電機驅動電源等領域,也有廣闊的應用前景。電子技術在交通領域的應用主要是交通系統的應用。目前,電力機車正由傳統的DC電機驅動向傳統的交流電機驅動轉變,主要采用GTO控制器件,整流器和逆變器由PWM控制,因此輸入電流可以是正弦波。目前,許多國家都在開發直線同步電機驅動的磁懸浮列車。這項技術壹旦成熟並成功應用,將給交通運輸帶來壹場革命,不僅有助於縮短時間,也將為節能減排做出重要貢獻。電機技術也可以用於汽車發動機。在現代汽車中,機械式或機電式燃油噴射系統有被淘汰的趨勢,電控燃油噴射裝置因其優良的性能而得到廣泛應用。電子燃油噴射裝置能自動保證發動機始終處於最佳工作狀態,使其輸出動力在壹定條件下能最大限度地節油和凈化空氣。同時通過實驗得出最佳工作條件,並輸入到存儲器中。發動機開始工作時,根據傳感器測得的空氣流量和排氣管中的氧氣含量,按照預先編好的運行程序運行,然後控制發動機處於最佳工作狀態。
目前,汽車電子技術已經發展到第四代,即包括電子技術(包括微機技術)、最優控制技術、傳感器技術、網絡技術、機電壹體化耦合交叉技術等綜合技術的小系統,已經從科研階段進入商品生產的成熟階段(如制動、轉向、懸架的集中控制,發動機、變速器的集中控制)。同時,智能集成傳感器和智能執行器將付諸實踐,數字信號處理方法將應用於語音識別、安全碰撞、及時診斷和導航系統。供電系統的綠色化有兩層含義:壹是節電顯著,即節約發電能力,而發電是造成環境汙染的重要原因,所以節電可以減少環境汙染;其次,這些電源不能(或少)汙染電網,國際電工委員會(IEC)制定了壹系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多電力電子節能裝置往往成為電網的汙染源:向電網註入嚴重的高次諧波電流,降低總功率因數,電網電壓耦合多尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,有源濾波器和有源補償器的各種方案誕生了,校正功率因數的方法也很多。這些為21世紀大規模生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。
現代電力電子技術是開關電源技術發展的基礎。隨著適用於更高開關頻率的新型電力電子器件和電路拓撲的不斷出現,現代電源技術將在現實需求的推動下快速發展。在傳統應用技術下,開關電源的性能受到功率器件性能限制的影響。為了充分發揮各種功率器件的特性,盡量減小器件性能對開關電源性能的影響,新的電源電路拓撲和新的控制技術可以使功率開關工作在零電壓或零電流狀態,從而大大提高工作頻率,提高開關電源的工作效率,設計出性能優異的開關電源。
總之,電力電子和開關電源技術因應用需求而不斷發展,新技術的出現會更新很多應用產品,開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化的實現,將標誌著這些技術的成熟,實現高效率和高質量用電的結合。近年來,隨著通信行業的發展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源國內市場需求超過20億人民幣,吸引了大量國內外科技人員進行研發。開關電源取代線性電源和相控電源是大勢所趨。因此,同樣有百億產值需求的電動電源系統國內市場正在起步,並將很快發展起來。還有很多其他以開關電源技術為核心的特種電源和工業電源等著人們去開發。