电力电子技术论文-现代电力电子及电源技术的发展.doc

电力电子技术论文 现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技 术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用,是现代电力电 子技术的具 体应用。 当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础, 正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电 子技术将使电源技术更加成熟、经 济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。 1. 电力电子技术的发展 现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频 技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。 电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅 整流器件,其发展先后经历了整流器时代、 逆变器时代和变频器时代,并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、 集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力 电子时代。 1.1 整流器时代 大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约 20%的电能是以直流形式消费的, 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(电气机车、 电传动的内燃机车、 地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率 地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与 应用得以很大发展。 当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制 造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。 1.2 逆变器时代 七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频 调速的关键技术是将直流电逆变为 0~100Hz 的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装 置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电 力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力 电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。 1.3 变频器时代 进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠 定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控 型功率器件、首先是功率 M0SFET 的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极 晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。 MOSFET 和 IGBT 的相继问世,是 传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。 据统计,到 1995 年底,功率 M0SFET 和 GTR 在功率半 导体器件市场上已达到平分秋色的更多资料访问六剑客职教园： 地步,而用 IGBT 代替 GTR 在电力 电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加 完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化, 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 2.1 计算机高效率绿色电源 高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十 年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电 子、电器设备领域。 计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关 产品， 绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署 l992 年 6 月 17 日“能 源之星计划规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于 30 瓦,就符 合 绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为 75%的 200 瓦开关电 源而言,电源自身要消耗 50 瓦的能源。 2.2 通信用高频开关电源 通信业的迅速发展极大的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,通常将整流器称为一次电源,而将直流-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变换成标称值为 48V 的直流电源。 目 前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源 (也称为开关型整流器 SMR)通过 MOSFET 或 IGBT 的高频工作,开关频率一般控制在 50-100kHz 范 围内,实现高效率和小型化。 近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量