[原创]现代电源技术的发展与应用 [复制链接]

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发表于 2007-9-19 13:28:00 |只看该作者 |正序浏览

现代电源技术是应用高频电力电子半导体器件，自动控制、高性能数字处理技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。这些技术的成熟与应用在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起着关键的作用，是现代高频电力电子技术的整合应用。      当前，高频电力电子开关器件作为降耗、节能、环保、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、控制方式软件化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来，高频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。  一、电力电子技术的发展      现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术为主的传统电力电子学，向以高频技术为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术始于上世纪的四十年代末五十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.   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%~40%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以70~85%的效率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，目前全国小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物，但是，整流器的高谐波干扰，低转换效率，体积庞大，散热量大成了实际应用的瓶颈。 2.   逆变器时代      七十年代中期出现了世界范围的能源危机，交流电机变频调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、大功率达林顿功率管（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，使得设备的体积依然庞大，功率器件的损耗较大，转换效率不够高，仅仅局限在中低频范围内。  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。将集成电路的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，与之配套出现的软开关切换技术，

WM调制技术，谐振开关技术的应用，使得全控型功率器件，首先是金属氧化物功率管（M0SFET）的应用，促使中小功率电源向高频化发展，而绝缘栅极双极晶体管（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地步，而用IGBT代替GTR在电力电子领域已成定论。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，而且使现代电力电子技术不断向高频化发展，促使交流--直流变换、直流--直流变换、直流--交流逆变技术不断提升，可靠性不断提高，为用电设备提供高效、节能、降耗、环保、电源体积小型化、电源重量轻量化、控制技术智能化和机电一体化的发展方向提供了重要的技术基础和技术保障。 二、现代电力电子的应用领域  1.   为高性能计算机提供高效率绿色电源      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的概念。绿色电脑是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、环保、低谐波干扰的电源，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80%的200瓦开关电源而言，电源自身就要消耗40瓦的能源，显然，这与当前的能源紧张的局面形成了明显的对比，因此，待机功耗1W的开关电源已经成为当前的主要奋斗目标。 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50-300kHz范围内，实现高效率、低谐波和小型化。近几年，开关整流器的功率容量不断扩大，单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A，但就主设备的可靠性运行和需求来看，主流的高频开关电源模块的输出容量基本上可以分为单相：48V/30A、48V/50A，三相：48V/100A。      3.   直流-直流（DC/DC）变换器      DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为另一个直流电压的装置，这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制以及通信上，同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能（20~30）%。直流斩波器不仅能起调压的作用（开关电源），同时还能起到有效地抑制电网侧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，基本上分为两大类：一类是模块式的DC/DC，它需要安装在一个专门的机架上，另一类是BMP式的DC/DC，它可以直接安装在主电路控制板上，或者是不同的功能板上，前者大多数采用半桥型式升压电路，开关频率一般控制在100kHz以内，后者的BMP模块则采用高频

WM技术，开关频率在500kHz甚至更高，功率密度为5W~20W/inch3。随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因此就要不断提高开关频率，降低开关损耗，改善内部散热结构和散热模式，采用新型电路拓扑结构，目前零电流开关和零电压开关技术已经是一种成熟的技术，为了达到更高的功率密度，更高的效率，更小的体积，一些公司开始了VRM技术的研究，可以把DC/DC模块的工作频率提高到M级，功率密度将有更大幅度的提高，模块的体积将进一步的减小。  4.   不间断电源（<a href="http://www.c114.net/search/r_search.asp?column=news&key=UPS">UPS</a>）      不间断电源（UPS）是计算机、通信系统以及要求提供不能中断交流供电的场合所必须的一种高可靠、高性能的交流不间断电源系统。     交流市电输入经整流器变成直流，一部分能量给蓄电池组充电，另一部分能量经逆变器变成交流，经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量，另一路备用电源通过电源自动转换开关（ATS）来实现。     现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率IGBT等现代电力电子器件，电源的噪声得以降低，而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入，可以实现对UPS的智能化管理，进行远程维护和远程诊断。    目前，在线式UPS的最大容量已可作到600kVA，从实际应用上看，单机容量越大，意味着危险系数也越大，因此，很多厂家正在积极研究模块化的UPS，以单台为15KVA/20KVA/30KVA/50KVA为单元，通过模块的逐步并联，来达到满足客户负载的需求，这样，不仅可以实现N+1或者N+x的备份供电模式，更可以合理配置交流供电系统，达到最佳的用电状态。  5.   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工业类设备：如静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备，电压高达50~l59kV，电流达到0.5A以上，功率可达100kW，还有一个应用将是在IT业的IDC数据机房的供电上。    自从70年代开始，日本的一些公司开始采用逆变技术，将市电整流后逆变为3kHz左右的中频，然后升压。进入80年代，高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小。     国内对静电除尘高压直流电源进行了研制，市电经整流变为直流，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，然后由高频变压器升压，最后整流为直流高压。在电阻负载条件下，输出直流电压达到55kV，电流达到15mA，工作频率为25.6kHz。   6.   电力有源滤波器     传统的交流-直流（AC-DC）变换器在投运时，将向电网注入大量的谐波电流，引起谐波损耗和干扰，同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象，即所谓“电力公害”，例如，不可控整流加电容滤波时，网侧三次谐波含量可达（70~80）%，网侧功率因数仅有0.5~0.6。      电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置，能克服传统LC滤波器的不足，是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由全桥桥开关功率变换器和侦测控制电路构成。与传统开关电源的区别是:1)   不仅反馈输出电压，还反馈输入平均电流;2)   电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。  7.   分布式开关电源供电系统      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基本部件，利用最新的数字控制理论和技术，高频开关技术成果，组成积木式、智能化的大功率供电电源，从而使强电与弱电紧密结合，降低大功率元器件、大功率装置（集中式）的研制压力，提高生产效率。     八十年代初期，对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期，随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现，结合大规模集成电路和功率元器件技术，使中小功率装置的集成成为可能，从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。     分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳，也是超高速型集成电路的低电压电源（3.3V）的最为理想的供电方式。在大功率场合，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阔的应用前景。