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          現代電子技術(shù)的發(fā)展方向

          發(fā)布人:帝克DICGU  時(shí)間:2015-11-06 點(diǎn)擊:次 【字體:

          1. 電力電子技術(shù)的發(fā)展  現代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的傳統電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的現代電力電子學(xué)方向轉變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代,并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來(lái)的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現代電力電子時(shí)代。

          1.1 整流器時(shí)代

            大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車(chē)、電傳動(dòng)的內燃機車(chē)、地鐵機車(chē)、城市無(wú)軌電車(chē)等)和直流傳動(dòng)(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開(kāi)發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時(shí)國內曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠(chǎng)的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠(chǎng)家就是那時(shí)的產(chǎn)物。

          1.2 逆變器時(shí)代  

             七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著(zhù)而迅速發(fā)展。變頻調速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著(zhù)變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當時(shí)電力電子器件的主角。類(lèi)似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補償等。這時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠實(shí)現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內?! ?.3 變頻器時(shí)代  進(jìn)入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術(shù)的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問(wèn)世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門(mén)極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來(lái)機遇。MOSFET和IGBT的相繼問(wèn)世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場(chǎng)上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節材節能,實(shí)現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎。

          2. 現代電力電子的應用領(lǐng)域

            2.1 計算機高效率綠色電源

            高速發(fā)展的計算機技術(shù)帶領(lǐng)人類(lèi)進(jìn)入了信息社會(huì ),同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開(kāi)關(guān)電源,率先完成計算機電源換代。接著(zhù)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設備領(lǐng)域?! ∮嬎銠C技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無(wú)害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品,綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星”計劃規定,桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的外圍設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開(kāi)關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

            2.2 通信用高頻開(kāi)關(guān)電源

            通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開(kāi)關(guān)電源及其技術(shù)已成為現代通信供電系統的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱(chēng)為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱(chēng)為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱(chēng)值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開(kāi)關(guān)電源取代,高頻開(kāi)關(guān)電源(也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)型整流器SMR)通過(guò)MOSFET或IGBT的高頻工作,開(kāi)關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實(shí)現高效率和小型化。近幾年,開(kāi)關(guān)整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。

            因通信設備中所用集成電路的種類(lèi)繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線(xiàn)電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。


            2.3 直流-直流(DC/DC)變換器  DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應用于無(wú)軌電車(chē)、地鐵列車(chē)、電動(dòng)車(chē)的無(wú)級變速和控制,同時(shí)使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時(shí)收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開(kāi)關(guān)電源), 同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲的作用?! ⊥ㄐ烹娫吹亩坞娫碊C/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開(kāi)關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著(zhù)大規模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現小型化,因此就要不斷提高開(kāi)關(guān)頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開(kāi)關(guān)和零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。


            2.4 不間斷電源(UPS)  不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場(chǎng)合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉換開(kāi)關(guān)送到負載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過(guò)電源轉換開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現?! ‖F代UPS普遍了采用脈寬調制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實(shí)現對UPS的智能化管理,進(jìn)行遠程維護和遠程診斷。

            目前在線(xiàn)式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多種規格的產(chǎn)品。


            2.5 變頻器電源  變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動(dòng)系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過(guò)整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器, 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動(dòng)交流異步電動(dòng)機實(shí)現無(wú)級調速。

            國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術(shù)應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優(yōu)點(diǎn)。國內于90年代初期開(kāi)始研究變頻空調,96年引進(jìn)生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)變頻空調器,逐漸形成變頻空調開(kāi)發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。預計到2000年左右將形成高潮。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進(jìn)一步發(fā)展方向?!?/p>


           2.6 高頻逆變式整流焊機電源  高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著(zhù)廣闊的應用前景。

            逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合, 整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用?! ∮捎诤笝C電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開(kāi)路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問(wèn)題成為最關(guān)鍵的問(wèn)題,也是用戶(hù)最關(guān)心的問(wèn)題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關(guān)控制器,通過(guò)對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態(tài)的目的,進(jìn)而提前對系統做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。

            總而言之,電力電子及開(kāi)關(guān)電源技術(shù)因應用需求不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現又會(huì )使許多應用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會(huì )開(kāi)拓更多更新的應用領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實(shí)現,將標志著(zhù)這些技術(shù)的成熟,實(shí)現高效率用電和高品質(zhì)用電相結合。這幾年,隨著(zhù)通信行業(yè)的發(fā)展,以開(kāi)關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開(kāi)關(guān)電源,僅國內有20多億人民幣的市場(chǎng)需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。開(kāi)關(guān)電源代替線(xiàn)性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統的國內市場(chǎng)正在啟動(dòng),并將很快發(fā)展起來(lái)。還有其它許多以開(kāi)關(guān)電源技術(shù)為核心的專(zhuān)用電源、工業(yè)電源正在等待著(zhù)人們去開(kāi)發(fā)。

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