電力篇
1、電力電子技術發展
現代電力電子技術的發展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始於五十年代末六十年代初的矽整流器件,其發展先後經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,並促進了電力電子技術在許多新領域的套用。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流於一身的功率半導體複合器件,表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
電子技術1.1整流器時代
大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,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、電傳動的內燃機車、捷運機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率矽整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電,因此在六十年代和七十年代,大功率矽整流管和晶閘管的開發與套用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦矽整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的製造矽整流器的半導體廠家就是那時的產物。
1.2逆變器時代
電子元器件七十年代出現了世界範圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率電晶體(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的套用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻範圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規模和超大規模積體電路技術的迅猛發展,為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。將積體電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發展,而後絕緣門極雙極電晶體(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標誌。據統計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發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不斷向高頻化發展,為用電設備的高效節材節能,實現小型輕量化,機電一體化和智慧型化提供了重要的技術基礎。
2、現代電力電子的套用領域
2.1 計算機高效率綠色電源
高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發展。八十年代,計算機全面採用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日“能源之星"計畫規定,桌上型個人電腦或相關的外圍設備,在睡眠狀態下的耗電量若小於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瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2 通信用高頻開關電源
通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為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關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz範圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關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。
因通信設備中所用積體電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中採用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模組,從中間母線電壓(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變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛套用於無軌電車、捷運列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速回響的性能,並同時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(開關電源), 同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模組採用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模積體電路的發展,要求電源模組實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和採用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研製生產了採用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模組,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合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了採用脈寬調製技術和功率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。微處理器軟硬體技術的引入,可以實現對UPS的智慧型化管理,進行遠程維護和遠程診斷。
目前線上式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lva、2kVA、3kVA等多種規格的產品。
2.5 變頻器電源
變頻器電源主要用於交流電機的變頻調速,其在電氣傳動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採用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然後由大功率電晶體或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,電源輸出波形近似於正弦波,用於驅動交流異步電動機實現無級調速。
電子產品國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術套用於空調器中。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、節能等優點。國內於90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成高潮。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合於變頻調速的壓縮機電機。最佳化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研製的進一步發展方向。
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展方向。由於IGBT大容量模組的商用化,這種電源更有著廣闊的套用前景。
逆變焊機電源大都採用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,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,經高頻變壓器耦合, 整流濾波後成為穩定的直流,供電弧使用。
由於焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處於短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。採用微處理器做為脈衝寬度調製(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進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。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節範圍5~300A,重量29kg。
2.7 大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛套用於靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始採用逆變技術,將市電整流後逆變為3kHz左右的中頻,然後升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司採用功率電晶體做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。並將乾式變壓器技術成功的套用於高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研製,市電經整流變為直流,採用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然後由高頻變壓器升壓,最後整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8 電力有源濾波器
傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;
(2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9 分散式開關電源供電系統
分散式電源供電系統採用小功率模組和大規模控制積體電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智慧型化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研製壓力,提高生產效率。
八十年代初期,對分散式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器並聯技術的研究上。八十年代中後期,隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模積體電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分散式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代後期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，套用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸採納,也是超高速型積體電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。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、電動機驅動電源等領域也有廣闊的套用前景。
3. 高頻開關電源的發展趨勢
在電力電子技術的套用及各種電源系統中，開關電源技術均處於核心地位。對於大型電解電鍍電源,傳統的電路非常龐大而笨重,如果採用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近於理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、雷射器電源、電力操作電源等 )的核心技術。
3.1 高頻化
理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基於這一原理。同樣,傳統“整流行業”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造, 成為“開關變換類電源”,其主要材料可以節約90%或更高,還可節電30%或更多。由於功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來採用電子管的傳統高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。
3.2 模組化
模組化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模組化,其二是指電源單元的模組化。我們常見的器件模組,含有一單元、兩單元、六單元直至七元,包括開關器件和與之反並聯的續流二極體,實質上都屬於“標準”功率模組(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模組中去,構成了“智慧型化”功率模組(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計製造。實際上,由於頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些製造商開發了“用戶專用”功率模組(ASPM),它把一台整機的幾乎所有硬體都以晶片的形式安裝到一個模組中,使元器件之間不再有傳統的引線連線,這樣的模組經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到最佳化完美的境地。它類似於微電子中的用戶專用積體電路(ASIC)。只要把控制軟體寫入該模組中的微處理器晶片,再把整個模組固定在相應的散熱器上,就構成一台新型的開關電源裝置。由此可見,模組化的目的不僅在於使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。另外,大功率的開關電源,由於器件容量的限制和增加冗餘提高可靠性方面的考慮,一般採用多個獨立的模組單元並聯工作,採用均流技術,所有模組共同分擔負載電流,一旦其中某個模組失效,其它模組再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量, 在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求, 而且通過增加相對整個系統來說功率很小的冗餘電源模組,極大的提高系統可靠性,即使萬一出現單模組故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時間。
3.3 數位化
在傳統功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數位訊號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點:便於計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便於軟體包調試和遙感遙測遙調,也便於自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對於各類電路和系統的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印製版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對於智慧型化的開關電源,需要用計算機控制時,數位化技術就離不開了。
3.4 綠色化
電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著節電, 這意味著發電容量的節約,而發電是造成環境污染的重要原因,所以節電就可以減少對環境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。這些為2l世紀批量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。隨著新型電力電子器件和適於更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現,現代電源技術將在實際需要的推動下快速發展。在傳統的套用技術下,由於功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓撲和新型的控制技術,可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態,從而可大大的提高工作頻率,提高開關電源工作效率,設計出性能優良的開關電源。
總而言之,電力電子及開關電源技術因套用需求不斷向前發展,新技術的出現又會使許多套用產品更新換代,還會開拓更多更新的套用領域。開關電源高頻化、模組化、數位化、綠色化等的實現,將標誌著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,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,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動,並將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發。
半導體器件基礎
電子技術半導體概述
半導體系指一種導電性可受控制，範圍可從絕緣體至導體之間的材料。無論從科技或是經濟發展的角度來看，半導體的重要性都是非常巨大的。今日大部分的電子產品，如電腦、行動電話或是數位錄放音機當中的核心單元都和半導體有著極為密切的關連。常見的半導體材料有矽、鍺、砷化鎵等，而矽更是各種半導體材料中，在商業套用上最具有影響力的一種。
半導體二極體
雙極型電晶體
場效應管
放大電路
分立放大電路
單極三極體放大電路的基本接法
單極MOS管放大電路的基本接法
極間耦合放大和多極放大電路
集成運算放大電路
差動放大電路
電流源電路
輸出極電路
功率放大電路 =
運算電路
比例運算電路
加減運算電路
積分運算電路和微分運算電路
乘除運算電路
濾波電路
低通濾波電路
信號發生和變換電路
正弦波發生電路
