1電力半導體器件
半導體變流技術的發展,立足於電力半導體器件的發展。繼電子離子器件之後,電力半導體器件是以美國1956年生產矽整流管〔RS)、1958年生產晶閘管(CSR)為起始點逐漸發展起來的。經過了40多年的發展,在器件製造技術上不斷提高,己經歷了以晶閘管為代表的分立器件,以可關斷晶閘管(GTO)、巨型電晶體(GTR)、功率MOSFET、絕緣柵雙極性電晶體(IBT為代表的功率集成器件(PI,以及以智慧型化功率積體電路(SPIC)、高壓功率積體電路H(VIC)為代表的功率積體電路(PIC)等三個發展時期。從晶閘管靠換相電流過零關斷的半控器件發展到PID、PIC通過門極或柵極控制脈衝可實現器件導通與關斷的全控器件,從而實現了真正意義上的可控矽。在器件的控制模式上,從電流型控制模式發展到電壓型控制模式,不僅大大降低了門極(柵極)的控制功率,而且大大提高了器件導通與關斷的轉換速度,從而使器件的工作頻率由工頻一中頻~高頻不斷提高。在器件結構上,從分立器件,發展到由分立器件組合成功率變換電路的初級模組,繼而將功率變換電路與觸發控制電路、緩衝電路、檢測電路等組合在一起的複雜模組。功率集成器件從單一器件發展到模組的速度更為迅速,今天己經開發出具有智慧型化功能的模組(PIM)。
以SPIC、HVIC等功率積體電路為代表的發展階段,使電力電子技術與微電子技術更緊密地結合在了一起,是將全控型電力電子器件與驅動電路、控制電路、感測電路、保護電路、邏輯電路等集成在一起的高度智慧型化的功率積體電路。它實現了器件與電路的集成,強電與弱電、功率流與信息流的集成,成為機和電之間的智慧型化接口,機電一體化的基礎單元,預計PIC的發展將會使電力電子技術實現第二次革命,進入全新的智慧型化時代。這一階段還處在初期發展中。
變流技術的發展與套用範圍
電力電子技術根據用電場合而改變電能的套用方式即所謂“變流”。變流技術發展到今天,其按其實現的功能大致分為5個方面:
1)整流:實現AC/DC變換;
2)逆變:實現DC/AC變換;
3)變頻:實現AC/AC(AC/DC/AC)變換;
4)斬波:實現DC/DC(AC/DC/DC)變換;
5)靜止式固態斷路器:實現無觸點的開關、斷路器的功能,控制電能的通
斷。
變流技術的發展變流技術的發展,已經歷了三個階段。
1.第一階段
第一階段是基於電子管、離子管(閘流管、汞弧變流器、高壓汞弧閥)的發展與套用,當時把這一學科稱作工業電子學(nIdustrialElectornics)o這一階段的研究工作,主要是集中在整流、逆變和變頻技術的開發上。變流技術的套用領域主要是直流傳動,直流牽引,電化、電冶、中頻、高頻淬火、加熱,高壓直流輸電等。由於直流傳動,直流牽引,電化電冶在變流技術套用中占有壓倒的優勢,因此,那時將直流傳動、牽引、電化稱作變流行業的三大支柱。其實從變流技術的分類來看,它屬於整流變換,是變流技術的一小部分。
2.第二階段
第二階段是基於矽整流管和晶閘管,而主要是晶閘管的發展與套用。電力電子學(PowerElectornics)在我國始於20世紀60年代初,並取代了工業電子學。由於變流技術的基本理論—整流、逆變、變頻技術的研究,可以說在第一階段已經完成,這已不是第二階段的研究主題。這一階段主要是針對矽整流管、晶閘管取代電子管、離子管以後出現的新問題(如矽整流管、晶閘管的阻斷電壓不高,通態電流不大,耐受過電壓、過電流衝擊能力不強,套用中稍有異常狀況出現,便會造成器件永久性損壞)開展的套用研究,諸如觸發電路的研究、器件並聯均流措施的研究、器件串聯均壓措施的研究、器件換相過程中防止開通過電流、關斷過電壓的緩衝(阻尼)電路的研究、變流裝置過電壓保護、過電流保護、過熱保護的研究,以及器件的熱容量與變流系統故障時系統短路電流及快速熔斷器短路容量的保護配合研究等。隨著器件製造水平的不斷提高,變流裝置保護措施的不斷完善,使得矽整流管、晶閘管在變流裝置中的套用技術日趨成熟。
3.第三階段
第三階段是基於全控型電力半導體器件的發展與套用,是半導體電力變流器向高頻化發展的階段,也是變流裝置的控制方式由移相控制(PhaseshiftContor)l向時間比率控制(TimeRatioConiorl一TRC)發展的階段。時下將採用上述二種控制方式的變流裝置(電源)簡單地稱作相控電源和開關電源的說法是不確切的,這是因為在半導體電力變流器中,承擔功率變換的電力電子器件就是作為無觸點開關來套用的,無論是相控電源還是時間比率控制電源都是工_作在開關狀態,因此,稱為移相控制電源和時間比率控制電源的比較確切。
第三階段的發展是隨著全控型器件的發展而逐漸展開的。首先以GTO、G1’R等雙極型全控器件的套用為代表,使逆變、變頻、斬波變換電路的結構大為簡化,使變換的頻率可以提高到20kHz左右,為電氣設備的高頻化、小型化、高效、節能、節材奠定了基礎。但是由於GTO、GTR是電流型控制器件,控制電路功率大,且變換頻率也不能很高。隨著變換頻率的不斷提高,PWM電路的缺點便逐漸暴露了出來。由於P枷電路屬硬開關電路,一方面使電路中的變換器件工作時所承受的電壓應力及電流應力大,同時變換過程中高的dy/dt、di/dt又會產生嚴重的電磁干擾,使電氣電子設備電磁兼容的問題突出;另一方面器件開通與關斷損耗的問題逐漸棘手,嚴重製約了變換頻率的進一步提高。於是建立在諧振、準諧振原理之上的軟開關電路,即所謂的零電壓開關(ZVS)與零電流開關(CzS)電路問世。它是利用諧振進行換相的一種新型變流電路,實現了器件在零電壓下的導通和零電流下的關斷,從而大大降低了器件的開關損耗,這樣一來,TCR技術+軟開關技術使得變換頻率進一步得到提高。
2 PWM整流器
PWM整流器技術是中等容量單位功率因數採用的主要技術,一般需要使用自關斷器件。三相PWM整流器在幾乎不增加任何硬體的基礎上,即可以實現能量的雙向流動,_日電路性能穩定其控制策略的實用性研究是電力電子領域的一個熱點。
PWM整流器的發展和現狀
PWM整流器的出現是基於功率因數校正和諧波抑制。70年代初,國外就開始了該項技術的基礎研究,80年代後期隨著全控型器件的問一世,採用全控型器件實現PWM整流的研究進入高潮。
PWM整流器主電路拓撲結構
PWM整流器的主電路拓撲結構近幾十年來沒有重大突破,主電路設計的基本原則是在保持系統的基礎上,儘量簡化電路拓撲結構,減少開關元件數,降低總成本,提高系統的可靠性。
電壓型PWM整流器主電路拓撲結構
單相全橋PWM整流器，通過開關V1-V4進行PWM控制,就可在橋的交流輸入端產生正弦調製PWM波U、,U中不含低次諧波成分,只含有和被調正弦信號波同頻率月幅值成比例的基波分量以及與三角載波有關的高頻諧波。由於電感Ls的濾波作用,高次諧波只會使交流電流i產生很小的脈動,在理想情況下,當被調正弦信一號波的頻率和電源頻率相同時, i是與電源同頻率的正弦波,對U中基波分量的幅值和相位進行控制,可以達到使交流側電流波形正弦化且功率因數接近1的目的。
三相全橋PWM整流器,通過對電路進行正弦波PWM控制,使得整流橋的交流輸入端產生正弦PWM電壓,對各相電壓進行控制,就可以使各相電流i。i為i`「為正弦波且和電壓相位相同,從而使功率囚數為1。當電路工作在整流狀態下,能量從電網側流向直流側的負載;當電路工作在再生狀態下,類似於三相PWM電壓型逆變器,可以將直流側的能量回饋到交流電網側。
電流型PWM整流器主電路拓撲
電流型PWM整流電路。利用正弦波調製的方法控制直流電流在各開關器件的分配,使交流電流波形近似與電源電壓同相位的正弦波,實現功率因數近似為1,但其交流側電流波形中含有較多的諧波成分。
就現狀而言,山於電壓型PWM整流器的實現相對容易,並月.具有較簡單的拓撲結構和回響速度(相對電流型PWM整流整流器而一言),配置簡單的輸入濾波器即可實現較低的電磁干擾等特點.
PWM整流控制技術研究方向
控制技術是PW整流器發展地關鍵。近年來,有關PWM整流器高頻整流控制技術地研究緊緊圍繞以下兒方面地要求;
1)減少AC側輸入電流畸變率,降低其對電網的負面效應。一般要求在整個負載波動范)Ifll內,AC側輸入電流地總諧波畸變率低於5%。
2)提高功率因數,減少整流的非線性,使之對電網而言相對於“純阻性負載”。
3)提高系統的動態回響能力,減少系統的動態回響時間。
4)降低系統的開關損耗,提高整個裝置的效率。
5)減少直流側紋波係數,縮小直流側濾波器體積,減輕重量。
6)提高直流側電壓利用率,擴大調製波的控制範圍。
3 PWM 整流器控制技術的發展趨勢
自20世紀80年代開始PWM整流器研究以來，PWM整流器控制雖已取得了很多成果，但仍不完善。它的發展趨勢大致可歸結為以下幾個方面。
(1) 新控制方法及集成控制方法研究
VSR 可以採用的控制方法很多，每種控制方法都有其特點和適用場合。隨著電力電子、微電子、計算機等技術的發展，採用DSP 可快速實現複雜運算，一些複雜控制算法逐步得到實際套用；為使控制系統具有更高的動靜態性能，應該尋找新型的控制方法或改進現有的控制方法；目前電VSR 網側電流控制有將固定開關頻率、滯環及空間矢量控制相結合的趨勢；由於很難憑藉單獨一種控制方法來解決實際控制系統中的眾多難點問題和實現綜合性的設計目標，因此，可將不同的控制方法進行“整合”集成而形成複合控制，以實現取長補短，有機融合成更有效的控制方案。
(2) PWM 整流器無感測器控制研究
PWM 整流器控制一般需要通過交流電壓、交流電流和負載電壓的三類感測器來檢測交流側的電流、電壓和直流側的電壓值，有的控制方案還需負載電流感測器，實現成本較高。為了簡化控制系統的結構、降低成本和安裝費用，無感測器控制技術研究取消交流電壓和交流電流感測器，而採用預測算法或觀測器重構估算出網側電壓或者電流。
(3) PWM 整流器無感測器控制技術
PWM 整流器無交流電流感測器控制策略既有效克服了間接電流控制中動態性能不好的缺點，同時又可以節省價格昂貴的電流感測器，具有硬體結構簡單，便於微機實現的優點。通過建立一個電流觀測器來計算出網側電流估計值，其關鍵部分在於開關函式的檢測和輸入電流指令的構造。由於該控制策略硬體成本低，因此在實際工程中有很好的套用價值。
(4) 電網不平衡條件下VSR控制研究
常規PWM整流器均以三相電網是平衡的為前提，這樣一旦三相電壓不平衡，電壓的負序分量會使整流器網側電流和直流輸出電壓含有豐富的低次諧波，利用常規的電網平衡條件下的控制方法進行控制，則會降低整流器的性能，甚至產生不正常的運行狀態。電網不平衡條件下VSR控制技術目前主要集中在整流器網側電感及直流側電容的設計，或者是通過控制系統本身去改善和抑制整流器輸入側的不平衡因素以及對傳統數學模型的重構和控制策略的改進。通過引入正序、負序兩套同步旋轉坐標系的獨立控制方案，在各自的同步旋轉坐標系中，將正序、負序基波分量均轉換成直流分量，再通過各自的控制器實現無靜差控制，從而大大提高了系統的運行穩定性和魯棒性。
(5) CSR 控制研究
隨著高溫超導技術的套用和發展， CSR電感儲能的效率得到極大的提高，功率損耗大為降低，體積、價格等方面也得到改善。因此，利用CSR 實現高性能的電能輸送將逐漸興起，而其控制研究也將成為熱點。VSR 的控制策略大多也可套用在CSR上，但由於CSR 交流側二階濾波結構使整流器交流側的瞬時功率平衡表達式與VSR 不同，另外，CSR交流側弱阻尼的二階濾波環節較之VSR 的一階環節，更易激起振盪，CSR 的電流控制更為複雜。因此CSR 的控制遠不及VSR 成熟。
(6) 電網不平衡條件下CSR 控制研究在CSR 中，電網電壓的不平衡同樣會帶來VSR類似的問題。為了消除由電壓不平衡產生的低次非特徵諧波，可以採用增大交流側和直流側濾波器的尺寸、前饋補償的方法、反饋控制法等三種方法。
