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变流技术与半导体电力变流器
发表时间:2008-7-8    

 特点

    电力电子学(或电力电子技术)的理论是建立在电子学、电力学和控制学三个学科基础之上的。起初它被认为是介于电子学、电力学与控制学之间的边缘学科,但是随着电力电子技术的不断发展,它已成为一个涉及领域广阔的学科,可以说凡是涉及到电能应用的场合,便有其用武之地。时值今日它不仅已发展成为高科技的一个分支,而且还是许多高科技的支撑。

    电力电子技术之所以和“电力”二字相连则是因为最初它的应用范围主要是在电气工程中和电力系统中,对市电或强电进行控制与变换。其作用就是根据负荷和负载的特殊要求,对市电、强电进行各种形式的变换(主要是频率的变换),以使电气设备得到最佳的电能供给,使电力系统处于最佳的运行状态,从而使电气设备和电力系统实现高效、安全、经济的运行。电力电子技术发展到今天,它不仅仅只涉及到“电力”的变换与应用,而且也涉及到化学能电源(电池)、太阳能电池电能的变换与应用。虽然已突破了当初单纯“电力”的界限,但是仍然是在功率变换的范围。

    仅就电力电子技术本身而言,它主要包括二个方面,即电力半导体器件制造技术和电力半导体变流技术。前者是电力电子技术的基础,后者是电力电子技术的核心。二者相辅相成,相互依存,相互促进的关系,使得电力电子技术发展的势头一浪高过一浪,使其在科技进步和经济建设中发挥着越来越重要的作用。

    1电力半导体器件

    半导体变流技术的发展,立足于电力半导体器件的发展。而电力半导体器件是以美国1956年生产硅整流管(SR)、1958年生产晶闸管(SCR)为起始点逐渐发展起来的。

    经过了40多年的发展,在器件制造技术上不断提高,已经历了以晶闸管为代表的分立器件,以可关断晶闸管(GTO)、巨型晶体管(GTR)、功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的功率集成器件(PID),以智能化功率集成电路(SPIC)、高压功率集成电路(HVIC)为代表的功率集成电路(PIC)等三个发展时期。从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到PID、PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件,从而实现了真正意义上的可控硅。在器件的控制模式上,从电流型控制模式发展到电压型控制模式,不仅大大降低了门极(栅极)的控制功率,而且大大提高了器件导通与关断的转换速度,从而使器件的工作频率由工频→中频→高频不断提高。

    在器件结构上,从分立器件,发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块,继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。功率集成器件从单一器件发展到模块的速度更为迅速,今天已经开发出具有智能化功能的模块(IPM)。

    所有这一切为高频变换技术的开发,为变流器实现高频化、小型化、轻量化,为节能、节材、提高效率与可靠性奠定了基础。

    关于具有代表性的电力半导体器件与模块的发展概况可参见表1。

    概括电力电子器件40多年来的发展,经历了三个时期,具体可分为四个阶段。

    (1)第一阶段

    以整流管、晶闸管为代表的发展阶段,其在低频、大功率变流领域中的应用占有优势,很快便完全取代了汞弧整流器。

2)第二阶段

    以GTO、GTR等全控器件为代表的发展阶段,虽仍属电流型控制模式,但其应用使得变流器的准高频化得以实现。

    (3)第三阶段

    以功率MOSFET、IGBT等电压型全控器件为代表的发展阶段,可直接用IC进行驱动,高频特性更好,可以说器件制造技术已进入了和微电子技术相结合的初级阶段。即电力电子器件与电子器件在发展的道路上,经历了一段时间的分道扬镳、各走各的路的状况之后,又走到一起了。

    (4)第四阶段

    以SPIC、HVIC等功率集成电路为代表的发展阶段,使电力电子技术与微电子技术更紧密地结合在了一起,是将全控型电力电子器件与驱动电路、控制电路、传感电路、保护电路、逻辑电路等集成在一起的高度智能化的功率集成电路。它实现了器件与电路的集成,强电与弱电、功率流与信息流的集成,成为机和电之间的智能化接口,机电一体化的基础单元,预计PIC的发展将会使电力电子技术实现第二次革命,进入全新的智能化时代。这一阶段还处在初期发展中。

    2半导体电力变流器

    2.1变流技术的应用范围

    变流技术发展到今天,其应用范围大致分为5个方面。

    (1)整流:实现AC/DC变换;

    (2)逆变:实现DC/AC变换;

    (3)变频:实现AC/AC(AC/DC/AC)变换;

    (4)斩波:实现DC/DC(AC/DC/DC)变换;

    (5)静止式固态断路器:实现无触点的开关、断路器的功能,控制电能的通断。

    2.2变流技术的发展

    变流技术的发展,已经历了三个阶段。

    (1)第一阶段

    第一阶段是基于电子管、离子管(闸流管、汞弧整流器、高压汞弧阀)的发展与应用,当时把这一学科称作工业电子学(IndustrialElectronics)。这一阶段的研究工作,主要是集中在整流、逆变和变频技术的开发上。变流技术的应用领域主要是直流传动,直流牵引,电化、电冶、中频、高频淬火、加热,高压直流输电等。由于直流传动,直流牵引,电化电冶在变流技术应用中占有压倒的优势,因此,那时将直流传动、牵引、电化称作变流行业的三大支柱。其实从变流技术的分类来看,它属于整流变换,是变流技术的一小部分。

    (2)第二阶段

    第二阶段是基于硅整流管、晶闸管的发展与应用,主要是晶闸管

 在我国始于20世纪60年代初,电力电子学(PowerElectronics)问世,并取代了工业电子学。由于变流技术的基本理论——整流、逆变、变频技术的研究,可以说在第一阶段已经完成,这已不是第二阶段的研究主题。这一阶段主要是针对硅整流管、晶闸管取代电子管、离子管以后出现的新问题,(如硅整流管、晶闸管的阻断电压不高,通态电流不大,耐受过电压、过电流冲击能力不强,应用中稍有异常状况出现,便会造成器件永久性损坏)开展的应用研究,诸如:触发电路的研究、器件并联均流措施的研究、器件串联均压措施的研究、器件换相过程中防止开通过电流、关断过电压的缓冲(阻尼)电路的研究、变流装置过电压保护、过电流保护、过热保护的研究,以及器件的热容量与变流系统故障时系统短路电流及快速熔断器短路容量的保护配合研究等。随着器件制造水平的不断提高,变流装置保护措施的不断完善,使得硅整流管、晶闸管在变流装置中的应用技术日趋成熟。

    如同任何新生事务的发展都是势不可挡一样,硅整流管、晶闸管在变流技术中的应用与发展,亦是势不可挡。它很快便取代了汞弧整流器在变流技术中的地位,使我国进入了电力电子技术的开发与应用阶段,而我国的汞弧整流器制造业在完成自己的历史使命后于1972年正式停产。它不仅在所谓变流技术三大支柱产业中完全取代了汞弧整流器,并且功率更大,即使在高压直流输电领域,世界上第一个高压晶闸管换流阀于1970年在瑞典哥特兰岛直流输电工程中投运,宣告了高压汞弧阀在高压直流输电领域中历史使命的终结。除此而外,它还取代了用于电镀、蓄电池充电、发电厂(站)与变电站直流系统的电动机—发电机组;取代了发电机的直流励磁机组。

    这一时期,随着整流管特别是晶闸管制造技术水平的不断提高,半导体变流技术所涉及的应用领域不断得到扩展。例如,快速晶闸管的开发大大促进了中频感应加热、熔炼、淬火电源(1kHz~8kHz)的发展;为国防建设和高科技研究服务的晶闸管低频电源、400Hz中频电源、高精度稳压电源与稳流电源相继开发出来;还有许多应用领域,不再赘述。

    以晶闸管应用为核心的这一发展阶段,无论是整流、逆变、变频,其变换都是通过对晶闸管的门极进行移相控制(α、β)而实现的,即相控型的变换技术。由于晶闸管属于非自关断(全控)器件,它又是电流型控制器件,所以在高频应用领域,它还无法取代闸流管和电子管,只在低频大功率领域占优势。

    在这一阶段,关于实现DC/DC变换的斩波技术的研究已经开展,并且率先应用在直流牵引调速中。公交无轨电车上所用的晶闸管调速,即是DC/DC变换应用的实例。只不过由于晶闸管是半控器件,将其用在DC/DC变换中,为了强迫其关断,主电路、控制电路较为复杂,但是其节能效果是显著的。

    (3)第三阶段

    第三阶段是基于全控型电力半导体器件的发展与应用,是半导体电力变流器向高频化发展的阶段,也是变流装置的控制方式由移相控制(PhaseshiftControl)向时间比率控制(TimeRatioControl—TRC)发展的阶段。时下将采用上述二种控制方式的变流装置(电源)简单地称作相控电源和开关电源的说法是不确切的,这是因为在半导体电力变流器中,承担功率变换的电力电子器件就是作为无触点开关来应用的,无论是相控电源还是时间比率控制电源都是工作在开关状态,因此,称为移相控制电源和时间比率控制电源的比较确切。

TRC一般有三种,即脉冲宽度调制(PulseWidthModuration-PWM),脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation-PFM),混合调制(PWM+PFM)。PWM方式因为调制频率固定,即调制周期T恒定(或基本不变),通过改变控制脉冲的占空比D进行变换电路的调节,从而使滤波电路的设计比较简单,所以常用的TRC是PWM方式。

    第三阶段的发展是随着全控型器件的发展而逐渐展开的。

    首先以GTO、GTR等双极型全控器件的应用为代表,使逆变、变频、斩波变换电路的结构大为简化,使变换的频率可以提高到20kHz左右,为电气设备的高频化、小型化、高效、节能、节材奠定了基础。但是由于GTO、GTR是电流型控制器件,控制电路功率大,且变换频率也不能很高。

    随着变换频率的不断提高,PWM电路的缺点便逐渐暴露了出来。由于PWM电路属硬开关电路,一方面使电路中的变换器件工作时所承受的电压应力及电流应力大,同时变换过程中高的dv/dt、di/dt又会产生严重的电磁干扰,使电气电子设备电磁兼容的问题突出;另一方面器件开通与关断损耗的问题逐渐棘手,严重制约了变换频率的进一步提高。于是建立在谐振、准谐振原理之上的软开关电路,即所谓的零电压开关(ZVS)与零电流开关(ZCS)电路问世。它是利用谐振进行换相的一种新型变流电路,实现了器件在零电压下的导通和零电流下的关断,从而大大降低了器件的开关损耗,这样一来,TRC技术+软开关技术使得变换频率进一步得到提高。

    之后以功率MOSFET、IGBT等电压型控制的、混合型全控器件的应用为代表,真正实现了高频化,使变换频率达到100kHz~500kHz甚至更高,为电气电子设备更加高频化、小型化、高效、节能、节材创造了条件。

    从以上叙述可知,第三阶段主要是电力半导体器件向全控型、模块化、集成化、智能化发展,半导体变流技术向高频化发展的时期,其结果是实现了从传统的电力电子技术(晶闸管与移相控制)向现代电力电子技术(全控型器件与TRC+软开关技术)的跨越,具有划时代的意义。仅就高频化带来的技术进步与节能、节材的实效,对于降低单产能耗,提高综合经济效益的影响都是巨大的。

    时值今日,晶闸管的应用领域,绝大部分已经或即将被功率集成器件所取代,只是在大功率、特大功率的电化、电冶电源以及与电力系统有关的高压直流输电(HVDC),静止式动态无功功率补偿装置(SVC),串联可控电容补偿装置(SCC)等应用领域,晶闸管暂时还不能被取代。

    3半导体变流技术与电源技术的关系

    将半导体变流技术与电源技术的关系说成是两个独立的学科之间的关系是不科学的。实际上电源技术应该属于电力电子技术的范畴,而且是其一小部分,这是因为:

    (1)电源技术所用的半导体功率变换器件属于电力半导体器件;

    (2)电源技术所要解决的问题仍离不开功率变换,其理论基础就是半导体变流技术;

    (3)电源技术所涉及的交直流稳定电源、UPS等,皆是半导体电力变流器的内容,至于AC/DC,DC/AC,AC/AC,DC/DC变换技术,也是半导体变流技术早已解决了的题目;

4)电源技术所应用的化学电源—蓄电池,物理电源—发电机、太阳能电池,则各自分属一个学科、一个行业,电源技术只是拿来使用它们而已;

    (5)电磁兼容的问题,更是一个大题目,属于无线电技术的范畴,电源技术也是利用信息传递过程中的电磁兼容通用技术,主要是用来解决高频化给电源本身和其它电子设备带来的电磁干扰问题。

    电源技术由于其特定的应用场合,其功率不是很大,属于中小功率,所以基于时间比率控制+软开关技术的高频变换技术,在电源技术的应用中具有广阔的发展前景,完全取代相控变换技术只是时间早晚的问题。

    4静止式固态断路器

    电力电子器件开通、关断的可控性,不能不使人们想到用它来作电路开关的可能性。特别是电力电子器件在关断时不会产生电弧这一特点,更是具有重要的使用价值,这对于解决象含有易燃、易爆气体和粉尘的环境的输配电问题意义重大。

    目前,利用电力电子器件的低压小功率的固态(体)开关,已经得到了广泛应用,效果很好。在电力电子器件的正反向阻断电压已达到10kV~12kV,通态电流已达到3kA甚至更高的情况下,随着器件制造成本的不断下降,用于电力系统的高压静止式固态断路器现已处于开发应用阶段。这将是电力电子技术的又一个新的应用领域。


信息来源:作者:吴铁铮

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