淺析現代電力電子技術發展方向

公衍海

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。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。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、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。

1、現代電力電子技術的發展階段

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、地鐵機車、城市無軌電車等）和直流傳動（軋鋼、造紙等）三大領域。大功率硅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，大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮，目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。

1.2 逆變器時代

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、巨型功率晶體管（GTR）和門極可關斷晶閘管（GT0）成為當時電力電子器件的主角。類似的應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，僅局限在中低頻范圍內。

1.3 變頻器時代

進入八十年代，大規模和超大規模集成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。將集成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，而后絕緣門極雙極晶體管（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志。

2、現代電力電子的應用領域

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，計算機全面采用了開關電源，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。

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。因通信設備中所用集成電路的種類繁多，其電源電壓也各不相同，在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊，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，這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能，并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。

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。

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，用于驅動交流異步電動機實現無級調速。

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。由于IGBT大容量模塊的商用化，這種電源更有著廣闊的應用前景。

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應用于靜電除塵、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。

3、高頻開關電源的發展趨勢

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%。

3.2 模塊化

模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關器件和與之反并聯的續流二極管，實質上都屬于"標準"功率模塊（SPM）。

3.3 數字化

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 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，數字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優點：便于計算機處理控制、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）、便于軟件包調試和遙感遙測遙調，也便于自診斷、容錯等技術的植入。

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，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。

總而言之，電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發展，新技術的出現又會使許多應用產品更新換代，還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現，將標志著這些技術的成熟，實現高效率用電和高品質用電相結合。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，并將很快發展起來。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。