電力電子系統(tǒng)集成研究進展與現(xiàn)狀

李希潤

摘 要：科技的不斷發(fā)展為電力電子系統(tǒng)集成技術提出了更高的要求，為了改變當前行業(yè)現(xiàn)狀，提高工業(yè)自動化水平和企業(yè)生產(chǎn)效益，電力電子集成技術得到快速發(fā)展。本文從了解電力電子集成系統(tǒng)出發(fā)，在了解電力電子系統(tǒng)集成的發(fā)展過程以及研究意義和目的的基礎上，簡要探究了電力電子集成技術中電力電子技術，分布式技術、通信技術以及封裝技術這四個關鍵技術，并對集成芯片標準化，變流器連接選擇標準化，中功率變流器連接分析以及變流器對抗特點等技術特點進行分析，最后得出結(jié)論。

關鍵詞：電力電子系統(tǒng);通信技術;分布式技術;變流器

中圖分類號：TM1-4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0170-02

0 引言

近年來，電力電子系統(tǒng)已經(jīng)得到了迅猛的發(fā)展，電力電子系統(tǒng)集成也得到了廣泛研究。電力電子集成系統(tǒng)是在集成技術進步的基礎上發(fā)展起來的。早年間，美國海軍研究機構(gòu)最先提出了電力電子標準模塊的概念，為集成系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎，初期，集成技術的發(fā)展主要是集中在軍事領域的應用，隨后因其便利性，系統(tǒng)可移植性以及綜合成本低的特性廣泛展開應用。近年來我國科學技術也得到了快速的發(fā)展，為電力電子系統(tǒng)集成技術的發(fā)展提供了良好的科學技術環(huán)境。

綜合來看，電力電子集成系統(tǒng)更加符合現(xiàn)代化技術的發(fā)展需求，能夠滿足生產(chǎn)的需要。電力電子系統(tǒng)的集成能夠讓人們利用標準的智能模塊方便實現(xiàn)各種功能的需求，簡化電力系統(tǒng)控制流程，減少復雜系統(tǒng)研制成本和時間成本。利用電力電子系統(tǒng)集成技術，復雜電力電子系統(tǒng)的實現(xiàn)可以像組裝一臺計算機一樣，靈活的進行這些升級和系統(tǒng)配置。目前，電力電子系統(tǒng)集成主要包括模塊級集成，系統(tǒng)級集成兩個層面，本文基于電力電子系統(tǒng)集成技術的研究現(xiàn)狀，對其中的關鍵技術及重要標準進行簡要探究和分析。

1 電力電子系統(tǒng)集成發(fā)展歷程

電力電子技術起源于20世紀90年代，1956年第一個晶閘管的成功研制標志著該技術學科的正式誕生，此后電力電子技術便不斷發(fā)展。到21世紀初，電力電子技術和電力、控制等學科相結(jié)合成為一門邊緣學科，并且應用越來越廣，應用該技術的產(chǎn)品涉及到了生產(chǎn)生活中的各個方面，例如工業(yè)上的電機調(diào)速、汽車和計算機，生活中的空調(diào)、微波爐和電視電話，以及工作中的打印機、復印機等設備都離不開電力電子技術。電機調(diào)速作為電力電子技術應用的一個典型代表，在世界范圍內(nèi)工作的電機超過100億，主要應用在汽車、船舶、軋鋼、機床、造紙、紡織和電力機車等行業(yè)中。電機誕生于19世紀初，并在70年代就正式應用在工業(yè)當中，具有很長的發(fā)展歷史。隨著新技術新材料的不斷研發(fā)，使得電機的功率密度、穩(wěn)定性以及效率得到了大幅度的提升，但是在電力電子技術出現(xiàn)之前，性能的提升效果并不是很明顯，電力電子技術的發(fā)展促使變頻技術的產(chǎn)生，在電機上設置變頻調(diào)速用來驅(qū)動電源，這種方式得到越來越多的應用，使得電機性能得到又一次歷史性的提高，促進了很多行業(yè)的再次發(fā)展[1]。

電力電子技術的進步給人們提供了更多的啟示，與此同時，計算機技術也從最開始龐大緩慢的暈算機器開始朝著微型化和高速運算的方向發(fā)展，為電力電子系統(tǒng)集成提供了條件。半導體硅集成電路是電力電子系統(tǒng)集成的最初模型，自問世之初就受到了人們的追捧，促進了學術研究的開展和工業(yè)技術的進步。發(fā)展至今，在這四十多年的時間里，半導體硅集成電路依舊在工業(yè)生產(chǎn)中起著十分重要的作用。電力電子系統(tǒng)集成技術依賴于計算機技術，而集成電路和集成系統(tǒng)又反作用于計算機技術，提高了計算機系統(tǒng)標準化水平，擴展了其適用范圍，降低生產(chǎn)制造成本。然而，電力電子系統(tǒng)集成技術相比與計算機系統(tǒng)之間的集成還存在有較大的差距。

電力電子系統(tǒng)集成的目標與計算機系統(tǒng)類似，主要就是將功率器件和電路器件等產(chǎn)品以模塊的形式進行封裝和處理，配合以控制器和傳感器等不見，使其在使用和運行中都能保證便捷可靠。復雜的電力電子系統(tǒng)朝著集成化的方向發(fā)展，設計成本和時間大幅度降低。因此可以看出，電力電子系統(tǒng)集成與現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展的要求相吻合，可以改變當前電力電子行業(yè)的現(xiàn)狀。

2 電力電子系統(tǒng)集成技術探究

在研究電力電子系統(tǒng)集成的過程中，電力電子技術、分布式技術、通信技術以及封裝技術都是關鍵技術，相輔相成。其中，電力電子技術決定了集成系統(tǒng)的拓撲選擇，分布式技術決定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通信技術和封裝技術則是決定了電力電子系統(tǒng)的性能[2]。

2.1 電力電子技術

在集成電力電子系統(tǒng)的研究過程中，系統(tǒng)各部件模塊的標準化具有非常重要的意義，因此要對系統(tǒng)中數(shù)量眾多的電力電子線路中選擇出數(shù)量不多但是具有典型特征的電力電子功率變換的連接，完成這項工作需要克服巨大的困難。在數(shù)量眾多的變換電路中，多數(shù)的連接都不具有典型代表性，只有在特定的環(huán)境中才具有優(yōu)勢，或者只是為了避免專利侵權(quán)，但是利用系統(tǒng)化研究的方式可以將多數(shù)特異性的連接篩選出去，最終確定出為數(shù)不多的電力電子電路作為標準模塊。

2.2 分布式技術

電力電子系統(tǒng)的集成研究還不成熟，在系統(tǒng)中使用分布式控制的研究不多，但是在建設電力電子系統(tǒng)時要實現(xiàn)模塊的標準化或者用標準化模塊搭建分布式電源系統(tǒng)，都需要分布式技術的支持，這是因為分布式技術具有很多優(yōu)勢：能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享、網(wǎng)絡系統(tǒng)中的信息交流，提高系統(tǒng)運行的可靠性，還可以使用并行化的方式提高性能，借助規(guī)范化標準簡化設計過程。因此，在電力電子系統(tǒng)集成的過程中通過分布式技術和模塊標準化，可以更好地完善系統(tǒng)。

2.3 通信技術

在電力電子系統(tǒng)集成過程中，通信技術發(fā)揮著至關重要的作用，是系統(tǒng)建設的關鍵技術。電力電子系統(tǒng)集成最終要實現(xiàn)系統(tǒng)標準模塊化，使得系統(tǒng)由開始統(tǒng)一的整體分為多個模塊有機地組合在一起，系統(tǒng)內(nèi)部之間的信息交流可以通過各個模塊的通信接口來完成。在電力電子系統(tǒng)中，信號的形式多種多樣，并且不同信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)也不一樣，這使得系統(tǒng)集成過程中通信技術的使用存在較大的難度。系統(tǒng)中信息的交流是相互的，各個模塊的通信部分既要接收數(shù)據(jù)，也要發(fā)送數(shù)據(jù)，對于分布式電源系統(tǒng)中的各個功率變換器也是如此，每個標準模塊除了有功率接口還要有通信接口。在電力電子系統(tǒng)集成的研究中，通信技術部分包括通信接口和通信體系兩部分的工作內(nèi)容。

2.4 封裝技術

封裝技術在電力電子集成系統(tǒng)中起到十分重要的作用。通常情況下，電力電子集成系統(tǒng)中包括大電流注入器件、電壓控制元件、以及各種傳感器元件和芯片，多種元件和系統(tǒng)的集成對系統(tǒng)的導熱性以及聯(lián)結(jié)控制特性提出了較高的要求，即要求較高的封裝和排線技術。以普通電力電子系統(tǒng)為例，分立器件、驅(qū)動機構(gòu)、傳感器系統(tǒng)以及保護電路所處的位置都不同。其中分立器件是一個單獨的機構(gòu)，多分布于散熱器上，而其他部件可作為一個統(tǒng)一的整體，被封裝在整個模塊中，然后固定在PCB板上。在具體的電力電子系統(tǒng)集成模塊中，模塊的制作、封裝標準以及器件和電路的排列都有十分復雜，還需根據(jù)所需系統(tǒng)的特點和具體情況進行分析。

3 電力電子系統(tǒng)集成內(nèi)容

3.1 集成芯片的標準化

電力電子模板設計的發(fā)展離不開電力電子集成技術的突破，和其他的模板設計相比，該設計具有較高的技術要求，工作難度也較大，但是使用該設計制成的模板成品具有較高的技術性，系統(tǒng)和各個接口擁有統(tǒng)一的標準，在和其他設備相連接時能夠保證電力電子系統(tǒng)整體運行的可靠性，實現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的標準化和集成化效果，具有很好的通用性，滿足系統(tǒng)中不同用戶的需求，保證工作效率[3]。

3.2 變流器連接選擇標準化

通常情況下，移動和通信設備都是以直流電的方式供給，而照明設備大多以交流電供給，變流器作為電源產(chǎn)品的的核心，其標準的選擇具有非常重要的意義。如今的照明設備中會被加入很多壓強較大的惰性氣體，在使用變流器的過程中，因為LED照明設備的存在，照明設備電源的直流電會發(fā)生分流的現(xiàn)象。因此，要對移動和通信設備中的供電方式進行分析，并且得到各個設備中變流器的特性，進而制定變流器連接的參數(shù)，并應用該連接參數(shù)對當前和傳統(tǒng)的變流器進行分析對比，分析的標準主要包括以下兩方面：

（1）輸入電壓。當輸入電壓較高時，要使用零電壓的方式;當輸入電壓較低時，要把電壓升到標準電壓范圍之內(nèi);當電壓在12V以下時，要使用同步整流的方式。（2）功率大小。當設備的功率較大時，在進行連接時要使用較多開關;當功率較小時，在進行連接時使用幾個開關就能夠滿足要求。通常情況，當設備功率超過1千瓦時，需要不少于4個開關;當小于1千瓦時，只需要兩個開關。

3.3 中功率變流器連接

中功率的連接分析中，一般使用全橋連接方法進行分析，因為這種方法可以提供標準化模塊。進行分析時首先要初步選擇連接的形式，除此之外還應通過實驗獲得連接適應的特征，分析該種連接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化效率和能耗，并對器件的應力進行計算，分析是否符合要求;還要分析串并聯(lián)的情況下連接方式的效果，確定集成性的作用。從開關的角度來看，全橋開關可以使用傳統(tǒng)的OWM開關盒移向全橋開關;從連接結(jié)構(gòu)的原理來看，連接結(jié)構(gòu)可以被設置為諧振型和OWM型。為了充分發(fā)揮連接的效果，將輸入電壓大小設為400V，以連接參數(shù)為基礎，和實際的效果進行對比并分析[4]。

3.4 變流器對抗

電力電子集成系統(tǒng)的出現(xiàn)大大提高了電力電子系統(tǒng)模板設計的研發(fā)速度、工作效率以及產(chǎn)品質(zhì)量。電力電子模板的設計對于系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性發(fā)揮著極其重要的作用，但是在使用過程中會出現(xiàn)各種各樣的問題，例如模板的兼容性、串并聯(lián)中的應用等方面，而且在使用模板的過程中要通過開關波紋的大小將數(shù)值穩(wěn)定在安全區(qū)域中。除此之外，使用模板設計時會發(fā)生設備燒毀的情況，這是因為模板中安裝有過濾設備，會使得整個系統(tǒng)中的信號變得不穩(wěn)定，導致電力電子系統(tǒng)中的電壓發(fā)生失控現(xiàn)象。因為電力電子系統(tǒng)中的大小信號對系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有極大的影響，因此在設備工作時要對信號的穩(wěn)定程度進行監(jiān)測，避免系統(tǒng)發(fā)生局部或者整體故障，最終導致系統(tǒng)整體的崩潰。

4 結(jié)語

電力電子系統(tǒng)集成是電力系統(tǒng)發(fā)展的一個重要的趨勢和研究內(nèi)容，通過分析其中的幾項關鍵技術和重要的集成標準，對電力電子集成技術進行了簡要的闡述。電力電子系統(tǒng)集成技術是先進科技技術的代表之一，其發(fā)展技術水平的高低也決定著綜合國力的強弱，各國先后開展大規(guī)模的研究。我國學者在電力電子系統(tǒng)集成技術方面雖已經(jīng)展開深入研究，但因起步較晚，人才缺乏，真正要實現(xiàn)最終目標還有很多的工作要做，需要更多研究工作者和研究精力的投入。

參考文獻

[1] 錢照明，張軍明，謝小高，等.電力電子系統(tǒng)集成研究進展與現(xiàn)狀[J].電工技術學報，2006（3）：1-14.

[2] 杜石存，胡際童，田沛.系統(tǒng)集成技術在電廠信息化建設的應用[J].云南電力技術，2017（2）：4-6.

[3] 鄧順之，楊昆.電力系統(tǒng)及其自動化技術的應用能力[J].低碳世界，2017（16）：63-64.

[4] 王曄.電力電子系統(tǒng)集成研究現(xiàn)狀與進展[J].電子制作，2015（7）：250-251.