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1、陕西理工学院毕业设计共 38 页 第 1 页1 1 绪论绪论1.11.1 研究变频电源的背景及目的研究变频电源的背景及目的电源对于每一个人来说是一个既熟悉又抽象的名词，我们的衣食住行离不开电源，文化娱乐、 办公学习、科学研究、工农业生产、国防建设、教育、环境保护、医疗卫生、交通运输、照明、通 信、宇宙探索等等，哪一样也少不了电源。只要用电就离不开电源。电源的分类如下图所示电源种类电子/电力电源物理/化学电源锂离子电池铅蓄电池燃料电池其它不断电系统 （UPS）稳压电源 （Line Conditioner）变频电源 （Frequency Converter）直流直流电源供应器 （DC Power
2、Supply）整流桥（Rectifier）、直流电源 供应器逆变器（Iverter）AC-ACDC-DCAC-DCDC-AC图 11 电源的分类电子电力电源的发展得力于电力电子技术的进步。进入八十年代，大规模和超大规模集成电 路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高 压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件，首先是功率MOSFET的问世，导致了中 小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现，又为大中型功率电源向高频发 展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计，到
3、1995年底，功率MOSFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在 电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更 加完善可靠，而且使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量 化，机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。当前，电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频 化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来，电力电子技术将使电源技术更 加成熟、经济、实用，实现高效率和高品质用电相结合。变频电源是将市电通过功率变换电路转变 为所需要的电
4、压和频率的一种电源。世界各国电网制式的不统一，以及不同应用领域的电源制式需 求的不同，以下情况需要使用变频电源：(1)家电业制造商如：空调设备、咖啡机、洗衣机、榨汁机、微波炉、收录音机、冰箱、DVD、 洗尘器、电动剃须刀等产品的测试电源；(2)电机、电子业制造商如：交换式电源供应器、变压器、电子安定器、AC风扇、不断电系统、 充电器、继电器、压缩机、马达、被动元件等产品的测试电源；陕西理工学院毕业设计共 38 页 第 2 页(3)IT产业及电脑设备制造商如：传真机、影印机、碎纸机、印表机、扫描器、烧录机、伺服 器、显示器等产品的测试电源；(4)实验室及测试单位如：交流电源测试、产品寿命及安全测
5、试、电磁相容测试、OQC(FQC)测试、 产品测试及研发、研究单位最佳交流电源；(5)航空军事单位如：机场地面设施、船舶、航天、军事研究所等的测试电源；(6)铁路、高速公路：25Hz、静频信号电源。变频电源是电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性。变 频电源自问世以来引起了国内外电源界的普遍关注。现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技 术产品。现代变频电源以其低损耗、高效率、电路简洁等显著优点而受到人们的青睐，并广泛的应 用于电气传动、计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器中。今年来随着工业自动化产 业的告诉发展，人们对变频电源的需求与日剧增，变频电源
6、的开发研制生产已成为发展前景十分诱 人的朝阳产业。目前，随着变频电源的广泛应用，变频电源显示除了强大的生命力，其具有高集成 度、高性能比、最简的外围电路、最佳的性能指标等特点。1.21.2 国内外研究情况国内外研究情况现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制，计算机(微处理器)技术和电磁技术 的多学科边缘交叉技术，是现代电力电子技术的具体应用。1.2.11.2.1 电力电子器件技术的发展电力电子器件技术的发展变频电源是现代电力电子技术的一项重要的应用。电力电子器件以美国1957年美国通用电气公 司研制出第一个晶闸管为起始点逐渐发展起来的。经过50年的发展，在器件制造技术上不断提高，
7、已经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 不断提高。在器件结构上
8、，从分立器件，发展到组合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、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)。智能功率集成电路能够提供数字控制逻辑与功率负载之间的接口，最简单的形式可由一电平移 动和驱动电路组成，把来自微处理器的逻辑信号换转微足以驱动负载的电压和电流；较复杂的智能 功率集成电路能实现以下3项任务:(1)控制功能：自动检测某些外部参量并调整功率器件的运行状态，以补偿外部参数的偏离。(2)传感与保护功能：当器件出现过载、短路、过电压、欠电压或过热等非正常运行状态时， 能测取相关信号
9、并能进行相应调整保护，使功率器件能工作在安全工作区。(3)提供逻辑输出接口：功率控制由功率器件即驱动电路来执行。它具有处理高压、大电流或 二者兼备的能力。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、提供 效率与可靠性奠定了基础。1.2.21.2.2 电力变流技术的发展电力变流技术的发展陕西理工学院毕业设计共 38 页 第 3 页变流技术的发展，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(Industrial Electronics)。这一阶段的研究工作，主要是集
10、中在整流、逆变和 变频技术的开发上。换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(Power Electronics)问世，并取代了工业电子学。由于变流技术的基本理论一一整流、 逆变、变频技术的研究，可以说在第一阶段己经完成，这已不是第二阶段的研究
11、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
12、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。晶闸管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 机一发电机组，取代了发电
13、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(1kHz8kHz)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
14、占优 势。在这一阶段，关于实现DCDC变换的斩波技术的研究己经开展，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DCDC变换应用的实例。只不过由于晶闸管是半控器件，将其用在DCDC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(Phase shiftContr01)向时间比率控制(Time Ratio ControlTRC)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
15、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。因此称陕西理工学院毕业设计共 38 页 第 4 页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(Pulse Width ModulationPWM)，脉冲频率调制(Pulse Frequency Modula tionPFM)，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
16、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到20kHz左右， 为电气设备的高频化、小型化、高效、节能、节材莫定了基础。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 dvdt，didt又会产生严重的电磁干扰，使电气电自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
