电力电子技术报告

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1、电力电子技术调查报告电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶 闸管，GTO, IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率 可大到数百MW甚至GW,也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子 技术不同电力电子技术主要用于电力变换。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等） 两个分支。电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更 新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实 现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用

2、电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的 发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20 多亿人民币的市场需求,吸引了 国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋, 因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来 还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。电力电子技术现阶段在各方面的应用都非常的广泛！高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会，同时也促进了电源技术的迅速发展。八 十年代，计算机全面采用了开关电源，率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人 了电子、电器设备

3、领域。通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成 为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源，而将直流-直流 （DC/DC）变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为 48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中，传统的相控式稳压电源己被高频开关 电源取代,高频开关电源（也称为开关型整流器SMR）通过MOSFET或IGBT的高频工作，开 关频率一般控制在50-100kHz范围内，实现高效率和小型化。近几年，开关整流器的功率容量 不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、

4、48V/400A。 因通信设备中所用集成电路的种类繁多，其电源电压也各不相同，在通信供电系统中采用高 功率密度的高频DC-DC隔离电源模块，从中间母线电压（一般为48V直流）变换成所需的各种 直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护，且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准 控制板上，对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加，通信电源容量也将不断 增加。DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，这种技术被广泛应用于无 轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的 性能，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能（20

5、30）%。直流斩 波器不仅能起调压的作用（开关电源），同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术，开关频率在500kHz 左右，功率密度为5W20W/in3。随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因此 就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构，目前已有一些公司研制生产了采用零电流 开关和零电压开关技术的二次电源模块，功率密度有较大幅度的提高。不间断电源(UPS )是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高 性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流，一部分能量给蓄电池组充电，另一部分能量经

6、 逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量另一路备 用电源通过电源转换开关来实现。现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率MOSFET、IGBT等现代电力电子器件，电源的噪 声得以降低，而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入，可以实现对UPS的智 能化管理,进行远程维护和远程诊断。目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速，已经有0.5kVA、 IVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。变频器电源主要用于交流电机的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获 得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流直流-交流方

7、案。工频电源通过整流器变 成固定的直流电压，然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器，将直流电压逆变 成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波，用于驱动交流异步电动机实现无 级调速。国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将 交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年，其占有率已达到日本家用空调的70%以上。 变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线 生产变频空调器，逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空 调除了变频电源外，还要求有适合于变频调速的压缩机电机

8、。优化控制策略精选功能组件， 是空调变频电源研制的进一步发展方向。高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源代表了当今焊机电源 的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化，这种电源更有着广阔的应用前景。逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全 桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波，经 高频变压器耦合，整流滤波后成为稳定的直流，供电弧使用。由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中，因此高频逆变式 整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题，也是用

9、户最关心的问题。采用微处理器 做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器，通过对多参数、多信息的提取与分析达到预知系统 各种工作状态的目的，进而提前对系统做出调整和处理，解决了目前大功率IGBT逆变电源可 靠性。国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压6075V,电流调节范 围 5300A，重量 29kg。大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设 备。电压高达50l59kV,电流达到0.5A以上，功率可达100kW。自从70年代开始，日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频, 然后升压。进入80年代，高

10、频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主 开关元件，将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高 压电源，取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。国内对静电除尘高压直流电源进行了研制，市电经整流变为直流，采用全桥零电流开关串联 谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压，然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在 电阻负载条件下，输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时，将向电网注入大量的谐波电流，引起谐波损耗和 干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象即所谓“电力

11、公害”，例如，不可控整流加电容 滤波时，网侧三次谐波含量可达(7080)%，网侧功率因数仅有0.50.6。电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置，能克服传统LC滤波器的不 足，是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构 成。与传统开关电源的区别是：(1)不仅反馈输出电压，还反馈输入平均电流；分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件，利用最新理论和技 术成果，组成积木式、智能化的大功率供电电源，从而使强电与弱电紧密结合，降低大功率元器 件、大功率装置(集中式)的研制压力，提咼生产效率。八十年代初期，对分布式高频开关电源系统的

12、研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八 十年代中后期，随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现结合大规 模集成电路和功率元器件技术，使中小功率装置的集成成为可能，从而迅速地推动了分布式 高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始，这一方向已成为国际电力电子学界的 研究热点，论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、 航空航天、工业控制等系统逐渐采纳，也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想 的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、 电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。