电力电子技术的动向

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以下内容摘自中国自动化网

电力电子技术的动向

1   序言
    电力电子技术（PE技术）及其应用装置已经被广泛应用，在各个方面为社会的进步做出积极的贡献。人类一直面临着能源供不应求的问题，因此PE技术显得愈来愈重要。

    然而，在PE装置持续顺利发展的背后，对电力电子技术起着支撑作用的电力电子器件、PE专用微型计算机、PE装置结构和装配技术、功率单元应用技术等都发挥了至关重要的作用。在此，除了PE装置的技术动向外，我们还将就这些核心技术的动向以及今后的技术预测进行阐述。

2  各领域的相关技术要求
    世界范围的能源供需状况日趋紧张，要求更加有效地节约使用能源，它与最近广受关注的地球温暖化现象的应对措施一起成为了21世纪人类所面临的极为重大的两个课题。特别是作为最终能源消费形态，电能的使用比率正在进一步增大，因此，以节约使用电力为目的的PE技术的作用变得愈来愈重要。
   

    换个角度来看PE装置的应用目的，会发现各个不同领域对PE装置的要求越来越多样化。除了要提高系统性能外，还包括电力的高效运用、推进节能、采用清洁能源等，如表1所示。

    我们将这些内容按照不同市场的要求进行了归纳总结。

                      表1  各领域对电力电子装置的市场要求
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2.1能源的有效利用
    从有效利用电力的观点来看，在发电、输配电等电力领域中，已经有为了高效运用电力而应用PE装置的实例。高压直流输电和无功功率补偿装置等的采用不仅是为了实现系统的稳定性，而且还可以提高输电效率、合理科学调度电力，因此为有效使用电力做出了巨大贡献。这些PE装置从他激式变换器过渡到自激式变换器，进一步促进了多功能和高性能化。在这种背景之下，IEGT和GCT等新型电力半导体器件的应用为大容量电力电子器件的实用化做出了巨大的贡献。

    另外，在世界上对环境污染小、能源利用率高的自备发电设施的应用也已非常盛行。这种情况下，自备电站在向工厂自身的主要负荷供应电力的同时，还可将多余部分分配给其他一般负荷。但为了将因雷电等造成的停电事故的影响降至最低、并进一步提高可靠性，由晶闸管开关控制的无触点快速断路器也被广泛采用。

2.2 高效节能化
     各种用电设备和电力电子控制装置组成的用电系统实现高效化节能运转，与其经济性一样，同是所有应用领域中共同关心的课题。数十kW以下的一般产业领域的通用变频器与小型化相结合，曾在15年间将效率提高了一半，但最近通过采用永磁电动机，开始了向提高包括电机在内的整体效率的新一轮挑战。

    驱动数千kW及以上轧钢机等设备的大容量变频调速装置正在从他激式交－交周波变换器向高效的IEGT变频器和GCT变频器过渡。从技术动向的观点来看，可以说这是自激式变频器的大容量化和PE装置的高效率化的成果。同时，通过采取高次谐波电流的应对措施，并提高电源功率因数，促进了系统整体效率的提高。其中，将地球温暖化的应对措施付诸具体行动、直接或间接性地实行节能的趋势正在高涨，并因此进一步推进了对数百kW～数千kW级高压变频器的经济性的追求。结果，飞跃性地扩大了其在风扇、泵等的节能运转中的应用。

2.3与周围环境的协调
    变频器不断深入渗透家电设备中，成为其一个重要的卖点。除了节能与静音化的环保优点外，还彻底改善功能与性能也是行之有效的。例如:洗衣机的变频化不仅实现了静音化、而且达到了极为细致的运转，为用户带来了减少布料缠绕等好处。然而，在带来好处的同时，也产生了一些问题，要求充分考虑PE装置中有关漏电、电源侧高次谐波、因噪音干扰等诱发误动作，以及诱发其他装置误动作等电磁兼容（EMC）的问题。并且，进行相应的环境协调，还有必要开展对此处理的新课题研究。

    有关电磁感应(EMS)和电磁干扰（EMI），以及关于高次谐波的抑制等的重要性的认识和治理规定在不断提高，并且作为国际标准，已知的有IEC6100系列和CISPR，都必须认真加以贯彻实施。这些环境应对措施不仅对家庭及办公室中的PE装置，而且对于一般工业用的变频器也同样变得愈发重要。工业传动装置中电动机的轴电流应对措施等也逐渐成为重要的课题。

2.4 能源的多样化
    在满足节能的同时，最近还引入清洁能源的市场要求，太阳能发电系统和燃料电池系统等应运而生。此外，作为PE装置应用领域扩大的实例，还有电力牵引船及有望取得飞跃性发展的电动汽车。按照从以内燃机为主导向电动机牵引过渡的观点，这既是环境应对措施的实际应用例子，也是移动能源多样化的体现。

3   电力电子器件的动向
    近来，电力电子器件在高速动作、低损耗化等的特性改进，以及高耐压、大容量化和复合功能的高度集成化中得到了不断地开发与进步。现在的开发倾向尤以MOS(Metal Oxide Semiconductor)化为主流。
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    图1示出PE装置与所使用的电力电子器件的关系。下就具有代表性的电力电子器件的动向加以阐述。

3.1功率场效应晶体管（Field Effect Transistor）
    在充分发挥FET高速动作特征的同时，降低通态电阻的开发取得不断的进步。虽然耐压30V的功率场效应晶体管的通态电阻与开始实用时相比已飞跃性地降至1/20，但由于市场对于低电压稳定电源的需求越来越大，因此仍在进一步地推进其改善特性。作为特性改善的措施，人们对通过采用横向MOSFET结构和沟槽栅(Trench Gate)结构以降低通态电阻的努力充满了更高的期待。

3.2绝缘栅双极晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）
    IGBT已成为一种可广泛适用于各种PE装置的主流电力电子器件。它包括用于家电设备和小容量电源装置等的分立式产品、容量较大时用的模块式产品、最高耐压已达3kV的高耐压HV-IGBT产品、以及复合多功能的IPM产品等。

    虽然以高速动作、低损耗化为目标的开发工作取得了飞速的进步，但现在这种开发速度并未因此而放慢，沟槽栅化IGBT和采用更薄晶片的穿通(PT)结构IGBT已被实际应用、更加耐用且转换损失更低的电力电子器件也正在走向商品化。

    另外，通过采用高耐压SOI（Semiconductor On Insulator）的单栅电源驱动、有源栅驱动以降低EMI等智能化工作也在不断的推进中。

3.3注入增强栅晶体管IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor）
    IEGT是耐压4kV以上的高耐压IGBT系列电力电子器件，同时又是通过采取增强注入的结构以实现低通态电压、使大容量电力电子器件取得飞跃性发展。现已经经历了实际应用的初期阶段，进入了通过特性改良以实现更高性能为目标的发展期。

    当初在刚开发的时候，这种IEGT曾被拿来与晶闸管系列电力电子器件的GCT（Gate Commutated Turn-off Thyristor）相比较，现在二者的特点已经被区分开来，分别发挥各自的特点。GCT具有容量大（6kV-6kA）的特点，技术比较成熟，发挥其比较稳定的特点，被用于较大容量的变频器；而容量比GCT稍小的IEGT则发挥其高性能运行的特点，被用于性价比较高的容量范围。

    IEGT本质上具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，预示着它是未来的重要发展方向。低损耗、高速动作等基本的芯片性能会不断提高自不必说，6kV级的高耐压化、有源栅驱动的智能化、以及沟槽结构的采用等特性改良措施、多芯片并联而自均流的特征也都孕育其并联驱动以进一步扩大电流容量的巨大潜力。另外，通过模块封装它还具有多样化联接的众多派生产品的灵活性，它作为中大容量变换器的突破点被寄予厚望。图2是平板封装式IEGT的解剖模型和3电平变频器的单相桥臂单元的示例。
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                                               图2  IEGT应用单元示例

3.4 电力电子器件的封装结构
    对电力电子器件而言，封装是非常重要的，其中包含了无数的技巧和技术。尤其是通用的IGBT，通过芯片性能和封装技术的提高共同作用的效果，实现了只有原来一半大小的小型化进展。

    另一方面，通过封装技术和芯片性能的协调作用，能够进一步实现高度集成化。图3作为示例，介绍了在一个封装外壳中装入有6片桥接的3相变频器电路的Compact-IPM智能化功率模块（Intelligent Power Module）结构。
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图3  Compact-IPM的封装结构

    作为主要的桥接技术，多采用将主电极终端和电极型板进行超声波接合的技术、利用栅电路基板通过通孔的信号用的铝线进行的压焊连接等新型结构技术。
此外，为了进一步实现小型化，设计时采用限制浪涌电流的低电感配线结构、对芯片进行最佳配置，对其等效电路及温度分布进行了仿真分析。

3.5新一代电力电子器件
    在有望实现更加高速动作的技术中，有一种利用化合物半导体的SOI基板技术。这种技术可以在SOI基板上生成FET，因此能够减小漏极-源极间的电容量，有望提高快速转换特性。在实际应用中需要确保最低限度的电容量值。现在已经有250V-1A的单芯片变频器的相关试制报告。我们期待早日实现SOI的实用化。

    另外，使用新材料的SiC（Silicon Carbide）碳化硅电力电子器件正在实用化。采用新原理结构的真空微量元素等新的探索也被作为候补项目正在研究开发中。尤其是SiC器件，由于市场上供应的SiC单晶质量不断提高，有望在数年后在某些用途上实现实际应用。

4  ＰＥ控制专用微型计算机
    为了能够自如地控制电力，需要微秒级的高速实时处理。因此，在PE控制中，为实现高速控制，较常见的是：软件处理部分采用通用微型计算机、高速控制部分采用专用微型计算机、以及用可编程序逻辑器件PLD（Programmable Logic Device）分担PWM控制等数字逻辑处理为主体部分的结构。

    以PC微型计算机为代表的通用微型计算机的高度普及和发展令人瞠目，而作为PE控制用的微型计算机则需要更具可靠性的稳定动作。对于通过专用微型计算机进行的高速处理，一般采用DSP或专用单晶片微型计算机，但软件开发的灵活性和晶片供应的稳定性是亟待解决的课题。PLD方面，虽然软件较容易开发的场可编程序门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）的使用越来越广泛，但由于受到数字家电及数字信息设备普及的影响较大，作为PE装置如何更加稳定的长期供应是所面临的课题。

    PE专用微型计算机的基本原理是将微型计算机部分和加载功能及存储器等的微型计算机外围功能、以及进行PWM控制功能等数字逻辑处理的功能等集成到同一块芯片的门阵列中。这不仅可以提高PE控制功能、通过集成外围功能降低成本，而且用于以提高PE装置开发效率为目的的PE专有技术集成的趋势也是非常之大。

    从作为PE核心技术的角度来看，如何积累PE技术的专有技术以提高开发效率是非常重要的，因此，需要我们对PE专用微型计算机的动向作以下了解。PE专用微型计算机是将软件和硬件处理的功能分配最佳化、并实现PE控制专门化的功能和性能而成的。高速控制性能是PE控制的特征。与复合控制的方式相比，可达到高出一位以上的高速。图4是将PE专用微型计算机适用于电机传动用变频器时的构成示例。
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图4　PE专用微型计算机构成示例

    这种PE专用微型计算机使在变频器控制中极为有用的A＋B・sinC、tan-1A/B、SQRT（√）等的演算命令、及在高可靠性软件制作中不可缺少的演算限制处理功能、以及便于定序器处理的Bit处理成为可能。作为开发环境，汇编语言和C语言勿庸赘言，而且将通用的CASE软件和专用的CASE软件协调连接能够创造充实的开发环境。
   

    在电力、工业、交通用变频器的高速、大容量信号处理中，多功能、高性能的PE专用微型计算机是最适合的，但在通用变频器、空调用变频器等一定程度上功能有所限定的用途中，更加重视成本、有限处理能力的PE微型计算机却是最适合的。还有一些领域则采用只要适合其用而更侧重成本的低档微型计算机即可。

5   PE装置的装配技术
    为了能够利用PE技术以装置的形式进行实际应用，结构与装配技术是极为重要的。一般装置的结构和装配技术的课题主要集中在装置的小型化和低成本化上，PE装置也同样如此。不过，PE装置的特点是为恰当地发挥各种电器部件的功能和性能而必须具备一些最低限度的结构装配技术。最具特征的技术是，如何对集中在电力电子设备局部上的大量发热进行散热处理，也就是所谓的冷却技术。现已开发并应用的有复杂水路的水冷散热器、以及采用蒸发沸腾原理加强散热的蒸发沸腾散热器等能够强力且均匀地对电力设备进行冷却的高性能散热技术。另外，在中小容量领域中，由于包括冷却在内的PE装配技术会对产品的外形、成本产生很大影响，因此在特殊环境下使用并追求小型化、或薄型化的变频器等，会根据用途和需求采用各种不同的结构。

    此外，为了抑制换流时产生的冲击电流，把连接外围电路部件的结构做到低电感化是非常重要的。工业用变频器中，有的采用配电盘作为线路的
一部分。图5是使用蒸发沸腾散热器冷却十几个模块的IGBT单元构造图。
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图5　蒸发沸腾散热器装配单元

    图5单元可以均匀地冷却多个并列的IGBT、作为3相变频器实现了700kVA以上的大容量。

6   高附加值电力电子(PE)装置的发展
    利用以上介绍的最新核心技术，PE装置有望在今后取得更大的发展。新型电力电子器件IEGT的实际应用使得超过5000kVA的大容量变换器实现了具有划时代意义的小型化和高性能。不过，这种IEGT的应用装置还有可能进入诸如高压电机节能用变频器、轧钢机用变频器等传动装置、以及带有抑制谐波功能的无功功率补偿系统（SVCS）这样一些大功率应用领域，实现飞跃性发展，并且有望进一步扩大应用范围。

    PE专用微型计算机在吸纳外围功能的同时，通过高速大容量化推进着处理能力的不断增大和多功能化，据推测，它的应用范围不会仅限于中小容量的变频器，今后还会不断地扩大。这对最需要集成化的电动汽车驱动系统等应用也是最适合不过的，因此，以实际应用为目的的开发工作必将与以电力电子器件应用技术集结成功率单元的开发，器件和装置二者会并肩加速发展。

    由于在高性能电力电子器件、PE专用微型计算机中实施高密度的装配技术，因此，开发出采用高功率密度功率单元的全新电力电子装置也有着极高的现实可能性。

    另外，由于与信息处理技术(IT)的配合也取得了进步，其关联性愈发紧密，因此，通过各种网络，适用于UPS及传动装置等的监视服务功能将得到进一步的强化，能够提供的服务内容也将更加充实。将来，随着能够提供需求端管理DSM（Demand Side Management）等各种服务的电力电子装置的出现，将有望供应能够满足适用市场快速变化的新产品。

netthief

图一

netthief

图二

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图三

netthief

图四

netthief

图五

wgao

好东西, 谢谢

heweili

见识了！

adlubin

好东西，谢谢分享了