現代(dài)電力電子及(jí)電源技術的(de)發展
點擊次(ci)數： 更新時間(jiān)：2025-12-13
本文闡述了(le)現代電力電(diàn)子技術的發(fa)展過程,對電(dian)力電子技♊術(shu)的應用領域(yù)進行了描述(shù),論述了 現代(dài)電源技術的(de)發展趨勢。
現(xiàn)代電源技術(shu)是應用電力(li)電子半導體(ti)器件,綜合自(zì)💋動控制、計算(suan)機(微處理器(qi))技術和電磁(ci)技術的多學(xue)科邊緣交叉(chā)技術❗。在各種(zhǒng)高質量、高效(xiao)、高可靠性的(de)電源中起關(guān)鍵作用,是現(xian)代電力電子(zi)技術的具🈲 體(ti)應用。
當前,電(diàn)力電子作爲(wèi)節能、節才、自(zi)動化、智能化(hua)、機電一體化(huà)的基⭕礎,正朝(chao)着應用技術(shù)高頻化、硬件(jian)結構模塊🌈化(hua)、産品性能綠(lǜ)色化的方向(xiàng)發展。在不遠(yuǎn)的将來,電力(lì)電子技術将(jiāng)使電源技術(shu)更加🈚成熟、經(jing) 濟、實用,實現(xian)高效率和高(gāo)品質用電相(xiang)結合。
1. 電力電(dian)子技術的發(fa)展
現代電力(li)電子技術的(de)發展方向,是(shi)從以低頻技(ji)術處☎️理問題(ti)🔞爲主的傳統(tǒng)電力電子學(xue),向以高頻技(ji)術處理問題(ti)爲主的現代(dai)電力電子學(xué)方向轉變。電(dian)力電子技術(shu)起始🏃于五十(shi)年代末六十(shi)年✨代初的矽(xī)整🔅流器件,其(qi)發展先後🙇♀️經(jīng)曆了整流器(qi)時代⁉️、逆變器(qì)時代和變頻(pin)器時代,并促(cu)進了電力電(dian)子技術在許(xu)多新領域的(de)應用。八十年(nian)代末期和九(jiu)十年代初期(qi)發🔞展起來的(de)、以功率MOSFET和IGBT爲(wèi)代表的、集高(gāo)頻、高壓和大(da)電流于一身(shen)的功率半導(dǎo)體複合器件(jiàn),表🧑🏾🤝🧑🏼明🔞傳統電(dian)力電子技術(shù)已經進入現(xiàn)代電力電子(zi)時代。
1.1 整流器(qi)時代
大功率(lü)的工業用電(diàn)由工頻(50Hz)交流(liú)發電機提供(gong),但是🧡大約20%的(de)電能是以直(zhi)流形式消費(fèi)的,其中最典(dian)型的是電✍️解(jie)(有♍色金屬和(hé)化工📧原料需(xū)要直流電解(jie))、牽引(電氣機(ji)車、電傳動的(de)内燃機車⛹🏻♀️、地(dì)鐵機車、城市(shi)無軌🙇♀️電車等(deng))和直流傳動(dong)(軋鋼、造紙等(děng))三大領域。大(da)功率矽整流(liú)器能夠高效(xiào)率地把工頻(pin)交流電轉變(biàn)爲直✨流電,因(yīn)此在六十年(nián)代和七十年(nián)代,大功率矽(xī)整流管和晶(jing)閘㊙️管的開🐇發(fā)與應用得以(yi)很大發展。當(dang)時國内曾經(jīng)掀起了一股(gu)各地大辦矽(xi)整流🤩器廠的(de)熱潮,目前全(quán)國大大小小(xiǎo)的制造矽🌈整(zheng)流器的半導(dao)🙇🏻體廠家就是(shi)那時的産🌈物(wu)。
1.2 逆變器時代(dài)
七十年代出(chū)現了世界範(fan)圍的能源危(wei)機,交流電機(ji)🥵變頻調速因(yin)🔞節能效果顯(xiǎn)著而迅速發(fā)展。變頻調速(su)的關鍵技‼️術(shù)是将直流電(dian)💜逆變爲0~100Hz的交(jiao)流電。在七十(shi)年代到八十(shi)年代,随着變(biàn)頻調🙇🏻速裝置(zhi)的普及,大功(gōng)🥰率逆變用的(de)晶閘管、巨型(xíng)功率晶體管(guǎn)(GTR)和👣門極可關(guān)🔅斷晶閘管(GT0)成(chéng)爲當時電力(lì)電子器件的(de)主角。類似的(de)應用還包括(kuò)高壓直流輸(shu)出,靜止式無(wú)功功率動态(tai)補償等。這時(shi)的電❓力電子(zǐ)技術已經能(néng)夠實現整流(liú)和逆變,但工(gōng)作頻率較低(di),僅局限在中(zhōng)低頻範圍内(nèi)。
1.3 變頻器時代(dài)
進入八十年(nian)代,大規模和(hé)超大規模集(jí)成電路技術(shù)的❤️迅猛🧑🏽🤝🧑🏻發展(zhan),爲現代電力(li)電子技術的(de)發展奠定了(le)基礎。将集成(cheng)電路技術的(de)精細加工技(jì)術和高壓大(da)電流技術有(you)機🐅結合,出現(xiàn)了一批全新(xin)的全控型功(gōng)率器件、首先(xiān)是功率🌈M0SFET的問(wèn)世,導緻了中(zhōng)小💜功率電源(yuán)向高頻化發(fa)展,而後絕緣(yuán)門極雙極晶(jīng)體管(IGBT)的出現(xian),又爲大中型(xing)㊙️功率電源向(xiang)高頻發展帶(dai)來機遇🔴。MOSFET和IGBT的(de)相繼問世,是(shì)傳統的電力(lì)電子向現代(dai)電力電子轉(zhuǎn)化的标志。據(ju)統計,到1995年底(dǐ),功率M0SFET和GTR在功(gōng)率半導體器(qi)件市場上🌈已(yi)達到平分秋(qiu)色的地步,而(er)用IGBT代替GTR在電(dian)力電子領域(yu)巳成㊙️定論。新(xin)型器件的發(fā)展不僅爲交(jiāo)流電機變頻(pín)調速提供了(le)🔞較高的頻率(lü),使其性能更(geng)👣加完善可靠(kào),而且使現代(dài)電子🎯技術不(bu)斷向高頻化(huà)發展,爲用🧑🏽🤝🧑🏻電(diàn)設備的高效(xiào)節材節能,實(shi)現小型輕量(liàng)化,機電一體(ti)化和智㊙️能化(huà)提供了重要(yao)的技術基礎(chǔ)♈。
2. 現代電力電(diàn)子的應用領(lǐng)域
2.1 計算機高(gāo)效率綠色電(dian)源
高速發展(zhan)的計算機技(ji)術帶領人類(lei)進入了信息(xī)社會,同時也(ye)♉促進了電源(yuan)技術的迅速(su)發展。八十年(nián)代,計算機全(quán)面采用了開(kai)關電源,率先(xian)完成計算機(jī)電🐅源換代。接(jie)着開🚶♀️關電源(yuán)🏒技術相繼進(jin)人了電子、電(diàn)器設備領域(yu)。
計算機技術(shu)的發展,提出(chū)綠色電腦和(he)綠色電源。綠(lǜ)色💚電腦泛指(zhi)🌈對環境無害(hài)的個人電腦(nao)和相關産品(pin)💘，綠色電源系(xì)指與綠色電(diàn)🥰腦相關的高(gao)效省電電源(yuán),根據美國環(huan)境保護署l992年(nián)12月13日“能源之(zhī)星"計劃規定(ding),桌上型個人(ren)電腦或相關(guān)的外圍設備(bèi),在睡眠狀态(tài)📱下的耗電量(liang)若小于30瓦,就(jiu)符合綠色電(dian)腦的要求,提(tí)高電源效率(lǜ)是🌏降低電源(yuán)消耗💯的根本(běn)途徑。就目前(qian)效率爲75%的200瓦(wa)開關電源而(er)言,電源自身(shēn)要消耗50瓦的(de)能源。
2.2 通信用(yòng)高頻開關電(diàn)源
通信業的(de)迅速發展極(ji)大的推動了(le)通信電源的(de)發展🐅。高頻👈小(xiao)型化的開關(guān)電源及其技(jì)術已成爲現(xiàn)代通信供電(diàn)💋系統的主流(liu)。在通信領域(yu)中,通常将整(zheng)流器稱爲一(yi)次電源,而将(jiāng)直流-直流(DC/DC)變(biàn)換器稱爲二(èr)次電源。一次(ci)電源的作用(yong)是将單✉️相或(huò)三相🔴交流電(diàn)網變換成标(biao)稱值爲48V的直(zhí)流電源。目前(qián)在程控交換(huàn)機用的一次(cì)電源中,傳統(tǒng)的相控☀️式穩(wěn)壓電源己被(bèi)高頻開關電(diàn)源取代,高頻(pin)開關電源(也(yě)稱爲開關型(xing)整流器SMR)通過(guò)MOSFET或IGBT的高頻工(gong)作,開關頻率(lü)一般💞控制在(zài)50-100kHz範圍内,實現(xiàn)高效率和小(xiao)型化。近💯幾年(nián),開關整流器(qi)的功率容量(liàng)不斷擴大,單(dān)機容量己從(cóng)48V/12.5A、48V/20A擴大⁉️到48V/200A、48V/400A。
因通(tong)信設備中所(suǒ)用集成電路(lu)的種類繁多(duō),其電源電壓(yā)也各不相同(tong),在通信供電(dian)系統中采用(yong)高功率密度(dù)的高頻DC-DC隔離(lí)電源模❄️塊,從(cóng)中間母線電(dian)壓(一般💞爲48V直(zhí)流🤟)變換成所(suǒ)需的各種直(zhi)流電壓,這樣(yàng)可大大減小(xiao)損耗、方便維(wéi)護,且安裝、增(zēng)加非常方便(bian)。一般都可直(zhi)接裝在标準(zhǔn)控制闆上,對(duì)二次電🛀🏻源的(de)要求是高功(gōng)率密度。因🤩通(tōng)信容量的不(bú)斷增加,通信(xin)電源容量也(yě)将不斷增加(jiā)✉️。
2.3 直流-直流(DC/DC)變(biàn)換器
DC/DC變換器(qì)将一個固定(ding)的直流電壓(ya)變換爲可變(bian)的直流電壓(ya)❄️,這種技術被(bèi)廣泛應用于(yú)無軌電車、地(dì)鐵列車、電動(dòng)車的無級變(biàn)速和💔控制,同(tóng)時使上述控(kong)制獲得加速(su)🥰平穩、快速響(xiǎng)應的性能,并(bing)同時收到節(jie)約電能的效(xiào)果。用直流斬(zhǎn)波器代替變(bian)阻器可節約(yue)電能🌈(20~30)%。直流斬(zhǎn)波器不僅能(néng)起調壓的作(zuò)用(開關電源(yuan)), 同時還能起(qǐ)到有🚶♀️效地抑(yì)制電網側諧(xie)波電流噪聲(shēng)的作用。
通信(xìn)電源的二次(cì)電源DC/DC變換器(qi)已商品化,模(mo)塊采用高頻(pín)PWM技術,開關頻(pín)率在500kHz左右,功(gōng)率密度爲5W~20W/in3。随(sui)着大規模集(ji)成電路的發(fa)展,要求電源(yuán)模塊實現小(xiao)型化,因此就(jiu)要不斷提高(gāo)開關頻率和(hé)采用新💔的電(dian)路拓撲結構(gòu),目前已有一(yī)些公司研制(zhi)生産了采用(yong)零電流📧開關(guān)和零電壓開(kai)關技術的二(er)次電源🚩模塊(kuài),功率密💋度有(you)較大幅度的(de)提高。
2.4 不間斷(duan)電源(UPS)
不間斷(duan)電源(UPS)是計算(suan)機、通信系統(tong)以及要求提(tí)供不能中斷(duàn)場合所必須(xu)的一種高可(kě)靠、高性能的(de)電源。交流市(shì)電㊙️輸入❄️經整(zhěng)流器💯變成直(zhí)流,一部分能(neng)量給蓄電池(chi)🔴組充電,另一(yi)部分能量經(jing)逆變器變成(chéng)交流,經轉換(huàn)開關送到負(fù)載。爲了在逆(ni)變器故障時(shi)仍能🏃向負載(zai)提供能量,另(ling)一路備用電(dian)源通🌈過電源(yuan)轉換開關來(lái)實現。
現代UPS普(pǔ)遍了采用脈(mò)寬調制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xian)代電🐆力電🐅子(zǐ)器件🤟,電源的(de)噪聲得以降(jiang)低,而效率和(he)可靠性得以(yǐ)提⛷️高。微處理(lǐ)器軟硬件技(jì)術的引入,可(ke)以實🙇🏻現對UPS的(de)智能化管理(lǐ),進🐆行遠程維(wéi)護和遠程診(zhen)斷。
目前在線(xian)式UPS的最大容(róng)量已可作到(dào)600kVA。超小型UPS發展(zhǎn)也📧很迅速,已(yǐ)經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種(zhong)規格的産品(pin)。
2.5 變頻器電源(yuan)
變頻器電源(yuán)主要用于交(jiāo)流電機的變(biàn)頻調速,其在(zài)電氣✉️傳🔴動系(xi)🍉統中占據的(de)地位日趨重(zhòng)要,已獲得巨(ju)大的節能效(xiào)果🙇♀️。變頻器電(dian)源主電路均(jun1)采用交流-直(zhi)流-交流👈方案(an)。工頻電源通(tong)過整流器變(biàn)成固定的直(zhí)流電壓,然後(hou)由大功率晶(jīng)體管或IGBT組成(chéng)的PWM高頻變換(huàn)🙇🏻器, 将直流電(diàn)壓逆變成電(dian)✨壓、頻率可變(bian)的交流輸出(chū),電源輸出波(bō)形近似于正(zheng)弦波,用于驅(qu)動交流異步(bu)電動機實現(xiàn)無級調速。
國(guo)際上400kVA以下的(de)變頻器電源(yuán)系列産品已(yǐ)經問世。八十(shí)🔅年代初期,日(rì)本東芝公司(sī)最先将交流(liu)變頻調速技(ji)術應用于空(kōng)🏃♀️調器中。至1997年(nian),其占有率已(yǐ)達到日本🌈家(jiā)用空❄️調的70%以(yi)上。變頻空調(diao)具有舒适、節(jie)能等優點。國(guo)内于90年🧑🏾🤝🧑🏼代初(chū)期開始研究(jiū)變頻空調,96年(nian)引進生産線(xiàn)生産變頻空(kong)調器,逐漸🧡形(xing)成變頻空調(diao)開發生産熱(re)點。預計到⁉️2000年(nian)左右将形成(chéng)高潮。變頻空(kong)調除了變頻(pin)電源外,還要(yao)求有适合㊙️于(yú)變頻調速的(de)壓縮機電機(ji)🌈。優化控制策(ce)略,精選功能(neng)組件,是空調(diao)變頻電源研(yán)制的進一步(bu)發展方🔱向。
2.6 高(gao)頻逆變式整(zhěng)流焊機電源(yuan)
高頻逆變式(shì)整流焊機電(dian)源是一種高(gāo)性能、高效、省(shěng)㊙️材的新型焊(han)機電源,代表(biǎo)了當今焊機(jī)電源的發展(zhan)方向。由于IGBT大(dà)容量模塊的(de)㊙️商用化,這種(zhong)電源更有着(zhe)廣闊的應用(yòng)前景。
逆變焊(han)機電源大都(dou)采用交流-直(zhí)流-交流-直流(liú)(AC-DC-AC-DC)變換的方法(fa)。50Hz交流電經全(quán)橋整流變成(chéng)直流,IGBT組成的(de)PWM高頻變換部(bù)分将直流電(dian)❤️逆變成20kHz的高(gāo)頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器(qi)🛀🏻耦合, 整流濾(lǜ)波後成爲穩(wen)定的直流,供(gong)電弧使用。
由(you)于焊機電源(yuán)的工作條件(jian)惡劣,頻繁的(de)處于短路、燃(rán)弧、開🌂路❗交替(tì)變化之中,因(yin)此高頻逆變(bian)式整流焊機(ji)電源的工作(zuo)❄️可靠性問題(tí)成爲最關鍵(jian)的問題,也是(shi)用戶最關心(xīn)的問題。采用(yong)微處理器做(zuo)爲脈沖寬度(du)調制(PWM)的相關(guān)控制器,通過(guo)對多參數、多(duo)信息的提取(qu)與分析,達到(dào)預知系統各(ge)種工作狀态(tài)的目的,進🐪而(ér)提前對系統(tǒng)做出調整和(he)處理,解決了(le)目前大功率(lǜ)IGBT逆變電源可(kě)靠性。
國外逆(ni)變焊機已可(ke)做到額定焊(hàn)接電流300A,負載(zai)持續率60%,全載(zai)📧電壓60~75V,電流調(diao)節範圍5~300A,重量(liàng)29kg。
2.7 大功率開關(guan)型高壓直流(liú)電源
大功率(lǜ)開關型高壓(yā)直流電源廣(guang)泛應用于靜(jìng)電除塵、水質(zhi)改良、醫用X光(guang)機和CT機等大(da)型設備。電壓(ya)高達50~l59kV,電流達(dá)到0.5A以上🎯,功率(lǜ)可達100kW。
自從70年(nian)代開始,日本(ben)的一些公司(sī)開始采用逆(nì)變技術,将市(shì)🧑🏾🤝🧑🏼電整🐉流後逆(ni)變爲3kHz左右的(de)中頻,然後升(sheng)壓。進🏃♂️入80年代(dài),高頻開🐇關電(dian)源技術迅速(su)發展。德國西(xī)門子公司采(cai)用功率晶體(tǐ)管做主開✂️關(guan)元件,将電源(yuán)的開關頻率(lü)提高到20kHz以上(shang)。并将幹式變(biàn)壓器技🍓術成(chéng)功的應用于(yu)高頻高壓電(dian)源,取消了高(gāo)壓變壓器油(you)箱,使變壓器(qì)系統的體積(ji)進一步減小(xiao)。
國内對靜電(dian)除塵高壓直(zhí)流電源進行(háng)了研制,市電(diàn)經☎️整流變爲(wèi)直流,采用全(quan)橋零電流開(kai)關串聯諧振(zhèn)逆變電路将(jiang)直🈚流電壓逆(nì)變爲高頻電(dian)壓,然後由高(gao)頻變壓器升(shēng)壓,最後整流(liu)爲直流高壓(yā)👈。在電阻負載(zai)條件下,輸出(chu)直流電♊壓達(da)到55kV,電流達到(dao)15mA,工作頻率爲(wèi)25.6kHz。
2.8 電力有源濾(lǜ)波器
傳統的(de)交流-直流(AC-DC)變(biàn)換器在投運(yùn)時,将向電網(wang)注入🌈大量的(de)🤞諧波電流,引(yǐn)起諧波損耗(hao)和幹擾,同時(shi)還出現裝置(zhì)網側功‼️率因(yīn)🐉數惡化的現(xian)象,即所謂“電(dian)力公👈害”,例如(ru),不可控整流(liú)加電容濾波(bo)時,網側三次(ci)諧波含量可(ke)達(70~80)%,網側功率(lǜ)因數僅有🚶♀️0.5~0.6。
電(diàn)力有源濾波(bō)器是一種能(neng)夠動态抑制(zhi)諧波的新型(xíng)電力電子裝(zhuang)置,能克服傳(chuan)統LC濾波器的(de)不足,是一種(zhǒng)很有發展前(qian)途的諧波📱抑(yì)制手段。濾波(bo)器由橋式💁開(kai)關功率變換(huan)器和具體控(kong)制電路構成(chéng)。與傳統開關(guan)電源的區别(bie)是:(l)不僅反饋(kui)輸出電壓,還(hái)🤞反饋輸入平(ping)均電流; (2)電流(liú)環基準信号(hao)爲電壓環誤(wu)差信号與㊙️全(quán)波整流電壓(yā)🐇取樣信号之(zhī)乘積。
