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电力电子技术向高集成度高频化演进

新品抢鲜中国仪表网2008年02月21日 09:27人气:4447

  电力电子技术是实现高效节能节材、改造传统产业并促进机电一体化的关键技术,它是弱电控制与强电运行之间、信息技术与先进制造技术之间的桥梁,是我国国民经济的重要基础技术,是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。电力电子器件是电力电子技术的基础和核心,电力电子技术的不断发展都是围绕着各种新型电力电子器件的诞生和完善进行的。信息电子应用以及汽车电子、家用和便携式电器,将成为今后电力电子最主要的应用方向。

  电力电子集成技术是研究热点

  功率集成技术的迅速发展使电力电子器件在集成化方面出现了一个新的分支———高压集成电路(亦即功率集成电路)。它使计算机的输出获得了一个直接联系到负载的“功率接口”。所谓功率集成技术包括隔离技术、场缓和技术、相辅化技术、复合技术、逻辑电路和驱动电路技术。这些技术是各种集成或复合型器件的基础技术。当前,功率集成电路不仅作为接口,还可以直接用于许多方面,因而有广泛的产品市场。当然,在便携电子产业领域,人们更愿意把那种以节电为核心的功率变换技术称为“电源|稳压器管理”。

  将电力电子称为电源管理,更加强调了集成电路的管理(处理)作用。从应用的角度来看,是更强调了服务于4C的电力电子,或者说是大量应用于便携式电器的电力电子、电机控制、汽车电子及节能型照明所需的电源,这些都属于高效而又能量集中的电源。高功率密度的需求又导致了电力电子集成技术的产生。

  电力电子集成是通过高密度混合集成和多层互连,将电力电子系统中主电路、传感、控制、驱动、保护、通信接口等全部电路和元件都集成到一起,形成具有通用性的标准化电力电子组块(PowerElectronicBuildingBlock—PEBB),用以构成各种不同的应用系统。PEBB就是标准化和通用化的电力电子单元,也是电力电子与微电子结合的一个典型。电力电子集成化最大的优势是可以成倍地提高变流器的功率密度,从而减小体积、减轻重量,缺点是目前成本还较高。而航空航天和军事工业上的应用对成本不太敏感,但对于减小体积、减轻重量特别渴求。电力电子集成技术是目前电力电子技术领域最为重要的研究方向,必将成为未来该领域的热点。

  可见,微电子与电力电子其实是密不可分的,如果轻视电力电子器件的发展,长期来说也会妨碍微电子器件的发展。我国至今没有很好地发展现代电力电子器件,一个重要因素是缺乏对现代电力电子器件的全面了解,从而导致电力电子行业无法获得相应的政策支持。在信息化带动工业化的浪潮中,必须让不同的半导体器件都得到均衡的发展。

  器件高频化是发展方向

  我们知道,工频(50Hz~60Hz)是发电的最佳频率,但它不是用电的最佳频率。如果电源频率提高,磁路截面积可以减小,从而电机体积减小,重量减轻。这种效果对诸如变压器、电抗器、镇流器等各种电磁元件都是适用的。为此,电力电子器件高频化是今后电力电子技术一个不容忽视的发展方向。

  从目前电力电子的双极型自关断器件已达上百千赫的频率来看,电力电子技术已经进入了一个新的时期———逆变器时代。逆变器将对各种频率的电源、工业应用、车辆应用以至家用电器等各方面起到重要作用。其中最重要的是交流调速,从小功率的微电机到几万千瓦的大电机,都有可能用到交流传动。

  微处理器及微计算机的引入,已使电力电子技术中的控制技术发生了根本的变化。一些过去认为过分复杂难以实现的控制技术得到了应用,并且使许多控制方法及理论在实践中取得进一步的发展。电力电子器件的频率范围正在迅速扩大,这是引入微电子器件工艺的结果。一方面,传统的双极型自关断器件的结构正变得愈益精细,并引入了外延或隐埋等工艺,从而缓和了功率与频率的矛盾,已向几十或几百千赫的方向发展。另一方面,单极型器件中,功率金属氧化物半导体场效应晶体管(PowerMOSFET)本身就是超大规模集成电路超微细工艺的产物,它的频率已可达1MHz。而结型场效应器件———静电感应晶体管和晶闸管(SIT及SITH),也有赖于高阻高质量外延工艺的发展,SIT本身频率上限已达1000MHz。因而可以认为,传统的低频电力电子学的概念已经打破,高频电力电子学正在兴起。

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  电力电子发展历程与技术特征

  电力电子学和微电子学构成了电子学的主要内容。狭义地讲,前者以研究电力的控制和传输为重点,后者则是以信号的采集和处理为重点。电力电子技术就是一种采用电力电子器件进行功率变换和控制的技术。

  电力电子器件的发展,可分为三个阶段。第一阶段是上世纪60到70年代,那时各种类型的晶闸管及拓扑器件有很大的发展,可称为是双极型年代,其服务对象以工业应用为主,包括电力系统、机车牵引和电化学电源等。第二阶段是上世纪80到90年代,由于功率MOSFET的兴起,使电力电子技术步入了一个新的领域,为近代蓬勃发展的4C产业(通信、电脑、消费电器、汽车)提供了新的活力。在世纪之交,电力电子器件的发展又进入了第三阶段,即和集成电路结合越来越紧密的阶段。

  电力电子技术的特征是高效和节能,这主要是电力电子器件一般工作在较理想的开关状态,其特点是:导通时压降很低,关断时漏电流很低,器件本身的功耗与它所控制的功率相比是非常小的,一般可以忽略不计。电力电子学与信息电子学在技术上主要不同点是功效问题。对信息处理用的低电平电路很少要求效率超过15%,而电力电子技术中的功率电路却不能容忍其效率低于85%。功率损耗的经济价值主要是节能的要求,其次还有一个散热问题。由此可见,要求高的效率,是电力电子技术的主要特征。目前采用的“同步整流”技术就是顺应这一发展的潮流。开关状态工作有一缺点是产生高次谐波,对电网及无线电都有干扰,这方面人们正在尽一切力量去减轻它的危害:一方面使开关过程中尽可能少产生高次谐波,例如使波形更完整;另一方面用各种办法消除它。于是,产生了电力电子技术的另一个分支———谐波抑制。

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