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电力电子设备的现状与展望

2018-8-5 14:56:21 8805 电力电子可再生能源

0 如今提高能源利用效率，普及并促进可再生能源的使用，已成为主要工业国家能源政策中必须达成的目标。这种情况下对电能而言电力电子技术非常重要，该技术运用高频开关功率半导体对电力进行控制，并对电压及电流的品质进行调节。例如，在太阳能发电方面利用最大功率点跟踪以最大发电效率将直流电能送入交流电网中，在风力发电方面通过高压直流输电减少因长距离输电造成的输电损耗。另一方面，运用能任意控制输出电压与频率的变换器，可实现高效的转矩控制的变速驱动，可以让产业工艺高效化。由于拥有以上优点，运用电力电子技术的变换器的应用范围非常广泛，在过去数十年中随着功率半导体技术的持续发展，采用数字信号处理、新型变换器拓扑结构与调制方式，从而大幅提高了功能性、成本与性能的平衡性、装置体积和变换效率。虽然已经实现了上述高性能，但是对大幅提高性能的要求没有止境，不仅要对一个性能指标，还需要对变换效率与体积，或者成本与效率等多个性能指标同时进行改善。来源：昌晖仪表yunrun.com.cn 使用SiC(碳化硅)及GaN(氮化镓)等宽禁带功率半导体的新元件技术为提高上述性能提供了技术基础。同时由于开关速度较快，因此需要新的封装结构等新技术。而且，门极驱动器与功率半导体开关实现一体化后，将来除了可以对装置进行现场监控外，对开关行为的控制也将成为可能。另外，取代焊锡接合技术的低温银烧结工艺等功率半导体模块中的接合技术成为进一步提高性能的关键技术。采用此技术便可在高温下运行，并简化冷却结构。关于无源器件需要关注具备高能量密度和高电流的新型陶瓷电容器技术，以及以两面冷却和气液两相冷却等为代表的新冷却技术。数字控制技术作为变换器控制以及在线整定最佳控制参数的基础技术将进一步得以推广。在电源领域中，有望从以电流连续模式运行的硬开关变换器过渡到以电流不连续模式或电流临界模式运行的软开关变换器。电流不连续模式中存在高导通损耗的问题，可以通过新一代功率半导体的低导通电阻得到改善。设计EMC滤波器时，虽然可以采用使多个系统并联运行的相移型系统即交错型转换器，但这是以电流连续模式运行的，所以必须慎重选择。DSP(Digital Signal Processor)以及FPGA(Field Programmable Gate Array)等数字控制装置性能的进一步提高(摩尔定律)使得这些复杂的调制方式容易得到采用。随着已确立技术的深入开发，应在所有等级中进行功能整合。例如，在装置等级的整合过程中，通过将变频器与电机一体化，不仅能实现装置整体的最佳设计，还可以提高用户使用的方便性。最后补充一点，为方便对装置特性进行多方面分析，开发可同时分析电热特性或磁热特性的仿真工具非常重要。其课题主要是元器件的建模和正确的参数选取。例如，搭载有在效率与成本方面实现最优化的高输出AllSiC模块的太阳能发电用功率调节器(PCS)，搭载有高效率高密度 Si-SiC混合模块的变频器，为控制体积和成本而与电机一体化的带变频器的空调用变速驱动器，在效率方面实现最佳化的电机的新系列，采用RB-IGBT的T-型三电平拓扑结构的不间断电源装置(UPS)。在这些最先进工业系统中的大幅度的性能提高，是通过电力仪表领域的高度的技术进步，并且在实践过程中于极为广泛的范围内掌握技术要素来实现的，这些都给人留下了深刻的印象。电力电子技术领域已达到非常高的技术水平，今后还将继续对性能进行改善。在下个开发阶段中，大概会将降低成本、确保较高可靠性和鲁棒性作为核心焦点。在印刷电路板上的封装功率半导体、光信号路径、散热元件的封装技术、3D打印机等新生产技术可以让构成变换器的要素及材料实现多功能，为提高性能做出贡献。然而在高度集成的极紧凑系统中，为观测无法直接测定的信号，需要将仿真技术与测定技术进行整合的动态信号推测技术。在电力电子应用领域中，以直流供电系统为代表的中压绝缘型变换器的进一步发展值得期待。同时在小容量领域中，运用微电子技术，可取名为微电力电子的新电力电子领域将得到确立。而且随着电力电子设备的深入普及，为实现循环型社会做出贡献，在设计过程中不仅要考虑削减制造成本，还必须考虑到再生性。关于所使用材料的成本及特性，在大学中也应该进行研究，而实际上在瑞士联邦理工学院苏黎世校(ETHZ)的电力电子系统实验室(PES)已进行了多年研究。总而言之，从只考虑单一变换器的设计向考虑供配电系统整体的设计进行范式转移，作为今后应用领域的中心值得期待。随时进行高效电力转换的要求，将被电源系统寿命周期成本的最小化以及保证高效高可靠性的能源供应的要求所替代。同时，除了对单一变换器的详细功能进行分析外，对微电网及微微电网系统中变换器之间的相互作用的研究的重要性也极大地增加。正如几十年前由分立元器件构成的电子电路向实现集成化的单一封装的IC、LSI转变那样，今后电力电子设备中的变换器也会向标准化功能块的集成和封装的方向发展。智能电网以及除电力以外拥有多个能源介质的超智能电网将得到这些新一代电力电子技术的强力支持。实现从元器件向系统或者从电力电子向其他领域的技术拓展过程中存在很多难题。但从另一角度来看，这也是提高创造性，引导技术革新，最终取得经济方面成功的一项具有魅力的挑战。作者：瑞士联邦理工学院苏黎世校区(ETHZ)教授 0
2018-8-5 14:56:21　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 电力电子设备介绍 29 • 电力电子设备与电能质量 30 • 如何减少电力电子设备损耗 3698 • 是德科技调试现代电力电子设备：看全貌 595 • 电力电子设备短路的原因是什么？有什么后果？ 2933 • LISN在电力电子设备EMI测试中的应用 219 • 电子设备热设计 2982 • 电力电子设备传导噪声抑制措施 1 • 电力电子设备设计手册免费下载 717 • 电力电子设备中磁元件的工作情况 0