【文章內(nèi)容簡介】 新一代電力電子器件。其中除普通晶閘管向更大容量（ 6500 伏、 3500 安）發(fā)展外，門極可關(guān)斷晶閘管（ GTO）電壓已達(dá) 4500 伏，電流已達(dá) 2500～ 3000 安；雙極型晶體管也向著更大容量發(fā)展， 80年代中后期其工業(yè)產(chǎn)品最高電壓達(dá) 1400伏，最大電流達(dá) 400 安 ,工作頻率比晶閘管高得多 ,采用 達(dá)林頓 結(jié)構(gòu)時(shí)電流增益可達(dá)75～ 200。 隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，美國和日本于 1981～ 1982 年間相繼研制成光控晶閘管并用于直流輸電系統(tǒng)。這種光控管與電觸發(fā)的 晶閘管相比，簡化了 觸發(fā)電路 ，提高了絕緣水平和抗干擾能力，可使變流設(shè)備向小型、輕量方向發(fā)展，既降低了造價(jià)，又提高運(yùn)行的可靠性。同時(shí)，場控電力電子器件也得到發(fā)展，如 功率場效應(yīng)晶體管 (power MOSFET)和功率 靜電感應(yīng)晶體管 (SIT)已達(dá)千伏級(jí)和數(shù)十至數(shù)百安級(jí)的電壓、電流等級(jí)，中小容量的工作頻率可達(dá)兆赫級(jí)。由場控和雙極型合成的新一代電力電子器件，如絕緣柵雙極型晶體管（ IGT 或 IGBT）和 MOS控制晶閘管（ MCT）也正在興起 ,容量也已相當(dāng)大。這些新器件均具有門極關(guān)斷能力，且工作頻率可以大大提高，使電力電子電路更加簡單，使電力電子裝置的體積、重量、效率、性能等各方面指標(biāo)不斷提高，它將使電力電子技術(shù)發(fā)展到一個(gè)更新的階 段。與此同時(shí)，電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置的 計(jì)算機(jī)模擬 和仿真技術(shù)也在不斷發(fā)展 。 現(xiàn)代電力電子技術(shù)是以高新技術(shù)知識(shí)為基礎(chǔ)的一種知識(shí)密集型技術(shù)綜合，是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新學(xué)科，一方面它是電子學(xué)在高電壓、大電流等強(qiáng)電或電工領(lǐng)域的一個(gè)分支，另一方面它也是電工學(xué)在低電壓、大電流等電流弱電或電子領(lǐng)域的一個(gè)分支。當(dāng)前，電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合已成為當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的主流電力電子 技術(shù)的應(yīng)用，貫穿在電能的獲取、傳輸、變換和利用的幾乎每個(gè)環(huán)節(jié)，使用電效率、節(jié)能效益、供電質(zhì)量大大提高。電力電子技術(shù)的應(yīng)用在電氣自動(dòng)化 5 中發(fā)揮越來越重要的作用，為電能的產(chǎn)生和利用搭起了橋梁，為電能的輸出、應(yīng)用提供了更好的方式和平臺(tái)，從根本上提高了電能的應(yīng)用效率。 電力電子技術(shù)正在不斷發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)器件的陸續(xù)誕生，計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為現(xiàn)代控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了有力的支持．在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，從人類對(duì)宇宙和大自然的探索．到同民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，再到我們的衣食住行，到處都能感受到電力電子技術(shù)的 存在和巨大魅力。 電力電子技術(shù)未來的發(fā)展 在未來，電力電子器件 已進(jìn)入高頻化，標(biāo)準(zhǔn)模塊化，集成化和智能時(shí)代。從理論分析和實(shí)驗(yàn)證明電氣產(chǎn)品的體積與重量的縮小與供電頻率的平方根成反比，也就說， 當(dāng)我們將 50Hz 的標(biāo)準(zhǔn)二頻大幅的提高之后，使用這樣工頻的電氣設(shè)備的體積與重量就能大大縮小，使電氣設(shè)備制造節(jié)約材料，運(yùn)行時(shí)節(jié)電就更加明顯，設(shè)備的系統(tǒng)性能亦大為改善，尤其是對(duì)航天工業(yè)其意義十分深遠(yuǎn)的。故電力電子器件的高頻化是今后電力電子技術(shù)創(chuàng)新的主導(dǎo)方向，而硬件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模塊是器件發(fā)展的必然趨勢，目前先進(jìn)的模塊，已經(jīng)包括 開關(guān)元件和與其反向并聯(lián)的續(xù)流二極管在內(nèi)及驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路多個(gè)單元，并都以標(biāo)準(zhǔn)化和生產(chǎn)出系列產(chǎn)品，并且可以在一致性與可靠性上達(dá)到極高的水平。 由于環(huán)境 、 能源 、 社會(huì)和高效化的要求，電力電子設(shè)備和系統(tǒng)正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化 、 智能化 、 全數(shù)字控制 、 系統(tǒng)化及綠色化方向發(fā)展。 1. 在未來的一段時(shí)間內(nèi)，以各種電力半導(dǎo)體器件為主功率器件的電力電子設(shè)備和系統(tǒng)將展開競爭且共同發(fā)展。 2. 以 IGBT 為主功率器件的整流器和逆變器可提高效率 、 減小噪聲 、 減輕設(shè)備重量 、 減小體積，將廣泛應(yīng)用于工業(yè) 、 家用電器和新能源等方面。 3. 以 IGCT 為主功率器件的電力電 子設(shè)備和系統(tǒng)將有可能逐步取代晶閘管。 4. 以 MOSFET 為主功率器件的電力電子設(shè)備和系統(tǒng)將在中功率領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。 5. 諧振變流器技術(shù)將廣泛應(yīng)用，新的控制技術(shù)及手段將在電力電子設(shè)備和系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，并進(jìn)一步提高電力電子設(shè)備和系統(tǒng)的性能和檔次。 6. 電力電子設(shè)備和系統(tǒng)中的電磁干擾控制 、 PWM 傳動(dòng)系統(tǒng)中的軸電流和軸電壓等難題將取得突破性進(jìn)展。 未來電力電子設(shè)備和系統(tǒng)的應(yīng)用熱點(diǎn)是：變頻調(diào)速 、 智能電網(wǎng) 、 汽車電子 、 信息和辦公自動(dòng)化 、 家用特種電源 、 新能源 、 太陽能 、 風(fēng)能及燃料電源等。 6 集成穩(wěn)壓電源的發(fā) 展 所謂集成穩(wěn)壓器，就是用半導(dǎo)體工藝和薄膜工藝將穩(wěn)壓電路中的二極管、三極管、電阻、電容等元件制作在同一半導(dǎo)體或絕緣基片上，形成具有穩(wěn)壓功能的固體電路。 穩(wěn)壓電源是能為負(fù)載提供穩(wěn)定交流電源或直流電源的電子裝置。包括交流穩(wěn)壓電源和直流穩(wěn)壓電源兩大類。 1955 年美國的科學(xué)家羅那首先研制成功了利用磁芯的飽和來進(jìn)行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后，利用這一技術(shù)的各種形式的精益求精直流變換器不斷地被研制和涌現(xiàn)出來，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低的旋轉(zhuǎn)和機(jī)械振子示換流設(shè)備。由于晶體管直流變換器中的功率 晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以由此而制成的穩(wěn)壓電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當(dāng)時(shí)被廣泛地應(yīng)用于航天及軍事電子設(shè)備。由于那時(shí)的微電子設(shè)備及技術(shù)十分落后，不能制作出耐壓高、開關(guān)速度較高、功率較大的晶體管，所以這個(gè)時(shí)期的直流變換器只能采用低電壓輸入，并且轉(zhuǎn)換的速度也不能太高。 60 年代，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，高反壓的晶體管出現(xiàn)了，從此直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流、濾波后輸入，不再需要工頻變壓器降壓了，從而極大地?cái)U(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，并在此基礎(chǔ)上誕生了無工頻降壓變壓器的開關(guān)電源。省掉了工 頻變壓器，又使開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量大為減小，開關(guān)穩(wěn)壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。 70 年代以后，與這種技術(shù)有關(guān)的高頻，高反壓的功率晶體管、高頻電容、開關(guān)二極管、開關(guān)變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產(chǎn)出來，使無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源得到了飛速的發(fā)展，并且被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視機(jī)等領(lǐng)域，從而使無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源成為各種電源的佼佼者。電子設(shè)備都離不開直流穩(wěn)壓電源。許多電子設(shè)備要由電力網(wǎng)上的交流電變換的直流電來提供電。根據(jù)電子設(shè)備的不同，對(duì)電源的要求也不同。比如，有的 電子設(shè)備消耗功率大些，就要求直流電源提供較大的功率；有的電子設(shè)備的工作性能對(duì)電壓波動(dòng)很敏感，就要求電源的輸出電壓要穩(wěn)定、紋波系數(shù)要?。灰灿械囊笾绷麟娫摧敵龅碾妷嚎烧{(diào)。 集成穩(wěn)壓器在近十多年內(nèi)發(fā)展很快，按電路的結(jié)構(gòu)方式分，有單片式集成穩(wěn)壓器和組合式集成穩(wěn)壓器；按電路的工作方式分，有線性集成穩(wěn)壓器和開關(guān)式集成穩(wěn)壓器；按管腳的連接方式分，有三端式集成穩(wěn)壓器和多端式集成穩(wěn)壓器；按制造工藝分，有半導(dǎo)體集成穩(wěn)壓器，薄膜混合集成穩(wěn)壓器和厚膜混合集成穩(wěn)壓器。 集成穩(wěn)壓器是在半導(dǎo)體硅片上使用外延、氧化、光刻、擴(kuò)散和金屬蒸發(fā) 等工 7 藝制作而成的穩(wěn)壓電路。這種集成穩(wěn)壓器的各種元件在同一工序中制成。 常用的集成穩(wěn)壓器有下列幾種 多端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 這種穩(wěn)壓器取樣電阻和保護(hù)電路的元件需要外接，它的外接端比較多，便于適應(yīng)不同的用法。它的輸出電壓可調(diào)，以滿足不同輸出電壓的要求。目前國內(nèi)生產(chǎn)的這類產(chǎn)品有 WB71 WB72 WA705～ WA72 5G1 5G1 CW61 CW61BG60 CW200 系列。 三端固定式集成穩(wěn)壓器 這類固定輸出的通用型線性穩(wěn)壓器，有輸入、輸出和公共端 3個(gè)端子，一般來說正電壓輸出的用四位數(shù)字 78XX（或中間加一位字母）表示基本型號(hào)。舉例來說，7805表示正 5V輸出的線性穩(wěn)壓器額定電流是 1000mA。 7800系列的輸出電壓為 5，6， 9， 12， 15， 18， 24V 共 7個(gè)檔次， 780 780 780 781 781 7817824 分別表示 6V、 8V、 9V、 12V、 15V、 18V、 24V 電壓輸出、額定電流 1000mA的線性穩(wěn)壓器，如果在中間加一個(gè)字母 L（例如 78L05）表示額定電流為 100mA，如果加字母 M 表示額定電流為 500mA，如果加字母 H表示額定電流為 5000mA，如果加字母 P表示額定電流為 10000mA；負(fù)電壓輸出的用四位數(shù)字 79XX（或中間加一位字母）表示基本型號(hào)。舉例來說， 7905 表示負(fù) 5V輸出的線性穩(wěn)壓器額定電流為 1000mA，其他和 78XX 系列相同。但是各廠家的型號(hào)前綴和后綴各不相同，比如同為 7805， ON 的產(chǎn)品前綴是 MC，型號(hào)是 MC7805，松下的產(chǎn)品前綴是 AN，ST的產(chǎn)品前綴是 L， NS 的產(chǎn)品前綴是 LM等等，這類產(chǎn)品具有使用方便、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器是指輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓器， 它與三端固定式穩(wěn)壓器的外形和 變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件。變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級(jí)線圈，其余的繞組叫次級(jí)線圈。當(dāng)初級(jí)線圈中通有交流電流時(shí)，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。變壓器按冷卻方式分為：干式（自冷）變壓器，油浸（自冷）變壓器，佛化物（蒸發(fā)冷卻）變壓器；按防潮方式分為：開放式變壓器，灌封式變壓器，密封式變壓器；按鐵芯或線圈結(jié)構(gòu)分為：芯式變壓器，殼式變壓器，環(huán)形變壓器，金屬箔變壓器；按電源相數(shù)分為：單相變壓器，三相變壓器，多相變壓器；按用途分為：電源變壓器，調(diào)壓變壓器，音頻變壓器，中頻變壓器，高頻變壓器，脈沖變壓器。本設(shè)計(jì)是為實(shí)驗(yàn)室提供低壓直流電源使用，是將市電變?yōu)榈碗妷旱难b置，并且該設(shè)計(jì)是正負(fù)電壓輸出。因此，只須選用單相雙輸出電源變壓器即可。 8 可調(diào)式集成穩(wěn)壓電路組成 集成直流穩(wěn)壓電源由四部分組成 : 四部分分別為 :電源變壓器 ,整流電路 ,濾波電路 ,穩(wěn)壓電路。 圖 穩(wěn)壓電源框圖 圖 整流與穩(wěn)壓過程 整流部分 二極 管 D1～ D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。 如圖 圖 橋式整流電路 9 圖 橋式整流原理 在 v2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過二極管 D1流向 RL，再由二極管 D3流回變壓器，所以 D D3正向?qū)ǎ?D D4反偏截止。在負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)極性為上正下負(fù)的輸出電壓。其電流通路可用圖中實(shí)線箭頭表示。 在 v2的負(fù)半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過二極管 D2流向 RL，再由二極管 D4流回變壓器，所以 D D3反偏截止，D D4正向?qū)?。電流流過 RL時(shí)產(chǎn)生的電壓極性 仍是上正下負(fù)，與正半周時(shí)相同。其電流通路如圖中虛線箭頭所示。 綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦?，將四個(gè)二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連，負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓。 結(jié)合 上述分析，可得橋式整流電路的工作波形如圖 濾波電路 經(jīng)過整流后的直流電幅值變化很大，會(huì)影響電路的工作性能?？衫秒娙莸摹巴ń涣鳎糁绷鳌钡奶匦?，在電路中并入兩個(gè)電容作為電容濾波器，濾去其中的交流 成分。電容濾波電路是最常見也是最簡單的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯(lián)一個(gè)電容即構(gòu)成電容濾波電路。濾波電容容量較大，因此一般均采用電解質(zhì)電容，在接線時(shí)要注意電解質(zhì)電容的正負(fù)極。電容濾波電路利用電容的充、放 10 電作用，使輸出電壓趨于平滑。如果將兩個(gè)濾波電容相連接，且連接點(diǎn)接地，就可同時(shí)得到輸出電壓平滑的正負(fù)電源。 濾波電路及其原理如下圖 所示 : 圖 RC 濾波電路 圖 RC 濾波電路 電容濾波電路中二極管的電流和導(dǎo)通角 為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般取 RLC=(3~5)T/2 式中 T為電源交流電壓的周期。 濾波電容的容量可由下式估算： C=ICt/ΔVipp 式中 ΔVipp—— 穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰 峰值； T—— 電容 C 放電時(shí)間， t=T/2= IC—— 電容 C 放電電流 ，可取 IC=Iomax，濾波電容 C 的耐壓值應(yīng)大于 V2。 總之，在電容充電時(shí)，回路電阻為整流電路的內(nèi)阻，即變壓器電阻和二極管的導(dǎo)通電阻，其數(shù)值很小，因而 時(shí)間常數(shù)很小。電容放電時(shí)，回路電阻為 RL，放電時(shí)間常數(shù) RLC 通常遠(yuǎn)大于充電的時(shí)間常數(shù)。因此濾波效果取決于放電時(shí)間。電容愈大，負(fù)載電阻愈大，濾波后輸出電壓愈平滑，并且其平均值愈大。換言之， 11 當(dāng)濾波電容容量一定時(shí)，若負(fù)載電阻減小 (即負(fù)載電流增大 )，則時(shí)間常數(shù) RLC減小，放電速度加快，輸出電壓平均值即下降，并且脈動(dòng)變大 。 穩(wěn)壓部分 集成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路有三個(gè)引腳，分別為輸入端，輸出端和公共端，因而稱為三端穩(wěn)壓器。按功能可分為固定式穩(wěn)壓電路和可調(diào)式穩(wěn)壓電路；前者的輸出電壓不能進(jìn)行調(diào)節(jié)，為固定值；后者可通過外接 元件使輸出電壓得到很寬的調(diào)節(jié)范圍。便于實(shí)時(shí)控制，此設(shè)計(jì)采用可調(diào)式三端穩(wěn)壓器 LM317和 LM337。 LM317 和 LM3