電力電子技術(shù)課程報(bào)告(編輯修改稿)
2024-12-15 11:49 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 機(jī)電源的發(fā)展方向。由于 IGBT 大容量模塊的商用化 ,這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。 逆變焊機(jī)電源大都采用交流 直流 交流 直流 (ACDCACDC)變換的方法。 50Hz 交流電經(jīng)全橋整流變成直流 ,IGBT 組成的 PWM 高頻變換部分將直流電逆變成 20kHz 的高頻矩形波 ,經(jīng)高頻變壓器耦合 , 整流 濾波后成為穩(wěn)定的直流 ,供電弧使用。 由于焊機(jī)電源的工作條件惡劣 ,頻繁的處于短路、燃弧、開(kāi)路交替變化之中 ,因此高頻逆變式整流焊機(jī)電源的工作可靠性問(wèn)題成為最關(guān)鍵的問(wèn)題 ,也是用戶最關(guān)心的問(wèn)題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制 (PWM)的相關(guān)控制器 , 通過(guò)對(duì)多參數(shù)、多信息的提取與分析 ,達(dá)到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的 ,進(jìn)而提前對(duì)系統(tǒng)做出調(diào)整和處理 ,解決了目前大功率 IGBT逆變電源可靠性。 國(guó)外逆變焊機(jī)已可做到額定焊接電流 300A,負(fù)載持續(xù)率 60%,全載電壓 60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍 5~300A,重量 29kg。 7 大功率開(kāi)關(guān)型高壓直流電源 大功率開(kāi)關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用 X光機(jī)和 CT 機(jī)等大型設(shè)備。電壓高達(dá) 50~l59kV,電流達(dá)到 ,功率可達(dá) 100kW。 自從 70年代開(kāi)始 ,日本的一些公司開(kāi)始采用逆變技術(shù) ,將市電整流后逆變?yōu)?3kHz左右的中頻 ,然后升壓。進(jìn)入 80年代 ,高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國(guó)西門(mén)子公司采用功率晶體管做主開(kāi)關(guān)元件 ,將電源的開(kāi)關(guān)頻率提高到 20kHz 以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源 ,取消了高壓變壓器油箱 ,使變壓器系統(tǒng)的體積進(jìn)一步減小。國(guó)內(nèi)對(duì)靜 電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制 ,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?,采用全橋零電流開(kāi)關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓 ,然后由高頻變壓器升壓 ,最后整流為直流高壓。在電阻負(fù)載條件下 ,輸出直流電壓達(dá)到 55kV,電流達(dá)到 15mA,工作頻率為 。 8 電力有源濾波器 傳統(tǒng)的交流 直流 (ACDC)變換器在投運(yùn)時(shí) ,將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流 ,引起諧波損耗和干擾 ,同時(shí)還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象 ,即所謂 “電力公害 ”,例如 ,不可控整流加電容濾波時(shí) ,網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(dá) (70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有 ~。 電力有源濾波器是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置 ,能克服傳統(tǒng) LC 濾波器的不足 ,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。 三、電力電子器件發(fā)展 眾所周知，一個(gè)理想的功率器件，應(yīng)當(dāng)具有下列理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性：在阻斷狀態(tài)能承受高電壓 。在導(dǎo)通狀態(tài)具有高的電流密度和低的導(dǎo)通壓降 。在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換時(shí)具有短的開(kāi)、關(guān)時(shí)間，能承受高的 di/dt和 dv/dt，并具有全控功能。 自從 50年代硅晶閘管問(wèn)世以后的 20多年來(lái)，功率半導(dǎo)體器件的研究工作者為達(dá)到上述理想目標(biāo)做出了不懈的努力，并已取得了世人矚目的成就。 60 年代后期，可關(guān)斷晶閘管 GTO實(shí)現(xiàn)了門(mén)極可關(guān)斷功能，并使斬波工作頻率擴(kuò)展到 lkHz以上。 70年代中期，高功率晶體管和功率 MOSFET 問(wèn)世，功率器件實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)控功能，打開(kāi)了高頻應(yīng)用的大門(mén)。 80年代，絕緣柵門(mén)控雙極型晶體管（ IGBT）問(wèn)世，它綜合了功率 MOSFET 和雙極型功率晶體管兩者的功能。 IGBT 的迅速發(fā)展，又激勵(lì)了入們對(duì)綜合功率 MOSFET和晶閘管兩者功能的新型功率器件 ——MOSFET門(mén)控晶閘管的研究。 SCR 問(wèn)世似來(lái)，其功率容量已提高了近 3000 倍?，F(xiàn)在許多國(guó)家已能穩(wěn)定生產(chǎn) φ100mm，8000V/4000A的晶閘管。日本現(xiàn)在已能穩(wěn)定生產(chǎn) 8000V/4000A 和 6000V/6000A 的光觸發(fā)晶閘管（ LTT）。美國(guó)和歐洲主要生產(chǎn)電觸發(fā)晶閘管。近十幾年來(lái)，由于自關(guān)斷器件的飛速發(fā)展，晶閘管的應(yīng)用領(lǐng)域有所縮小，但是，由于它的高電壓、大電流特性，它在 HVDC、靜止無(wú)功補(bǔ)償（ SVC）、大功率直流電源及超大功率和高壓變頻調(diào)速應(yīng)用方面仍然占 有十分重要的地位。預(yù)計(jì)在今后若干年內(nèi)，晶閘管仍將在高電壓、大電流應(yīng)用場(chǎng)合得到繼續(xù)發(fā)展。 1982年，日本日立公司首先研制成功 2500v、 1000A的 GTO。許多生產(chǎn)商可提供額定開(kāi)關(guān)功率 36MVA（ 6000V， 6000A）用的高壓大電流 GTO。為了折衷它的導(dǎo)通、開(kāi)通和關(guān)斷特性，傳統(tǒng) GTO 的典型關(guān)斷增量?jī)H為 3～ 5。 GTO 關(guān)斷期聞的不均勻性引起的 “擠流效應(yīng) ”使GTO 關(guān)斷期間 dv/dt 必須限制在 500～ 1000V/μs。為此，人們不得不使用體積大、笨重、昂貴的吸收電路。它的其他缺點(diǎn)是門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜和要求較大的 驅(qū)動(dòng)功率。但是，高的導(dǎo)通電流密度、高的阻斷電壓、阻斷狀態(tài)下高的 dv/dt耐量和有可能在內(nèi)部集成一個(gè)反并二極管這些突出的優(yōu)點(diǎn)，仍使人們對(duì) GTO 感興趣。到目前為止，傳統(tǒng)的 GTO 是在高壓（ VBR＞ 3300V）、大功率（ ～ 20MVA）牽引、工業(yè)和電力逆變器中應(yīng)用最為普遍的門(mén)控功率半導(dǎo)體器件。目前， GTO的最高研究水平為 6in、 6000V/6000A以及 9000V/10000A。這種 GTO采用了大直徑均勻結(jié)技術(shù)和全壓接式結(jié)構(gòu)，通過(guò)少子壽命控制技術(shù)折衷了 GTO導(dǎo)通電壓與關(guān)斷損耗兩者之間的矛盾。由于 GTO 具有門(mén)極全 控功能，它正在許多應(yīng)用領(lǐng)域逐步取代SCR。為了滿足電力系統(tǒng)對(duì) lGVA以上的三相逆變功率電壓源的需要，近期很有可能開(kāi)發(fā)出10000A、 12020V的 GTO，并有可能解決 30多個(gè)高壓 GTO串聯(lián)的技術(shù)，可望使電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用再上一個(gè)臺(tái)階。當(dāng)前已有兩種上述常規(guī) GTO的替代品問(wèn)世：一是高功率的 IGBT 模塊（包括 IEGTInjection Enhanced Gate Transistor:） 。另一是門(mén)極換流晶閘管IGCT、這是一種改進(jìn)型 GTO和集成門(mén)極驅(qū)動(dòng)器組成的新型 GTO組件。 （用于 ）及 （用于 ）、 275AItgqm＜ 3120A的 IGCT已研制成功。 IGCT 是由一個(gè)改進(jìn)型的 GTOGCT（陽(yáng)極短路型、帶環(huán)狀門(mén)極的逆導(dǎo) GTO）和一個(gè)引線電感極低的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器組成的。 IGCT 可以較低的成本，緊湊、可靠、高效率地用于 ～ 10MVA 變流器，而不需要串聯(lián)或并聯(lián)。如用串聯(lián)，逆變器功率可擴(kuò)展到 100MVA而用于電力設(shè)備。雖然高功率 IGBT模塊具有一些優(yōu)良的特性，如能實(shí)現(xiàn) di/dt和 dv/dt的有源控制、有源箝位，易于實(shí)現(xiàn)短路電流保護(hù) 和有源保護(hù)等，但是，高的導(dǎo)通損耗、低的硅有效面積利用率、損壞后造成開(kāi)路以及無(wú)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)，使高功率 IGBT模塊在高功率低頻變流器中的實(shí)際應(yīng)用 受到限制。因此我們可以認(rèn)為，在大功率 MCT問(wèn)世以前， IGCT 將成為高功率高電壓低頻變流器，特別是在電力工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的優(yōu)選大功率器件。 MOS控制晶閘管（ MCT）充分利用晶閘管良好的通態(tài)特性及 MOS管的開(kāi)通和關(guān)斷特性，可望具有優(yōu)良的自關(guān)斷動(dòng)態(tài)特性和非常低的通態(tài)電壓降，并易于得到高的耐壓，成為將來(lái)在電力裝置和電力系統(tǒng)中最有發(fā)展前途的大功率器件。目前世界 上雖有十幾家公司在積極開(kāi)展對(duì) MCT 的研究，但是仍然處于研制階段，其中只有美國(guó) HARRIS公司可生產(chǎn) 100A、 1000V的 MCT，離實(shí)際應(yīng)用尚有相當(dāng)大的距離。大功率 MCT 的真正問(wèn)世可能還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。 至今，硅材料功率器件已發(fā)展得相當(dāng)成熟。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)人們對(duì)理想功率器件特性的追求，越來(lái)越多的功率器件研究工作轉(zhuǎn)向了對(duì)用新型半導(dǎo)材料制作新型半導(dǎo)體功率器件的探求。研究表明，砷化家 FET 和肖特基整流器可以獲得十分優(yōu)越的技術(shù)性能。 Collinsetal 用GaAsVFETs制成了 10MH： PWM變流器，其功率密度 高達(dá) 500W/in3。 在用新型半導(dǎo)體材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅（ SiC）功率器件。它的性能指標(biāo)比砷化鎵器件還要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。碳化硅與其它半導(dǎo)體材料相比，具有下列優(yōu)異的物理特點(diǎn)：高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移
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