【文章內容簡介】 機電源的發(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用前景。 逆變焊機電源大都采用交流 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。 由于焊機電源的工作條件惡劣 ,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中 ,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題 ,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制 (PWM)的相關控制器 , 通過對多參數、多信息的提取與分析 ,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的 ,進而提前對系統(tǒng)做出調整和處理 ,解決了目前大功率 IGBT逆變電源可靠性。 國外逆變焊機已可做到額定焊接電流 300A,負載持續(xù)率 60%,全載電壓 60~75V,電流調節(jié)范圍 5~300A,重量 29kg。 7 大功率開關型高壓直流電源 大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫(yī)用 X光機和 CT 機等大型設備。電壓高達 50~l59kV,電流達到 ,功率可達 100kW。 自從 70年代開始 ,日本的一些公司開始采用逆變技術 ,將市電整流后逆變?yōu)?3kHz左右的中頻 ,然后升壓。進入 80年代 ,高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件 ,將電源的開關頻率提高到 20kHz 以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源 ,取消了高壓變壓器油箱 ,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。國內對靜 電除塵高壓直流電源進行了研制 ,市電經整流變?yōu)橹绷?,采用全橋零電流開關串聯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。在電阻負載條件下 ,輸出直流電壓達到 55kV,電流達到 15mA,工作頻率為 。 8 電力有源濾波器 傳統(tǒng)的交流 直流 (ACDC)變換器在投運時 ,將向電網注入大量的諧波電流 ,引起諧波損耗和干擾 ,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象 ,即所謂 “電力公害 ”,例如 ,不可控整流加電容濾波時 ,網側三次諧波含量可達 (70~80)%,網側功率因數僅有 ~。 電力有源濾波器是一種能夠動態(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，一個理想的功率器件，應當具有下列理想的靜態(tài)和動態(tài)特性：在阻斷狀態(tài)能承受高電壓 。在導通狀態(tài)具有高的電流密度和低的導通壓降 。在開關狀態(tài)，轉換時具有短的開、關時間，能承受高的 di/dt和 dv/dt，并具有全控功能。 自從 50年代硅晶閘管問世以后的 20多年來，功率半導體器件的研究工作者為達到上述理想目標做出了不懈的努力，并已取得了世人矚目的成就。 60 年代后期，可關斷晶閘管 GTO實現了門極可關斷功能，并使斬波工作頻率擴展到 lkHz以上。 70年代中期，高功率晶體管和功率 MOSFET 問世，功率器件實現了場控功能，打開了高頻應用的大門。 80年代，絕緣柵門控雙極型晶體管（ IGBT）問世，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，又激勵了入們對綜合功率 MOSFET和晶閘管兩者功能的新型功率器件 ——MOSFET門控晶閘管的研究。 SCR 問世似來，其功率容量已提高了近 3000 倍?，F在許多國家已能穩(wěn)定生產 φ100mm，8000V/4000A的晶閘管。日本現在已能穩(wěn)定生產 8000V/4000A 和 6000V/6000A 的光觸發(fā)晶閘管（ LTT）。美國和歐洲主要生產電觸發(fā)晶閘管。近十幾年來，由于自關斷器件的飛速發(fā)展，晶閘管的應用領域有所縮小，但是，由于它的高電壓、大電流特性，它在 HVDC、靜止無功補償（ SVC）、大功率直流電源及超大功率和高壓變頻調速應用方面仍然占 有十分重要的地位。預計在今后若干年內，晶閘管仍將在高電壓、大電流應用場合得到繼續(xù)發(fā)展。 1982年，日本日立公司首先研制成功 2500v、 1000A的 GTO。許多生產商可提供額定開關功率 36MVA（ 6000V， 6000A）用的高壓大電流 GTO。為了折衷它的導通、開通和關斷特性，傳統(tǒng) GTO 的典型關斷增量僅為 3～ 5。 GTO 關斷期聞的不均勻性引起的 “擠流效應 ”使GTO 關斷期間 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。它的其他缺點是門極驅動電路較復雜和要求較大的 驅動功率。但是，高的導通電流密度、高的阻斷電壓、阻斷狀態(tài)下高的 dv/dt耐量和有可能在內部集成一個反并二極管這些突出的優(yōu)點，仍使人們對 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)和電力逆變器中應用最為普遍的門控功率半導體器件。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技術和全壓接式結構，通過少子壽命控制技術折衷了 GTO導通電壓與關斷損耗兩者之間的矛盾。由于 GTO 具有門極全 控功能，它正在許多應用領域逐步取代SCR。為了滿足電力系統(tǒng)對 lGVA以上的三相逆變功率電壓源的需要，近期很有可能開發(fā)出10000A、 12020V的 GTO，并有可能解決 30多個高壓 GTO串聯的技術，可望使電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用再上一個臺階。當前已有兩種上述常規(guī) GTO的替代品問世：一是高功率的 IGBT 模塊（包括 IEGTInjection Enhanced Gate Transistor:） 。另一是門極換流晶閘管IGCT、這是一種改進型 GTO和集成門極驅動器組成的新型 GTO組件。 （用于 ）及 （用于 ）、 275AItgqm＜ 3120A的 IGCT已研制成功。 IGCT 是由一個改進型的 GTOGCT（陽極短路型、帶環(huán)狀門極的逆導 GTO）和一個引線電感極低的門極驅動器組成的。 IGCT 可以較低的成本，緊湊、可靠、高效率地用于 ～ 10MVA 變流器，而不需要串聯或并聯。如用串聯，逆變器功率可擴展到 100MVA而用于電力設備。雖然高功率 IGBT模塊具有一些優(yōu)良的特性，如能實現 di/dt和 dv/dt的有源控制、有源箝位，易于實現短路電流保護 和有源保護等，但是，高的導通損耗、低的硅有效面積利用率、損壞后造成開路以及無長期可靠運行數據等缺點，使高功率 IGBT模塊在高功率低頻變流器中的實際應用 受到限制。因此我們可以認為，在大功率 MCT問世以前， IGCT 將成為高功率高電壓低頻變流器，特別是在電力工業(yè)應用領域中的優(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管的開通和關斷特性，可望具有優(yōu)良的自關斷動態(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展對 MCT 的研究，但是仍然處于研制階段，其中只有美國 HARRIS公司可生產 100A、 1000V的 MCT，離實際應用尚有相當大的距離。大功率 MCT 的真正問世可能還需要相當長的時間。 至今，硅材料功率器件已發(fā)展得相當成熟。為了進一步實現人們對理想功率器件特性的追求，越來越多的功率器件研究工作轉向了對用新型半導材料制作新型半導體功率器件的探求。研究表明，砷化家 FET 和肖特基整流器可以獲得十分優(yōu)越的技術性能。 Collinsetal 用GaAsVFETs制成了 10MH： PWM變流器，其功率密度 高達 500W/in3。 在用新型半導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。它的性能指標比砷化鎵器件還要高一個數量級。碳化硅與其它半導體材料相比，具有下列優(yōu)異的物理特點：高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移