对电力电子的器件理解

big_gun · 发表于 2023-3-15 14:34

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电力电子技术总的来说是采用电力电子装置（或器件）进行电能变换（换流），以给不同的负载供电。主要包括四个部分，第一个部分主要是电力电子器件，新型电力电子的器件的产生和兴起极大的促进了电力电子技术的发展，使得电源变换朝着搞能量密度、高频化发展；第二个部分是电力电子变换器的拓扑结构，主要又分为四个部分，分别是整流、斩波、逆变、交交变流。为使电力电子装置适用于不同场合，对拓扑结构的研究越来越复杂。拓扑结构主要朝着高转换效率（软开关等），体积小（高频），集成度高（磁集成等）、模块化等方向发展；第三个部分是控制方式。适当的控制方式是电力电子设备稳定运行所必要的。电力电子设备绝大多数都是采用闭环控制的。面对日益兴起的电力电子器件和各种各样的拓扑结构，传统的PWM控制、PI调节等越来越难以满足闭环系统的指标。控制技术越来越朝着混合控制、智能控制（如全桥LLC是采用PFM与移相全桥混合控制）等控制方法演化。第四部分是负载类型，电力电子的负载类型也在不断发展，电机作为电力电子负载的一个重要部分，控制方式层出不穷。对于新兴的电池等负载，也对电力电子技术提出了许多新问题。总而言之，针对不同的负载，其控制方式、拓扑结构等不尽相同。
【关键字】：电力电子器件、拓扑、智能控制、负载类型
1.电力电子器件的应用和发展前景

电力电子器件作为电力电子技术的基础，其发展对电力电子技术的发展起着至关重要的作用，从第一支晶闸管问世，人们进入了电力电子的时代，此后电力电子技术发展迅猛，可以说，每一次半导体器件的发展都会引起电力电子行业的一次巨大变革。
1.1传统电力电子器件介绍

传统的电力电子器件主要又，电力二极管、双极型晶体管BJT（Bipolar Junction Transiitor）、可控硅整流器SCR（Silicon Controlled Rectifier）、门级可关断晶闸管（Gate Turn Off Thyristor）、绝缘栅双极性晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、金属氧化物半导体场效应管MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、集成门级换流可关断晶闸管IGCT
（Integrated Gate Commutated Thyristor）等等。下面主要讨论IGBT和MOSFET的应用场合。

图1中阴影区域表示都可以使用，???代表目前工艺很难达到。从图中可以看出IGBT耐压和应用功率场合一般高于MOS管（其中NMOS高于PMOS），而频率通常低于MOS管。以TI生产的高性能NMOS管 CSD19506，这个MOS管具有极低的导通电阻，仅为几个毫欧。常温下的连续漏极电流I_D高达273A，但耐压仅80V。这些性能使得这个MOS管非常适合在地压大电流的场合使用，如次级（低压侧）同步整流器。对比由芯长征科技生产的MPB40N120B，这个管子最大耐压1200V，室温下最大集电极电流I_C=80A，最大耗散功率P_D=277W，这适合用于大功率电力设备中使用。
1.2新型半导体器件的介绍

随着SiC和GaN等新兴器件的兴起，MOS管耐压也可达到上千伏特。如安森美生产的SiC型NMOS耐压已达1200V，如NTH4L160N120SC1器件，室温下最大耗散功率P_D=111W，室温下最大连续漏极电流I_D=17.3A，在室温等测试环境下的导通和关断延时仅十几个纳秒，导通电阻仅160mA，这非常适合用在小功率高能量密度的电源中。
2.拓扑结构的应用与发展

拓扑结构主要是按照换流方式来分的，交流到直流的变换称为整流（Rectify），传统的整流方式是使用二极管整流桥来进行不可控整流的，再经过大电容来得到脉动较小的直流电。但这种方式得到的直流电在不考虑负载效应的时候输出的直流电Ud=1.414Uac，且不可控，同时还会给使得电网电压谐波增大，因此，通常在某些场合常常采用PWM可控整流，通过合适的控制方法可以使得整流后的波形更加平滑，同时，通过调整死区时间还可以做到幅值在一定范围内可控，为不影响电网，目前使用整流通常都才用到有源滤波功率因数矫正(APFC)。
直流到直流的变换称为斩波（Chopper）或直流变压器，传统的斩波拓扑主要有，升压斩波（boost）、降压斩波（buck）、升降压斩波（buck-boost）、反激（flyback）、正激（forward）、Guk、Zeta等等。每个电路都有自己的应用场合，比如反激电源在小功率大变比的场合使用较多，如辅助电源模块、明伟、金升阳制作的开关电源等。但是，随着电力电子器件的发展，对拓扑结构提出了更多要求，如LLC谐振电源就以其高能量密度脱颖而出，但面对对效率、体积、功率等要求的不断增大，多级LLC并联、复合LLC等LLC的扩展拓扑不断涌现。同时由于LLC控制方法较复杂，完全不同于LLC的拓扑结构也不断出现，如开关电容等等。
直流到交流的变换称为逆变（Invert），传统的逆变电路主要是（以单项逆变为例）半桥逆变拓扑、全桥逆变拓扑、多电平逆变拓扑、多桥臂逆变拓扑等等，而控制方式也经过很大的发展，这使得逆变技术越来越成熟。这里举例说明基本的逆变为什么含有谐波较大，因此要用PWM技术。

2.2传统拓扑介绍：

LLC拓扑结构及LLC衍生拓扑结构后续介绍。
3.控制方法与系统建模的发展

电力电子变换器的控制方法是电力电子变换器中最重要也是最难的部分。控制方式受到电力电子器件、拓扑结构、负载类型、应用场合等等的影响。这里值得一题的是负载类型，当负载为三相交流异步电动机时控制方式也是多种多样的，如VF控制，SVPWM控制等；当负载类型为电池时，电池本身的特性，如不均衡性，发热性能等等会影响SOC、SCH等，要想使得这些负载在期望的状态下运行，这就使得控制方式变得异常复杂。这里以开关电源为例来讨论控制方式。
电源的控制要能满足电源的动态性能，如抗干扰能力、负载调整率、稳定性和稳定裕度、输出纹波和噪声、补偿网络设计指标等等，这就要求对控制提出了较高的要求。目前的很多控制方式还未落地，仅仅停留在理论阶段，而传统的PFM、PWM、SPWM、SVPWM控制和PI调节器仍是主流。控制方式原理一般是模拟控制，而实际控制中大多使用数字控制微处理器，如STM32，DSP等等来实现，因此在原理和具体实现中还存在很大差距。下面以简单的两电平单相逆变电路为说明SPWM是如何产生的。

图5中产生的PWM波形是调制波与载波进行比较而生成的，而实际过程中我们要获得载波是和调制波是比较困难的。因此我们利用下式进行计算。其中D是输出占空比，n是点数，A与定时器技术方式和计数最大值有关。具体python代码实现如下
D = A 1 + s i n ( 1 : n n ) 2 D=A\frac{1+sin(\frac{1:n}{n})}{2} D=A21+sin(n1:n)

import numpy as np
amount=256
xdata=np.linspace(0,2*np.pi,amount)
Adata=amount/2*np.sin(xdata)+amount/2
count=0
with open (path,"w",encoding="utf-8") as file_Adata:
for data in Adata:
      Adata_file=str("%.2f" %data)
      if count % 10 == 0 and count!=0:
         file_Adata.write("\n")
      count+=1
      file_Adata.write(Adata_file+","+" ")
count=0

1
2
3
4
5
6
7
8
9
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13

由此便可生成单相SPWM数据，这些占空比数据通过定时器中断输出即可，很容易看出，改变逆变的频率只需改变中断时间或者点数即可，改变初相位只需要改变起始点即可，改变逆变的幅值只需要改变调制度即可（其本质相当于整体压缩波形数据）。
类似的，PI调节器也需要设置成数字式才可以达到控制电源的效果，同理不论是什么控制方式最终都需要数字化（纯模拟电源除外）。
另外，控制方式涉及到建模已经传递函数等计算过程也是非常复杂的，这里不讨论。
4.电力电子的负载类型

电力电子设备是负载工作的前提，反过来负载的发展也影响着电力电子技术的发展。以新兴的新能源汽车电池负载为例。由于电池组内的单个电池的参数不一致，如端电压、内阻、容量等，都在运行过程中会进一步加大这种差距，这就需要均衡电路。各式各样的主动均衡电路层出不穷，目前也没有统一的比较合适的均衡电路。

随着电动汽车的不断发展，国内电动汽车的比重越来越大，这在一定程度上减轻了环境污染，对实现双碳目标有着积极意义，但由此带来的问题也突显。今年国庆节纯电动汽车暴露出短板，除了充电桩建立还不完善外，在技术上更大的问题在于充电技术、均衡电路等仍存在一定的不足。
本文是基于目前的文献查阅、动手实践以及对电力电子的理解所写。
总结一下对电力电子的理解从四大拓扑结构–>电力电子的三个部分–>到现在加入了对电力电子负载的理解。