現代のパワーエレクトロニクスと電力技術の開発-知識-寧波ラム電子技術株式会社

現在、パワーエレクトロニクスは、省エネ、人材節約、自動化、インテリジェンス、および電気機械統合の基盤として、高周波アプリケーションテクノロジー、モジュラーハードウェア構造、およびグリーン製品のパフォーマンスの方向に発展しています。近い将来、パワーエレクトロニクス技術は、電力技術をより成熟させ、経済的かつ実用的にし、高効率と高品質の電力の組み合わせを実現します。 1.パワーエレクトロニクス技術の開発現代のパワーエレクトロニクス技術の発展の方向性は、問題に対処するための低周波技術に焦点を当てた従来のパワーエレクトロニクスから、高周波技術に焦点を当てた現代のパワーエレクトロニクスへのシフトです。パワーエレクトロニクス技術は、1950年代後半から1960年代初頭にシリコン整流子デバイスから始まりました。その開発は、整流器時代、インバーター時代、周波数変換器時代を経て、多くの新しい分野でパワーエレクトロニクス技術の応用を促進してきました。 1980年代後半から1990年代初頭にかけて、高周波、高電圧、大電流を統合したパワーMOSFETやIGBTに代表されるパワー半導体複合デバイスが1980年代後半から1990年代初頭に開発され、従来のパワーエレクトロニクス技術が現代のパワーエレクトロニクス時代。 1.1整流器時代の高出力産業用電力は、電力周波数（50Hz）AC発電機によって供給されますが、電気エネルギーの約20％はDCの形で消費され、その最も典型的なものは電気分解（非鉄金属）です。化学原料にはDC電解が必要）、牽引（電気機関車、電気駆動ディーゼル機関車、地下鉄機関車、都市トロリーバスなど）、DC駆動（鉄鋼圧延、製紙など）が3つの主要分野です。高出力シリコン整流子は、電源周波数の交流を高効率で直流に変換できます。したがって、1960年代と1970年代に、高出力シリコン整流子とサイリスタの開発と応用が大きく発展しました。当時、中国ではシリコン整流子工場の大規模な設立が急増していました。現在、国内でシリコン整流子を製造している大小の半導体メーカーが当時の製品です。 1.2インバーターの時代1970年代には、世界的なエネルギー危機があり、ACモーター&＃39; 周波数変換速度は、その顕著な省エネ効果により急速に発展しました。可変周波数速度調整の重要な技術は、直流を0〜100Hzの交流に反転させることです。 1970年代から1980年代にかけて、可変周波数速度調整装置の普及に伴い、高出力インバータに使用されるサイリスタ、ジャイアントパワートランジスタ（GTR）、ゲートターンオフサイリスタ（GT0）が当時のパワーエレクトロニクスデバイスの主役になりました。同様のアプリケーションには、高電圧DC出力、静的無効電力動的補償などが含まれます。現時点では、パワーエレクトロニクス技術は整流と反転を実現することができましたが、動作周波数は低く、低周波数範囲に限定されています。 1.3周波数変換器の時代1980年代、大規模および超大規模集積回路技術の急速な発展は、現代のパワーエレクトロニクス技術の開発の基礎を築きました。集積回路技術の微細加工技術と高電圧・大電流技術を有機的に組み合わせた、完全制御型パワーデバイスの新しいバッチが登場しました。まず、パワーMOSFETの出現により、小型の開発につながりました。中電力電源を高周波に供給し、次に絶縁ゲートを使用します。バイポーラトランジスタ（IGBT）の出現により、高周波用の大規模および中規模の電源を開発する機会がもたらされました。 MOSFETとIGBTの連続的な出現は、従来のパワーエレクトロニクスから最新のパワーエレクトロニクスへの転換の兆候です。統計によると、1995年末までに、パワーMOSFETとGTRはパワー半導体デバイス市場で同等のシェアに達し、パワーエレクトロニクスの分野でGTRの代わりにIGBTを使用することが結論に達しました。新しいデバイスの開発は、ACモーターの周波数変換速度調整に高い周波数を提供し、その性能をより完全で信頼性の高いものにするだけでなく、最新の電子技術を高効率の材料である高周波に向けて開発し続けることを可能にします。電気機器の節約と省エネ、そして小型軽量の定量化を実現し、メカトロニクスとインテリジェンスは重要な技術的基盤を提供します。 2.現代のパワーエレクトロニクスの応用分野2.1コンピュータの高効率グリーン電源コンピュータ技術の急速な発展は、人類を情報化社会に導き、同時に電源技術の急速な発展を促進しました。 1980年代、コンピュータはスイッチング電源を完全に採用し、コンピュータ電源の交換を主導しました。その後、スイッチング電源技術が次々と電子・電気機器の分野に参入しました。コンピュータ技術の発展に伴い、グリーンコンピュータとグリーン電源が提案されてきました。グリーンコンピュータとは、一般的に、環境に害を及ぼさないパーソナルコンピュータおよび関連製品を指します。グリーン電源とは、グリーンコンピュータに関連する高効率の省電力電源のことです。米国環境保護庁&＃39; s" Energy Star"によると、 1999年6月17日の計画、デスクトップタイプのパーソナルコンピュータまたは関連する周辺機器の消費電力がスリープ状態で30ワット未満の場合、グリーンコンピュータの要件を満たしています。電力効率の改善は、消費電力を削減するための基本的な方法です。 75％の効率を持つ現在の200ワットのスイッチング電源に関する限り、電源自体は50ワットのエネルギーを消費します。 2.2通信用高周波スイッチング電源通信業界の急速な発展は、通信電源の開発を大いに促進してきました。高周波小型スイッチング電源とその技術は、現代の通信電源システムの主流になっています。通信分野では、整流器は通常一次電源と呼ばれ、DC-DC（DC / DC）コンバータは二次電源と呼ばれます。一次電源の機能は、単相または三相AC電源グリッドを公称値48VのDC電源に変換することです。現在、プログラム制御スイッチの一次電源では、従来の位相制御安定化電源が高周波スイッチング電源に置き換えられています。高周波スイッチング電源（スイッチング整流器SMRとも呼ばれます）は、MOSFETまたはIGBTの高周波を介して動作し、スイッチング周波数は、高効率と小型化を実現するために、通常50〜100kHzの範囲で制御されます。近年、スイッチング整流器の電力容量は拡大を続けており、1台の容量は48V / 12.5A、48V / 20Aから48V / 200A、48V / 400Aに拡大しています。通信機器にはさまざまな種類の集積回路が使用されているため、それらの電源電圧も異なります。通信電源システムでは、高電力密度高周波DC-DC絶縁型電源モジュールを使用して、中間バス電圧（通常は48V DC）を必要なさまざまなDC電圧に変換し、損失を大幅に削減し、メンテナンスを容易にします。インストールと増加に非常に便利です。通常、標準の制御盤に直接取り付けることができ、二次電源の要件は高電力密度です。通信容量が増加し続けると、通信電源容量も増加し続けます。 2.3 DC-DC（DC / DC）コンバーターDC / DCコンバーターは、固定DC電圧を可変DC電圧に変換します。この技術は、トロリーバス、地下鉄、電気自動車の無段階速度変更に広く使用されています。制御と同時に、上記の制御は、スムーズで高速な応答を実現すると同時に、省エネ効果を発揮します。バリスタをDCチョッパーに交換すると、電力（20〜30）％を節約できます。 DCチョッパーは、電圧を調整する（スイッチング電源）だけでなく、グリッド側の高調波電流ノイズを効果的に抑制します。通信電源の二次電源DC / DCコンバータが商品化されました。モジュールは高周波PWM技術を採用し、スイッチング周波数は約500kHz、電力密度は5W〜20W / in3です。大規模集積回路の開発に伴い、電源モジュールの小型化が求められているため、スイッチング周波数を継続的に上げ、新しい回路トポロジーを採用する必要があります。現在、一部の企業は、2種類のゼロ電流スイッチングとゼロ電圧スイッチング技術を開発および製造しています。二次電源モジュールの電力密度が大幅に改善されました。 2.4無停電電源装置（UPS）無停電電源装置（UPS）は、コンピューター、通信システム、および中断のない供給が必要な場合に必要な、信頼性が高く高性能な電源装置です。 AC主入力は整流器によってDCに変換され、エネルギーの一部はバッテリーパックに充電され、エネルギーの残りの部分はインバーターによってACに変換され、転送スイッチを介して負荷に送られます。インバータが故障した場合でも負荷にエネルギーを供給するために、別のバックアップ電源が電力伝達スイッチを介して実現されます。最新のUPSは一般に、パルス幅変調技術と、パワーMOSFETやIGBTなどの最新のパワーエレクトロニクスデバイスを採用しています。電源のノイズを低減し、効率と信頼性を向上させることができます。マイクロプロセッサソフトウェアとハードウェアテクノロジの導入により、UPSのインテリジェントな管理、リモートメンテナンス、およびリモート診断を実現できます。現在、オンラインUPSの最大容量は600kVAに達する可能性があります。超小型UPSの開発も非常に早く、0.5kVA、lVA、2kVA、3kVAなど様々な仕様の製品があります。 2.5インバーター電源インバーター電源は、主に交流電動機の周波数変換や速度調整に使用されており、電気駆動系における位置がますます重要になり、大幅な省エネ効果を発揮しています。インバータ電源の主回路はAC-DC-AC方式を採用しています。産業用周波数電源は整流器を介して固定DC電圧に変換され、次に高出力トランジスタまたはIGBTで構成されるPWM高周波コンバータがDC電圧を電圧および周波数可変AC出力に変換します。電源の出力波形は正弦波に似ています。無段階速度調整を実現するためにAC非同期モーターを駆動するために使用されます。 400kVA以下のインバータ電源シリーズ製品が国際的に出ています。 1980年代初頭、日本の東芝は最初にAC周波数変換速度調整技術をエアコンに適用しました。 1997年までに、そのシェアは日本の家庭用エアコンの70％以上に達しました。インバーターエアコンには、快適性と省エネ性というメリットがあります。インバーターエアコンの国内研究は1990年代初頭に始まりました。 1996年にインバーターエアコンの生産ラインが導入され、次第にインバーターエアコンの開発・生産のホットスポットとなった。クライマックスは2000年頃になると予想されます。インバーター電源に加えて、インバーターエアコンにはインバーター速度調整に適したコンプレッサーモーターも必要です。制御戦略の最適化と機能部品の選択は、エアコンインバーター電源のさらなる開発の方向性です。 2.6高周波インバータ整流器溶接機電源高周波インバータ整流溶接機電源は、今日の開発の方向性を表す、高性能で効率的で材料を節約する新しい溶接機電源です&＃39; ■溶接機の電源。この種の電源は、IGBT大容量モジュールの商品化により、幅広い用途が見込まれます。インバータ溶接機の電源は、主にAC-DC-AC-DC（AC-DC-AC-DC）変換方式を採用しています。 50Hzの交流は完全なブリッジ整流により直流に変換され、IGBTで構成されるPWM高周波変換部分は直流を20kHzの高周波矩形波に反転させ、高周波トランスによって結合され、整流およびフィルタリングされます。安定した直流となり、アーク電源に使用されます。溶接機電源の動作条件が悪く、短絡、アーク放電、開回路が頻繁に交互に変化するため、高周波インバータ整流器溶接機電源の動作信頼性が最も重要な問題になっています。これは、ユーザーにとって最も懸念される問題でもあります。。マイクロプロセッサをパルス幅変調（PWM）関連のコントローラとして使用し、複数のパラメータと複数の情報の抽出と分析を通じて、システムのさまざまな動作条件を予測する目的が達成され、システムを事前に調整および処理できます。問題を解決するため。現在の高出力IGBTインバータ電源の信頼性を向上させます。外国のインバータ溶接機は、定格溶接電流300A、負荷持続時間60％、全負荷電圧60〜75V、電流調整範囲5〜300A、重量29kgを実現できます。 2.7高出力スイッチング高電圧DC電源高電力スイッチング高電圧DC電源は、静電ダスト除去、水質改善、医療用X線装置、CT装置などの大型機器で広く使用されています。電圧は50〜l59kVと高く、電流は0.5Aを超え、電力は最大100kWです。 1970年代以降、日本の一部の企業は、主電源を整流後に約3kHzの中間周波数に変換し、それをブーストするインバータ技術を採用しています。 1980年代には、高周波スイッチング電源技術が急速に発展しました。ドイツ&＃39; s Siemensは、電源のスイッチング周波数を20kHz以上に上げるために、主要なスイッチング要素としてパワートランジスタを使用しています。乾式変圧器技術は、高周波および高圧電源への適用に成功し、高圧変圧器の油タンクが排除され、変圧器システムの容量がさらに削減されます。国内では、電気集じん器の高圧直流電源が開発されています。主電源を直流に整流し、フルブリッジゼロ電流スイッチ直列共振インバータ回路を使用して直流電圧を高周波電圧に反転させた後、高周波変圧器をブーストし、最終的に直流高に整流します。電圧。抵抗性負荷条件下では、出力DC電圧は55kVに達し、電流は15mAに達し、動作周波数は25.6kHzです。 2.8有効電力フィルターの従来のAC-DC（AC-DC）コンバーターを稼働させると、電力網に大量の高調波電流が注入され、高調波の損失と干渉が発生すると同時に、デバイスの力率はグリッド側で劣化します。現象、いわゆる& quot;電力汚染& quot;たとえば、制御不能な整流とコンデンサフィルタリングの場合、グリッド側の3次高調波含有量は（70〜80）％に達する可能性があり、力率はグリッド側はわずか0.5〜0.6です。アクティブパワーフィルターは、高調波を動的に抑制できる新しいタイプのパワーエレクトロニクスデバイスです。従来のLCフィルタの欠点を克服でき、有望な高調波抑制方法です。フィルタは、ブリッジスイッチング電力変換器と特定の制御回路で構成されています。出力電圧がフィードバックされるだけでなく、平均入力電流もフィードバックされます。（2）電流ループ基準信号は、電圧ループエラー信号と全波整流電圧サンプリング信号の積です。 2.9分散型スイッチング電源システム分散型電源システムは、低電力モジュールと大規模制御集積回路を基本コンポーネントとして使用し、最新の理論と技術的成果を使用して、ビルディングブロックスタイルのインテリジェントな高電力電源を形成します。強電流と弱電流の緊密な統合により、高出力コンポーネントと高出力デバイス（集中型）の開発への圧力が軽減され、生産効率が向上します。 1980年代初頭、分散型高周波スイッチング電源システムの研究は、基本的にコンバータ並列技術の研究に焦点を合わせていました。 1980年代半ばから後半にかけて、高周波電力変換技術の急速な発展に伴い、さまざまなコンバータトポロジが次々と登場しました。大規模集積回路とパワーコンポーネント技術を組み合わせることで、中小電力デバイスの統合が可能になり、分散型高周波スイッチング電源システムの研究開発を急速に推進しています。 1980年代後半以降、この方向性は国際的なパワーエレクトロニクス界の研究のホットスポットになりました。論文数は年々増加しており、応用分野は拡大を続けています。分散型電源方式は、省エネ、信頼性、高効率、経済性、メンテナンスのしやすさなどのメリットがあります。大規模なコンピュータ、通信機器、航空宇宙、産業用制御などのシステムに徐々に採用されています。また、超高速集積回路の低電圧電源（3.3V）に最適な電源供給方法です。電気めっき、電解電源、電気機関車牽引電源、中間周波数誘導加熱電源、モーター駆動電源などの高出力アプリケーションでは、幅広いアプリケーションの見通しもあります。 3.高周波スイッチング電源の開発動向パワーエレクトロニクス技術や各種電源システムの応用では、スイッチング電源技術が中心です。大型の電解めっき電源の場合、従来の回路は非常にかさばり、重いものです。ゴードンスイッチング電源技術を使用すると、その体積と重量が大幅に削減され、電力利用効率が大幅に向上し、材料の節約とコストを削減できます。電気自動車や可変周波数ドライブでは、スイッチング電源技術と切り離せません。スイッチング電源は、電源周波数を変更して、ほぼ理想的な負荷マッチングとドライブ制御を実現します。高周波スイッチング電源技術は、各種ハイパワースイッチング電源（インバータ溶接機、通信電源、高周波加熱電源、レーザー電源、電力運転電源など）の中核技術です。 3.1高周波理論的分析と実際の経験は、電気製品の変圧器、インダクター、コンデンサーの体積重量が電源周波数の平方根に反比例することを示しています。したがって、周波数を50Hzから20kHzに400倍に上げると、電気機器の体積と重量は、電力周波数設計の5〜10％に減少します。インバータ整流器溶接機でも通信電源用スイッチング整流器でも、どちらもこの原理に基づいています。同様に、従来の& quot;整流器業界& quot;における電気めっき、電気分解、電気処理、充電、フローティング充電、電源閉鎖などのさまざまなDC電源。この原理に従って、& quot;スイッチング変換電源& quot;に変換することもできます。主な材料は、90％以上節約でき、30％以上節約できます。パワーエレクトロニクス機器の動作周波数の上限が徐々に高くなることにより、もともと電子管を使用していた多くの従来の高周波機器が固化し、省エネ、節水、材料節約の大きな経済的利益をもたらし、技術コンテンツの価値を反映します。 3.2モジュール性モジュール化には2つの意味があります。1つはパワーデバイスのモジュール化であり、もう1つは電源ユニットのモジュール化です。 1ユニット、2ユニット、6ユニットから7エレメントを含む、スイッチングデバイスとそれらと逆並列のフリーホイールダイオードを含む当社の一般的なデバイスモジュールは、基本的に& quot;標準& quot;です。パワーモジュール（SPM）。近年、一部の企業は、スイッチングデバイスのドライブ保護回路をパワーモジュールに取り付けて、& quot;インテリジェント& quot;を形成しています。パワーモジュール（IPM）は、マシン全体のサイズを縮小するだけでなく、マシン全体の設計と製造を容易にします。実際、周波数の継続的な増加により、リードの寄生インダクタンスと寄生容量の影響がより深刻になり、デバイスに大きな電気的ストレスが発生します（過電圧および過電流バリの形で）。システムの信頼性を向上させるために、一部のメーカーは& quot;ユーザー固有の& quot;を開発しました。パワーモジュール（ASPM）は、完全なマシンのほぼすべてのハードウェアをチップの形でモジュールにインストールし、コンポーネントが間にないようにします。従来のリード接続では、このようなモジュールは厳密かつ合理的な熱、電気、および最適化の完璧な状態を達成するための機械設計。これは、マイクロエレクトロニクスの特定用途向け集積回路（ASIC）に似ています。制御ソフトウェアがモジュール内のマイクロプロセッサチップに書き込まれ、モジュール全体が対応するラジエータに固定されている限り、新しいタイプのスイッチング電源デバイスが形成されます。モジュール化の目的は、使用を容易にし、マシン全体のサイズを縮小することだけでなく、さらに重要なことに、従来の接続をキャンセルして寄生パラメータを最小限に抑え、デバイスへの電気的ストレスを最小限に抑えることであることがわかります。システムの信頼性を向上させます。。さらに、デバイス容量の制限と信頼性を向上させるための冗長性の向上により、高電力スイッチング電源は通常、複数の独立したモジュールユニットを使用して並列に動作し、電流共有テクノロジを使用し、すべてのモジュールが負荷電流を共有します。 1つのモジュールに障害が発生した場合、他のモジュールは負荷電流を均等に共有します。このように、電力容量が増加するだけでなく、限られたデバイス容量の条件下で大電流出力の要件が満たされ、システム全体に比べて低電力の冗長電源モジュールを追加することにより、システムの信頼性が大幅に向上します。。単一モジュールに障害が発生した場合、システムの通常の動作に影響を与えることはなく、修復に十分な時間を提供します。 3.3デジタル化従来のパワーエレクトロニクス技術では、制御部分はアナログ信号に従って設計および動作します。 1960年代と1970年代には、パワーエレクトロニクス技術は完全にアナログ回路に基づいていました。しかし、デジタル信号とデジタル回路がますます重要になっている今、デジタル信号処理技術はますます成熟し、ますます多くの利点を示しています：コンピュータの処理と制御に便利で、アナログ信号の歪みと歪みを回避し、スプリアス信号。干渉（干渉防止機能の向上）。ソフトウェアパッケージのデバッグとリモートセンシング、テレメトリとリモート調整、および自己診断、フォールトトレランス、その他のテクノロジの導入に便利です。したがって、1980年代と1990年代には、アナログ技術は、特に印刷版のレイアウト、電磁両立性（EMC）の問題、力率補正（PFC）など、さまざまな回路やシステムの設計に依然として有用でした。問題はアナログ技術の知識と切り離せませんが、インテリジェントスイッチング電源の場合、コンピュータ制御が必要な場合、デジタル技術は切り離せません。 3.4緑化電力供給システムの緑化には2つの意味があります。1つは発電容量の節約を意味する大幅な節電であり、発電は環境汚染の重要な原因であるため、節電は環境汚染を減らすことができます。第二に、これらの電源は電力網に汚染を引き起こすことはできません（またはそれ以下）。国際電気標準会議（IEC）は、IEC555、IEC917、IEC1000などの一連の規格を策定しました。実際、多くのパワーエレクトロニクス省エネデバイスは、電力網の汚染源になる傾向があります。電力網に深刻な高次高調波電流を注入すると、総力率が低下し、多くのバリスパイクが電力網電圧に結合します。角度や歪みもありません。。 20世紀の終わりに、さまざまなアクティブフィルターとアクティブ補償器スキームが誕生し、力率を補正する方法はたくさんありました。これらは、21世紀におけるさまざまなグリーンスイッチング電源の大量生産の基礎を築きました。現代のパワーエレクトロニクス技術は、スイッチング電源技術の開発の基礎です。より高いスイッチング周波数に適した新しいパワーエレクトロニクスデバイスと回路トポロジーの継続的な出現により、最新の電源技術は実際のニーズの推進力の下で急速に発展するでしょう。従来のアプリケーション技術では、パワーデバイスの性能の制限により、スイッチング電源の性能が影響を受けます。さまざまな電源デバイスの特性を最大化し、デバイスのパフォーマンスがスイッチング電源のパフォーマンスに与える影響を最小限に抑えるために、新しい電源回路トポロジと新しい制御テクノロジーにより、電源スイッチをゼロ電圧またはゼロ電流状態で動作させることができます。これにより、動作周波数が大幅に向上し、スイッチング電源の効率が向上し、優れた性能を備えたスイッチング電源を設計できます。全体として、パワーエレクトロニクスとスイッチング電源技術はアプリケーション要件のために開発を続けており、新しい技術の出現により多くのアプリケーション製品が更新され、より多くの更新されたアプリケーション分野が開かれます。スイッチング電源&＃39;の高周波、モジュール化、デジタル化、緑化などの実現は、これらの技術の成熟を示し、高効率と高品質の電力の組み合わせを実現します。近年、通信産業の発展に伴い、スイッチング電源技術を核とした通信用スイッチング電源の国内市場需要は20億元を超え、多くの科学技術者を魅了しています。開発と研究を行うために国内外で。スイッチング電源がリニア電源や位相制御電源に取って代わるのは一般的な傾向です。そのため、数十億の出力値を必要とする電動電源システムの国内市場が始まり、まもなく発展します。他にも、スイッチング電源技術を核とした特殊電源や産業用電源が多く、人々の発展を待っています。