現代のパワーエレクトロニクスと電力技術の開発に関する議論

要約：この論文では、現代のパワーエレクトロニクス技術の開発プロセスを説明し、パワーエレクトロニクス技術の応用分野について説明し、現代のパワーテクノロジーの開発動向について説明します。

キーワード：パワーエレクトロニクス技術スイッチング電源

現代の電力技術は、パワーエレクトロニクス半導体デバイス、統合された自動制御、コンピューター（マイクロプロセッサー）技術、および電磁技術を使用する学際的なエッジクロッシング技術です。これは、さまざまな高品質、高効率、高信頼性の電源で重要な役割を果たし、最新のパワーエレクトロニクス技術の特定のアプリケーションです。

現在、パワーエレクトロニクスは、省エネ、節約、自動化、インテリジェンス、メカトロニクスの基盤として、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、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、電源技術をより成熟させ、経済的かつ実用的にし、高効率および高品質の電力を実現します。

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開発の方向性は、低周波技術処理のトピックを備えた従来のパワーエレクトロニクスから、高周波技術処理のトピックを備えた現代のパワーエレクトロニクスまでです。パワーエレクトロニクス技術は1950年代後半から1960年代初頭に始まり、その開発は整流器、インバーター、インバーターの時代を経験し、多くの新しい分野でパワーエレクトロニクスの応用を促進してきました。 1980年代後半から1990年代初頭に開発され、高周波、高電圧、大電流を組み合わせたパワーMOSFETとIGBTに代表されるパワー半導体複合デバイスは、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に参入したことを示しています。時代。 。

1.1整流器の時代

高出力の産業用電力は、電力周波数（50Hz）オルタネーターによって供給されますが、電力の約20％は直流で消費され、その最も典型的なものは電気分解（非鉄金属および化学材料にはDC電気分解が必要）、牽引力（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）とDC送電（圧延鋼、製紙など）の3つの主要分野。高出力シリコン整流器は、電源周波数ACをDC電源に効率的に変換できます。したがって、1960年代と1970年代に、高出力シリコン整流器とサイリスタの開発と応用が大きく発展しました。当時、中国は各地で大規模なシリコン整流器工場のクライマックスを迎えていました。現在、中国の大小のシリコン整流器の半導体メーカーは当時の製品です。

1.2インバーター時代

1970年代には、世界的なエネルギー危機が発生し、明らかな省エネ効果により、ACモーターの周波数変換アイドリングが急速に発展しました。周波数変換速度調整の重要な技術は、DC電力を0〜100HzACに反転することです。 1970年代から1980年代にかけて、周波数変換器、サイリスタ、巨大パワートランジスタ（GTR）、高出力インバータ用のゲートターンオフサイリスタ（GT0）が普及し、当時のパワーエレクトロニク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あります。現時点では、パワーエレクトロニクス技術は整流とインバーターを実現することができましたが、動作周波数は低く、低中周波数範囲に限定されています。

1.3インバーター時代

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および大電流技術を組み合わせて、完全に制御されたパワーデバイスの新しいバッチ、まず第一に、パワーMOSFETの出現が出現し、媒体の開発につながりました-そして、高周波への小電力電源、そしてドア極度にバイポーラトランジスタ（IGBT）の出現は、大中型電源の高周波開発の機会をもたらしました。 MOSFETとIGBTの継続的な導入は、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レベルに達し、パワーエレクトロニクスの分野ではGTRのIGBTへの置き換えが決定的でした。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周波を提供するだけでなく、その性能をより完璧で信頼性の高いものにし、最新の電子技術を高周波で開発し続けることで、電気のエネルギー効率と省エネを実現します。装置。定量化、メカトロニクス、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、人間を情報社会に導き、また電力技術の急速な発展を促進しました。 1980年代には、コンピューターはスイッチング電源を完全に採用し、コンピューターの発電を主導しました。その後、スイッチング電源技術が電子機器や電気機器の分野に参入しました。

コンピュータ技術の開発により、グリーンコンピュータとグリーン電源が提案されました。グリーンコンピュータとは、環境に無害なパソコンや関連製品を指します。グリーン電力とは、グリーンコンピュータに関連する効率的な省電力電源を指します。米国環境保護庁の1992年6月17日の「エネルギースター」プログラムによると、表タイプのPCまたは関連する周辺機器は、スリープ状態での消費電力が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、改善されています。電力効率は、電力消費を削減するための基本的な方法です。効率が75％の現在の200ワットのスイッチング電源の場合、電源自体が50ワットのエネルギーを消費します。

2.2通信高周波スイッチング電源

通信産業の急速な発展は、通信力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。通信の分野では、整流器はしばしば一次電源と呼ばれ、直流-直流（DC / DC）コンバーター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を介して高周波で動作し、スイッチング周波数は一般に50〜100 kHzの範囲で制御され、高効率と小型化を実現します。近年、スイッチング整流器の電力容量は継続的に拡張されており、スタンドアロン容量は48V /12.5Aおよび48V / 20Aから48V / 200Aおよび48V / 400Aに拡張されています。

通信機器に使用される集積回路は多種多様であるため、電源電圧も異なります。通信電源システムでは、中間バス電圧（通常はDC48V）から変換される高電力密度高周波DC-DC絶縁型電源モジュールが使用されます。さまざまなDC電圧が必要です。これにより、損失を大幅に削減し、メンテナンスを容易にし、設置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ます。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、通信電力容量も増加し続けます。

2.3DC-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、電気自動車の無段変速機や制御に広く使用されていると同時に、上記の制御が加速され、安定しています。応答性の高いパフォーマンスと同時に、エネルギーを節約する効果があります。バリスタをDCチョッパーに交換すると、エネルギー（20〜30）％を節約できます。 DCチョッパーは、電圧レギュレーター（スイッチング電源）として機能するだけでなく、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コンバーターが商品化されており、モジュールは高周波PWM技術を採用しています。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、パワーモジュールの小型化が求められています。したがって、スイッチング周波数を継続的に改善し、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、ゼロ電流スイッチングとゼロ電圧スイッチング技術を使用して2つの技術を開発および製造しています。二次電源モジュールでは、電力密度が大幅に向上しています。

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、および中断のないアプリケーションが必要な場所に必要な、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を介して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、別の代替電源が電力伝達スイッチによって実装されています。

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おり、電源のノイズが低減され、効率と信頼性が向上しています。マイクロプロセッサのハードウェアおよびソフト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まで可能です。超小型UPSの開発も非常に早く、0.5kVA、1kVA、2kVA、3kVAなど、すでにさまざまな仕様の製品があります。

2.5インバーター電源

インバータ電源は主に交流電動機の周波数変換速度調整に使用されており、電気駆動システムにおけるその位置がますます重要になり、大幅な省エネ効果が得られています。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。電力周波数電源は整流器を介して固定DC電圧に変換され、次に高電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電圧を電圧および可変周波数AC出力に変換し、電力出力波形正弦波に近似されます。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未満の国際インバータ電源製品が導入されました。 1980年代初頭、日本の東芝は最初にAC可変周波数速度制御技術をエアコンに適用しました。 1997年までに、その市場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。 1990年代初頭、中国はインバーターエアコンの研究を開始しました。 1996年にはインバーターエアコンの生産ラインを導入し、徐々にインバーターエアコンの開発・生産を開始。クライマックスは2000年頃になると予想されます。インバーターエアコンには、可変周波数電源に加えて、可変周波数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、エアコンの可変周波数電源の開発のさらなる開発の方向性です。

2.6高周波インバータ型整流器溶接機電源

高周波インバータ整流器溶接機電源は、今日の溶接機電源の開発の方向性を表す、高性能、高効率、低コストの新しいタイプの溶接機電源です。 IGBT大容量モジュールの商品化により、この電源は幅広い用途が見込まれます。

インバータ溶接機の電源のほとんどは、AC-DC-AC-DC（AC-DC-AC-DC）変換方式を採用しています。 50HzのAC電力は、フルブリッジ整流によってDCに変換されます。 IGBTで構成されたPWM高周波変換部は、DC電力を20kHzの高周波方形波に反転させます。高周波トランス結合後、高周波トランスにより安定化・フィルタリングされ、電源アークが使用されます。

溶接機電源の過酷な使用条件、頻繁な短絡、アーク放電、開回路の変化により、高周波インバータ型整流機電源の作業信頼性の問題が最も重大な問題となっています。また、ユーザーにとって最も懸念されるトピックです。 。マイクロプロセッサは、パルス幅変調（PWM）関連のコントローラとして使用されます。マルチパラメータとマルチ情報の抽出と分析により、システムのさまざまな動作状態を予測するという目的が達成され、問題を解決するためにシステムが事前に調整および処理されます。現在の高出力IGBTインバータ電源の信頼性。

外付け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型高電圧DC電源

高出力スイッチ式高電圧DC電源は、電気集じん器、水質改善、医療用X線装置、CT装置などの大規模機器に広く使用されています。電圧は50〜l59kVと高く、電流は0.5Aに達し、電力は100kWに達する可能性があります。

1970年代以降、日本の一部の企業は、主電源を約3 kHzの中周波数に整流してからブーストするために、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。シーメンスドイツは、電源のスイッチング周波数を20 kHz以上に上げるために、主要なスイッチングコンポーネントとしてパワートランジスタを使用しています。高周波高電圧電源への乾式変圧器技術の適用に成功し、高電圧変圧器燃料タンクを廃止したことで、変圧器システムの容積をさらに削減しました。

電気集じん器高圧DC電源に関する国内研究が展開されています。主電源はDCに整流され、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DC電圧が高周波電圧に反転され、高周波トランスによってブーストされて最終的に整流されます。 DC高電圧です。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パワーアクティブフィルター

従来のAC-DCコンバータを稼働させると、グリッドに大量の高調波電流が注入され、高調波の損失や干渉が発生し、デバイスネットワーク側の力率が低下する現象が発生します。 -「電力汚染」と呼ばれます。たとえば、制御されていない整流とコンデンサフィルタリングを組み合わせた場合、ネットワーク側の3次高調波成分は（70〜80）％に達する可能性があり、グリッド側の力率はわずか0.5〜0.6です。

アクティブパワーフィルタは、高調波を動的に抑制することが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。従来のスイッチング電源との違いは次のとおりです。（1）フィードバック出力電圧だけでなく、フィードバック入力の均一電流。 （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、小型電源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、最新の理論的および技術的成果を使用して、モジュール式でインテリジェントな高電源を形成し、強電力と弱電力を緊密に結合します。ハイパワーを減らすために。生産効率を向上させるためのコンポーネントおよびハイパワーデバイス（集中型）の開発圧力。

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、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、大規模集積回路と電力部品技術を組み合わせて中小規模のパワーデバイスの統合を可能にするさまざまなコンバータトポロジが登場しました。したがって、分散型高周波スイッチング電源システムの開発を急速に推進しました。 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業界で注目を集めています。論文数は年々増加しており、応用分野も拡大しています。

分散型電源モードには、省エネ、信頼性、高効率、経済性、および便利なメンテナンスという利点があります。大型コンピュータ、通信機器、航空宇宙、産業用制御システムなど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も、幅広いアプリケーションの見通しがあります。

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さまざまな電力システムのアプリケーションでは、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大きくてかさばります。高電圧スイッチング電源技術を採用することで、体積と重量を大幅に削減し、電力利用効率、材料節約、コスト削減を大幅に向上させることができます。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が不可欠であり、スイッチング電源によって電力周波数が変更されるため、ほぼ最適な負荷マッチングとドライブ制御が実現します。高周波スイッチング電源技術は、さまざまな高出力スイッチング電源（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、電力など）のコア技術です。

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供給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に上げて400倍にすると、電気機器の体積重量は、電力周波数設計の5〜10％にほぼ減少します。通信電源用のインバータ整流溶接機とスイッチング整流器はどちらもこの原理に基づいています。同様に、従来の「整流産業」向けの電気めっき、電気分解、電気処理、充電、フローティング充電、パワークロージングなどのさまざまなDC電源をこの原理に従って変更して「スイッチング変換型電源」にすることができます。主な材料は90％以上節約でき、30％以上節約できます。パワー電子機器の動作周波数の上限が徐々に進んでいるため、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ており、省エネ、節水、材料節約などの明らかな経済的メリットがあります。技術コンテンツの価値を反映することができます。

3.2モジュラー

モジュール性には2つの意味があり、1つはパワーデバイスのモジュール化を指し、もう1つは電源ユニットのモジュール化を指します。スイッチングデバイスとその逆並列フリーホイールダイオードを含む、1ユニット、2ユニット、6ユニットから最大7ユニットで構成される一般的なデバイスモジュールは、基本的に「標準」パワーモジュール（SPM）です。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、マシン全体のサイズを縮小するだけでなく、設計と製造を容易にする「インテリジェント」パワーモジュール（IPM）を形成しています。マシン全体の。実際、周波数の継続的な改善により、リードの寄生インダクタンスと寄生容量の影響はより深刻になり、デバイスに大きな電気的ストレスを引き起こします（過電圧、過電流グリッチとして表されます）。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「ユーザー固有の」電源モジュール（ASPM）を開発しました。これは、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、コンポーネントが従来のリード接続では、このようなモジュールは、最適で完璧な状態を実現するために、厳密かつ公正な熱的、電気的、機械的設計を受けています。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ヒートシンクに固定されている限り、それは新しいタイプのスイッチング電源デバイスを構成します。モジュール化の目的は、使用を容易にするだけでなく、マシン全体のサイズを縮小することでもあることがわかります。さらに重要なのは、従来の接続を排除し、寄生パラメータを最小限に抑えて、デバイスへの電気的ストレスを最小限に抑え、システムの信頼性を向上させることです。 。さらに、デバイス容量の制限と信頼性と信頼性の考慮事項の増加により、高電力スイッチング電源は通常、複数の独立したモジュラーユニットを使用して並列に動作し、電流共有テクノロジーを使用して、すべてのモジュールが負荷電流を共有します。モジュールに障害が発生し、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、電力容量が改善されるだけでなく、デバイス容量が制限されている場合に大電流出力が満たされ、システム全体に比べて電力が小さい冗長電源モジュールを増やすことにより、システム電力が大幅に改善されます。単一のモジュールに障害が発生した場合でも、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では、制御セクションはアナログ信号として設計および操作されます。 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は、今日ますます重要になっています。デジタル信号処理技術はますます成熟しており、コンピュータ処理の制御が容易で、アナログ信号の歪みを回避し、スプリアス信号を減らすという利点がますます示されています。干渉（プログレッシブ干渉防止機能）、簡単なパッケージデバッグ、リモートセンシングによる遠距離調整、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ーの促進。したがって、1980年代と1990年代には、アナログ技術はさまざまな回路やシステムの設計に役立ちました。特に、印刷版、電磁両立性（EMC）問題、力率補正（PFC）などのレイアウトに役立ちました。この問題の解決策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、デジタル制御が必要な場合、デジタル技術を分離することはできません。

3.4グリーン

電力系統の緑化には2つの意味があります。1つは明らかに節電、つまり発電能力の節約であり、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を汚染することはできません（またはそれ以下）。国際電気標準会議（IEC）は、IEC555、IEC917、IECl000などの一連の規格を開発しました。実際、多くのパワーエレクトロニクス省電力デバイスは、電力網の汚染源になることがよくあります。グリッドに激しい高次高調波電流を注入すると、総力率が低下し、グリッド電圧が多くのバリスパイクを結合します。コーナリングと歪み。 20世紀の終わりに、力率を補正するためのさまざまな方法を備えた、さまざまなアクティブフィルターおよびアクティブ補償器ソリューションが誕生しました。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製品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のための新しいパワーエレクトロニクスと回路トポロジーの出現により、現代の電力技術は現実世界のニーズとともに急速に成長するでしょう。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。さまざまなパワー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により、パワー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。動作周波数を大幅に向上させ、スイッチング電源の動作効率を向上させ、優れた性能を備えたスイッチング電源を設計します。

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、アプリケーションの要件により進歩を続けています。新しいテクノロジーの出現は、多くのアプリケーション製品の置き換えにつながり、より更新されたアプリケーション領域を開きます。スイッチング電源の高周波スイッチング、モジュール化、デジタル化、グリーン化の実現は、これらの技術の成熟を示し、高効率電力と高品質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は、中国での市場需要が20億人民元にとどまり、多くの科学技術スタッフを魅了しています。国内外で研究開発を行っています。リニア電源や位相制御電源に代わる主なトレンドはスイッチング電源です。そのため、数十億の出力要件もある電力駆動型電力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専用電源や産業用電源が数多くあり、人々の発展を待っています。

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