Технология силовой электроники

Введение

Силовая электроника – это применение электроники для управления и преобразования электрической энергии. Первые высокомощные электронные устройства были созданы на основе ртутных дуговых клапанов. В современных системах преобразование осуществляется с помощью полупроводниковых коммутационных устройств, таких как диоды, тиристоры и силовые транзисторы, например, силовые MOSFET и IGBT. В отличие от электронных систем, предназначенных для передачи и обработки сигналов и данных, силовая электроника имеет дело с существенными объемами электрической энергии. Наиболее распространенным устройством силовой электроники является преобразователь переменного тока в постоянный (выпрямитель), который можно встретить во многих бытовых электронных приборах, таких как телевизоры, персональные компьютеры, зарядные устройства и т.д. Обычно диапазон мощности составляет от нескольких десятков до нескольких сотен ватт. В промышленности широко используется привод с регулируемой скоростью (VSD) для управления асинхронными двигателями. Диапазон мощности VSD варьируется от нескольких сотен ватт до десятков мегаватт. Системы преобразования энергии классифицируются по типу входной и выходной мощности:

Переменный ток в постоянный ток (выпрямитель)
Постоянный ток в переменный ток (инвертор)
Постоянный ток в постоянный ток (DC-DC преобразователь)
Переменный ток в переменный ток (AC-AC преобразователь)

История

Силовая электроника началась с разработки ртутного дугового выпрямителя. Изобретенный Питером Купером Хьюитом в 1902 году, он использовался для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Начиная с 1920-х годов, исследования продолжались в области применения тиратронов и ртутных дуговых клапанов с управляющей сеткой для передачи электроэнергии. Уно Ламм разработал ртутный клапан с выравнивающими электродами, что сделало их пригодными для передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения. В 1933 году были изобретены селеновые выпрямители. Джулиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1926 году, но в то время создание рабочего устройства было невозможно. В 1947 году Уолтер Х. Браттейн и Джон Бардин под руководством Уильяма Шокли в Bell Labs изобрели биполярный точечный транзистор. В 1948 году Шокли изобрел биполярный переходной транзистор (BJT), который улучшил стабильность и характеристики транзисторов и снизил их стоимость. К 1950-м годам стали доступны более мощные полупроводниковые диоды и они начали заменять вакуумные лампы. В 1956 году компания General Electric представила кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), значительно расширив область применения силовой электроники. К 1960-м годам улучшенная скорость переключения биполярных переходных транзисторов позволила создать высокочастотные DC/DC-преобразователи. Р. Д. Миддлбрук внес значительный вклад в развитие силовой электроники. В 1970 году он основал группу силовой электроники в Caltech. Он разработал метод усреднения по пространству состояний для анализа и другие инструменты, имеющие решающее значение для современного проектирования силовой электроники.

Мощные MOSFET

Прорыв в силовой электронике произошел с изобретением MOSFET (металл-оксид-полупроводникового полевого транзистора) Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. Поколения MOSFET-транзисторов позволили разработчикам силовых устройств достичь уровней производительности и плотности, недостижимых с биполярными транзисторами. Благодаря усовершенствованиям в технологии MOSFET (первоначально использовавшейся для производства интегральных схем), мощный MOSFET стал доступен в 1970-х годах. В 1969 году компания Hitachi представила первый вертикальный мощный MOSFET, который впоследствии стал известен как VMOS (V-образный MOSFET). Начиная с 1974 года, компании Yamaha, JVC, Pioneer Corporation, Sony и Toshiba начали производство аудиоусилителей с использованием мощных MOSFET. Компания International Rectifier представила мощный MOSFET на 25 А и 400 В в 1978 году. Это устройство позволяет работать на более высоких частотах, чем биполярный транзистор, но ограничено в применении при низких напряжениях. Мощный MOSFET является наиболее распространенным силовым устройством в мире благодаря низкой мощности управления затвором, высокой скорости переключения, возможности простого параллельного соединения, широкой полосе пропускания, надежности, простоте управления, простоте настройки смещения, легкости применения и простоте ремонта. В 1982 году был представлен биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT). Он стал широко доступен в 1990-х годах. Этот компонент сочетает в себе способность биполярного транзистора к обработке мощности и преимущества изолированного управления затвором, присущие мощному MOSFET.

Устройства

Возможности и экономичность систем силовой электроники определяются доступными активными устройствами. Их характеристики и ограничения являются ключевым элементом при проектировании систем силовой электроники. Ранее в силовой электронике широко использовались ртутные дуговые клапаны, высоковакуумные и газонаполненные диодные термоэлектронные выпрямители, а также управляемые устройства, такие как тиратроны и игнитроны. По мере улучшения параметров твердотельных устройств как по напряжению, так и по току, вакуумные устройства были почти полностью заменены твердотельными. Силовые электронные устройства могут использоваться в качестве переключателей или усилителей. Идеальный переключатель находится либо в открытом, либо в закрытом состоянии и, следовательно, не рассеивает мощность; он выдерживает приложенное напряжение и не пропускает ток или пропускает любое количество тока без падения напряжения. Полупроводниковые устройства, используемые в качестве переключателей, могут приближаться к этому идеальному свойству, поэтому большинство приложений силовой электроники полагаются на включение и выключение устройств, что делает системы очень эффективными, поскольку в переключателе рассеивается очень мало энергии. В отличие от этого, в случае усилителя ток через устройство непрерывно изменяется в соответствии с управляющим входным сигналом. Напряжение и ток на выводах устройства следуют по характеристической линии нагрузки, а рассеивание мощности внутри устройства велико по сравнению с мощностью, передаваемой на нагрузку. Несколько характеристик определяют способ использования устройств. Устройства, такие как диоды, проводят при приложении прямого напряжения и не имеют внешнего управления началом проводимости. Силовые устройства, такие как кремниевые выпрямители и тиристоры (а также ртутные клапаны и тиратроны), позволяют управлять началом проводимости, но полагаются на периодическое изменение направления тока для их выключения. Устройства, такие как тиристоры с принудительным выключением, биполярные и полевые транзисторы, обеспечивают полный контроль переключения и могут включаться или выключаться независимо от направления тока, протекающего через них. Транзисторные устройства также обеспечивают пропорциональное усиление, но это редко используется для систем мощностью более нескольких сотен ватт. Характеристики управляющего входа устройства также существенно влияют на конструкцию; иногда управляющий вход имеет очень высокое напряжение относительно земли и должен управляться изолированным источником. Поскольку эффективность является приоритетом в силовом электронном преобразователе, потери, генерируемые силовым электронным устройством, должны быть как можно меньше. Устройства различаются по скорости переключения. Некоторые диоды и тиристоры подходят для относительно низких скоростей и полезны для переключения и управления на частоте сети; некоторые тиристоры полезны на частотах до нескольких килогерц. Устройства, такие как MOSFET и BJT, могут переключаться на десятках килогерц до нескольких мегагерц в силовых приложениях, но при этом снижается уровень мощности. Вакуумные приборы доминируют в приложениях с высокой мощностью (сотни киловатт) и очень высокой частотой (сотни или тысячи мегагерц). Более быстрые переключающие устройства минимизируют потери энергии при переходе из состояния "включено" в состояние "выключено" и обратно, но могут создавать проблемы с излучаемыми электромагнитными помехами. Цепи управления затвором (или эквивалентные) должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать достаточный ток управления для достижения максимальной скорости переключения, возможной для данного устройства. Устройство, не имеющее достаточного тока управления для быстрого переключения, может быть разрушено из-за перегрева. Практические устройства имеют ненулевое падение напряжения и рассеивают мощность во включенном состоянии, а также требуется некоторое время для прохождения через активную область, пока они не достигнут состояния "включено" или "выключено". Эти потери составляют значительную часть общей потерянной мощности в преобразователе. Тепловая мощность и рассеивание устройств также являются критическими факторами при проектировании. Силовые электронные устройства могут рассеивать десятки или сотни ватт тепловой энергии, даже переключаясь максимально эффективно между проводящим и непроводящим состояниями. В режиме переключения контролируемая мощность намного больше, чем мощность, рассеиваемая в переключателе. Падение прямого напряжения в проводящем состоянии приводит к выделению тепла, которое необходимо рассеивать. Высокомощные полупроводники требуют специальных радиаторов или систем активного охлаждения для управления температурой перехода; экзотические полупроводники, такие как карбид кремния, имеют преимущество перед чистым кремнием в этом отношении, а германий, который когда-то был основой твердотельной электроники, сейчас используется редко из-за его неблагоприятных высокотемпературных свойств. Существуют полупроводниковые устройства с рабочим напряжением до нескольких киловольт в одном корпусе. Если необходимо управлять очень высоким напряжением, несколько устройств должны быть использованы последовательно с сетями для выравнивания напряжения на всех устройствах. Опять же, скорость переключения является критическим фактором, поскольку самое медленное переключающее устройство будет выдерживать непропорционально большую часть общего напряжения. Ртутные клапаны ранее были доступны с рабочим напряжением до 100 кВ в одном устройстве, что упрощало их применение в системах HVDC. Токовый рейтинг полупроводникового устройства ограничен теплом, выделяемым внутри кристалла, и теплом, выделяемым в сопротивлении соединительных проводов. Полупроводниковые устройства должны быть спроектированы таким образом, чтобы ток был равномерно распределен внутри устройства по его внутренним переходам (или каналам); как только возникает "горячая точка", эффекты пробоя могут быстро разрушить устройство. Некоторые SCR доступны с токовым рейтингом до 3000 ампер в одном корпусе.

The capabilities and economy of power electronics system are determined by the active devices that are available. Their characteristics and limitations are a key element in the design of power electronics systems. Formerly, the mercury arc valve, the high vacuum and gas filled diode thermionic rectifiers, and triggered devices such as the thyratron and ignitron were widely used in power electronics. As the ratings of solid state devices improved in both voltage and current handling capacity, vacuum devices have been nearly entirely replaced by solid state devices. Power electronic devices may be used as switches, or as amplifiers. An ideal switch is either open or closed and so dissipates no power; it withstands an applied voltage and passes no current or passes any amount of current with no voltage drop. Semiconductor devices used as switches can approximate this ideal property and so most power electronic applications rely on switching devices on and off, which makes systems very efficient as very little power is wasted in the switch. By contrast, in the case of the amplifier, the current through the device varies continuously according to a controlled input. The voltage and current at the device terminals follow a load line, and the power dissipation inside the device is large compared with the power delivered to the load. Several attributes dictate how devices are used. Devices such as diodes conduct when a forward voltage is applied and have no external control of the start of conduction. Power devices such as silicon controlled rectifiers and thyristors (as well as the mercury valve and thyratron) allow control of the start of conduction but rely on periodic reversal of current flow to turn them off. Devices such as gate turn off thyristors, BJT and MOSFET transistors provide full switching control and can be turned on or off without regard to the current flow through them. Transistor devices also allow proportional amplification, but this is rarely used for systems rated more than a few hundred watts. The control input characteristics of a device also significantly affect design; sometimes, the control input is at a very high voltage with respect to ground and must be driven by an isolated source. As efficiency is at a premium in a power electronic converter, the losses generated by a power electronic device should be as low as possible. Devices vary in switching speed. Some diodes and thyristors are suited for relatively slow speed and are useful for power frequency switching and control; certain thyristors are useful at a few kilohertz. Devices such as MOSFETS and BJTs can switch at tens of kilohertz up to a few megahertz in power applications, but with decreasing power levels. Vacuum tube devices dominate high power (hundreds of kilowatts) at very high frequency (hundreds or thousands of megahertz) applications. Faster switching devices minimize energy lost in the transitions from on to off and back but may create problems with radiated electromagnetic interference. Gate drive (or equivalent) circuits must be designed to supply sufficient drive current to achieve the full switching speed possible with a device. A device without sufficient drive to switch rapidly may be destroyed by excess heating. Practical devices have a non zero voltage drop and dissipate power when on, and take some time to pass through an active region until they reach the "on" or "off" state. These losses are a significant part of the total lost power in a converter. Power handling and dissipation of devices is also critical factor in design. Power electronic devices may have to dissipate tens or hundreds of watts of waste heat, even switching as efficiently as possible between conducting and non conducting states. In the switching mode, the power controlled is much larger than the power dissipated in the switch. The forward voltage drop in the conducting state translates into heat that must be dissipated. High power semiconductors require specialized heat sinks or active cooling systems to manage their junction temperature; exotic semiconductors such as silicon carbide have an advantage over straight silicon in this respect, and germanium, once the main stay of solid state electronics is now little used due to its unfavorable high temperature properties. Semiconductor devices exist with ratings up to a few kilovolts in a single device. Where very high voltage must be controlled, multiple devices must be used in series, with networks to equalize voltage across all devices. Again, switching speed is a critical factor since the slowest switching device will have to withstand a disproportionate share of the overall voltage. Mercury valves were once available with ratings to 100 kV in a single unit, simplifying their application in HVDC systems. The current rating of a semiconductor device is limited by the heat generated within the dies and the heat developed in the resistance of the interconnecting leads. Semiconductor devices must be designed so that current is evenly distributed within the device across its internal junctions (or channels); once a "hot spot" develops, breakdown effects can rapidly destroy the device. Certain SCRs are available with current ratings to 3000 amperes in a single unit.

Приложения

Применение силовой электроники варьируется по масштабу от импульсного источника питания в адаптере переменного тока, зарядных устройств, аудиоусилителей, балластов для люминесцентных ламп, до частотно-регулируемых приводов и приводов двигателей постоянного тока, используемых для управления насосами, вентиляторами и производственным оборудованием, и, наконец, до систем передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения гигаваттной мощности, применяемых для объединения электрических сетей. Системы силовой электроники встречаются практически во всех электронных устройствах. Например: DC/DC-преобразователи используются в большинстве мобильных устройств (мобильные телефоны, КПК и т.д.) для поддержания стабильного напряжения независимо от уровня заряда батареи. Эти преобразователи также применяются для гальванической развязки и коррекции коэффициента мощности. Оптимизатор мощности – это тип DC/DC-преобразователя, разработанный для максимизации выработки энергии от солнечных фотоэлектрических или ветровых установок. AC/DC-преобразователи (выпрямители) используются всякий раз, когда электронное устройство подключается к сети (компьютер, телевизор и т.д.). Они могут просто преобразовывать переменный ток в постоянный или также изменять уровень напряжения в процессе работы. AC/AC-преобразователи используются для изменения уровня напряжения или частоты (международные адаптеры питания, диммеры). В сетях распределения электроэнергии AC/AC-преобразователи могут использоваться для обмена энергией между сетями с частотой 50 и 60 Гц. DC/AC-преобразователи (инверторы) в основном используются в источниках бесперебойного питания (ИБП), системах возобновляемой энергетики или системах аварийного освещения. Сетевое напряжение заряжает аккумулятор постоянного тока. В случае отключения сети инвертор генерирует переменный ток с сетевым напряжением от аккумулятора постоянного тока. Солнечные инверторы, включая небольшие струнные, большие центральные и микроинверторы, используются в фотоэлектрике как компонент фотоэлектрической системы. Приводы двигателей применяются в насосах, вентиляторах и приводах мельниц для текстильной, бумажной, цементной и других подобных отраслей. Приводы могут использоваться как для преобразования мощности, так и для управления движением. Для двигателей переменного тока применяются частотно-регулируемые приводы, устройства плавного пуска двигателей и системы возбуждения. В гибридных электромобилях (HEV) силовая электроника используется в двух конфигурациях: последовательный гибрид и параллельный гибрид. Различие между последовательным и параллельным гибридом заключается в связи между электродвигателем и двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Устройства, используемые в электромобилях, в основном состоят из DC/DC-преобразователей для зарядки аккумуляторов и DC/AC-преобразователей для питания тягового двигателя. Электрические поезда используют силовые электронные устройства для получения энергии, а также для векторного управления с использованием выпрямителей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Поезда получают энергию от контактной сети. Еще одним новым направлением применения силовой электроники являются лифтовые системы. Эти системы могут использовать тиристоры, инверторы, двигатели с постоянными магнитами или различные гибридные системы, включающие в себя системы ШИМ и стандартные двигатели.

Applications of power electronics range in size from a switched mode power supply in an AC adapter, battery chargers, audio amplifiers, fluorescent lamp ballasts, through variable frequency drives and DC motor drives used to operate pumps, fans, and manufacturing machinery, up to gigawatt scale high voltage direct current power transmission systems used to interconnect electrical grids. Power electronic systems are found in virtually every electronic device. For example:
DC/DC converters are used in most mobile devices (mobile phones, PDA etc.) to maintain the voltage at a fixed value whatever the voltage level of the battery is. These converters are also used for electronic isolation and power factor correction. A power optimizer is a type of DC/DC converter developed to maximize the energy harvest from solar photovoltaic or wind turbine systems. AC/DC converters (rectifiers) are used every time an electronic device is connected to the mains (computer, television etc.). These may simply change AC to DC or can also change the voltage level as part of their operation. AC/AC converters are used to change either the voltage level or the frequency (international power adapters, light dimmer). In power distribution networks, AC/AC converters may be used to exchange power between utility frequency 50 Hz and 60 Hz power grids. DC/AC converters (inverters) are used primarily in UPS or renewable energy systems or emergency lighting systems. Mains power charges the DC battery. If the mains fails, an inverter produces AC electricity at mains voltage from the DC battery. Solar inverter, both smaller string and larger central inverters, as well as solar micro inverter are used in photovoltaics as a component of a PV system. Motor drives are found in pumps, blowers, and mill drives for textile, paper, cement and other such facilities. Drives may be used for power conversion and for motion control. For AC motors, applications include variable frequency drives, motor soft starters and excitation systems. In hybrid electric vehicles (HEVs), power electronics are used in two formats: series hybrid and parallel hybrid. The difference between a series hybrid and a parallel hybrid is the relationship of the electric motor to the internal combustion engine (ICE). Devices used in electric vehicles consist mostly of dc/dc converters for battery charging and dc/ac converters to power the propulsion motor. Electric trains use power electronic devices to obtain power, as well as for vector control using pulse width modulation (PWM) rectifiers. The trains obtain their power from power lines. Another new usage for power electronics is in elevator systems. These systems may use thyristors, inverters, permanent magnet motors, or various hybrid systems that incorporate PWM systems and standard motors.

Инверторы

В целом, инверторы используются в приложениях, требующих прямого преобразования электрической энергии из постоянного тока в переменный или косвенного преобразования из переменного тока в переменный. Преобразование постоянного тока в переменный ток полезно во многих областях, включая кондиционирование мощности, гармоническую компенсацию, приводы двигателей, интеграцию возобновляемых источников энергии в сеть и системы солнечной энергии космических аппаратов. В энергетических системах часто желательно устранить гармоническое содержание в линейных токах. Для обеспечения этой компенсации VSIs могут использоваться в качестве активных фильтров мощности. На основе измеренных линейных токов и напряжений система управления определяет сигналы опорного тока для каждой фазы. Эти сигналы передаются через внешний контур и вычитаются из фактических сигналов тока для формирования сигналов тока для внутреннего контура инвертора. Эти сигналы затем заставляют инвертор генерировать выходные токи, компенсирующие гармоническое содержание. Эта конфигурация не требует потребления активной мощности, поскольку полностью питается от сети; DC-link – это просто конденсатор, поддерживаемый системой управления на постоянном напряжении. Электроэнергия, вырабатываемая ветровыми и гидроэлектротурбинами с использованием индукционных генераторов, может вызывать колебания частоты генерируемой энергии. В этих системах используются силовые электронные устройства для преобразования генерируемого переменного напряжения в постоянный ток высокого напряжения (HVDC). Мощность HVDC может быть более легко преобразована в трехфазную мощность, согласованную с мощностью существующей энергосистемы. Благодаря этим устройствам, энергия, поставляемая этими системами, становится чище и имеет более высокий коэффициент мощности. Оптимальный крутящий момент в ветроэнергетических системах достигается либо с помощью коробки передач, либо технологий прямого привода, которые могут уменьшить размер силовой электроники. Электрическая энергия может быть произведена с помощью фотоэлектрических элементов с использованием силовых электронных устройств. Производимая энергия обычно преобразуется солнечными инверторами. Инверторы делятся на три типа: центральные, модульные и струнные. Центральные преобразователи могут быть подключены параллельно или последовательно на стороне постоянного тока системы. Для фотоэлектрических "ферм" используется один центральный преобразователь для всей системы. Модульные интегрированные преобразователи подключаются последовательно на стороне постоянного или переменного тока. Обычно в фотоэлектрической системе используется несколько модулей, поскольку система требует этих преобразователей как на DC, так и на AC терминалах. Струнный преобразователь используется в системе, использующей фотоэлектрические элементы, ориентированные в разных направлениях. Он используется для преобразования мощности, генерируемой каждой струной или линией, в которой взаимодействуют фотоэлектрические элементы. В другом подходе группа из 16 западных энергетических компаний, объединившихся в Western Electric Industry Leaders, призвала к обязательному использованию "умных инверторов". Эти устройства преобразуют постоянный ток в бытовой переменный ток и могут также улучшить качество электроэнергии. Такие устройства могут устранить необходимость в дорогостоящей модернизации оборудования энергоснабжающих компаний при значительно более низкой общей стоимости.

In general, inverters are utilized in applications requiring direct conversion of electrical energy from DC to AC or indirect conversion from AC to AC. DC to AC conversion is useful for many fields, including power conditioning, harmonic compensation, motor drives, renewable energy grid integration, and spacecraft solar power systems. In power systems it is often desired to eliminate harmonic content found in line currents. VSIs can be used as active power filters to provide this compensation. Based on measured line currents and voltages, a control system determines reference current signals for each phase. This is fed back through an outer loop and subtracted from actual current signals to create current signals for an inner loop to the inverter. These signals then cause the inverter to generate output currents that compensate for the harmonic content. This configuration requires no real power consumption, as it is fully fed by the line; the DC link is simply a capacitor that is kept at a constant voltage by the control system. Electric power generated by wind turbines and hydroelectric turbines by using induction generators can cause variances in the frequency at which power is generated. Power electronic devices are utilized in these systems to convert the generated ac voltages into high voltage direct current (HVDC). The HVDC power can be more easily converted into three phase power that is coherent with the power associated to the existing power grid. Through these devices, the power delivered by these systems is cleaner and has a higher associated power factor. Wind power systems optimum torque is obtained either through a gearbox or direct drive technologies that can reduce the size of the power electronics device. Electric power can be generated through photovoltaic cells by using power electronic devices. The produced power is usually then transformed by solar inverters. Inverters are divided into three different types: central, module integrated, and string. Central converters can be connected either in parallel or in series on the DC side of the system. For photovoltaic "farms", a single central converter is used for the entire system. Module integrated converters are connected in series on either the DC or AC side. Normally several modules are used within a photovoltaic system, since the system requires these converters on both DC and AC terminals. A string converter is used in a system that utilizes photovoltaic cells that are facing different directions. It is used to convert the power generated to each string, or line, in which the photovoltaic cells are interacting. In another approach, a group of 16 western utilities called the Western Electric Industry Leaders called for the mandatory use of "smart inverters." These devices convert DC to household AC and can also help with power quality. Such devices could eliminate the need for expensive utility equipment upgrades at a much lower total cost.