电力电子技术论文

电力电子技术在太阳能中的应用

电力电子技术：

电力电子技术是指电力功率半导体器件，这些器件作为开关操作其中的控制和转换。硅控整流器的来临，简称可控硅，导致的新的电力电子领域的应用发展。之前的可控硅引进，汞弧整流器用于电力控制，但这种整流电路工业电子和汞弧整流器的应用范围是有限的一部分。一旦可控硅可用，应用领域蔓延到许多领域，如驱动器，电源供应器，航空

电力电子技术是什么？

电力电子技术是应用电子电路的能量转换。

您可能有更多的比你想象中的电力电子的相互作用。如果你开车，使用一台电脑，用微波炉做饭，对任何类型的电话交谈，听音响，或用电钻钻孔，然后你来接触电力电子技术。由于电力电子，电力运行所需的处理，过滤，并以最高的效率，最小的尺寸和最小重量的东西，你日常使用。在正式条款“，该技术包括使用的电子元件，应用电路理论与设计技术，分析工具，对电子的转换效率，控制和电力空调的发展。”

电力电子技术研究的主要领域包括：

?电子器件（如二极管和晶体管）

?控制和监管

电力转换器的电路设计和各项工作的转换器电路拓扑

?磁性元件（如变压器和电感器）

?电子电路封装和制造

?电机控制

电力电子技术的主要任务

电力电子技术，涵盖了整个电力系统领域的应用，这些应用延伸，从几个VA /瓦数兆伏安/兆瓦的功率范围。

电力电子技术的主要任务是控制和电源转换从一种形式到另一种。转换的四种主要形式是：

?整风指交流电压为直流电压的转换，

?直流到交流的转换，

?直流- 直流转换和

?交流到交流的转换。

?“电子式电能转换器”是用来指电力电子电路，转换电压和电流从一种形式到另一个任期。

此外，可控硅和其他功率半导体器件被用作静态开关。

电力电子技术的重要性和用途

电力电子技术是随处可见。例如，电力电子技术中使用

?计算机

?汽车

?电信

?空间系统和卫星

?电机

?照明

?替代能源（如太阳能和风能）。

电力电子技术在太阳能发电中的应用：

概述

照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。可以

说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为理

想的能源。从太阳能获得电力，需通过太阳电池进行光电变换来实现。它同以往其他电源发电原理完全不同，具有

以下特点：①无枯竭危险；②绝对干净（无公害）；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源

质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。不足之处是：①照射的能量分布密度小，即要占

用巨大面积；②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但总的说来，瑕不掩瑜，作为新能源，太阳能具

有极大优点，因此受到世界各国的重视。目前国外并网逆变器技术发展十分迅速。目前的研究主要集中在空间矢量

pwm技术、数字锁相控制技术、数字dsp控制技术[1]、最大功率点跟踪[2,3]和孤岛检出技术[4,5]，以及综合考虑以

上方面的系统总体设计等。国外的有些并网逆变器还设计同时具有独立运行和并网运行功能。

国内太阳能光伏应用仍以独立供电系统为主，并网系统则刚刚起步。目前国内自主研制的并网逆变器存在有系统运

行不稳定，可靠性低的弱点;且保护措施不全，容易引起事故，与建筑一体化等问题也没有得到很好考虑。

本文主要讨论太阳能光伏发电中电力电子技术的发展应用;介绍独立供电光伏系统和并网系统的组成特点;根据逆变

电路不同的电路拓扑，讨论了太阳能最大功率点跟踪技术的实现方法;最后给出了一套独立供电的太阳能光伏试验系

统的设计，最大功率点跟踪技术和高效的逆变电路设计得到实现。

目前光伏发电系统的使用在家庭和企业产生的电力正变得越来越流行，作为传统的电能增加的成本，而太阳能发电系统的成本效益提高。而备受人们关注支付给太阳能电池的效率在逐步改善，也应采取步骤，以改善电源转换电子系统的效率。太阳能发电系统整合，改造运行用具或出售给电网成交流电的太阳能电池产生的直流电逆变器或电源控制单元。一个智能的安装和使用最先进的功率半导体技术，是最高的逆变器系统效率的关键细胞，形成了太阳能电池板串联成字符串，一个单元连接到下一个单元格的负极与正极。每个字符串连接到一个二极管，以防止断电的情况下，太阳能电池串短路，并防止反向充电。每个字符串也被连接到一个共同的，通过自身的功率调节电路，其中包括一个DC / DC升压转换器，以增加电压，从细胞到指定的直流链路层指定的直流环节。在今天使用的最常见的拓扑结构，称为多串，每个转换器的直流输出器，转换成交被送入一个逆变流电压，送入主电网（见图1）。

图1。太阳能逆变器在多串配置。

并网逆变器必须以最小的谐波产生干净的波形，并不会降低现有电网的电能质量。因此，在许多情况下，逆变器的功能再加上一个“电源连接变压器和输出滤波器组成。变压器块从主电网的直流分量。虽然变压器导致效率明显下降，在1％至2％，逆变器必须避免直流分量，所以通常作出的牺牲。表1给出了每个阶段的损失，规模和系统的贡献估计成本。

表1。估计在多串的太阳能发电系统的损失，系统尺寸和成本的贡献者

显然，变压器的损失和成本的主要贡献者之一。有系统不使用变压器，根据法律规定的国家，在太阳能逆变器销售，并提供更高的效率。然而，变压器是强制性的，在许多国家，这种隔离功能，因此不在本文的讨论范围。

输出滤波器的衰减是由逆变器的输出阶段产生的电流纹波。此过滤器的大小和成本是成反比的逆变器的开关频率，开关频率越高，体积更小，更便宜的过滤器。这种关系与硬开关条件下，在更高的开关频率增加的损失和降低效率的现实需要权衡。人们已经发现，16至20千赫的价值将声音低噪声和高效率的系统满足需求，但过滤器的具体设计也是本文的讨论范围之外。

权力执行的DC / DC升压和DC / AC转换功能的电子阶段对逆变器的转换效率有重大影响。现代电力设备已专门设计，以尽量减少损失，并为这些设备包括穿通（PT），非穿通（NPT）和沟槽绝缘栅双极晶体管（IGBT），提供降低传导和开关损耗。

DC / DC升压转换器的功率半导体

一个典型的DC / DC升压转换器（见图2）工作在开关频率约为100 kHz或太阳能发电的应用。它运行在连续导通模式，这意味着，在升压电感（L1）的电流在额定条件下连续波形。晶体管（T1），电感充电，二极管（D1）作为续流二极管，晶体管处于关闭状态时的行为。这意味着二极管正积极晶体管关闭时，再次打开，这使得反向恢复行为效率的重要考虑。

图2。典型的DC / DC升压转换器。

硅二极管的反向恢复行为产生升压晶体管和相应的二极管的高损失。图3比较普通硅二极管的典型反向恢复特性的碳化硅肖特基二极管。碳化硅二极管不显示这样的行为，只有一个电容二极管的电流冲，造成的二极管的结电容充电。碳化硅二极管减少回合的晶体管和二极管显着的关断损耗，损失，也降低了电磁干扰，因为波形是非常顺利，没有振荡。SiC二极管的新一代具有增值效益显着改善的过电流和过电压超过第一代设备的可靠性。

图3。反向恢复行为的普通硅二极管（黑，红）和碳化硅肖特基二极管（蓝色）

曾经尝试过许多技术，以避免由普通硅二极管的反向恢复造成的损失，如零电流开关和零电压开关。然而，所有这些技术，组件数量和系统复杂性的增加导致，因此往往导致可靠性下降。用最少的元件，使用碳化硅肖特基二极管，硬开关条件下可以达到相同的效率。

太阳能逆变器DC / DC变换器的高开关频率，还需要一个高性能升压晶体管。超接面晶体管的引入，使得设备可用，提供传统的MOSFET显着减少特定地区的通态电阻（RDS（ON））。例如，在图所示。4，在特定领域的R DS（ON）来自英飞凌的CoolMOS MOSFET 的这些设备是约4 - 5倍，比标准的技术实现低。

图4。CoolMOS和常见的MOSFET技术比较的特定区域的R DS（上）

一些调查表明，使用碳化硅二极管与超结MOSFET，具有优越的性能超过标准MOSFET和二极管技术的组合解决方案的结果。

电压500伏以上，特别是，一些厂家已经开始使用费补偿的原则。这降低了外延层在高压MOSFET的主要阻力来源的一个因素超过5通态电阻。

变频器的功率半导体

逆变器的输出直流母线电压转换成交流形式，并把它连接到主电网。变频器必须处理的所有字符串升压转换器产生的电流的总和，但其开关频率是不正常的DC / DC转换器的高，所以IGBT的是这个阶段的理想选择。图5显示了标准的“不扩散核武器条约”和沟槽绝缘IGBT技术的截面。

图5。IGBT技术的交叉部分：（一）标准“不扩散核武器条约”的技术。（二）的英飞凌TRENCHSTOP技术。

这两种技术使用薄晶圆技术，以降低传导和开关造成的损失是由一个大的基板厚度。图文并茂的技术都非外延，不使用外延晶体生长过程，这是昂贵的，因为阻断电压的定义是由晶体的厚度。

标准的“不扩散核武器条约”的细胞，包括那些“快”的一代，显示关闭状态期间内的半导体三角电场。所有阻断电压基板的N-区域的厚度，所以电场为零之前到达集电极区域。600-1200-V的芯片芯片和170微米的芯片厚度为120微米。饱和电压的温度系数是正的，并联，这样可以轻松完成。

的TRENCHSTOP技术结合的先进trenchgate和场终止技术，以减少传导损耗。该trenchgate提供了一个较大的通道宽度，从而降低通道电阻。N掺杂场终止层停止在一个相当低的断态电压的价值电场。这将导致电池的设计，在电场几乎可以在N-基材层的水平。电压停场终止层的能力，可以允许进一步降低芯片的厚度，从而提高薄晶圆制造的好处。TRENCHSTOP技术还可以使并联。

表2显示了阻断电压600伏及1.200五，每个晶体管技术的总开关能量归其额定电流，因此，它是独立的芯片尺寸和性能比较直接的IGBT的比较可能。然而，它需要约为目前的两倍，而使用600-V的设备相比，系统具有相同的输出功率为1200-V的。

表2。比较饱和电压（VCESAT）和归一总开关能量（ETS）为600 V和1200 V IGBT技术的硬开关条件下的典型值

因为600-V的TRENCHSTOP设备开关和传导损耗减少50％以上，比1200 V设备，重要的是为整个系统的安装，使用尽可能多的600 V技术的优异性能。然而，在1200 V应用，开关频率是决定是否快速或最新代TrenchStop2技术，提供更好的性能的主要因素，，虽然TrenchStop2是更优化的一个很好的权衡之间的低传导损耗和开关损耗低。

IGBT的，通常需要一个“随心所欲”的整流二极管，它可以。传统上，续流二极管已被要求有一个非常低的压降，以获得最低的总体损失。然而，它已显示5,6,7，取决于应用程序的要求，可以有其他的方法来实现即使在IGBT二极管和更低的总体损失。例如，一个版本英飞凌EMCON二极管已被优化，使用600伏的IGBT开关频率15 kHz及以上。当太阳能逆变器应用程序的名义16千赫频率的使用，这样可以产生较高的正向压降和更低的开关损耗。

图6显示了一个TRENCHSTOP IGBT和的EmCon3技术，这是应用优化，（左边栏）和与一个Emcon2二极管是低传导损耗（右巴）优化TRENCHSTOP的IGBT的Emcon二极管亏损比较。酒吧的黄色和橙色部分显示的传导和开关损耗，IGBT的分别，和深蓝色和浅蓝色部分是二极管的传导和开关损耗。

开关频率在16千赫，负载角的COSφ= 0.7，额定电流，Emcon3二极管传导（深蓝色）期间产生更多的损失，但偏移与交换性能更高的增益。此外，它也降低了IGBT的开关损耗，导通期间。有一个约1瓦的整体优势，在低损失与优化EmCon3二极管的应用。

图6。应用优化的二极管（左）和优化的VF-二极管（右）TRENCHSTOP IGBT（10 A/600。

未来

在世界各地，用于电力12亿千瓦每年的每一天每一个小时的平均增长率。除少数例外，这电力的大部分不是用在它最初产生形式。相反，它是重新处理，以提供被聘用的技术需要的电源类型。电力电子技术是利用电力转换时，从一种形式到另一个工程学科。

在商业方面，电力电子技术的影响是巨大的。电力电子设备的销售额超过$ 60亿美元，每年影响硬件电子产品销售的1万亿美元。改进技术，在这样一个充满活力的市场的前景是令人兴奋的。工业企业引进更强大，更可靠，更耐用，体积较小，重量轻，成本更低的消费产品。

电力电子技术的影响，也许是在我们的环境方面同样引人注目。电力电子系统，预计最多可控制在2010年使用的所有电力的80％。随着电力电子技术，电力电子系统中心（国立体育）计划的改进，美国将能够减少30％的能源消耗。

认识到在实现这些类型的电力电子技术的改进，五所大学和80多个企业所涉及的巨大挑战，于1998年加入的力量创造国立体育。为了实现远景，许多活跃的国家正在对这项技术，他们乐观地认为，通过使用电力电子技术，他们将减少70％

的功耗。电力电子技术的发展进程中使用一个综合系统的方法，提高产品质量，可靠性和电力电子系统的成本效益和减少与系统应用的设计周期的时间和精力。