电力电子的集成综述
1 引言电力电子技术的发展改变了人们利用电能的方式和观念。但是，直到今天，电力电子产品主要特点仍然是不同的负载对应着不同的电路结构、控制技术，而且以手工生产方式为主。这种生产方式存在着诸多问题，如非标准件多，制造劳动强度大，设计周期长，成本高，产品可靠性低等，使电力电子制造商面临许多困难和问题。为了解决这些问题，并进一步显著改善电力电子系统的性能，工业界向学术界提出了强烈要求，希望研究新的理论和技术，改变生产方式。受信息电子系统集成技术的影响和启发，前两任IEEE电力电子学会主席，弗吉尼亚大学教授Fred C. Lee在1996年提出了电力电子系统集成的概念，其核心思想是，用集成技术使电力电子系统中的各种功能电路模块化或集成化，形成标准模块，用这些标准模块构成不同用途的电力电子应用系统。 2 电力电子集成的分类和集成概念电力电子集成分为两种：一种是电力电子电路集成技术；一种是电力电子模块集成技术。电力电子电路集成技术研究的内容主要涉及适用于集成模块内的具有通用性标准化的主电路、控制电路、驱动电路、保护电路、电源电路及磁性元件技术。研究的目标是提高电路性能，降低损耗，以尽可能单一的电路方案适应尽可能广泛的应用。主电路方面的研究有用于AC-DC或DC-AC变换的软开关电路、用于DC-DC变换的移相全桥型电路和半桥型谐振电路和主电路拓扑结构研究等。驱动电路方面有可以降低有关噪声的有源驱动技术等。控制电路方面有基于DSP和EPLD的可重复编程数字控制电路等。通信接口方面有基于现场总线技术和光纤的接口技术等。磁技术方面主要是对集成磁件和电容、电感、变压器等混合集成进行研究。 所谓电力电子模块集成技术，就是将目前电力电子装置中的功率器件、驱动电路、控制电路和保护电路封装到一个集成模块内部，成为一个功能相对完整的、具有一定通用性的元件。一般包含以下几种集成形式： (1)一种是单片集成：将所要集成的所有元器件都采用统一的加工工艺和技术，集成在同一片硅片。目前由于制造工艺、高压和低压的隔离、电磁隔离和散热等技术的不成熟，所以单片集成技术仅适用于小功率电力电子电路的集成。单片集成有可能成为电力电子集成技术的未来发展方向。 (2)一种是混合集成，采用封装的技术手段，将分别包含功率器件、驱动、保护和控制电路的多个硅片封入同一模块中，形成具有部分或完整功能且相对独立的单元。这种集成方法可以较好地解决不同工艺的电路之间的组合和高电压隔离等问题，具有较高的集成度，也可以比较有效地减小体积和重量，但目前还存在分布参数、电磁兼容、传热等具有较高难度的技术问题，并且尚不能有效地降低成本，达到较高的可靠性，因此目前仍以中等功率应用为主，并正在向大功率发展，混合集成将是目前电力电子集成技术的主要方向。 (3)另一个是系统集成即人们可以根据电力电子系统集成理论和设计规则，利用上述这些子系统方便地集成和扩展为最终用户所需要的要实现上述目标[1]。 |
