電力電子技術在電氣控制領域中的應用

摘要：電力電子技術是應.用于電力領域中的電子技術。目前，在電氣控制領域中，主要以MOSFET和IGBT兩種全控型器件為主。隨著電力MOSFET技術和IGBT技術的迅猛發展，PWM控制技術不斷發展。同時，軟開關技術也應社會需求而迅猛發展。由于傳統的保護措施已不再適用，提高驅動電路自我保護功能已經成為未來的發展趨勢.如橋臂互鎖保護法。

關鍵詞：電力電子技術 控制 過電流保護

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2012)02(b)-0078-01

1引言

顧名思義，電力電子技術就是應用于電力領域中的電子技術，是誕生于20世紀后半葉的一門嶄新的技術。按照w·Newell(1974)的觀點，可以將其劃分為電力學、電子學和控制理論三大交叉學科。隨著電力電子技術的迅猛發展，尤其是80年后期，絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)的興起，標志著電力電子技術開始進入以復合型器件為主的時代，各種新型安全型復合控件不斷涌現。電力電子技術作為一門新興的基礎技術在21世紀將仍以迅猛的速度發展，并同計算機技術共同服務于人類社會的各個方面。

本文從電氣控制領域中的電力電子器件、控制技術、器件維護及未來發展趨勢出發，介紹電力電子技術在電氣控制領域中的應用。

2電氣控制領域電力電子器件的發展

按照電力電子器件能夠被控制電路信號控制的程度，可以將電力電力電子器件分為不可控器件(如電力二極管)、半控器件(如晶閘管)、壘控型器件(如電力MOSFET，IGBT)。毫無疑問，通過控制信號既可以控制通導，又可以控制關斷的全控型器件是目前研究的熱點。20世紀80年代中期，全控型器件開始興起，各種全控型器件之間展開了激烈的斗爭。直到90年代末期，才形成了以MOSFET和IGBT兩種壘控型器件為主的局勢。

電力MOSFET主要適用于小功率(10kW以下)場合的優勢器件，其主要以槽溝技術(Treneh Technology)為主，門極垂直伸入低摻雜N區的槽型孔中。IGBT技術與電力MOSFET技術相對，主要適用于中、大功率場合。IGBT技術在不斷發展的過程中，綜合性能得到顯著提高，從而在電氣控制領域中的地位日益凸顯。

3電力電子電路的控制技術

3.1PWM控制技術

PWM(Pulse Width Modulation)控制是通過調節脈沖寬度，以獲得所需要的波形的一種控制技術，其理論基礎是面積等效原理，即面積相等相等(等沖量)而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，環節的輸出響應波基本相同。近年來，隨著電力MOSFET技術和IGBT技術的迅猛發展，為PWM技術提供了廣闊的發展空間，使其能夠直一直、交一交、逆變、整流等所有變流電路都能夠使用。

直一直斬波電路是PWM應用最成熟的控制電路類型，把直流斬波電路應用于直流電機控制系統，成為應用最為廣泛的直流脈寬調速系統。交一交變流電路中的PWM控制技術最要以斬控式交流調壓電路和矩陣式變頻電路為代表。就目前而言，這類應用尚未推廣，但是由于矩陣式變頻電路容易實現集成化，所以發展空間巨大。PWM控制技術最有代表性的就是在逆變電路中的應用。目前，除了超大功率的逆變裝置，幾乎所有的逆變電路都采用PWM控制技術，所以說逆變電路中PWM技術的使用，奠定了PWM控制技術的核心地位。

3.2軟開關控制技術

隨著技術的發展，電力電子裝置越來越趨向輕型化、小型化，提高了對電磁兼容和效率的要求。一般情況下，電力電子裝置中，濾波電感、變壓器、電容等都占據了很大的空間，而通過開關頻率的提高，可以降低濾波器的參數，減小裝置空間大小。也就是說，通過電路的高頻化可以直接實現裝置輕型化、小型化的要求。但是，電路高頻化勢必會增加開關損耗，嚴重影響電路效率，同時會增大電磁干擾水平。為了解決這個矛盾，軟開關技術迅速發展起來，用于解決開關噪音與開關損耗的問題。

目前，軟開關技術在時代發展需求的推動下，表現出以下發展趨勢：第一，軟開關技術越來越多的用到IT產業中，其拓撲數量呈不斷上升趨勢。第二，諧振電路在效率要求高，且開關頻率超過IMhz的場合中性能很高。第三，通過并聯、串聯、級聯實現多個高效簡單電路的組合電路，在多種場合中表現出很高的性能，成為一種趨勢。

4電氣控制系統中過電流保護

當電力電子電路運行失常或發生故障時，有可能產生過電流現象。以往常采用快速熔斷器、直流快速斷路器以及過電流繼電器對電力電子主電路的保護措施，但由于目前的電力電子器件小型化、高功率、輕型化的特點，傳統的保護措施已經無法發揮作用。因此，驅動控制信號的自動去除已經成為未來極具潛力的方向。一般情況下，常通過設置專門的過電流保護電子電路，檢測到過電流之后直接調節出發或驅動電路，或者關斷被保護器件。本文將以橋臂互鎖保護法為例，介紹在故障狀態下快速自動切除驅動信號的過程機制。

橋式逆變電路常常因為信號重疊或開關器件長時延時而產生橋臂短路的現象。因此，需要以聯鎖控制的方式，使同橋臂的兩個元件上的控制信號互鎖。也就是說，禁止同一橋臂上的兩個器件同時開通。

如圖所示，在決定是否開通某個GTR時，必須首先要判斷另一個GTR是否關斷。也就是說，每一個器件的驅動信號是否能通過決定了對方的開通狀態。只有當一個GTR被判斷為關斷時，另一個才能通過。一般情況下，可以通過三種方法判斷GTR的阻斷狀態；一是通過檢測發射極電流的方法判斷，二是通過檢測集電極的方琺判斷，三是通過識別發生狀態來判斷。這種嚴格的控制過程可以有效防止橋臂過電流事故的發生。

5總結

總而言之，電力電子技術在電氣控制領域中的應用具有十分重要的意義。如何在現有技術的基礎上發展出適應社會需求的新技術與新產品成為電力電子技術已經成為勢不可免的趨勢，而且還會開拓出更多的應用領域。

參考文獻

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