有利于地球环保的电力电子(PE)技术__下载

近年来，由于地球的升温，能量资源的紧缺，利用可再生能源和倡导节能，一直成为人们关注的热门课题。

摘要： 近年来，由于地球的升温，能量资源的紧缺，利用可再生能源和倡导节能，一直成为人们关注的热门课题。

1 前言
近年来，由于地球的升温，能量资源的紧缺，利用可再生能源和倡导节能，一直成为人们关注的热门课题。
为抑制温室效应气体的排放，国际社会中，旨在建立一个可持续发展的环保型社会已逐渐形成共识，日益普遍的要求实现低碳社会。不仅是在先进的发达国家，即使在亚洲、南美为代表的这些地区，随着新兴国家急剧的经济增长，面对地球的暖化都在采取正规的应对措施，以适应世界规模的扩大能源与环保有关商务。总之，在世界各地及各个领域，为实现低碳社会，均应创建一番事业，不断推进其发展。具体内容有：太阳光和太阳热、风力发电、地热发电等再生能源系统的构建；智能电网(Smart Grid)示范工程的引进，以及综合能源、发电、蓄能技术的发电与供电，实现双方向的最佳控制；以及可解决大量输送的铁路新规等的建立；此外，还包括混合动力汽车(HEV)、电动汽车(EV)等有利于环保和节能减排型交通工具的积极推广和普及。
2 融合功率半导体技术、电路技术、控制技术的PE技术
处于上述的社会背景下，富士电机公司将其商务主要面向“能源、环境”的要求，研发资源也集中投入这一领域。例如，构建环境协调型大规模城市空间的未来智能电网是其发展方向。对初期阶段的城镇街道与楼房建筑、工厂等小规模网络（用户网）的智能化，也已列为重要的开发目标。
在这一领域内，设定能量供需的输入和输出，为实现能源的最佳利用，将功率调节器(PCS)等适用的电力电子(PE)技术，作为核心技术。
PE技术为涵盖功率半导体技术、电路技术、控制技术的综合技术。富士公司尤其把有效利用半导体技术的开发列为重点。
在用户网络中，PE装置为最佳控制整个网络能量所必须，故迫切要求PE装置本身的小型化与高效率化。如下所述，这样才能适应高维（多元）化的需要。
首先，作为用户网一个单元的工厂中，为实现节能和超高效率化，正在不断推进电动机的永磁化，以及驱动上采用碳化硅(SiC)高效驱动装置等的开发。
同样，作为用户网的节能对象，针对重要的因特网数据中心(IDC)，利用先进的NPC（中性点嵌位）拓扑电路，将新型三电平高效UPS（不间断电源）实现了产品化。而且，即使在装置的内部电源中，采用极低损耗的SJ-MOSFET（超优结点的金属氧化物半导体场效应管）和SiC-SBD（碳化硅-肖特基二极管）因而具有业界最高效率的前端(front end)电源也已开发完成，并可提供IDC内整个电源系统能大幅度削减能耗的产品系列。
作为比用户网规模更小的网络一个单位，期待今后急速扩大的电动汽车(EV)，在其相关设备中，达到世界领先的高质低价地面用快速充电器，正展开研制。同时，对车载电源及驱动系统等PE产品的开发，已逐步实现产品化。
此外，作为下一代的功率半导体，不断重视SiC与GaN（氮化镓）的开发，将这些与EV的外围设备结合起来，旨在早期着手研究。下面将具体介绍我们热衷研制的情况。
3 在PE技术领域热衷研制的具体现状
3.1 SiC器件与SiC变频器
用户网络中的工厂，在其生产设备及空调设备上，一般采用电动机变频驱动，为了使驱动用变频器进一步的高效率化，对配置SiC-SBD的变频器进行了开发。SiC器件的性能范围大幅度超过了Si器件，是下一代的新型器件。与Si器件对比，SiC器件能实现高耐压化、低损耗化和高温操作化。在SiC器件中，SiC-SBD已处于实用化阶段。
与开关器件匹配使用的大功率二极管FWD（free wheeling diode，又称续流二极管）和Si-IGBT（绝缘栅双极晶体管）组合，对这种应用SiC-SBD的功率模块，这次也进行了开发，并决定配置在通用的变频器上。
SiC-SBD具有开关切换时逆回复电流小这一特点，在降低FWD逆回复损耗的同时，也减小了IGBT的开关损耗。图1所示为原来机型的变频器与配置SiC-SBD的变频器产生损耗的比较。由图可知，损耗比原来机型减少25%。计划开发的容量系列有：三相200V系列的7.5-15kW；三相400V系列的7.5-15kW。
3.2 采用先进技术的高效率电源
IDC领域的市场在扩大，将IDC实现绿色化（低损耗化）成为一个大的课题。作为IDC绿色化指标的电力使用效率(PUE)被广泛采用。PUE的定义是：数据中心总耗能量相对于1T机器总耗能量的比率。
PUE=数据中心全部的用电量/数据中心所有1T机器的用电量
对于下一代高效率的变换回路，积极开发了多电平变换回路之一的先进NPC电路、2010年4月采用该电路拓扑的新型中容量UPS，已开始投放市场。在该UPS中等容量(50-100KVA)下，作为常用的变频器方式达到95%的顶级效率。与原来的产品比较，损耗减少了一半，特别从负荷率50%到100%的广范围内，几乎都达到95%。
因此，作为高效率化关键的NPC电路部分，其专用的IGBT模块已开发应用。在这一先进的NPC用IGBT模块中，富士公司独自开发的RB-IGBT（逆阻挡型IGBT）的高效率化起很大作用。目前，有关三相400V系列500KVA级的大容量UPS，目标效率在97%以上的新样机正处于开发中，2011年3月已实现产品化（图2）。
此外，作为有效利用自然能源的策略，用这一先进NPC电路构成UPS功率堆(power-stack)，以此为基础的中等容量太阳光伏发电用PCS正不断推进开发。在输出电压三相200V下，30kW和50kW的产品已列入计划。在这一容量级中，估计能达到与UPS同样的顶级变换效率。该新型中容量PCS，不仅单晶硅太阳电池，而且对富士公司的薄膜型非晶太阳电池┗ FWAVE ┓也能适用，并可能构建成柔性系统。
而且还进行了高效率、高功率密度信息、通信用电源的开发研制，2009年度的80Plus Gold、2012年度的Platinum等前端电源(FEP)，相继开发成功。输入：AC100/200V，输出：48V、25kW；功率密度为1.7W/cm3。为达到这些参数指标，采用了SJ-MOSFET和SiC-SBD，力图实现高频率化和低损耗化。无论是电路拓扑还是控制方式，都在积极展开研制和独立开发着。
FEP的输入部分，不仅保持输入电流的正弦波形，还要设置AC/DC变换的PFC（功率因数校正）电路。这次的输入电路部分，取代原来机型采用的整流桥，而用图3所示无整流桥的电路结构。由此，降低了半导体元件的导通损耗，同时，在后段DC/DC变换部分的控制中，将轻载时损耗小的开关特性与额定值附近低损耗的开关特性，对应于负荷率进行转换。故从轻载到额定负载的宽范围内能实现高效率化。
3.3 电动汽车(EV)用装置
为削减温室效应气体的排放量，在汽车领域应给予足够的重视。迄今，功率器件和传感器这样的车载部件，以及将这些部件提供给汽车工厂的生产设备等，结合EV的实用化和量产化，富士公司对地面充电设备及车载用电源，甚至汽车的动力传输系统，均广范围地进行了研制。
(1)地面用急速充电器充电用基础设施的配备，对EV的普及发展是必不可少的。按照EV的充电时间，有快速充电器和普通充电器两种，富士公司新开发的并已开始销售的地面用快速充电器（输入电压200V，功率50kW）的结构如图4所示。
该充电器与CHAdeMO协议的标准规格相对应。作为快速充电器必须具备的功能及安全性以外，因与产业用PE机器的单元通用化，实现了业界顶级的性价比。
(2) EV（电动）公交车用的水冷变频器
在中国，不断将公交车优先实现电动汽车化。电动汽车通常因搭载的蓄电池体积大而笨重，故续驶里程受到限制。大城市圈的线路公交，运行路程较短，由于配置了符合其运行线路要求的蓄电池容量相对较小，故缓解了重量和车体价格提升的弊端。富士公司在通用变频器上运用了电力变换技术，在电动机驱动技术的基础上，已完成对线路公交车用水冷变频器（图5）的开发。
这一变频器的容量为连续165kW，过负载能力150%，蓄电池电压适用范围：250-460V，驱动电机可采用感应电动机或永磁同步电动机。今后扩大的容量系列能适用于各种各样的电动公交车。
4 新能源用PE技术
4.1 光伏发电系统的电路拓扑
利用太阳能发电的电路结构很多，通常采用的工频隔离系统如图6所示。该方案使用工频变压器进行电压变换和电气隔离，具有以下优点：结构简单，可靠性高，抗冲击性能好，安全性能佳。缺点是系统效率相对较低。该系统多采用2单元IGBT模块和全桥IGBT模块。目前也有用户为提高逆变器效率，在模块的封装上采用MOSFET芯片，大大提高开关速度，大幅降低关断损耗。
另一种拓扑系统是高频升压不隔离系统。由于省去了笨重的工频变压器，故重量轻，效率高。同时加入了Boost电路用于DC/DC直流输入电压的提升，因此太阳电池阵列的直流输入电压范围可以很宽(150-450V)。这种拓扑结构愈益成为主流。该系统的常见拓扑结构如图7所示。
4.2 风力发电机并网系统
国内风力发电机多选择双馈感应发电机(DFIG)，如图8所示。通过调节转子电流的频率、相位及功率来调节定子侧输出功率，使之与风机输出功率相匹配，使风机运行在MPP（最大功率点）附近。但其缺点是：(1)由于使用双绕组及滑环，发电机成本较高，且无标准化设计方法；(2)调速范围较小，一般只能在额定转速的70-30%内调节；(3)控制电路较复杂；(4)转子侧变流器工作在低频段(0-16.6Hz)，IGBT等功率器件的热应力增加；(5)转子绕组承受较高的dv/dt，转子绝缘等级要求高。
4.3 低速永磁同步发电机直驱系统
风力发电机的并网系统中一般采用了增速齿轮结构，将风机的低速低频变为高速高频。但齿轮箱一方面产生巨大的噪音，同时也降低了风能的利用率。新型风力发电系统采用多级低速永磁同步发电机(PMSG)。通过功率变换电路直接并入电网，这就省去了增速齿轮箱（如图9所示）。系统效率大幅度提高，噪声也进一步降低。
5 今后的课题与展望
如上所述，要扩大以智能网络为代表的┗能源、环境┓商务，今后重要的是加速发展PE技术成为核心技术，包括达到99%以上的效率、数十w/cm3以上的功率密度等。PE装置实现极致的小型、低损耗化，并不断扩展电压、频率的适用范围。为此，通过硅(Si)器件的薄形化和高精细化，在追求半导体器件超越性能极限的同时，正规引进SiC等宽能带间隙的元件很重要。这些元器件的开发已不再局限于半导体领域，应意识到其广泛的适用性而进行最佳的开发。总之，器件与电路完全形成一体化，需要融合半导体技术与电路技术，并培养掌握这一综合技术的专门人才。此外，温度、频率和噪音环境等适用条件与过去不同，预想要求会更苛刻。储能技术也是重要的系统功能之一，周边的电容器和电感器等所谓无源部件及传感器、控制回路等电子部件，继而还涉及到电池组件，必须目标明确地进行综合开发。因此，这不是一个公司所能单独解决的课题，要积极联合国内外的先进企业协作完成。今后，向全球化推进时，PE装置组成单元的通用化，将形成有力的供货途径。与此相应，还要积极引进与提倡：从半导体到主回路，控制回路集成化形成的基本单元。
6 结束语
半导体开关元件自诞生以来，已经历50年以上的时间，其间，不断开发了MOSFET和IGBT等各种功率半导体器件。PE技术在推广应用的同时也在日益发展。目前，从电力领域到相关产业，电气化铁路、家用电器、通信等多个领域已普遍适用。因而，旨在实现低碳社会的今天，其重要性就更高。为满足这一社会需求，广泛的开发PE产品，进一步发展PE技术并努力推广应用，为全社会做出积极的贡献。