電力電子研究現狀分析
【摘要】：電力電子技術總的來說是采用電力電子裝置（或器件）進行電能變換（換流），以給不同的負載供電。主要包括四個部分，第一個部分主要是電力電子器件，新型電力電子的器件的産生和興起極大的促進了電力電子技術的發展，使得電源變換朝着搞能量密度、高頻化發展；第二個部分是電力電子變換器的拓撲結構，主要又分為四個部分，分别是整流、斬波、逆變、交交變流。為使電力電子裝置适用于不同場合，對拓撲結構的研究越來越複雜。拓撲結構主要朝着高轉換效率（軟開關等），體積小（高頻），內建度高（磁內建等）、子產品化等方向發展；第三個部分是控制方式。适當的控制方式是電力電子裝置穩定運作所必要的。電力電子裝置絕大多數都是采用閉環控制的。面對日益興起的電力電子器件和各種各樣的拓撲結構，傳統的PWM控制、PI調節等越來越難以滿足閉環系統的名額。控制技術越來越朝着混合控制、智能控制（如全橋LLC是采用PFM與移相全橋混合控制）等控制方法演化。第四部分是負載類型，電力電子的負載類型也在不斷發展，電機作為電力電子負載的一個重要部分，控制方式層出不窮。對于新興的電池等負載，也對電力電子技術提出了許多新問題。總而言之，針對不同的負載，其控制方式、拓撲結構等不盡相同。
【關鍵字】：電力電子器件、拓撲、智能控制、負載類型
1.電力電子器件的應用和發展前景
\qquad 電力電子器件作為電力電子技術的基礎，其發展對電力電子技術的發展起着至關重要的作用，從第一支晶閘管問世，人們進入了電力電子的時代，此後電力電子技術發展迅猛，可以說，每一次半導體器件的發展都會引起電力電子行業的一次巨大變革。
1.1傳統電力電子器件介紹
\qquad 傳統的電力電子器件主要又，電力二極管、雙極型半導體BJT（Bipolar Junction Transiitor）、可控矽整流器SCR（Silicon Controlled Rectifier）、門級可關斷晶閘管（Gate Turn Off Thyristor）、絕緣栅雙極性半導體IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、金屬氧化物半導體場效應管MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、內建門級換流可關斷晶閘管IGCT
（Integrated Gate Commutated Thyristor）等等。下面主要讨論IGBT和MOSFET的應用場合。
\qquad 圖1中陰影區域表示都可以使用，???代表目前工藝很難達到。從圖中可以看出IGBT耐壓和應用功率場合一般高于MOS管（其中NMOS高于PMOS），而頻率通常低于MOS管。以TI生産的高性能NMOS管 CSD19506，這個MOS管具有極低的導通電阻，僅為幾個毫歐。常溫下的連續漏極電流I_D高達273A，但耐壓僅80V。這些性能使得這個MOS管非常适合在地壓大電流的場合使用，如次級（低壓側）同步整流器。對比由芯長征科技生産的MPB40N120B，這個管子最大耐壓1200V，室溫下最大集電極電流I_C=80A，最大耗散功率P_D=277W，這适合用于大功率電力裝置中使用。
1.2新型半導體器件的介紹
\qquad 随着SiC和GaN等新興器件的興起，MOS管耐壓也可達到上千伏特。如安森美生産的SiC型NMOS耐壓已達1200V，如NTH4L160N120SC1器件，室溫下最大耗散功率P_D=111W，室溫下最大連續漏極電流I_D=17.3A，在室溫等測試環境下的導通和關斷延時僅十幾個納秒，導通電阻僅160mA，這非常适合用在小功率高能量密度的電源中。
2.拓撲結構的應用與發展
\qquad 拓撲結構主要是按照換流方式來分的，交流到直流的變換稱為整流（Rectify），傳統的整流方式是使用二極管整流橋來進行不可控整流的，再經過大電容來得到脈動較小的直流電。但這種方式得到的直流電在不考慮負載效應的時候輸出的直流電Ud=1.414Uac，且不可控，同時還會給使得電網電壓諧波增大，是以，通常在某些場合常常采用PWM可控整流，通過合适的控制方法可以使得整流後的波形更加平滑，同時，通過調整死區時間還可以做到幅值在一定範圍内可控，為不影響電網，目前使用整流通常都才用到有源濾波功率因數矯正(APFC)。
\qquad 直流到直流的變換稱為斬波（Chopper）或直流變壓器，傳統的斬波拓撲主要有，升壓斬波（boost）、降壓斬波（buck）、升降壓斬波（buck-boost）、反激（flyback）、正激（forward）、Guk、Zeta等等。每個電路都有自己的應用場合，比如反激電源在小功率大變比的場合使用較多，如輔助電源子產品、明偉、金升陽制作的開關電源等。但是，随着電力電子器件的發展，對拓撲結構提出了更多要求，如LLC諧振電源就以其高能量密度脫穎而出，但面對對效率、體積、功率等要求的不斷增大，多級LLC并聯、複合LLC等LLC的擴充拓撲不斷湧現。同時由于LLC控制方法較複雜，完全不同于LLC的拓撲結構也不斷出現，如開關電容等等。
\qquad 直流到交流的變換稱為逆變（Invert），傳統的逆變電路主要是（以單項逆變為例）半橋逆變拓撲、全橋逆變拓撲、多電平逆變拓撲、多橋臂逆變拓撲等等，而控制方式也經過很大的發展，這使得逆變技術越來越成熟。這裡舉例說明基本的逆變為什麼含有諧波較大，是以要用PWM技術。
2.2傳統拓撲介紹：
LLC拓撲結構及LLC衍生拓撲結構後續介紹。
3.控制方法與系統模組化的發展
\qquad 電力電子變換器的控制方法是電力電子變換器中最重要也是最難的部分。控制方式受到電力電子器件、拓撲結構、負載類型、應用場合等等的影響。這裡值得一題的是負載類型，當負載為三相交流異步電動機時控制方式也是多種多樣的，如VF控制，SVPWM控制等；當負載類型為電池時，電池本身的特性，如不均衡性，發熱性能等等會影響SOC、SCH等，要想使得這些負載在期望的狀态下運作，這就使得控制方式變得異常複雜。這裡以開關電源為例來讨論控制方式。
\qquad 電源的控制要能滿足電源的動态性能，如抗幹擾能力、負載調整率、穩定性和穩定裕度、輸出紋波和噪聲、補償網絡設計名額等等，這就要求對控制提出了較高的要求。目前的很多控制方式還未落地，僅僅停留在理論階段，而傳統的PFM、PWM、SPWM、SVPWM控制和PI調節器仍是主流。控制方式原理一般是模拟控制，而實際控制中大多使用數字控制微處理器，如STM32，DSP等等來實作，是以在原理和具體實作中還存在很大差距。下面以簡單的兩電平單相逆變電路為說明SPWM是如何産生的。
\qquad 圖5中産生的PWM波形是調制波與載波進行比較而生成的，而實際過程中我們要獲得載波是和調制波是比較困難的。是以我們利用下式進行計算。其中D是輸出占空比，n是點數，A與定時器技術方式和計數最大值有關。具體python代碼實作如下
D = A 1 + s i n ( 1 : n n ) 2 D=A\frac{1+sin(\frac{1:n}{n})}{2} D=A21+sin(n1:n)
import numpy as np
amount=256
xdata=np.linspace(0,2*np.pi,amount)
Adata=amount/2*np.sin(xdata)+amount/2
count=0
with open (path,"w",encoding="utf-8") as file_Adata:
for data in Adata:
Adata_file=str("%.2f" %data)
if count % 10 == 0 and count!=0:
file_Adata.write("\n")
count+=1
file_Adata.write(Adata_file+","+" ")
count=0
\qquad 由此便可生成單相SPWM資料，這些占空比資料通過定時器中斷輸出即可，很容易看出，改變逆變的頻率隻需改變中斷時間或者點數即可，改變初相位隻需要改變起始點即可，改變逆變的幅值隻需要改變調制度即可（其本質相當于整體壓縮波形資料）。
\qquad 類似的，PI調節器也需要設定成數字式才可以達到控制電源的效果，同理不論是什麼控制方式最終都需要數字化（純模拟電源除外）。
\qquad 另外，控制方式涉及到模組化已經傳遞函數等計算過程也是非常複雜的，這裡不讨論。
4.電力電子的負載類型
\qquad 電力電子裝置是負載工作的前提，反過來負載的發展也影響着電力電子技術的發展。以新興的新能源汽車電池負載為例。由于電池組内的單個電池的參數不一緻，如端電壓、内阻、容量等，都在運作過程中會進一步加大這種差距，這就需要均衡電路。各式各樣的主動均衡電路層出不窮，目前也沒有統一的比較合适的均衡電路。
\qquad 随着電動汽車的不斷發展，國内電動汽車的比重越來越大，這在一定程度上減輕了環境污染，對實作雙碳目标有着積極意義，但由此帶來的問題也突顯。今年國慶節純電動汽車暴露出短闆，除了充電樁建立還不完善外，在技術上更大的問題在于充電技術、均衡電路等仍存在一定的不足。
\qquad 本文是基于目前的文獻查閱、動手實踐以及對電力電子的了解所寫。
總結一下對電力電子的了解從四大拓撲結構–>電力電子的三個部分–>到現在加入了對電力電子負載的了解。
\qquad 這篇對電力電子發展的了解和描述是基于以前做過的實驗和文獻閱讀所寫，這裡并未對磁性元件、熱管理進行描述，因為學識和篇幅有限，寫的較為淺薄，後續會對各個部分做詳細說明或有所側重，同時也會結合實際仿真或實物進行描述。