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Technologie de l'électronique de puissance



introduction

La technologie électronique de puissance est divisée en deux branches : la technologie de fabrication d'appareils électroniques de puissance et la technologie à courant variable (rectification, onduleur, hachage, conversion de fréquence et égalisation).

Il est désormais devenu une formation professionnelle de base indispensable pour les majeures en électrotechnique moderne et en automatisation, et il occupe une position importante pour cultiver ce talent professionnel.

LenomPowerElectronicsapparaitdanslesannées60.En1974,W.NewellofÉtats-Unis a utilisé un triangle inversé (comme illustré à la figure 1) pour décrire l'électronique de puissance, pensant qu'elle était formée par l'intersection de trois disciplines de la puissance, de l'électronique et de la théorie du contrôle.

ItisgenerallybelievedthatthebirthofpowerelectronictechnologyismarkedbythefirstthyristordevelopedbyGeneralElectricCompanyoftheUnitedStatesin1957.Theconceptandfoundationofpowerelectronictechnologyisduetothethyristorandthyristorconvertertechnology.Establishedbydevelopment.Therehavebeenelectronictechnologiesforpowerconversionbefore, sotheperiodbeforetheemergenceofthyristorscanbecalledtheprehistoricordawnperiodofpowerelectronics.Inthelate1970s, fullycontrolleddevicesrepresentedbygateturn-offthyristors (GTO), powerbipolartransistors (BJT), andpowerfieldeffecttransistors (Power-MOSFET) developedatfullspeed (thecharacteristicsoffullycontrolleddevicesarethroughThecontrolofboththegateandthebaseofthegatecanbothturnitonandturnitoff) .Makethefaceofpowerelectronicstechnologyanewlookandenteranewstageofdevelopment.Inthelate1980s, compositedevicesrepresentedbyinsulatedgatebipolartransistors (IGBTscanberegardedasthecombinationofMOSFETandBJT) integratedsmalldrivepower, fastswitchingspeed, smallon-statevoltagedrop ,andgr Les performances supérieures en font le dispositif de pointe de la technologie électronique de puissance moderne.

Thetechnologythatusespowerelectronicdevicestoachieveindustrial-scaleelectricalenergyconversionissometimescalledpowerelectronicstechnology.Undernormalcircumstances, itistoconvertoneformofindustrialelectricalenergyintoanotherformofindustrialelectricalenergy.Forexample, convertACpowertoDCpowerorconvertDCpowertoACpower; convertindustrialfrequencypowertopoweratthefrequencyrequiredbytheequipment; whennormalACpowerisinterrupted, useaninverter (seepowerconverter) toconvertTheDCpowerofthestoragebatteryistransformedintopowerfrequencyACpower.Theapplicationofpowerelectronictechnologycanalsorealizetheconversionbetweennon-electricenergyandelectricenergy.Forexample, solarcellsareusedtoconvertsolarradiantenergyintoelectricalenergy.Differentfromelectronictechnology, theelectricenergytransformedbypowerelectronictechnologyisusedasanenergysourceratherthanasacarrierforinformationsensing.Therefore, whatpeopleareconcernedaboutistheelectricpowerthatcanbeconverted.

Powerelectronicstechnologyisanemergingdisciplinebasedonthethreemajordisciplinesofelectronics, electricalengineeringandautomaticcontrol.Becauseitisahigh-powerelectricaltechnology, andmostofitservesindustriesthatapplystrongelectricity, itisoftenclassifiedasanelectrician.Thecontentofpowerelectronictechnologymainlyincludespowerelectronicdevices, powerelectroniccircuits, powerelectronicdevicesandtheirsystems.Powerelectronicdevicesusesemiconductorsasthebasicmaterial, andthemostcommonlyusedmaterialissinglecrystalsilicon; itstheoreticalbasisissemiconductorphysics; itsprocesstechnologyissemiconductordevicetechnology.Thetechnologyofmicroelectronicshasbeenwidelyusedinmodernnewpowerelectronicdevices.Powerelectroniccircuitshaveabsorbedthetheoreticalbasisofelectronics, andaccordingtothecharacteristicsofdevicesandtherequirementsofpowerconversion, manypowerconversioncircuitshavebeendeveloped.Thesecircuitsalsoincludevariouscontrol, détente, protection, affichage, traitement de l'information, relaycontactsandothersecondarycir Les circuitsetlescircuitspériphériques.Utilisantcescircuits,selonlesdifférentsobjetsd'application,constituentunemachinecomplèteàdesfonctionsdifférentes,appeléesdispositifsélectroniquesdepuissance.Cesdispositifsconstituentunsystèmeavecdeschargesetdeséquipementsde support.Destechnologiescommelasélectronique,l'électrotechnique,lecontrôleautomatiqueetles.

Application

Industrie générale :

Moteurs AC et DC, industrie électrochimique, industrie métallurgique

Transport:

Chemins de fer électrifiés,véhicules électriques,aviation,aérospatiale,navigation

Systèmes d'alimentation :

Transmission de courant continu haute tension, transmission de courant alternatif flexible, compensation de puissance réactive

Appareils électroniquesAlimentation :

Fournir de l'énergie pour les informations et les appareils électroniques

Appareils ménagers:

"Lampes à économie d'énergie",climatiseurs à onduleur

Autres:

p>

UPS,véhicules aérospatiaux,nouvelleénergie,dispositifs de production d'électricité

Fonction

(1) Optimizetheuseofelectricenergy.Throughtheprocessingofelectricenergybypowerelectronictechnology, theuseofelectricenergyisreasonable, efficientandeconomical, andtheoptimizationofelectricenergyuseisrealized.Forexample, intermsofpowersaving, asurveyof14aspectssuchasfanandwaterpump, electrictraction, rollingmillsmelting, lightindustrypapermaking, industrialkilns, chauffage par induction, electricwelding, chemicalindustry, électrolyse, etc, showsthatthetotalamountofpotentialpowersavingisequivalenttothatofthecountryin199016% ofthepowergeneration, sothepromotionandapplicationofpowerelectronictechnologyisastrategicmeasureforenergysaving, andthegeneralenergysavingeffectcanreach10% -40%. mon pays a inclus de nombreux dispositifs dans la promotion et l'application de projets d'économie d'énergie.

(2) Transformtraditionalindustriesanddevelopemergingindustriessuchasmechatronics.Accordingtotheforecastofdevelopedcountries, 95% ofelectricenergywillbeprocessedbypowerelectronictechnologybeforebeingused.Thatis, 95% ofvariouselectromechanicalequipmentforindustrialandcivilusearerelatedtothepowerelectronicindustry.Inparticular, powerelectronictechnologyisweakcurrent.Themediathatcontrolsstrongelectricityisanimportantinterfacebetweenelectromechanicalequipmentandcomputers.Itcreatesconditionsfortraditionalandemergingindustriestoadoptmicroelectronicstechnology, andbecomestheguaranteeandbasisfortheroleofcomputers.

(3) Le développement de la technologie haute fréquence et de conversion de fréquence dans la technologie électronique de puissance permettra aux équipements électromécaniques de percer la fréquence électrique traditionnelle et de se développer dans le sens de la haute fréquence.

(4)Les progrès de l'intelligence électronique de puissance, dans une certaine mesure, intègre le traitement de l'information et le traitement de puissance, et intègre la technologie microélectronique et la technologie électronique de puissance.

Dispositifs

Thefirstglassmercuryarcrectifierappearedin1902.In1910, theiron-shellmercuryarcrectifierappeared.Theuseofmercuryarcrectifierstoreplacemechanicalswitchesandinvertersisthebeginningofpowerelectronicstechnology.Thecopperoxiderectifierwastrial-producedin1920, andtheseleniumrectifierappearedin1923.Inthe1930s, theserectifiersbegantobewidelyusedinpowerrectifierdevices.Transistorsappearedinthelate1940s.Intheearly1950s, transistorsdevelopedtowardshigh puissance, powerdiodesmadeofsemiconductorsinglecrystalmaterialswerealsodeveloped.In1954-etdes, theSwedishGeneralElectricCompany (ASEA) firstusedmercuryarctubesforhigh-voltagerectificationandinverters, andappliedthemon ± 100kVDCtransmissionlinestotransmit20MWofelectricity.In1956, AmericaNJ. Moorefabriqualeprototypedethyristor.En1957,laR.A.américaineYorkfabriquaunthyristorpratique.Les thyristorsontétéutilisésdanslesdispositifsélectroniquesdepuissanceàlafindesannées50,etilsontétérapidementpromusdèslesannées60,etdessériesdedispositifsdérivésontétédéveloppéespourélargirlesdomainesd'applicationde l'électronique de puissance hnology.Withthepopularizationofthyristorapplications, powerelectroniccircuitshavedevelopedmanypowerelectroniccircuits.Accordingtotheirfunctions, theycanbedividedinto: ①rectifiercircuitthatconvertsACpowerintoDCpower; ②InvertercircuitthatconvertsDCpowerintoACpower; ③AnACconversioncircuitthatconvertsoneformofACpowerintoanotherformofACpower; ④ADCconversioncircuitthatconvertsoneformofDCpowerintoanotherformofDCpower.Thesecircuitsallcontainthyristors, andeachthyristorneedsacorrespondingtrigger.Asaresult, manytriggercontrolcircuitshaveappearedinconjunctionwiththesepowerelectroniccircuits.Accordingtothedevicesused, thesecontrolcircuitscanberoughlydividedintothreegenerations.Thefirst-generationcontrolcircuitwasmainlycomposedofdiscreteelectroniccomponents (suchastransistorsanddiodes) .Itwasusedalotuntilthelate1980s.Thesecondgenerationconsistsofintegratedcircuits.Sincetheemergenceoftheworld'sfirstintegratedcircuitintheUnitedStatesin1958, thedevelopmenthasbeenextremelyrapid.Itisappliedtothecontrolcircuitofthep owerelectronicdevicetomakethestructurecompact, functionandreliabilityimproved.Thethirdgenerationiscontrolledbyamicrocomputer.Sincethe1970s, duetothedevelopmentofmicrocomputers, powerelectronicdeviceshavefurtherprogressedtowardstherealizationofintelligence.PowerelectronicdevicesWiththedevelopmentandimprovementofpowerelectroniccircuits, manytypesofpowerelectronicdevicescomposedofthyristorscontinuetoappear.Suchashigh-powerelectrolysispowersupply, weldingpowersupply, andelectroplatingDCpowersupply; DCandACtraction, DCdrive, ACcascadespeedregulation, frequencyconversionspeedregulationandothertransmissionpowersupplies; excitation, reactivepowerstaticcompensation, harmoniccompensationandotherpowerPowerelectronicdevicesusedinthesystem; basse fréquence, mediumfrequency, highfrequencypowersuppliesandothernon-powerfrequencypowersupplies, especiallyinductionheatingmediumandhighfrequencypowersupplies; uninterruptedpowersupplies, Alimentations CA et autres alimentations électriques industrielles ; divers régulateurs de tension et bientôt .Thesepowerelectronicdeviceshavehigherelectricalefficiencythantraditionalmotor-generatorsets (takeamotor-generatorsetwithacapacityof10kilowattstohundredsofkilowattsandafrequencyof1000Hzasanexample.Undertheratedload, theefficiencyη = 80%, anddecreasesignificantlywiththedecreaseoftheload.Ifthethyristorpowersupplyisused, η≥92%, anddoesnotchangemuchwiththeload), par conséquent, thereisasignificantenergy-savingeffect.Thepowerelectronicdeviceisastaticdevicewithasmallfootprint, lightweightandeasyinstallation (takingtheweldingpowersupplyasanexample, comparedwiththerotaryweldingmachine, theweightisreducedby80% andtheenergysavingis15%). Atthesametime, Les appareils électroniques de puissance sont souvent plus faciles à régler la fréquence, la tension, etc., répondent rapidement, ont de multiples fonctions et ont un degré élevé d'automatisation. les interférences harmoniques du réseau électrique et de la charge, et parfois certaines interférences à haute fréquence avec l'environnement environnant.

Le progrès

Fromthemid-1950stothelate1970s, powerelectronicsbasedonhigh-powersilicondiodes, bipolarpowertransistorsandthyristorapplications (especiallythyristors) Thetechnologydevelopmentisrelativelymature.Sincetheendofthe1970s, twodevelopmentshavecausedahugeimpactonpowerelectronicstechnology.Thefirstisthatthedevelopmentofmicrocomputershasplayedamajorroleinthecontrolsystem, faultdetection, andinformationprocessingofpowerelectronicdevices, andwillcontinuetodevelopinthefuture; thesecondisthatmicroelectronicsandopticalfibertechnologieshavepenetratedintopowerelectronicdevicesanddevelopedMorenewgenerationpowerelectronicdevices.Inadditiontothedevelopmentofordinarythyristors (6500V, 3500A), (GTO) voltagehasreached4500V thegate-offthyristor, andthecurrenthasreached2500 ~ 3000A.Bipolartransistorsarealsomovingtowardslargercapacity.Inthemiddleandlate1980s , son produit industriel a une tension maximale de 1400 volts et un courant maximal de 400 ampères. La fréquence de fonctionnement était bien supérieure à celle de thyristors. rlingtonstructurewasadopted.Withthedevelopmentofopticalfibertechnology, theUnitedStatesandJapansuccessivelydevelopedopticallycontrolledthyristorsbetween1981and1982andusedtheminDCpowertransmissionsystems.Comparedwiththeelectricallytriggeredthyristor, thislightcontroltubesimplifiesthetriggercircuit, improvestheinsulationlevelandanti-interferenceability, andenablesthedevelopmentoftheconverterequipmentinthedirectionofsmallandlightweight, whichnotonlyreducesthecost, butalsoimprovesthereliabilityofoperation.sex.Atthesametime, champ controlledpowerelectronicdeviceshavealsobeendeveloped.Forexample, powerMOSFETsandpowerstaticinductiontransistors (SIT) havereachedkilovoltsandvoltagesandcurrentsoftenstohundredsofamperes, andsmallandmedium-capacityoperationsThefrequencycanreachmegahertz.Anewgenerationofpowerelectronicdevicessynthesizedbyfieldcontrolandbipolar, suchasinsulatedgatebipolartransistor (IGTorIGBT) andMOScontrolledthyristor (MCT) sont également émergents, et la capacité a également été considérable. La capacité d'arrêt de vegate et la fréquence de fonctionnement peuvent être grandement améliorées, ce qui simplifie les circuits électroniques de puissance et améliore continuellement le volume, le poids, l'efficacité, les performances et autres indicateurs des dispositifs électroniques de puissance.

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