《电力电子组件单元(PEBB)技术的进展与前景》.doc

电力电子组件单元(PEBB)技术的进展与前景 杨旭 王兆安 西安交通大学电气工程学院 1概述 电力电子组件单元（Power Electronic Building Blocks-PEBB）是1997年前后由美国政府、军方研究机构及电力电子技术领域一些著名学者共同提出的概念，开始的意图是用于舰船、飞机等未来军事装备中的电力电子系统中。由于其具有的灵活性、易用性和便捷性，这一技术已经逐渐开始进入工业应用领域，并有可能改变电力电子装置与系统设计和制造的方式。 目前发达国家电力电子集成技术的应用也才刚刚开始，而且多集中于航空航天和军事工业中，在民用范围由于大规模制造技术上部成熟和成本方面的原因，还没有开始应用，这对我国的电力电子学界和产业界来说不能不说是一个重要的机会。 2 PEBB的基本概念及其意义 相关文献中对于PEBB的描述如图1所示： 图 1 电力电子组件单元的定义 从该图中可以看出，PEBB是一种构成电力电子装置与系统的单元模块，本身并不一定是具有完整的电路和电力变换功能，但能够通过简单组合构成完整的电路和系统。 图2 电力电子电路中的基本单元 从图2中可以看出，2个开关元件串联构成的“半桥”结构是大多数电力电子电路的基本单元，3个半桥可以构成1个3相桥，2个半桥可以构成一个H型的全桥电路等。 因此将半桥电路、连同相应的驱动和控制、保护电路一同组装在一起，并且满足一定的接口规范，就构成了PEBB。 当然，在小功率范围内，用3个小的半桥型PEBB构成3相桥式电路从体积和成本上来说可能都不算合理，因此在小功率PEBB直接采用3相桥式电路。 a) 大功率PEBB b)小功率PEBB 图3 PEBB的电路结构 那么，为什么要提出PEBB这个概念呢？回答这个问题需要从现有的电力电子装置和系统的设计与制造过程入手。 电力电子装置涵盖的范围十分广泛，小到功率仅为数瓦的DC-DC电源，达到MW级的变频器、无功补偿装置。但不论装置大小，其设计的过程是相似的，都包含功率电路、驱动、控制、保护、结构、传热、电磁兼容等诸多步骤，而且每个步骤都需要进行理论计算、仿真和实验验证，也就是说，绝大多数电力电子装置都需要在实验样机制作并测试完成后，才能确定设计是否成功。这样就导致了以下几个问题： 1) 不确定因素多，难以验证，容易反复，因此设计周期长。 2) 设计难度大，需要大量非常专业的人员，研发成本高。 3) 每个不用的应用独立进行设计，工作量重复，浪费严重。 4) 每个装置由于设计不同，因此存在大量的非标元件，生产的难度也很大。也增加了维护的工作量和难度。 针对以上这些问题，PEBB的概念应运而生。 采用PEBB技术后，一旦拥有一系列不同功率等级的PEBB，各种不同的电力电子装置的设计就变得十分简单了，只需要选择合适的PEBB，根据应用配置其控制算法和参数，然后设计简单的外围电路就可以了。设计的过程得以大大简化。 由于核心的开关电路部分由PEBB构成，而PEBB在自身的设计过程中已经得到充分验证，因此装置的设计过程中对于设计结果是完全可以预计的，不需要通过样机来验证，甚至可以现场设计、现场组装。 由此看出，PEBB技术将电力电子装置的核心开关电路“封装”起来，从而简化了设计过程、降低了设计成本，同时也实现了模块化和标准化，从而能够降低制造成本和维护成本。因此PEBB技术是电力电子技术未来的发展方向。 3 技术现状及必威体育精装版进展 PEBB概念提出后，美国军方及一些高校进行了积极研究，代表性的团队及其成果有American Superconductor 公司的PM1000和PM3000系列产品。 图4 PM1000 PEBB的结构和系统构成 PM1000系列是该公司推出的首个PEBB产品，每个单元采用半桥结构，包含驱动和控制电路，构成的3相桥功率等级为175kVA。可以与计算机连接，并通过专用的开发工具界面设定控制策略和控制器参数，通过设定，可以使PEBB工作在4种不同的应用模式：PWM整流器、DC-DC、交流电压源逆变器和电机驱动器。 图5 PM3000 PEBB系统 PM3000是该公司专门为风力发电并网逆变这一应用推出的产品，内部含有6个半桥单元，构成双PWM变流器。 采用该产品为核心构成风电并网变流器，仅需要附加简单的外围无源滤波器和开关、熔断器、避雷器等元件，然后通过专用的编程界面软件配置算法和参数即可，开发过程得以简化。 4 我国PEBB技术的进展 国家科技部于2007年立项，对IGBT国产化及PEBB技术进行攻关。与国际同类技术相比，国内采用的技术方案具有以下几个特点： 1) 结构更为简单。 2) 控制和通信接口更为通用化、开放化。 3) 更接近于常规的电力电子装置，