01-电力电子技术最新发展-徐德鸿

电力电子技术最新发展电力电子技术最新发展浙江大学徐德鸿教授2012年3月20日1提纲一背景．背景二宽禁带电力电子器件二．宽禁带电力电子器件三．电力电子技术及应用新动向三．电力电子技术及应用新动向四．总结四．总结21.背景：新能源„中国政府承诺：到2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年降低40%-45%，非化石能源占一次能源比重达到15%，折合7亿吨标煤„新能源产业例入国家战略性新兴产业，新能源产业呈喷发态势„风电累计装机容量世界NO.1，国家中长期规划提前十年完成„自2007年，我国光伏电池产量世界第一。2010年超过全球产量50%。年产值超过3000亿元6200万kW4000我国累计风电装机容量（万kW)装机4470589120025003000100020003000装机…124.6250.35890100020052006200720082009201020113欧盟:2020新能源20%美国:2030风能20%(DOE)1.背景：新能源新能源对电力电子的需求：‡效率提升‡容量提升（电站应用）‡体积重量减小节约原材料‡体积重量减小，节约原材料‡可靠性的提升‡降低成本41.背景：节能全社会年能耗:2000:14亿吨标煤2010:29.6亿吨标准煤电力装机:2000:3.2亿kW2010:9.5亿千瓦(发电量4.1万亿千瓦时)2010-2030:世界能源消费将增长40%,发展中国家占93%(BP预测)„国家“十二五规划”:2015单位GDP能耗比2010年下降16%年份GDP(万亿)能源消费能源消费/年份GDP(万亿)以2010年为基准,7%的年增长能源消费(亿吨标煤)能源消费/万元(Tce)年增长201039.832.50.81201555.838.30.6851万美圆0.4万美圆1.背景：节能„万元GDP能耗是世界平均水平的3倍„全国风机、水泵、压宿机等电机的电耗约占售电总量的60％负荷节能潜力电源IT电源:10-30%IT通讯消费电子24%电子控制白炽灯、气体放电灯,,LED,…工业自动化:过程控制电子控制25%照明21%过程控制重工业轻工业…交通:铁路,汽车,…30%25%电机55%变频变频和能量再生Source:ZVEI,Siemens,CEMEP,CPES,EPA,NRDC家电:40%变频6电力电子是节约电能的核心科技宽禁带半导体材料CESiC临界电场强度SiC:碳化硅GaN:氮化镓GaNGaN:氮化镓SiCvs.Si‹耐压：10倍λSiSiCSi‹耐压：10倍‹热导率：3倍‹结温200度λGaNSi导热系数‹结温200度SiCE禁带宽度7GaNGESiC器件SiC金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET结型结型场效应晶体管@SemiSouth@SemiSouth‡开关速度快，tf=tr=20ns‡寄生电容小‡寄生电容小‡具有正温度系数‡芯片面积小8SiCMOSFETvs.硅器件SiCMOSFETRDSON温度特性(ProvidedbyROHMCo.,Ltd.)@CREE@CREE‹SiCMOSFET具有良好的温度特性9‹SiCMOSFET具有良好的温度特性‹开关损耗1/2高电压SiCMOSFET10kV/10AMOSFET(8.1x8.1mm2)on10cmSiCWafer10kV/120ASiCMOSFEThalfH-bridgemodule(12MOSFETsand6diodes)10@CREEGaN功率器件(HEMT)AlGaNSContactDContactGateGaNun-dopedBufferLayers/TransitionLayers/Substrate‡可以制备在硅基上好处：特点：‡可以制备在硅基上‡开关速度超快(10ns)‡散热器小‡无源元件减小‡模块体积减小‡动态电阻问题‡模块体积减小应用：‡动态电阻问题‡雪崩能力‡可靠性‡电压等级900V‡DC/DCmodule,POL‡PFC应用：11‡电压等级900V‡EVSi,SiC,GaN器件导通电阻比较4HSiClimit4HSiClimitRef:IR12Ref: IR开关电源节能标志10095]ServerOAD90PC率η[%]@50%LO85電源効ficiency[%]85Eff20052010201580year13year效率指标不断提高开关电源效率提升方法‹DC/DC:LLC，软开关‹SR‹PFC:MOSFET整流‹PFC:MOSFET整流‹EnablingWindowControlLF95%效率AC/DCconverter•Inputvoltage:Vin=180V~265Vac•Outputvoltage:Vo=24Vdc•Ratedpower:Po=500WƒQ1-Q4:IPP60R099×4fficiency(%)PrincipleofEnablingWindowControlQ1Q4:IPP60R099×4ƒS1:IPP60R099ƒL1:0.6mH*2(77054A7)ƒD1:STPSC806D(Sic)ƒC1:390μF/450VƒS2,S3:STP20NM60(ST)ƒCr:84nF/630VEfƒCr:84nF/630VƒLr:23.5μH(EI25)ƒT1:n=26:3:3(ETD44),•3c95ƒSR1,SR2:IRF3207(IR)ƒCo:2200μF/35V*51414LoadCurrent(A)Efficiencyvs.LoadCurrent(Vin=230V)两电平逆变器vs.三电平逆变器Three-leveltopology‹Vdc:700VDCVo:220VACinverter10000%‹Vdc:700VDCVo:220VAC‹3-phasePo:10kW‹Lf=1.5mH(20kHz)‹S1/S2:40A/1200VIGBT97.00%98.00%99.00%100.00%ency250300350‹OutputTHD:5%94.00%95.00%96.00%Efficie100150200250Loss(W)PLPauxPswPcon93.00%05001000150020002500300035004000Single-phasePo(W)2-level3-levelARCP150502-level3-levelARCPfs=20kHzEffvs.Pofs=20kHz(single-phase)三电平逆变器应用于UPSNPCT3LT3Lw.RB-IGBT98.89%9880%98.86%98.82%9880%98.85%98.90%98.95%NPC 3‐level Advanced‐three level 串联advanced‐three level RB98.80%98.70%98.81%98.77%98.72%98.65%98.76%98.71%98.65%98.70%98.75%98.80%98.62%98.45%98.50%98.55%98.60%负载负载负载负载1650%负载75%负载100%负载125%负载@100kW,fs=10kHz三电平逆变器应用于光伏2-levelAvdcVBvCv3-levelV3level三电平优势：‹输出电压纹波小‹滤波电感小dcV2AvBv‹滤波电感小‹损耗小(器件,电感)dcV2Cv17三电平逆变器应用于风电 660PMSGVV=690GVV=1200dcVV=2Lvs.NPC3Lvs.Advanced3Lconverter（690V/2MWPMSG）dcVlossredced1/3 dcV2-levelconverterlossreduced1/32dc2dcV dcVNPC3-levelconverter22dcVAdvanced3Lconverterhas1/3lesslossthan2Lconverterforswitchingfreq2kHz182Advancedthree-levelconverterPVinverter结构efficiencyLFtransformerHFtransformer98%99%98%GridPVDCACNon-isolated97%98%97%97%96%95.5%95%HFtransformer2stage1-stageLFtransformerNon-isolated19SiCPV逆变器‹最高效率99%‹采用SemiSouth的SiCJFET20(Source:FraunhoferISE,Germany)微逆变器11980年WernerKleinkauf，InstitutfürSolareEnergieversorgungstechnik(ISET)‡每峰瓦成本高‡工作环境恶劣，高低温、湿度等‡逆变器效率低PVGridPseudoDClink伪直流母线微逆变器DC-DCMainsFrequencyUnfolderIsolatedDecouplingCapacitor伪直流母线微逆变器L1*Q1Q2D1D2ANP1NP2VpvS1S2L2Vgrid*Q4Q3S3BNS1NS2effmax=96%21@enphasemax风电变流器向中压发展‡Higherconversionefficiency3MW/3kVPMSG‡Higherconversionefficiency‡Lowercablecost‡Eliminateboosttransformer‡Lowerweightandsavingmaterial多电平变流器将获得应用22多电平变流器3LevelACNeutralPointClampedFloatingCapacitorMotorMultiphase23Motorptransformer模块化多电平变流器(MMC)拓扑结构+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv‹模块化，冗余，易拓展，适用于高压大功率场合‹较高的电能质量+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcvM~dU‹较高的电能质量‹较低的开关损耗，效率高40006000+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv-6000-4000-2000020004000+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcv+-dcvPhasearmSubModule11.011.021.031.041.051.06-6000三相输出线电压(11电平)D16080100P单位/W子模块结构D202040T1D1T2D2T1D1T2D2T1D1T2D2T1D1T2D2T1D1T2D2T1D1T2D201530456075P_sP_con24子模块结构：子模块散热分布500kVA系统不同功率因数角子模块损耗分布固态变压器(Solidstatetransformer)50/60HzTransformerSolidStateTransformerSSTRhth25SSTResearchovertheLast10Years…[e-mail],ETH固态变压器发展计划LowFrequencyConventionalTransformer2.7MVA138kV/450V(Δ/Y)60H13.8kV/450V(Δ/Y)60Hz6tons/each10m3/eachfixed,singleoutputEstimatedSiC-basedSolidStateEstimatedSiCbasedSolidStatePowerSubstation(digital)2.7MVA13.8kV/465V(Δ/Y)20kHz1.