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簡介 化石能源趨于枯竭，加上核電廠的關閉、環保意識的增強和可替代能源的聯合集成，電力供應的結構正在變化。現有的集中式能源系統從使用少量的幾個中心發電機(大型發電廠)，轉向使用大量分布式發電機的系統。在發電機和用戶之間要進行連續的協調配合，從而保證電源和配電電網中電壓和頻率能夠一直保持穩定。在使用大型發電廠、輸電線和中央變電站的集中式結構的電網里，這個問題相對比較簡單，容易實現。 過去，我們的電力主要是由大家熟知的50Hz三相交流電的交流電發電機產生的，在未來能源的概念里，重要的一點是不但能夠整合光伏直流電和電池儲存的直流電，還要能把低壓電直接輸送到現有的電網里。當然，這些不同的能源形式必須針對現有的和未來的電網基礎設施進行調整。擴大電網規模、提高效率、延伸電網通信范圍，以及使用功率轉換器和電子測量設備，對于保證發電機和用戶之間的分布式電源系統始終保持必要的電網質量和穩定，發揮著越來越重要的作用。 除了在功率電子領域的突出創新，尤其是近年來在計算機和功率半導體方面的創新，我們還要重視用于發電、輸電和配電，以及電能管理的電阻等無源元件的重要性和作用。 分布式發電 分布式發電正在越來越依賴于風能、光伏系統和生物質能等新能源。未來，為了迅速響應峰值負載的需求，儲存在固定電池里的電能將變得更加重要。在分布式電源、大多數小尺寸和中尺寸的發電和儲能裝置里，功率轉換器是核心模塊，使得適用于特大區域電網的饋電的形式和層次多種多樣。 功率轉換器（框圖1）設備通常可以在上面提到的新能源里找到，這些新能源不能同時輸入到電網里，也不具備必要的電網質量。不管輸入轉換器的是交流電或直流電，轉換器都會轉換成規定頻率和幅度的交流電流（和電壓）輸出，這個輸出然后就被送進輸電和配電線里（或用戶那里）。 框圖1：功率轉換器的電路原理圖 功率轉換器要實現最優的控制和管理，就需要知道功率轉換器內部每個地方電壓和電流的確切信息。在轉換器的輸入端，首先要對反饋電壓和反饋電流進行濾波、輸入和測量。其他工作包括確定和優化轉換器的工作點，保護輸入免受過載的影響，有效抑制EMV噪聲信號。使用歐姆電位計電阻來測量電壓。需要的電阻數量取決于電壓、輸入端上產生的電壓和電流脈沖，以及首選的電阻設計。 電壓測量的精度要求（公差）、轉換器內部的溫度、電阻壽命的允許漂移或轉換器的使用壽命（穩定性ΔR/R），都可以通過引線金屬釉層電阻（如VR 37）、引線金屬層電阻（如MBB/SMA 0207）或SMD-MELF金屬層電阻（如MMA 0204/SMM0204）得到解決。首選的SMD-MELF金屬層電阻（圖1）應當用在使用要求更高的轉換器里，因為這些電阻不僅具有優異的電特性，把表面貼裝分壓器里的電阻數量減到最少，從而降低生產成本，減少組裝失誤。 圖1：SMD MELF電阻 有幾種測量電流的處理方法。與電阻有關的過程首先是用旁路電阻測量電流，第二步是用電流互感器或電流傳感器測量電流。旁路電阻的阻值非常低，只有0.1mΩ。通過測量電阻的電壓降，就可以測出電流。Power Metal Strip電阻給出了此類旁路電阻的基本情況，如圖2里的WSBS系列。 圖2：WSBS Power Metal Strip電阻 很多針對特定應用的旁路電阻使用或不使用Kelvin觸點、螺絲、焊接、焊錫連接觸點，連接觸點有不同彎曲形狀的涂層/無涂層設計。這些電阻能夠精確地測量最高600A(WSBM 8518)到1000A(SPR4001)的電流，可用于能源工程領域的很多應用。 注意，對于下面的從旁路電阻到A/D轉換器的模擬信號處理鏈路，要盡可能地使用采用金屬或薄膜技術的長期穩定電阻。除了上面提到的SMD MELF電阻，根據使用要求和工作溫度，也可以用很多分立式SMD扁平片式元件，如P-、P-NS-、TNPW-、MC-和MC AT系列。ACAS AT系列（圖3）里的SMD薄膜片式陣列具有溫度系數同步工作和高精度的特點，可解決精密和長期穩定信號處理的問題。 圖3：ACAS AT片式電阻陣列 電流變壓器和電流傳感器利用了電流產生的磁場。簡單的電流互感器是一種特殊形式的變壓器，必須用阻值不能超過47的低阻值電阻（負載電阻）端接到次級側。這些電阻的溫度系數要低(TK：+/50 …+/-15ppm/K)，避免由于溫度波動或自加熱而產生測量誤差。根據電流互感器和次級電流的大小，可以用RH系列(圖4)的引線電阻或SMD電阻(圖1里的MMU 0102或圖5里的MCW 0406 AT系列)。 圖4：RH系列 簡單的電流互感器的缺點是只能測量交流電流，因此有必要使用霍爾傳感器來測量穿過磁場的直流電流。這些器件總是需要附加的電源電壓，保證能對傳感器的模擬信號進行處理。要保證能處理傳感器的模擬信號，這些器件總是需要額外加一個電壓。當需要高精度時，就使用閉環霍爾效應電流互感器，在穿過鐵芯的磁通變為零，并且自行中斷的情況下，互感器的補償繞組被激勵。流過補償鐵芯的電流與初級電流成正比，但時間短很多，因此可以用低阻值的精密電阻測量補償電流，例如MCW 0406 AT（圖5）。 圖5：MCW 0406 AT 讓我們從功率轉換器的輸入端移向直流中間電路。這里有一個測量中間電路電壓的分壓器。正如上面提到的，選擇電阻的目標是滿足功率轉換器的要求。近幾年，由于通過功率轉換器向電網輸送電能的風電機組和光伏系統的數量迅速增長，功率轉換器必須有助于交流電網的穩定性。 現在的功率轉換器可以向電網輸送所需的容性和感性的無功功率。在這個過程中，直流中間電路電壓的高低有著重要影響。在一定的中間電路電壓下，注入到特定區域里的電流的相位可以是容性的或感性的。可以在輸入端直接提高中間電路的電壓，或是根據情況使用內置的升壓轉換器。 降低中間電路電壓的辦法是減小輸入電壓和接一個斬波電阻。增大轉換器的功率，此類斬波電阻的尺寸也要加大。AC-、Z300-或CP-系列里的繞線電阻可以用于小容量的轉換器。SMD的解決方案是使用D2PAK管殼的厚膜電阻（圖6中的D2TO20），或是把使用SMD碳膜MELF電阻(CMB 0207)的串聯/并聯電路組合起來。 圖6：D2TO20 50W以上的斬波電阻連在電路板外邊。要注意，由于存在脈沖式操作，應當使用電感量盡可能低的斬波電阻，避免出現電壓尖峰。這是因為電壓尖峰可能達到半導體和電容器所允許的最高電壓的幾倍。LPS系列有這樣的外接電阻，相應的功率損耗為300W~1100W，而且易于組裝和接線。LPS1100(圖7)的絕緣耐受電壓為12kV，可安裝在溫度+25℃，57mm×60mm 1100W的小尺寸散熱片上，電阻的歐姆值為1Ω～1.3kΩ，安裝高度只有25mm。 圖7：LPS 1100 工程師應當依靠使用扁平電線繞組(GBS-、RB-或EDG-系列)的電阻，來應對高電流脈沖。用梳狀鋼盤(鋼盤/網格電阻)生產的斬波電阻可用于制造輸出功率5kW～1MW的轉換器。VSGR(圖8)和ULDCR系列(圖9)里電阻可吸收來自中間電路的最高20kW的功率或3.46 MJ(消弧電阻)的能量，并將之轉換成熱量。Vishay最近收購了一家法國公司MCB Industrie，這家公司生產的鋼盤電阻在強制通風的情況下功率損耗可高達2MW。 圖8：VSGR系列 圖9：ULDCR電阻 在送進傳輸和配電網的各相電流是正弦電流的情況下，采用B6橋式布局的功率半導體(高壓MOSFET或IGBT)可以開關來自中間電路的直流電。在轉換器的輸出端，通過分壓器測量每相的電壓，通過分流電阻，或電流互感器和傳感器測量電流。 功率半導體要通過串聯電阻進行激活，因此串聯電阻會影響轉換器的質量和性能，這一點經常被忽視。電阻對開關動作有決定性的影響，進而影響轉換器的效率，必須對電阻的精度、長期穩定性和隨溫度的變化給予特別重視。功率開關常常以并聯的方式工作，而同步對并聯方式是非常重要的，由溫度或其他環境因素引起的串聯電阻的漂移會對整個系統里的可靠性和負載分配產生決定性的影響。 上面提到的半導體元件在每個柵極上都有內部電容，在開啟的過程中必須首先充電，才能把開關“切換到”導通狀態，或是必須放電，才能把開關切回到關斷狀態。在以10～20kHz的開關頻率連續工作時，在串聯電阻上耗散的功率會有幾瓦，具體數量取決于半導體開關的尺寸。除了考慮耗散功率，還要根據電流負載的容量來選擇串聯電阻，因此需要準確掌握電阻設計和所用材料的相關知識。如果是用于光伏發電，功率輸出最高8kW的功率轉換器，在每個開關操作周期內，流過串聯電阻的開關電流最高可以達到25A。 工程師應當盡可能使用耐用和可靠的、具有高脈沖裝載能力的電阻，這樣即便設備連續工作幾年以后，依然能夠正確地進行開關操作。SMD MELF電阻是SMD器件的變化形式，尤其適合這類應用，這些電阻的表面積幾乎是其他扁平片式電阻表面積的三倍。SMD MELF電阻的低電感型號(如MMA 0204 HF)可以作為對開關動作和控制信號質量有特殊要求的應用場景的標準產品，如高開關頻率或開關段波形很陡的情況。 GWK系列的線繞電阻有連接帽，在功率半導體批量生產過程中的安裝非常簡單，功率半導體可用于輸出功率超過100kW的轉換器。DWK系列提供無電感版本，有兩個相鄰的線圈，因此GWK電阻的動作象“大兄弟”SMD MELF電阻。GWK系列表面涂釉，可適應風電機柜和集中式轉換器里嚴酷的工作條件。 輸電和配電 根據功率輸出的不同，分布式發電機會把電能輸送進230V/400V的低壓電網里。在更高的功率輸出下，饋電被送進最高電壓30kV的中壓網絡里。更大的風電電場有很多風電機柜，通過變電站把電直接送進110kV～380kV的高壓和超高壓電網，不需要通過低壓和中壓電網。 岸上的風電電場通過高壓架空線連入電網。與此相反，海里的離岸風電電場只能通過高壓電纜連到電網。當電源連接電纜時，電纜的輸出側會輸出交流電，交流電技術有一個明顯的缺點：電纜的電容比架空線的電容高許多倍。在設備運轉期間，電容的變化一直與交流電相反。在交流電工程里，對電容充電和放電所需的電功率被稱為“無功功率”。在輸電線上的無功功率的分量越高，輸送有功功率分量的能力就越低。 由于電能計費是針對有功功率的消耗，要讓交流供電實現盈利，高壓電纜的長度就要限制在幾十公里以內。要避免電纜的這個缺點，有人提出把離岸風電電場的交流電，用集中式高壓轉換器轉成直流電。直流高壓電可以輸入單極電纜里，水、海里或陸地的土壤構成回路導線。岸上建設一個高壓轉換器，把直流電轉成高壓交流電，再把交流電送進現有的交流電網里。這種輸電形式叫做HVDC(高壓直流)輸電。高壓直流發電廠的直流電壓在300kV到500kV之間。 用晶閘管或IGBT開關這樣的高壓需要把每一相上電隔離的很多半導體開關串聯起來，大多數開關都采用光觸發。在高壓直流工程里使用電阻，會碰到控制和管理設備面積受限的問題。高壓直流輸電廠的無源關鍵元件是膜電容器，電容器或是以并聯晶閘管的方式用做緩沖電容器，或是在多電平、中間電路電壓高壓直流部分用作分段式電容分壓器，通過IGBT模塊，相應地在ON和OFF狀態之間開關晶閘管。 能源管理 隨著分散式供電的不斷進步，能源管理將會是每個消費者碰到的首個問題。原始形式的電能不能按需產生，儲存的話也會碰到巨大的困難。例如，有效儲存太陽能的可能方式只有電化學轉換(電池)或轉換成機械能(用水泵轉換成勢能)，或高成本、有轉換損耗的類似過程。為了穩定電網，電力需求要一直匹配供電能力。在這個相互影響的過程中，最重要的是電能表。 直到現在，我們使用的機電式電能表只用來測量一段時間周期的用電量，對能源成本進行計費。很多現代的電表利用電子技術來測量耗電量，也被稱為電子式電表。這些設備可以測量和顯示在任何時間點上的動態瞬時耗電量，最重要的是可以借助集成的智能裝置進行評估和通信。對于測量特定負載和能源顧問團體，便攜式移動電表也非常受歡迎。 框圖2：帶有外置式電流互感器的電子式電能表的電路框圖 電子式電表里的IC只能測量低電壓，如框圖2所示。由于低壓電網里的標準電表必須測量交流電壓和電流，測量電路里的電阻就顯得尤其重要。電阻的任務是使用分壓器來降低電壓，并使用旁路電阻或電流互感器，把電流轉換成電壓信號。電流表是經過校準的測量儀器，顯示所要測量的電流值，誤差在幾年內都必須保持在校準過的測量公差以內。在選擇電阻時，要保證電阻具有相應的溫度系數、公差和低漂移。其他要求是旁路電阻有承受短路的能力，分壓電阻具有承受高壓脈沖的能力。 Power Metal Strip系列(圖10)的WSMS旁路電阻是為滿足電表的這些要求而專門開發的。電阻的歐姆值為0.00002～0.0001，最低溫度系數小于20ppm/K。 圖10：WSMS旁路電阻 針對電壓測量，MMB 0207/SMM0207或MMA 0204/SMM0204系列里的SMD MELF電阻提供了非常高的抵御高能脈沖應力的能力，例如在電網里由閃電沖擊電壓和電網開關操作引發的高能脈沖。毫無疑問，當然也可以用扁平片式電阻測量電壓，但近似組裝尺寸的片式電阻的數量將會大大增加。大量使用扁平片式電阻對元件需要占用的電路板面積，以及物流和組裝成本有負面影響。在工業環境里使用的電子式電表被連到外置的電流互感器上，配有最大5A的標準化電流檢測輸入。 通過配有最大溫度系數±15ppm/K的低阻精密電阻的小型內置電流互感器，這些電流檢測輸入輪流進行中斷。要注意電阻的長期穩定性，還要注意分壓器里的電阻。只要正確選用測量電阻，就可以保證電子式電表具有非常長的校準周期，這樣也可以減少校準的開支。 至于每個電子器件，電子式電流表也必須在寬電壓范圍供給電能。為避免高價值的IC被高能電壓尖峰損傷或破壞，在電源電路里要加一個分級保護電路。把電阻和變阻器組合起來，可以保護設備免受高壓尖峰的影響。電阻放在供電電路的線路里，變阻器接在電源線和保護地之間的電阻的后面。變阻器把電壓尖峰限制到一個閾值以下，其余部分的電壓就落在電阻上，這樣尖峰能量的很大一部分在電阻里以熱量的形式散發掉。SC系列和Z300-C系列(圖11)等線繞電阻被用來進行這種粗略的保護。 要滿足額外的安全要求，如在故障過程中后面的一個原件有缺陷，就必須加一個在過載這段時間內具有可復現的故障動作，以及必須的承受尖峰能力的線繞電阻。AC03-CS系列電阻是針對電子式電表中類似的額外要求而專門開發的產品。在過載情況下，這些電阻動作時的噪聲較小，不會出現任何明顯的外觀機械損傷。這樣就防止出現進一步的電氣間接故障，或更大范圍的致命錯誤，異或引發周圍空氣的電離，而電離會導致危險和不可控的電弧放電。 圖11：Z300-C線繞電阻 加上一個通信接口，就可以把電子式電表變成一個智能電表，使用這種電表，用戶和供電企業可以監視和控制用電量。通過這種擴展，就可以使用電和發電保持平衡，電網的運營企業也可以得到讓電網穩定和安全供電所必需的信息。在電網里，沒有比由于電壓波動或頻率漂移引起的電網全網故障更讓人擔心的事了。 結論 不應低估本文討論的電阻等無源元件在電子工程和電子產品里的重要性。無源元件的特性和產品質量對新式轉換器的效率和質量有著長期影響。要保證無源元件能盡可能好、不出故障地長期工作(365天，每天24小時)，掌握無源元件和其質量的相關知識是至關重要的。只有正確選擇了無源元件，晶閘管、IGBT和IC等半導體器件才能被安全和可靠地開關和觸發。Vishay是全球領先的分立器件和無源元件制造商，可提供最全的電阻產品組合，從功率損耗只有幾個毫瓦的最小的SMD電阻，到2MW功率的功率電阻，皆能提供。 |
