中国电力电子器件的发展Word文件下载.docx
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功率变换技术的发展大致可分为三个阶段：
第一阶段，是应用二极管和晶闸管和不控或半控强迫换流技术;
第二阶段，主要是应用自关断器件，例如GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT等和普遍采用PWM控制技术;
第三阶段，是以采用软开关、功率因数校正、消除谐波和考虑电磁兼容为特征。
各种功率变换技术的研究和开发，以及它们在各种工业、民用和军事领域的实际应用，均离不开先进的控制策略。
所以，控制策略在电力电子技术中的应用，一直是电力电子技术研究领域中的一个十分活跃的方向。
本文将就上述这几个电力电子技术的主要共性领域的一些最新的发展情况加以综述，并结合我国电力电子技术发展现状，对我国电力电子技术及其应用在我国国民经济发展中的广阔前景和发展战略进行分析和讨论。
2新型功率半导体器件
众所周知，一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：
在阻断状态能承受高电压;
在导通状态具有高的电流密度和低的导通压降;
在开关状态，转换时具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和dv/dt，并具有全控功能。
自从50年代硅晶闸管问世以后的20多年来，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈的努力，并已取得了世人瞩目的成就。
60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到lkHz以上。
70年代中期，高功率晶体管和功率MOSFET问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。
80年代，绝缘栅门控双极型晶体管（IGBT）问世，它综合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。
IGBT的迅速发展，又激励了入们对综合功率MOSFET和晶闸管两者功能的新型功率器件——MOSFET门控晶闸管的研究。
SCR问世似来，其功率容量已提高了近3000倍。
现在许多国家已能稳定生产φ100mm，8000V/4000A的晶闸管。
日本现在已能稳定生产8000V/4000A和6000V/6000A的光触发晶闸管（LTT）。
美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。
近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC、静止无功补偿（SVC）、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍然占有十分重要的地位。
预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。
1982年，日本日立公司首先研制成功2500v、1000A的GTO。
许多生产商可提供额定开关功率36MVA（6000V，6000A）用的高压大电流GTO。
为了折衷它的导通、开通和关断特性，传统GTO的典型关断增量仅为3～5。
GTO关断期闻的不均匀性引起的“挤流效应”使GTO关断期间dv/dt必须限制在500～1000V/μs。
为此，人们不得不使用体积大、笨重、昂贵的吸收电路。
它的其他缺点是门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。
但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管这些突出的优点，仍使人们对GTO感兴趣。
到目前为止，传统的GTO是在高压（VBR＞3300V）、大功率（0.5～20MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用最为普遍的门控功率半导体器件。
目前，GTO的最高研究水平为6in、6000V/6000A以及9000V/10000A。
这种GTO采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术折衷了GTO导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。
由于GTO具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步取代SCR。
为了满足电力系统对lGVA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有可能开发出10000A、12000V的GTO，并有可能解决30多个高压GTO串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统中的应用再上一个台阶。
当前已有两种上述常规GTO的替代品问世：
一是高功率的IGBT模块（包括IEGT-InjectionEnhancedGateTransistor:
）;
另一是门极换流晶闸管IGCT、，这是一种改进型GTO和集成门极驱动器组成的新型GTO组件。
4.5kV（用于1.9kV/2.7kV直流链）及5.5kV（用于3.3kV直流链）、275A<
Itgqm＜3120A的IGCT已研制成功。
IGCT是由一个改进型的GTO-GCT（阳极短路型、带环状门极的逆导GTO）和一个引线电感极低的门极驱动器组成的。
IGCT可以较低的成本，紧凑、可靠、高效率地用于0.3～10MVA变流器，而不需要串联或并联。
如用串联，逆变器功率可扩展到100MVA而用于电力设备。
虽然高功率IGBT模块具有一些优良的特性，如能实现di/dt和dv/dt的有源控制、有源箝位，易于实现短路电流保护和有源保护等，但是，高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，使高功率IGBT模块在高功率低频变流器中的实际应用受到限制。
因此我们可以认为，在大功率MCT问世以前，IGCT将成为高功率高电压低频变流器，特别是在电力工业应用领域中的优选大功率器件。
MOS控制晶闸管（MCT）充分利用晶闸管良好的通态特性及MOS管的开通和关断特性，可望具有优良的自关断动态特性和非常低的通态电压降，并易于得到高的耐压，成为将来在电力装置和电力系统中最有发展前途的大功率器件。
目前世界上虽有十几家公司在积极开展对MCT的研究，但是仍然处于研制阶段，其中只有美国HARRIS公司可生产100A、1000V的MCT，离实际应用尚有相当大的距离。
大功率MCT的真正问世可能还需要相当长的时间。
至今，硅材料功率器件已发展得相当成熟。
为了进一步实现人们对理想功率器件特性的追求，越来越多的功率器件研究工作转向了对用新型半导材料制作新型半导体功率器件的探求。
研究表明，砷化家FET和肖特基整流器可以获得十分优越的技术性能。
Collinsetal用GaAsVFETs制成了10MH：
PWM变流器，其功率密度高达500W/in3。
在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅（SiC）功率器件。
它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级。
碳化硅与其它半导体材料相比，具有下列优异的物理特点：
高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数，以及高的热导率。
上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合下是极为理想的半导体材料。
在同样的耐压和电流水平下，SiC器件的漂移区电阻仅为硅器件的1/200，即使高耐压的SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。
而且，SiC器件的开关时间可达10ns量级，并具有十分优越的FBSOA。
SiC可以用来制造射频和微波功率器件、各种高频整流器、MESFETs、MOSFETs和JFETs等。
SiC高频功率器件已在Motorola开发成功，并应用于微波和射频装置。
GE公司正在开发SiC功率器件和高温器件（包括用于喷气式引擎的传感器）。
西屋公司已经制造出了在26GHz频率下工作的甚高频的MESFET。
ABB公司正在研制高功率、高电压的SiC整流器和其它SiC低频功率器件，用于工业和电力系统。
理论分析表明，SiC功率器件非常接近于理想的功率器件。
可以预见，各种SiC器件的研究与开发，必将成为功率器件研究领域的主要潮流之一。
可是，SiC材料和功率器件的机理、理论、制造工艺均有大量问题需要解决，它们要真正给电力电子技术领域带来又一次革命，估计还需要至少10年左右的时间。
3高压大功率和低压大电流变换技术
电力电子技术的主要任务为实现电能的转换，它的主要研究目标是节能，努力挖掘一切潜在的提高效率的途径，来节省有限的能源，保护人类生存的环境。
功率变换技术正是实现这一目标的重要手段，所以它始终是电力电子学的核心技术。
经过三十多年，特别是近十多年的发展，功率变换技术已比较成熟，近年来的发展动向主要集中在软开关、高压、大功率和低压、大电流变换技术方面。
这里主要介绍高压、大功率和低压、大电流变换技术的最新发展。
近年来，多电平功率变流器在大功率应用中得到普遍重视，它们适用于高电压、大功率、低EMI及低谐波污染，在电力系统及大功率电气传动中具有十分广阔的应用前景。
多电平功率变流器主要有二极管箝位多电平逆变器、浮动电容器多电平逆变器、组合型多电平逆变器等几种。
表1列出了不同电平数的二极管箝位多电平逆变器系统的主要性能对比。
近年来，变换器技术的另一发展动向是低压、大电流变换技术。
现代微处理器和一些超高速的超大规模集成电路芯片，如IntelPentiumPro等，要求运行在低电压（2.4～3.3V）、大电流（＞13A）状态，而直流母线电压通常为5～12V。
这样，就对其供电电源（电压调整模块VRM）提出了新的挑战：
要求VRM具有非常快速的负载电流动态响应，在保证足够小的体积的同时，具有高的效率。
表2给出了现代微处理器对VRM的要求。
为了使VRM具有快速的负载电流动态响应，传统的解决办法是在VRM的输出端并联很多容量很大、等效串联电阻很小的退耦电容器。
显然，该方法存在如下问题：
（1）退耦电容器的体积很大，而现代微处理器对VRM的体积有严格的要求。
（2）退耦电容器仅能改善动态响应的最初阶段，对后阶段及总的动态响应时间没有作用。
为此，一种交错叠加型准方波抵消纹波的变换拓扑结构被首次提出。
表3比较了该方案与传统采用大容量退耦电容器方案的结果。
结果表明，该结构在保证要求输出纹波的前提下，不但可以大大减小输出滤波电容器的容量，而且能大大减小VRM的输出滤波电感的电感量。
除此以外，为了提高VRM的动态响应，还必须力求减小供电母线的引线电感。
最有效的办法是将VRM做成“装在印刷板上”的形式，直接装在负载附近，而不采取集中电源供电的形式。
另一方面，还要求VRM本身具有十分小的引线电感。
为了保证VRM具有足够高的效率，必须采用同步整流器和漏感很小的超薄型的变压器。
4谐波抑制和电磁兼容
随着各种电子电路和电力电子技术在家庭、工业、交通、国防日益广泛的应用，电磁干扰（electromagneticinterference-EMI）、电磁敏感度（electromagneticsusceptibility-EMS）和谐波干扰已成为现代电气工程设计和研究人员在设计过程中必须考虑的问题。
一方面这是因为当前电子技术正朝着高频、高速、高灵敏度、高可靠性、多功能、小型化方向发展，导致了现代电子设备产生和接受电磁干扰的几率大大增加;
另一方面，随着电力电子装置本身功率容量和功率密度的不断增大，电网及其周围的电磁环境遭受的污染（包括谐波干扰）也日益严重，所以EMI和谐波干扰已成为许多电子设备与系统能否在应用现场正常可靠运行的主要障碍之一。
为此，世界各国对电气设备的电磁兼容性（electromagneticcompatibility-EMC）和允许注入电网的谐波均制定了相应的标准。
特别在西欧，从1996年1月起，已强制严格执行其相应标准;
规定凡不符合欧洲EMC标准和谐波标准的电气产品，一律不准进入欧洲市场。
因此，今天对EMC和谐波抑制的研究已经或正在迅速地扩展到与电子技术应用相关的工业民用的各个领域。
治理谐波的方法有主动型和被动型两大类。
所谓主动型即设法使接入电网的电子装置不产生谐波;
而所谓被动型即设法采用补偿的方法使网侧电流为正弦波。
主动型治理谐波的方法很多，例如，在大功率电力电子装置中有多脉整流、多电平变换器等，在中小功率电力电子装置中，最典型的例子是有源功率因数校正（PFC）。
前者已在前面讨论过，这里主要介绍有源功率因数校正技术发展动态。
1.单和功率因数校正电路
单相PFC的研究起步较早，目前它主要应用于小功率的开关电源等电力电子设备。
恒频、连续工作状态（CFCM）的Boost电路拓扑已被公认为最合适的单相功率因数校正电路，由于Boost电感电流主要为输入电流，所以可以利用电流控制方法改善输入电流波形，减小差模电磁干扰，据此一些集成控制电路已上市。
因为对单相功率因数校正电路研究的时间较长，电路本身也不是十分复杂，所以单相PFC无论在功率拓扑或控制技术方面都巳相对比较成熟，理论亦相对比较完善，功率因数校正效果也比较令人满意。
所以，目前在这方面的研究工作已转移到单相PFC的优化上。
比如：
将软开关技术和单相PFC相结合，提高PFC的效率，降低EMI;
控制技术的优化和单级高功率因数变换拓扑。
例如Elmore将一种用闭环小信号控制技术将CM/DMPFCBoost变换器并联的技术成功地用到CMPFCBoost变换器，实验样机的输出功率为1800W，开关频率184kHz，满载功率因数达99％，效率达94％，功率密度达16W/in3。
2.三相功率因数校正电路
和单相PFC恰恰相反，有关三相PFC的研究起步较晚，这是因为它的电路比较复杂，电路参量间的相互牵制关系较多。
到目前为止，有关三相PFC的研究依然处于一种初级阶段，其中还存在许多基本问题有待解决。
有关研究成果无论在理论的系统性或实际应用方面都存在一定的欠缺和局限性。
当前有关三相PFC的研究主要包含以下4个方面：
（1）三相PFC的功率拓扑;
（2）三相PFC的控制技术;
（3）软开关三相PFC技术;
（4）具有PFC功能的单级变换技术。
三相功率因数校正电路的主要困难在于：
为了使某一相的输人电流仅由该相电压决定并与其同相，就必须对这三个通过不控整流桥相互耦合的相电压进行解耦，使三相电压对整流桥乃至其后级变换电路相互独立，互不影响。
只有这样才能使各相输入电流的谐波含量极小，输入功率因数才可能接近或等于1。
三相PFC的功率拓扑若按某一相的输入电流与其他两相输入电压的耦合程度来分类的话，可分为完全解耦、部分解耦和零解耦三种情况。
用全控型功率器件的PWM三相PFC整流器属于完全解耦型，众所周知，在三相功率因数校正变换器中，通常采用PWM桥式结构，若采用电压型变换器，则要求6个全控型器件，若采用电流型还要再另外加6个快恢复二极管。
因而，常规的PWM桥式电路与常规的用二极管的不控整流相比，不但固有成本高而且效率低，电路比较复杂;
为了解决这一问题，近年来，许多适合于三相PFC变流器的，较简单的拓扑分别被提出。
提出的简化的整流器均是基于将1个三相二极管整流桥与1个或2个Boost变换器组合而成。
这种电路属于零解耦型，电路比较简单，但是具有其固有的弱点：
三相不平衡度及负载变化均会影响功率因数校正效果。
Ohtsu等制成了三相200V（AC）输入，输出48V、100A带零电压开关，三相PFC电路的一次遍信电源，其开关频率为40kHz,PFC级的效率为97.6％，电源总效率为96.1％，电源体积22.5x103cm3，功率密度为0.28W/cm3。
最近，Xu首次提出了一种部分解耦的三相PFC拓扑，即它的三相输入电压在工频周波内的某一些区间段内被解耦，而在其它区间段内的三相输入电压通过整流桥依然相互耦合，部分解耦三相PFC是完全解耦PFC和零解耦PFC的折衷，与之对偶，其控制策略亦可以是完全解耦PFC和零解耦PFC控制策略的综合。
比如在耦合的区间内引用零解耦拓扑的控制方法;
在解耦区间内引用完全解耦拓扑的控制方法。
在本论文中就提出了一个将临界DCM电流模式控制应用到部分解耦的三相PFC拓扑的方案，并得到了令人十分满意的效果。
被动型治理谐波的方法主要是滤波（无源滤波器）和补偿（有源滤波器）或两者的混合（混合有源滤波器），这方面的理论和技术都比较成熟，主要是工程化的问题。
3.电磁兼容
电力电子系统中的电磁兼容问题具有它本身的特殊性。
通常，它涉及到装置（系统）主电路中的大功率开关过程高的di/dt和dv/dt引起的强大的传导型电磁干扰，有些高频大功率装置还会引起强的电磁场（通常是近场）的辐射。
它们不但会严重污染周围的电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，而且可能会危及附近操作人员的安全。
同时，这些装置（系统）内部的控制电路也必须能承受其主电路及工业应用现场电磁噪声的干扰。
由于上述这些特殊性和对大功率电力电子装置进行EMC测量上的具体困难，因此，专门针对电力电子系统电磁兼容的研究工作，目前还处于初级阶段。
马达调速系统和开关电源变换器对其它设备产生电磁干扰的问题，随着开关频率的提高和功率密度的增加，以及频率与功率容量乘积的提高，而变得严重起来，并已日益引起工程界的重视。
软开关技术有助于减小由dv/dt及di/dt引起的EMI问题。
但是，在运用PWM技术的电力电子系统中，日益广泛地使用较高的频率开关，重复PWM载波信号产生的高次谐波，将导致高电平的传导和辐射干扰。
因此，在设计阶段，就应当根据成本、体积和复杂程度，认真对待EMI的问题。
力求通过正确选择拓扑结构，采用软开关、吸收电路和合理布置等方法，将电磁干扰源的强度减少到最低限度。
此外，必须用EMI滤波器将高次谐波信号从系统中滤除，防止它们作为传导干扰进入电网;
或者利用屏蔽防止它们作为辐射干扰辐射到自由空间。
最近，人们发现PWM电压源逆变器会引起很高的转子轴电压，这样高的转子轴电压会引起电火花加工作用（EDM），而导致转子轴承圈呈现如图1所示的槽状损坏
当马达在变频传动装置供电情况下运行时，轴承损坏的机理可能是dv/dt或静电感应引起的电流，滑润油膜击穿导致的电火花加工电流，以及由滑润剂内部化学变化产生的电流等。
最近，许多人研究了这些现象，并提出用补偿的办法来减小轴承电流，对逆变器、马达和轴承系统提出了一个共模的或另序的电模型。
Busse等人研究结果表明，轴承电流密度必须控制在0.8A/mm2以下，以免发生EDM。
应用静电屏蔽感应马达（ElectrostaticShieldInductionMotor——ESIM），即在定子、转子之间加一层法拉第屏蔽层可有效地减小它们之间的分布电容，从而可将转子电压减小到无屏蔽情况的10～25％。
目前，2～15kHz开关频率已被广泛用于200kW以上的IGBTPWM逆变器中。
可是，高达650V/0.lμs的dv/dt对马达绝缘有着很不好的影响;
这样陡峭上升和下降的脉冲会导致马达内部电压的不均匀分布，特别在开关器件转换期间极易造成绝缘损坏，最后导致马达烧毁。
如果在逆变器和马达之间再用一根长达50m以上的电缆，在马达端则会出现一个阻尼的高频振荡，这更加重了马达绝缘的应力。
同时，主要由绕组电感决定的马达阻抗;
对该电缆而言，等效于在其终端开路，这将产生反射波，并可导致马达端电压升高一倍。
为此，必须在马达端并联一个旁路滤波器，可是，在某些特定场合，如潜水泵，该滤波器只能接在逆变器的输出端，VonJonanne等人提出了对这种滤波器的设计。
从电磁干扰角度来看，上述陡峭的脉冲列通过长的电缆传输，还会成为传导和辐射的电磁干扰源，该滤波器还可以起到抑制作用。
如果所用的电缆线改用低通的有铁磁材料涂层的电缆线，如吸收型LP电缆，可以非常明显地起到减小EMI的效果。
5我国电力电子技术的广阔发展前景和发展战略
如前所述，电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对新建高技术产业（航天、激光、通信、机器人等）和高效利用能源均至关重要。
我国目前仍旧是一个发展中的国家，尚处于前工业化阶段，传统产业仍然是我国国民经济的主力军，因此在近期或在较长一段时期内，传统产业的改造和发展将在很大程度上决定着我国经济的发展。
而电力、机械、冶金、石油、化工、交通运输是传统产业的重要支柱，这些产业技术水平的高低直接关系到我国工业基础的强弱。
毫无疑问，电力电子技术是提高这些产业技术水平的重要手段，它是对我国传统产业实现技术改造、建立自动化工业体系的关键应用技术。
下面就电力电子技术在国民经济各部门的应用进行简要讨论。
概括起来说，电力电子技术主要应用于电机调速传动、工业供电电源、电力输配电和照明四大方面。
电机调速传动分工艺调速传动和节能调速传动两大类。
工艺调速传动指工艺要求必须调速的传动，例如轧机、机床、造纸、矿井卷扬、铁道、工矿牵引等传统地用直流电动机驱动的机械传动场合，以及化工、炼油工艺流程中传统地用机械阀门控制物料流量的场合。
节能调速则是指一般采用风机、泵、压缩机的场合，采用调速装置来调节风量和流量，可以取得明显的节能效果。
众所周知，风机，水泵，压缩机等泵类机械在国民经济各部门中占有重要地位，广泛用于冶金、化工、纺织、石油、煤炭、电力、轻工、建材和农业各生产部门，应用面广量大。
据80年代末国家统计，风泵耗电量占全国工业用电量的31％，而运行效率比国外低10～30％。
据一些重点企业和经济地区统计，风机水泵是全国耗电最大的工业装备，它们采用调速装置以后，总节电潜力可达300～400亿kW-h。
我国目前生产的电机调速传动装置主要集中于利用大功率整流管和硅晶闸管的直流传动装置。
大功率电机传动系统和利用全控器件的高技术传动装置目前主要从国外进口。
80年代后期，我国宝钢、鞍钢、包钢等大型钢厂陆续引进了10台用于大型主传动的交流调速系统，总容量5万kW，单机容量从3250kW到9000kW。
近年来我国自行开发的大功率交流变频系统也取得了可喜的进步：
1992年由哈尔滨电机厂开发的1250kW交-交变频异步电机传动系统通过鉴定。
1993年8月2500kVA交-交变频同步电机传动系统成功地运用于包钢轨梁厂的Φ850轧机，成为我国目前自行设计、投入运行的最大容量的系统。
2x1400kVA、3kV高炉用除尘风机调速系统和10000kVA、10kV高炉鼓风机软启动装置正在现场调试。
用于电力机车的800～1000kW交流传动地面试验机组1992年通过鉴定，1996年研制出AC4000型交流传动电力机车原型车，中压直接传动调速系统最近通过鉴定。
工业供电电源种类繁多，中小功率电源包括交
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