电力电子及其应用的十年展望Word文件下载.docx
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今后十年，我国以三峡电站为代表的一系列西部水力发电站的建成所需的直流输电工程需要大量6500V/3000A级晶闸管；
300kA电解铝设备要求用大量2500V/5000A级晶闸管。
它们的动态特性，如前者的反向复原电荷的一致性，后者的di/dt耐量高将成为必须攻克的技术细颈。
此外，为解决触发绝缘的困难，要求制造这种参数的光控晶闸管用于HVDC的呼声日益高涨。
1.3从GTO到IGCT
常规GTO因其关断增益不可能太大而必须借助于足够大的负门极电流〔约为主电流的三分之一左右〕实现关断。
有人把GTO关断所需专门大的负门极电流认为是靠门极－阴极结的反向雪崩来传导的，这种错误观点误导了许多GTO的应用者，使应用中莫名其妙地烧了许多GTO。
实际上，施加负门极脉冲前，GTO必须先开通，即α1＋α2＝1被满足，在阳极电流足够大之后，才能施加负门极信号来降低门极电位，造成阳极电流的相当部分从阳极直截了当流向门极而减少了通过阴极即npn晶体管部分的发射结的电流，从而使门极－阴极发射结对应的电流放大系数减小，最终在α1＋α2<
1时，GTO关断。
那个地点，GTO的状态检测和识别十分重要，即只有当GTO处于通态之后才承诺施加负门脉冲来关断它。
否那么在断态下的GTO上施加负门脉冲容易使门－阴结击穿损坏。
在GTO关断时，专门大的负门极电流在其体内不是来自门－阴结的反向雪崩击穿，而是来源于阳极电流的部分分流。
在大功率高电压的交流逆变〔变频器〕应用中，GTO继承了晶闸管通态压降比较小的优点。
为了克服其靠负门极电流关断的难点，近几年来显现了一种靠外附MOSFET组来关断的GTO组件，即IGCT〔集成门极换流晶闸管〕已逐步完善。
从那个意义上讲，IGCT是外关断的GTO。
它们关断时，是靠分组串接在阴极和门极的两组多并联MOSFET的和谐工作来实现的。
即关断瞬时先让通过阴极的阳极大电流全部〝分流〞到门极，再利用串在门极的MOSFET的快速关断使之断流而关断。
如此，表面看测不出它的尾部电流了；
实际上，与原先GTO尾部电流对应的余外电荷仍存在于其基区体内，这部分电荷〔载流子〕的复合仍需要时刻，因此IGCT的全关断时刻和工作频率同GTO类似。
从长远看，IGCT用于高压直流输电和动态无功补偿等工频逆变比较合适。
[2>
6000V/800A级IGCT差不多商业化。
1.4从IGBT到IEGT[1>
IGBT在实践中显示了自己的生命力，最近IGBT在大功率、高频率方向上取得了可喜的突破。
〔1〕沟槽〔Trench〕结构降低IGBT的通态压降
常规IGBT在栅极下方不可幸免地存在一个结型场控晶体管，采纳沟槽结构挖掉了那个晶体管，使IGBT的串联电阻明显减小。
这要求解决挖槽、侧壁氧化及垂直制栅等具体工艺问题。
〔2〕非穿通〔NPT〕结构实现多芯片并联，以扩大IGBT电流容量
穿通结构能减薄基区，在晶闸管、GTO等多种电力半导体器件中得到广泛应用。
在常规电压IGBT中，为减薄外延层，也采纳穿通〔PT〕结构，但PT结构中各并联单元之间存在着电流分布不均的严峻问题。
IGBT的制造又要通过十来次光刻，其成品率不承诺像晶闸管、GTO那样在一个大硅片上直截了当做一个器件。
因此，要想得到大电流容量的IGBT，必须采纳多芯片并联。
采纳NPT结构，在额定电流下，各IGBT芯片并联时能实现自动均流的功能。
因此，采纳NPT结构的多芯片〔如几十个〕并联，已成为IGBT向大电流容量进展的要紧技术措施。
〔3〕用单晶片取代外延片制造高电压IGBT
1200V以下的IGBT，基区只有100多微米，只能靠在足够厚度的超低电阻衬底硅片上外延生长出来，才会保持其机械强度，加工时不至碎片。
制造高电压IGBT，基区厚度要求达到几百微米，这就能够不用外延片而直截了当采纳高电阻率的单晶硅片了。
〔4〕提高基区内载流子浓度分布的IEGT
高电压的常规IGBT，由于基区大大加宽，导通压降太大。
采纳注入增强栅晶体管结构〔IEGT〕，增加基区中的载流子浓度来减小其体压降。
这是IGBT走向高压化的又一重要措施。
因此，IEGT是高电压化的IGBT。
目前4500V/3000A的IGBT〔IEGT〕差不多商品化。
不久，6500V级IEGT也将有用化。
〔5〕霹雳型IGBT向150－300kHz前进
正常IGBT的工作频率在10－20kHz，其开关速度比GTO、IGCT快得多。
在交流电动机变频调速中，它是较好的选择。
它在中小容量装置中剔除功率双极晶体管〔GTR〕已成定论。
IEGT在高电压领域中保持快速开关特性。
在20世纪末，采纳专门结构和专门少子寿命操纵〔如质子注入加专门退火工艺规范〕的IGBT，在600－1200V电压水平下，使工作频率达到150kHz〔硬开关〕和300kHz〔软开关〕，被称为霹雳型IGBT。
它们将在开关电源中与功率MOSFET竞争，以其导通压降小，电流密度大，电压等级高，成本低等优点占有优势。
今后十年的开关电源，也许这种IGBT的市场份额将会扩大。
1.5功率MOS场效应管〔MOSFET〕在竞争中快速进展
20世纪90年代初业界就有许多预言，功率MOSFET将随价格的降低而逐步扩大其在量大面广的晶体管总市场中的份额，从而将胜过固有二次击穿问题的双极结型晶体管。
在2000年，二者市场份额差不多差不多持平。
今后十年，功率MOSFET的这种优势将进一步进展，专门是在汽车电子〔每辆轿车约采纳40－120只MOSFET〕、运算机外部设备、各种开关电源和电子镇流器等开关应用的领域，将成为功率MOSFET的宽敞市场。
如前所述，在较高电压〔如300V以上〕、中等频率〔如200kHz以下〕的开关电源中，功率MOSFET将遇到高频化的IGBT的竞争。
然而，所有含有PN结的硅器件〔包括二极管〕，其导通伏安特性上均有至少0.7V的门槛电压降，而功率MOSFET表现为纯电阻特点而呈从原点发出的直线。
因此在100V以下的开关应用中，MOSFET的导通电阻低于结型器件，超低导通电阻的MOSFET占有绝对优势，这对高效率的伏级开关电源是重要奉献。
另外，在200kHz以上的高频应用领域，也是功率MOSFET的庞大市场所在。
最近几百兆赫、几百瓦的射频MOSFET差不多商品化。
以后十年，微波功率MOSFET〔即吉赫波段〕的应用将可能促使微波设备的全固态化。
低电压MOSFET的低导通电阻、极高的开关速度，以及其良好的并联自均流特性〔双极器件难以达到〕，使其成为大功率IGCT不可缺少的组成部分。
1.6碳化硅器件的登场
碳化硅是一种高温半导体材料，工作温度可达600℃。
PN结耐压易于达到5－10kV。
导通电阻比硅器件小得多。
导热性比硅好。
漏电流专门小。
现在碳化硅制成的高压二极管、MOSFET管均已问世。
估量在今后五年内，碳化硅材料中的缺陷，专门是内部存在的〝管道〞〔pipe〕密度将得到明显减少，材料成本将大为下降，器件工艺更加成熟。
到2021年，假设干种功率碳化硅器件将在市场上显现并逐步得到普遍应用。
器件是装置的基础，一代器件将推动一代整机的前进。
在以后十年内，电力电子器件仍将是硅器件当家。
碳化硅器件的进展速度受到碳化硅材料完整性的制约。
2不断提高应用可靠性，抑制电应力是关键[3>
在稳态工作的电气设备中，设计师总是能够把元件选择和系统设计得十分可靠，因为稳态的电能分布是可知的，可控的。
然而在电力电子系统里，它的工作状态是经常变化的，在从一种稳态转入另一种稳态的过渡过程中，系统中的能量分布发生专门大变化；
另一方面，系统中的功率半导体器件总是工作在频率越来越高的开关过程当中，产生专门高的dv/dt和di/dt。
这不仅使整个系统经常处在周期性重复的瞬态，而且随着开关频率的升高，器件开关过程中的损耗将远大于其稳态损耗。
瞬态中能量在系统中的分布失衡，从而产生各种局部过电压和过电流〔通常表现为电压、电流波形上的〝毛刺〞〕，通称〝电应力〞。
这些电应力的存在意味着能量的局部集中，瞬时功耗专门大但作用时刻却专门短，引起局部过热〔超温〕、绝缘层的疲劳击穿、电机轴电流的显现致使轴承的电烧蚀、功率半导体器件的突然损坏等灾难性后果。
瞬态能量分布的失衡还常相伴着电流、电压波形的畸变，产生各种谐波。
这不但污染电网、殃及电网上连接的其他电器，而且在电力电子系统中引起谐波损耗、谐波谐振、谐波转矩等多种问题，直截了当危及本系统运行的可靠性。
因此，分析研究电应力的显现缘故，采取各种抑制电应力的措施，是提高电力电子应用可靠性的关键，是今后十年电力电子产品能得以迅速推广应用的重大问题。
2.1不同时刻常数子系统共存的电力电子系统的能量分布研究
电力电子系统中存在着时刻常数差异专门大的假设干子系统。
子系统的时刻常数表征着该系统的能量分布从一种稳态转为另一种稳态的过渡时刻。
例如，在电动机调速的现代电力电子系统中，存在着：
〔1〕以秒计的机械时刻常数表征的机电转换系统，它要紧决定于转子和运动负载的转动惯量；
〔2〕以毫秒计的电磁时刻常数表征的电磁转换系统，它要紧决定于定子、转子的电感〔自感与互感〕；
〔3〕以微秒计的晶闸管、GTO等器件开关决定的主电路开关系统；
〔4〕以纳秒计的IGBT、功率MOSFET等器件快速开关及某些拓扑中高频软开关环节决定的。
一样地说，要用短于或等于某系统时刻常数动作的措施来爱护系统中的过电压、过电流。
现在据了解皮秒级动作的新型压敏器件差不多上市[4>
。
以上第一个系统的研究在经典的〝电力拖动〞课程中得到了比较充分的展开；
第二个系统的研究也在〝电机瞬态过程〞课程中得到良好的分析。
应该说目前从纳秒到皮秒系统的研究依旧专门不够的，目前除了用〝Sunbber〞〔吸取、缓冲〕的概念外，研究的差不多模型和得力方法尚未建立起来，电力电子系统中有关电应力的规律研究还刚刚开始。
现在，有了运算机仿确实手段，有可能在今后十年内完善从拓扑、建模〔物理模型和数学模型〕、模拟等以能量的角度来综合研究电应力、探讨失效机理、改善可靠性的系统性成果显现。
在一定意义上讲，电力电子科技工作者正是通过不断研究、和谐、处理过渡过程中的〝能量失衡〞，来提高系统可靠性的。
事实上，我们熟知的〝电容上的电压不容突变，电感中的电流不容突变〞均来源于系统中的能量不容突变。
电容C储备的电场能量E＝½
CV2,dE/dt＝½
C·2Vdv/dt＝CVdv/dt。
电感L储备的磁场能量E＝½
LI2，dE/dt＝½
L·2Idi/dt＝LIdi/dt。
所谓电容上的电压突变，确实是dv/dt＝∞；
电感中的电流突变，确实是di/dt＝∞。
它之因此不承诺显现，确实是因为dE/dt＝P〔功率〕，功率P可不能是无穷大。
2.2采纳无感功率母线是应用快速开关器件的现代电力电子装置的必备元件
在应用快速开关器件时，电压、电流常以脉冲形式显现，其前、后沿有极高的dv/dt和di/dt。
常规电缆和实体铜板母线都有专门大的寄生电感和寄生电容，一根10厘米长的直圆导线就有约10纳亨的寄生电感。
电感与di/dt的乘积确实是过电压毛刺的高度。
为了减小接线寄生电感、抑制电应力，在现代电力电子装置中必须采纳专门设计制造的无感功率母线，主回路中的各种元器件都安装在这种功率母线上，不再增加另外的接线。
无感功率母线是用多层〔每层不同电位〕专门宽的薄铜板母线彼此绝缘并粘合成一体的，从每一层母线有特制的、彼此电绝缘的螺栓同各个元器件相联接。
其寄生电感比一般接线减少1－2个数量级。
而且整机的结构大为简化和紧凑。
无感功率母线在电力电子装置中的采纳，国外已有十多年历史了，其成熟产品在国内仍专门鲜见。
今后十年，无感功率母线应该得到普及。
2.3元器件－整机合一的集成化、智能化模块的推广
近十年来，所谓Allinone的电力电子装置正在逐步推广。
它是把一台装置的全部硬件〔各种元器件、集成电路〕有序地以裸片形式组装在一个模块里，使各元器件之间的引线减少到最低程度。
整机设计制造人员只要在DSP或微处理器芯片上写入各种软件就能够了。
如此做，第一是减少电应力，提高可靠性；
其次是整机结构紧凑，体积缩小，功率密度提高，一台75kW的电机变频调速用的模块，尺寸只有800×
400×
300mm这么大；
同时这种封装结构代替了常规装置的三次封装，成本也降低了。
这种产品通常称谓〝用户专用智能化功率模块〞〔ASIPM〕。
如此，采纳运算机辅助设计〔CAD〕能够把应用装置设计者要求的电路元件及其接线，科学地布置、安装在一个模块中，统一密封起来，安装在必要的散热器上。
用户使用十分方便。
2.4选择、采纳合理的爱护措施
在电力电子装置中，针对换向过电压、操作过电压、大气过电压要采取相应的爱护措施；
关于各种不同的器件要采取与之相适应的强触发驱动和爱护方式；
在串并联时，要考虑它们的均压、均流；
关于过电流、超温顺短路等故障也要采取合理的爱护。
这些属于电力电子应用技术的通用部分。
要注意的是，电力电子装置中的各种元器件往往有其专门要求。
专门多场合下要注意选用无感电阻、无感电容；
隔离、箝位用的二极管必须具备快速复原特性；
〝交－直－交〞直流环节的储能电解电容不仅应无感，还要减小其串联等效电阻，要用足够粗的多引线并联引至端子。
最近有报道[4>
说动作反应速度达到10-12秒〔皮秒〕的爱护元件差不多问世，它能抑制现代电力电子系统中的各种过电压毛刺，后者的连续时刻是10-9秒〔纳秒〕量级。
这种皮秒级动作的过压爱护元件有可能把动作电压值置于比正常峰值电压略高点，因此，专门多纳秒级的过电压毛刺都能够被削平。
如此一来，现存的过电压应力都能得到充分抑制；
由大量过电压毛刺对应的瞬态功耗总值也被节约下来〔在大型电力电子装置中，有因此节电10－15％的报道〕；
过电压毛刺的削平，还可降低各种元器件的耐压储备，从而减少元器件花费，降低装置成本。
在以后十年内，这种爱护元件专门有应用前景。
3全面操纵电气参数的变换，向波形重组前进[3>
各种不同的电力电子变换器，事实上质是变换系统输入电气参数为用户需要的输出电气参数。
最差不多的电气参数有：
电压、电流、频率、相数，以至于波形等六项。
纵观电气科学的进展史，19世纪末基于电磁感应原理而问世的变压器，实现了交流电压和交流电流的自如变换。
由此逐步形成了庞大的输变电行业，实现高压交流输电和低压配电到用户，使电能的方便使用成为现实，并迅速推广普及，为近代工业和生活质量的进展提供了重要的能源基础。
20世纪下半叶电力电子技术的进步，逐步产生了整流器、斩波器、逆变器、变频器等各种功率变换器，完成了频率、相位、相数的受控变换，使电能的产生、输送、分配和应用实现了优化，使以电能为核心的各种能量的转换，使电参数的全方位操纵和改变，上升到高效率和高功率因数的新时期。
电气参数的全面受控变换，使得〝高效率用电和高品质用电相结合〞的目标正在一步步成为现实。
相伴着高性能微处理器和高速功率开关器件的进步，能够预见到：
在21世纪中，电力电子和微电子全面结合，进一步进展和改善，将会实现电压、电流波形的优化重组。
3.1脉宽调制〔PWM〕是波形重组的成功范例
20世纪后二十年，脉宽调制〔PWM〕技术从无线电领域引入到电力电子中来，得到专门大成功。
第一在DC/DC变换中的直流脉宽调制，解决了高效率直流变压、变流的难题。
这种技术被从几瓦到几百瓦的开关电源推广到几十、数百千瓦的直流电机斩波调速中，通过调制脉冲宽度和脉冲重复频率相结合，完成了专门宽范畴的直流无级调速，在直流电机传动中显示了比调剂电枢电阻和磁场电流的传统调速方法高效得多的节能效益。
这是从连续直流波形重组为断续脉冲波形再滤波重组为新的连续直流波形。
它在逆变式直流焊机中也得到有效地应用。
后来，在交流电机的交－直－交变频调速中，专门在其中〝直－交〞逆变变换中，广泛采纳了各种交流脉宽调制〔交流PWM〕技术。
它按特定规律变换出一系列不同宽度〔其脉宽同所在时相的正弦成比例〕的方波脉冲，再经滤波重组成正弦化的输出波形，送到交流电动机负载。
这种波形重组也是十分成功的。
在开关电源中，工频交流电源整流后向滤波电容每周波只充电一次，形成了电网侧的输入电流严峻畸变，功率因数大为下降，谐波大为增多。
现在普遍采纳了高频化PWM技术来实行有源滤波，保证每周波对滤波电容有上万次充电，使输入电流重组成近于标准的正弦波，功率因数改善到几乎为1的程度。
近来，中电压大功率交流电机的变频调速装置中，多电平级联式模块又是PWM波形重组的一个实例。
每个模块都把变压器副边的一组三相绕组的三相电整流为直流后再逆变为单相交流电。
这些模块的输出通过专门的操纵软件的指令，再把它们级联重组为三相正弦波送到电动机上。
其中又一次成功地采纳了特定的脉宽调制技术。
3.2交－交矩阵式变频器是波形重组的典型进展
20世纪变频器〔不管是交流电机变频调速依旧开关电源的变换〕主回路的拓扑差不多上以交－直－交变换为主，以直流环节采纳大电容或大电感而被区分为电压型〔从负载侧看是低内阻的电压源供电〕或电流型〔从负载侧看是高内阻的电流源供电〕变频器。
在20世纪末显现的交－交矩阵式直截了当变频器省去了中间直流环节，在三相输入和三相输出相交的矩阵九个节点上各用一对反并联的开关器件联接起来。
靠着这些器件的专门有序开关，把每一瞬时的三相输入电压依一定的规律送到副边，组成频率、相位不同于输入的新三相系统供给负载，实现输入电流的PWM波形重组和输出电压的PWM波形重组。
如此，有更高的转换效率、排除了电源输入电流的畸变而大大减少了谐波、功率因数可达到1、可满足四象限运行，还能够全容量回馈。
这种波形重组将推动电力电子理论、元器件〔如有可用的双向IGBT，那么使装置大为简化〕、拓扑、操纵等多方面的进展和进步，有可能成为21世纪各种电力电子变换装置采纳的要紧拓扑。
3.3波形重组下的有源无功功率补偿－谐波滤波装置
传统电路中，在正弦波形下由于电抗性负载〔电感、电容〕同电源交换能量而形成的相移无功功率〔可称为第I类无功〕，能够通过合理地并联电容器的方法得到补偿。
在现代电力电子电路中，除了正弦基波与电压之间的相移使存在这种同样的第I类无功之外，还由于各谐波电流同正弦电压之间形成的畸变无功功率〔可称为第II类无功〕。
第II类无功只靠电容器是得不到全然补偿的，必须同谐波滤波相结合。
比较好的方法是采纳有源－无源结合的〝无功功率补偿－谐波滤波〞结合的装置，以削弱对电网的污染和提高电力品质。
现在已有多种如此的补偿－滤波方案。
曾有如此的方案：
把畸变的三相电流分解成各次〔n个〕谐波，每组同次三相谐波又各自分解成正序、负序、零序三个重量。
对这3n个重量分别进行补偿，再把它们组合起来。
这种分析方案过于复杂庞大，难以实施操作。
看来在今后十年中会研究开发出来波形组合方案，有可能是最有效的。
在这种方案里，畸变电流只需分解出一个同正弦电压同相位的基波电流，二者相减即得到一个电流中所有谐波重量和基波无功重量混合的实际波形。
以那个波形为目标，重组发生一个与之波形相同、大小相等、相位相反的倒影电流。
在同该畸变电流汇流后，所有谐波和无功电流都相互抵消了，只有功率因数为1的基波正弦电流流入电网。
这种任意波形电流发生器已在研究之中，并取得了喜人的进展。
能够预见，利用波形重组实现的这种〝无功补偿－谐波滤波〞一体化装置将在以后十年取得长足的进步。
4电力电子新应用领域展望
同以往相比，今后十年内有期望成为电力电子应用新领域的市场热点在哪里？
从现在正在开发和需求的情形看，以下几个方面的动向值得注意。
4.1电机系统节能[5>
电动机拖动系统消耗掉全国用电量的62％左右，既是第一位用电大户，也是节能潜力最大的用户。
我国政府在本世纪初提出电机系统节能打算，在今后五年内，打算投入500亿元，争取年节电达到1000亿kWh。
这是一项十分艰巨的任务。
专门是作为国民经济各行业主力装备所用到的中电压〔1－10kV〕大功率〔400－2000kW〕电动机系统，实现调速节能还有许多问题有待解决。
其中大伙儿看好采纳IGBT、多电平、级联式、无电网污染的变频器。
那个地点，科学地划定用电电压等级、进一步克服电应力造成的电机绝缘层疲劳击穿与轴承电蚀的失效损坏、提高电动机的能效水平、降低变频器的成本与售价，差不多上推广中有相当难度的措施。
在风机、泵、压缩机之类通用电机系统中，节能调速潜力专门大，在石油、电力、冶金、有色、化工、上下水处理等行业中有专门大需求。
它对调速精度要求不高，但要求调速器可靠耐用、价格廉价。
因此，在新十年中应注重对经济型调速装置的开发，使这种系统的节能效益早日得到实现。
在变频工况应用日益增多的今天，设计、制造同变频工况的特点相适应的专用电动机是专门必要的。
面对中国立即成世界电动机的制造、供应基地的现实，尽快制订与世界接轨的电动机和变频器标准，按全寿命期中总能耗最低、总费用最少的思路来设计有自己知识产权的系列电机和专用变频器，是需要认真做好的基础工作。
4.2永磁无刷电动机及其〝直流变频〞调速
永磁无刷电动机采纳永磁代替电流激磁，可使电机效率提高4－8个百分点。
当它用位置传感器或靠软件运算代替位置传感器信号按电子换向器操纵工作、电枢电流为方波运行的，即为永磁无刷直流电机模式，又称〝自控式同步电机〞。
当它靠外加变频器操纵、电枢电流为正弦波运行的，那么为永磁同步电动机模式，又称为〝他控式同步电机〞。
这种电机兼有交－直流电动机二者的优点，调速范畴宽，电机结构简单，低速转矩比较大，对电动机械来讲有可能做到在专门宽速度范畴内直截了当驱
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