对电力电子器件应用技术发展的思考.docx
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对电力电子器件应用技术发展的思考
对电力电子器件应用技术发展的思考
内容提要：
功率电子技术诞生于晶闸管产生1957年。
发展到如今，就功率电子器件而言，早已从半控型晶闸管进入以IGBT、功率MOSFET为代表全控型器件时代。
至今，功率电子技术扔十分活跃，是电气工程领域最为活跃分支，它给电气工程领域带来了翻天覆地变化，令电气工程面貌焕然一新。
可以说，如果没有功率电子技术，电气工程发展到现在水平是不可能。
本文从介绍什么是功率电子技术、功率电子技术发展与应用开始，着重于对功率电子器件发展与应用分析和说明，并叙述具有代表性功率电子电路，再对功率电子器件应用技术发展前景进行一定说明，最后对其发展做相应总结与思考。
关键词（keyword）：
功率电子技术、功率电子器件、功率变换、变流技术、电能控制、功率二极管、功率晶体管（GTR）、晶闸管（SCR）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、可关断晶闸管（GTO）、功率MOSFET、PWM、软开关、不可控、半控、全控、新型材料、集成电路技术。
一、综述
1.1什么是功率电子技术
顾名思义，所谓功率电子技术就是应用于功率电子领域电子技术。
电子技术包括信息电子技术和功率电子技术两大分支。
信息电子技术主要应用于信息处理，而功率电子技术则主要用于功率交换，其所交换功率，功率大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至mW级。
功率电子技术就是使用功率电子器件对电能进行交换和控制技术。
目前所用功率电子器件均由半导体制成，故也称功率半导体器件。
表1-1、功率变换种类
输入
输出
交流（AC）
直流（DC）
直流（DC）
整流
直流斩波
交流（AC）
交流功率控制
变频、变相
逆变
如表1-1所示，功率变换通常可分为四大类，即交流变直流（AC-DC）、直流变交流（DC-AC）、直流变直流（DC-DC）、交流变交流（AC-AC）。
进行上述功率变换技术称为变流技术。
通常把功率电子技术分为功率电子器件制造和变流技术两个分支。
变流技术也称为功率电子器件应用技术，它包括用功率电子器件构成各种功率变换电路和对这些电路进行控制技术，以及由这些电路构成功率电子装置和功率电子系统技术。
可以认为，功率电子器件制造技术是功率电子技术基础，而变流技术则是功率电子技术核心。
功率电子器件制造技术理论基础是半导体物理，而变流技术理论基础是电路理论。
1.2功率电子技术发展史
功率电子器件发展对功率电子技术发展起着决定性作用，因此，功率电子技术发展史是以功率电子器件发展史为纲。
图1-1给出了功率电子技术发展史。
图1-1、功率电子技术发展史
一般认为，功率电子技术诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志。
晶闸管出现前时期可称为功率电子技术史前期或黎明期。
1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于功率领域先河。
20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机传动，甚至用于直流输电。
这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路理论已经发展成熟并广为应用。
在这一时期，也应用直流发电机组来变流。
1947年美国著名贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术一场革命。
晶闸管由于其优越电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流组，并且其应用范围也迅速扩大。
功率电子技术概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术发展而确立。
晶闸管是通过对门极控制能够使其导通而不能使其关断器件，属于半控型器件。
对晶闸管电路控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。
晶闸管关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。
这就使得晶闸管应用受到了很大局限。
70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、功率双极型晶体管（BJT）和功率场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表全控型器件迅速发展。
全控型器件特点是，通过对门极（基极、栅极）控制既可使其开通又可使其关断。
采用全控型器件电路主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。
相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。
在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表复合型器件异军突起。
它是MOSFET和BJT复合，综合了两者优点。
与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。
把驱动、控制、保护电路和功率电子器件集成在一起，构成功率电子集成电路（PIC），这代表了功率电子技术发展一个重要方向。
功率电子集成技术包括以PIC为代表单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。
随着全控型功率电子器件不断进步，功率电子电路工作频率也不断提高。
与此同时，软开关技术应用在理论上可以使功率电子器件开关损耗降为零，从而提高了功率电子装置功率密度。
1.3功率电子技术应用
功率电子技术应用范围十分广泛。
它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、功率系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛应用。
◆一般工业
工业中大量应用各种交直流电动机，都是用功率电子装置进行调速。
一些对调速性能要求不高大型鼓风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能目。
有些并不特别要求调速电机为了避免起动时电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是功率电子装置。
电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。
电镀装置也需要整流电源。
功率电子技术还大量用于冶金工业中高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。
◆交通运输
电气化铁道中广泛采用功率电子技术。
电气机车中直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。
直流斩波器也广泛用于铁道车辆。
在未来磁悬浮列车中，功率电子技术更是一项关键技术。
除牵引电机传动外，车辆中各种辅助电源也都离不开功率电子技术。
电动汽车电机依靠功率电子装置进行功率变换和驱动控制，其蓄电池充电也离不开功率电子装置。
一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。
飞机、船舶和电梯都离不开功率电子技术。
◆功率系统
据估计，发达国家在用户最终使用电能中，有60%以上电能至少经过一次以上功率电子变流装置处理。
直流输电在长距离、大容量输电时有很大优势，其送电端整流阀和受电端逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型IGBT器件。
近年发展起来柔性交流输电（FACTS）也是依靠功率电子装置才得以实现。
晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）、有源功率滤波器（APF）等功率电子装置大量用于功率系统无功补偿或谐波抑制。
在配电网系统，功率电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改善供电质量。
在变电所中，给操作系统提供可靠交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要功率电子装置。
◆电子装置用电源
各种电子装置一般都需要不同电压等级直流电源供电。
通信设备中程控交换机所用直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件高频开关电源。
大型计算机所需工作电源、微型计算机内部电源现在也都采用高频开关电源。
在大型计算机等场合，常常需要不间断电源（UninterruptiblePowerSupply__UPS）供电，不间断电源实际就是典型功率电子装置。
◆家用电器
功率电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐步取代传统白炽灯和日光灯。
空调、电视机、音响设备、家用计算机，不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了功率电子技术。
◆其它
航天飞行器中各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电源，这些都必需采用功率电子技术。
抽水储能发电站大型电动机需要用功率电子技术来起动和调速。
超导储能是未来一种储能方式，它需要强大直流电源供电，这也离不开功率电子技术。
新能源、可再生能源发电比如风力发电、太阳能发电，需要用功率电子技术来缓冲能量和改善电能质量。
当需要和功率系统联网时，更离不开功率电子技术。
核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量脉冲电源，这种电源就是功率电子装置。
科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是功率电子技术用武之地。
二、功率电子器件
图2-1、功率电子器件在实际应用中系统组成
如图2-1所示，功率电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以功率电子器件为核心主电路构成一个系统。
功率电子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于处理电能主电路中，实现电能变换或控制电子器件。
主电路：
在电气设备或功率系统中，直接承担电能变换或控制任务电路。
广义上功率电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指功率半导体器件。
功率电子器件特征：
所能处理电功率大小，也就是其承受电压和电流能力，是其最重要参数，一般都远大于处理信息电子器件。
为了减小本身损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。
由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路。
自身功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。
功率电子器件分类：
■按照能够被控制电路信号所控制程度
◆半控型器件
主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。
器件关断完全是由其在主电路中承受电压和电流决定。
◆全控型器件
目前最常用是IGBT和PowerMOSFET。
通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。
◆不可控器件
功率二极管（PowerDiode）
不能用控制信号来控制其通断
■按照驱动信号性质
◆电流驱动型
通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断控制。
◆电压驱动型
仅通过在控制端和公共端之间施加一定电压信号就可实现导通或者关断控制。
■按照驱动信号波形（功率二极管除外）
◆脉冲触发型
通过在控制端施加一个电压或电流脉冲信号来实现器件开通或者关断控制。
◆电平控制型
必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。
■按照载流子参与导电情况
◆单极型器件
由一种载流子参与导电。
◆双极型器件
由电子和空穴两种载流子参与导电。
◆复合型器件
由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。
三、功率电子器件应用电路
3.1整流电路
整流电路（Rectifier）是功率电子电路中出现最早一种，它作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。
整流电路分类
按组成器件可分为不可控、半控、全控三种。
按电路结构可分为桥式电路和零式电路。
按交流输入相数分为单相电路和多相电路。
按变压器二次侧电流方向是单向或双向，分为单拍电路和双拍电路。
如图3-1所示，为一常见单相桥式半控整流滤波电路。
图3-1、单相桥式半控整流电路
3.2逆变电路
与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。
当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。
逆变电路应用非常广泛。
在已有各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。
另外，交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等功率电子装置使用非常广泛，其电路核心部分都是逆变电路。
有人甚至说，功率电子技术早期曾处在整流器时代，后来进入逆变器时代。
下图为基本单项桥式逆变电路。
图3-2、逆变电路及其波形举例
3.3DC—DC变流电路
直流-直流变流电路（DC-DCConverter）功能是将直流电变为另一固定电
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