變流技術(shù)與半導(dǎo)體電力變流器

電力電子學(xué)（或電力電子技術(shù)）的理論是建立在電子學(xué)、電力學(xué)和控制學(xué)三個(gè)學(xué)科基礎(chǔ)之上的。起初它被認(rèn)為是介于電子學(xué)、電力學(xué)與控制學(xué)之間的邊緣學(xué)科，但是隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，它已成為一個(gè)涉及領(lǐng)域廣闊的學(xué)科，可以說(shuō)凡是涉及到電能應(yīng)用的場(chǎng)合，便有其用武之地。時(shí)值今日它不僅已發(fā)展成為高科技的一個(gè)分支，而且還是許多高科技的支撐。

電力電子技術(shù)之所以和“電力”二字相連則是因?yàn)樽畛跛膽?yīng)用范圍主要是在電氣工程中和電力系統(tǒng)中，對(duì)市電或強(qiáng)電進(jìn)行控制與變換。其作用就是根據(jù)負(fù)荷和負(fù)載的特殊要求，對(duì)市電、強(qiáng)電進(jìn)行各種形式的變換（主要是頻率的變換），以使電氣設(shè)備得到最佳的電能供給，使電力系統(tǒng)處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)，從而使電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效、安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。電力電子技術(shù)發(fā)展到今天，它不僅僅只涉及到“電力”的變換與應(yīng)用，而且也涉及到化學(xué)能電源（電池）、太陽(yáng)能電池電能的變換與應(yīng)用。雖然已突破了當(dāng)初單純“電力”的界限，但是仍然是在功率變換的范圍。

僅就電力電子技術(shù)本身而言，它主要包括二個(gè)方面，即電力半導(dǎo)體器件制造技術(shù)和電力半導(dǎo)體變流技術(shù)。前者是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，后者是電力電子技術(shù)的核心。二者相輔相成，相互依存，相互促進(jìn)的關(guān)系，使得電力電子技術(shù)發(fā)展的勢(shì)頭一浪高過(guò)一浪，使其在科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

1電力半導(dǎo)體器件

半導(dǎo)體變流技術(shù)的發(fā)展，立足于電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展。而電力半導(dǎo)體器件是以美國(guó)1956年生產(chǎn)硅整流管（SR）、1958年生產(chǎn)晶閘管（SCR）為起始點(diǎn)逐漸發(fā)展起來(lái)的。

經(jīng)過(guò)了40多年的發(fā)展，在器件制造技術(shù)上不斷提高，已經(jīng)歷了以晶閘管為代表的分立器件，以可關(guān)斷晶閘管（GTO）、巨型晶體管（GTR）、功率MOSFET、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）為代表的功率集成器件（PID），以智能化功率集成電路（SPIC）、高壓功率集成電路（HVIC）為代表的功率集成電路（PIC）等三個(gè)發(fā)展時(shí)期。從晶閘管靠換相電流過(guò)零關(guān)斷的半控器件發(fā)展到PID、PIC通過(guò)門極或柵極控制脈沖可實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通與關(guān)斷的全控器件，從而實(shí)現(xiàn)了真正意義上的可控硅。在器件的控制模式上，從電流型控制模式發(fā)展到電壓型控制模式，不僅大大降低了門極（柵極）的控制功率，而且大大提高了器件導(dǎo)通與關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度，從而使器件的工作頻率由工頻→中頻→高頻不斷提高。

在器件結(jié)構(gòu)上，從分立器件，發(fā)展到由分立器件組合成功率變換電路的初級(jí)模塊，繼而將功率變換電路與觸發(fā)控制電路、緩沖電路、檢測(cè)電路等組合在一起的復(fù)雜模塊。功率集成器件從單一器件發(fā)展到模塊的速度更為迅速，今天已經(jīng)開發(fā)出具有智能化功能的模塊（IPM）。

表1具有代表性的電力半導(dǎo)體器件發(fā)展概況

所有這一切為高頻變換技術(shù)的開發(fā)，為變流器實(shí)現(xiàn)高頻化、小型化、輕量化，為節(jié)能、節(jié)材、提高效率與可靠性奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)于具有代表性的電力半導(dǎo)體器件與模塊的發(fā)展概況可參見表1。

概括電力電子器件40多年來(lái)的發(fā)展，經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期，具體可分為四個(gè)階段。

（1）第一階段

以整流管、晶閘管為代表的發(fā)展階段，其在低頻、大功率變流領(lǐng)域中的應(yīng)用占有優(yōu)勢(shì)，很快便完全取代了汞弧整流器。

（2）第二階段

以GTO、GTR等全控器件為代表的發(fā)展階段，雖仍屬電流型控制模式，但其應(yīng)用使得變流器的準(zhǔn)高頻化得以實(shí)現(xiàn)。

（3）第三階段

以功率MOSFET、IGBT等電壓型全控器件為代表的發(fā)展階段，可直接用IC進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，高頻特性更好，可以說(shuō)器件制造技術(shù)已進(jìn)入了和微電子技術(shù)相結(jié)合的初級(jí)階段。即電力電子器件與電子器件在發(fā)展的道路上，經(jīng)歷了一段時(shí)間的分道揚(yáng)鑣、各走各的路的狀況之后，又走到一起了。

（4）第四階段

以SPIC、HVIC等功率集成電路為代表的發(fā)展階段，使電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)更緊密地結(jié)合在了一起，是將全控型電力電子器件與驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、傳感電路、保護(hù)電路、邏輯電路等集成在一起的高度智能化的功率集成電路。它實(shí)現(xiàn)了器件與電路的集成，強(qiáng)電與弱電、功率流與信息流的集成，成為機(jī)和電之間的智能化接口，機(jī)電一體化的基礎(chǔ)單元，預(yù)計(jì)PIC的發(fā)展將會(huì)使電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)第二次革命，進(jìn)入全新的智能化時(shí)代。這一階段還處在初期發(fā)展中。

2半導(dǎo)體電力變流器

21變流技術(shù)的應(yīng)用范圍

變流技術(shù)發(fā)展到今天，其應(yīng)用范圍大致分為5個(gè)方面。

（1）整流：實(shí)現(xiàn)AC/DC變換；

（2）逆變：實(shí)現(xiàn)DC/AC變換；

（3）變頻：實(shí)現(xiàn)AC/AC(AC/DC/AC)變換；

（4）斬波：實(shí)現(xiàn)DC/DC(AC/DC/DC)變換；

（5）靜止式固態(tài)斷路器：實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)的開關(guān)、斷路器的功能，控制電能的通斷。