電力電子技術(shù)概況

一、電力電子技術(shù)及特點(diǎn)

　　電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)屬于信息電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，它是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的新興學(xué)科。目前所用的電力電子器件采用半導(dǎo)體制成，故稱電力半導(dǎo)體器件。信息電子技術(shù)主要用于信息處理，而電力電子技術(shù)則主要用于電力變換。電力電子技術(shù)的發(fā)展是以電力電子器件為核心，伴隨變換技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。

　　電力電子技術(shù)可以理解為功率強(qiáng)大，可供諸如電力系統(tǒng)那樣大電流、高電壓場合應(yīng)用的電子技術(shù)，它與傳統(tǒng)的電子技術(shù)相比，其特殊之處不僅僅因?yàn)樗軌蛲ㄟ^大電流和承受高電壓，而且要考慮在大功率情況下，器件發(fā)熱、運(yùn)行效率的問題。為了解決發(fā)熱和效率問題，對(duì)于大功率的電子電路，器件的運(yùn)行都采用開關(guān)方式。這種開關(guān)運(yùn)行方式就是電力電子器件運(yùn)行的特點(diǎn)。

　　電力電子學(xué)這一名詞是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的，“電力電子學(xué)”和“電力電子技術(shù)”在內(nèi)容上并沒有很大的不同，只是分別從學(xué)術(shù)和工程技術(shù)這2個(gè)不同角度來稱呼。電力電子學(xué)可以用圖1的倒三角形來描述，可以認(rèn)為電力電子學(xué)由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論這3個(gè)學(xué)科交叉而形成的。這一觀點(diǎn)被全世界普遍接受。

　　電力電子技術(shù)與電子學(xué)的關(guān)系是顯而易見的。電子學(xué)可分為電子器件和電子電路兩大部分，它們分別與電力電子器件和電力電子電路相對(duì)應(yīng)。從電子和電力電子的器件制造技術(shù)上進(jìn)兩者同根同源，從兩種電路的分析方法上講也是一致的，只是兩者應(yīng)用的目的不同，前者用于電力變換，后者用于信息處理。

　　電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于電氣工程中，這就是電力電子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。電力學(xué)就是電工科學(xué)或電氣工程，各種電力電子裝置廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電以及高性能交、直流電源等電力系統(tǒng)和電氣工程中，因此，把電力電子技術(shù)歸于電氣工程學(xué)科。電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中最為活躍的一個(gè)分支。電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步大大地推動(dòng)了電氣工程實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的進(jìn)程。

　　控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能日益優(yōu)越和完善，可以滿足人們的各種需求。電力電子技術(shù)可以看作弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。而控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的強(qiáng)有力的紐帶。此外，控制理論和自動(dòng)化技術(shù)是密不可分的，而電力電子裝置又是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。

二、電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史

　　電力電子器件的發(fā)展對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用，因此，電力電子技術(shù)的發(fā)展是以電力電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)的。電力電子技術(shù)的發(fā)展史，如圖2所示。

　　一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的開始是以1957年第一個(gè)晶閘管的誕生為標(biāo)志的。但在晶閘管出現(xiàn)之前，電力電子技術(shù)就已經(jīng)用于電力變換了。因此，晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期稱為電力電子技術(shù)的史前期。

　　1876年出現(xiàn)了硒整流器。1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開創(chuàng)了電子技術(shù)之先河。1911年出現(xiàn)了金屬封裝水銀整流器，它把水銀封于管內(nèi)，利用對(duì)其蒸氣的點(diǎn)弧可對(duì)大電流進(jìn)行有效控制，其性能與晶閘管類似。20世紀(jì)30~50年代，是水銀整流器發(fā)展迅速并廣泛應(yīng)用時(shí)期。它廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)。{{分頁}}

　　20世紀(jì)50年代初，1953年出現(xiàn)了鍺功率二極管；1954年出現(xiàn)了硅二極管，普通的半導(dǎo)體整流器開始使用；1957年誕生了晶閘管，一方面由于其變換能力的突破，另一方面實(shí)現(xiàn)了弱電對(duì)以晶閘管為核心的強(qiáng)電變換電路的控制，使之很快取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，進(jìn)而使電力電子技術(shù)步入了功率領(lǐng)域。變流裝置由旋轉(zhuǎn)方式變?yōu)殪o止方式，具有提高效率、縮小體積、減輕重量、延長壽命、消除噪聲、便于維修等優(yōu)點(diǎn)。因此，其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，在工業(yè)上引起一場技術(shù)革命。

　　在以后的20年內(nèi)，隨著晶閘管特性不斷提高，晶閘管已經(jīng)形成了從低電壓、小電流到高電壓、大電流的系列產(chǎn)品。同時(shí)研制出一系列晶閘管的派生器件，如快速晶閘管（FST）、逆導(dǎo)晶閘管（RCT）、雙向晶閘管（TRIAC）、光控晶閘管（LTT）等器件，大大地推動(dòng)各種電力變換器在冶金、電化學(xué)、電力工業(yè)、交通及礦山等行業(yè)中的應(yīng)用，促進(jìn)了工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，形成了以晶閘管為核心的第一代電力電子器件，也稱為傳統(tǒng)電力電子技術(shù)階段。

　　晶閘管通過對(duì)門極的控制可以使其導(dǎo)通，而不能使其關(guān)斷，因此屬于半控型器件。對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式。即使在電流、電壓這2個(gè)方面，晶閘管系列器件仍然有一定的發(fā)展余地，但因下述原因阻礙了它們的繼續(xù)發(fā)展：①由于它是半控器件，要想關(guān)斷它必須用強(qiáng)迫換相電路，結(jié)果使得電路復(fù)雜、體積增大、重量增加、效率較低以及可靠性下降；②由于器件的開關(guān)頻率難以提高，一般低于400Hz，大大限制了它的應(yīng)用范圍；③由于相位運(yùn)行方式使電網(wǎng)及負(fù)載上產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波，不但電路功率因數(shù)降低，而且對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生“公害”。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，迫切要求新的器件和變流技術(shù)出現(xiàn)，以便改進(jìn)或取代傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)。

　　20世紀(jì)70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（GTR）、電力場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）為代表的第二代自關(guān)斷全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是，通過對(duì)門極（基極、柵極）的控制既可以使其開通，又可以使其關(guān)斷。另外，這些器件的開關(guān)速度普遍高于晶閘管，可以用于開關(guān)頻率較高的電路。全控器件優(yōu)越的特性使其逐漸取代了變流裝置中的晶閘管，把電力電子技術(shù)推進(jìn)到一個(gè)新的發(fā)展階段。

　　和晶閘管電路的相位控制方式想對(duì)應(yīng)，采用全控型器件的電路主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。PWM控制技術(shù)在電力電子變流技術(shù)中占有十分重要的地位。它使電路的控制性能大大改善，使以前難以實(shí)現(xiàn)的功能得以實(shí)現(xiàn)，對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

　　20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了以絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為代表的第三隊(duì)復(fù)合型場控半導(dǎo)體器件，另外還有靜電感應(yīng)式晶體管（SIT）、靜電感應(yīng)式晶閘管（SITH）、MOS晶閘管（MCT）等。這些器件不僅有很高的開關(guān)頻率，一般為幾十到幾百千赫茲，而且有更高的耐壓性，電流容量大，可以構(gòu)成大功率、高頻的電力電子電路。

　　20世紀(jì)80年代后期，電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展趨勢是模塊化、集成化，按照電力電子電路的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將多個(gè)相同的電力半導(dǎo)體器件或不同的電力半導(dǎo)體器件封裝在一個(gè)模塊中，這樣可以縮小器件體積、降低成本、提高可靠性?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了第四代電力電子器件——集成功率半導(dǎo)體器件（PIC），它將電力電子器件與驅(qū)動(dòng)電路、控制電路及保護(hù)電路集成在一塊芯片上，開辟了電力電子器件智能化的方向，應(yīng)用前景廣闊。目前經(jīng)常使用的智能化功率模塊（IPM），除了集成功率器件和驅(qū)動(dòng)電路以外，還集成了過壓、過流和過熱等故障檢測電路，并可將監(jiān)測信號(hào)傳送至CPU，以保證IPM自身不受損害。

　　新型電力電子器件呈現(xiàn)出許多優(yōu)勢，它使得電力電子技術(shù)發(fā)生了突變，進(jìn)入了現(xiàn)代電力電子技術(shù)階段。現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主要特點(diǎn)是：

（1）       全控化

　　全控化是由半控型普通晶閘管發(fā)展到各類自關(guān)斷器件，是電力電子器件在功能上的重大突破。自關(guān)斷器件實(shí)現(xiàn)了全控化，取消了傳統(tǒng)電力電子器件的復(fù)雜換相電路，使電路大大簡化。

（2）       集成化

　　集成化與傳統(tǒng)電力電子器件的分立方式完全不同，所有的全控型器件都是由許多單元器件并聯(lián)在一起，集成在一個(gè)基片上。

（3）       高頻化

　　高頻化是指隨著器件集成化的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也提高了器件的工作速度，例如GTR可工作在10kHz頻率以下，IGBT工作在幾十千赫茲以上，功率MOSFET可達(dá)數(shù)百千赫茲以上。{{分頁}}

（4）       高效率化

　　高效率化體現(xiàn)在器件和變換技術(shù)這2個(gè)方面，由于電力電子器件的導(dǎo)通壓降不斷減少，降低了導(dǎo)通損耗；器件開關(guān)的上升和下降過程加快，也降低了開關(guān)損耗；器件處于合理的運(yùn)行狀態(tài)，提高了運(yùn)行效率；變換器中采用的軟開關(guān)技術(shù)，使得運(yùn)行效率得到進(jìn)一步提高。

（5）       變換器小型化

　　變換器小型化是指隨著器件的高頻化，控制電路的高度集成化和微型化，使得濾波電路和控制器的體積大大減小。電力電子器件的多單元集成化，減少了主電路的體積?？刂破骱凸β拾雽?dǎo)體器件等，采用微型化的表面貼技術(shù)使得變換器的體積得到了進(jìn)一步減少，功率為10kV

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