电力电子技术的演进历史及应用

自20世纪50年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气控制技术的舞台，标志着电力电子技术的诞生。究竟什么是电力电子技术呢？美国电气与电子工程师协会（IEEE）下设的电力电子学会对电力电子技术的阐述是：电力电子技术是有效地使用电力半导体器件，应用电路设计理论以及分析开发工具，实现对电能高效能变换和控制的一门技术。对电能的高效能变换和控制包括对电压、电流、频率或波形等方面的变换。

电力电子技术也叫功率电子技术。顾名思义，电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术中所变换的“电力”与“电力系统”所指的“电力”是有一定差别的。两者都指“电能”，但后者更具体，特指电力网的“电力”，前者则范围更广些。具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。目前所用的电力电子器件均由半导体制成，故也称功率半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”功率可以大到数百兆瓦甚至吉瓦，也可以小到数瓦甚至是毫瓦。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术主要用于电力变换，这是两者的本质区别。

通常所用的电力有交流和直流两种。从公用电网直接得到的电力是交流，从蓄电池得到的电力是直流。从这些电源得到的电力往往不能直接满足要求，需要进行电力变换。如图1-1所示，电力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）和交流变交流（AC-AC）。进行上述电力变换的技术称为变流技术。

图1-1 电力变换的种类

通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。变流技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括由电力电子器件构成的各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成功率电子装置和功率电子系统的技术。“变流”不只指交直流之间的变换，也包括上述的直流变直流和交流变交流的变换。其系统框图如图1-2所示。

图1-2 功率电子变换系统框图

如果没有晶闸管、电力场效应管、IGBT等电力电子器件，也就没有电力电子技术，而电力电子技术主要用于电力变换。因此可以认为，电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础，而变流技术则是电力电子技术的核心。电力电子器件制造技术的理论基础是半导体物理，而变流技术的理论基础是电路理论。(www.xing528.com)

电力电子学这一名称是在20世纪60年代出现的。1974年，美国学者W.Newell用图1-3的倒三角形对电力电子学进行了描述，认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。

图1-3 描述电力电子技术的倒三角形

“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术两个不同的角度来称呼的，其实际内容没有很大的不同。

电力电子技术和电子学的关系是显而易见的（见图1-3）。信息电子学可分为电子器件和电子电路两大分支，这分别与电力电子器件和电力电子电路相对应。电力电子器件的制造技术和用于信息处理的电子器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）是一样的，其大多数工艺也是相同的。特别是现代电力电子器件的制造大都使用集成电路制造工艺，采用微电子制造技术，许多设备都和微电子器件制造设备通用，这说明二者同根同源。电力电子电路和电子电路的许多分析方法也是一样的，只是二者应用目的不同。前者用于电力变换和控制，后者用于信息处理。在信息电子技术中，电子器件既可工作于放大状态，也可工作于开关状态；而在电力电子技术中，为避免功率损耗过大，电力电子器件总是工作于开关状态，这成为电力电子技术区别于信息电子技术的一个重要特征。

电力电子技术广泛应用于电气工程中，这就是电力电子技术与电力学（电气工程）的主要关系。电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、感应加热、开关电源等之中。因此，无论是在国内还是国外，通常把电力电子技术归属于电气工程学科。电力电子技术是电气工程学科中最活跃的分支。电力电子技术的不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力，是电气工程这一相对古老学科保持活力的重要源泉。

控制理论广泛用于电力电子技术中，它使功率电子装置和系统的性能不断提高，满足人们日益增长的生活水平的需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论是实现这种接口的一条强有力的纽带。

另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二者密不可分，而功率电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。

电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术。可以预见，在21世纪，电力电子技术仍将迅猛发展。以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一，这是毫无疑问的。有人预言，电力电子技术和运动控制一起，将与计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。通常把计算机的作用比作人的大脑，那么，可以把电力电子技术比作人的消化系统和循环系统。消化系统对能量进行转换（把电网等电源提供的“粗电”变成适合人们使用的“精电”），再由以心脏为中心的循环系统把转换后的能量传送到大脑和全身（基于电力电子技术的高压直流输电技术和柔性交流输电技术）。电力电子技术连同运动控制一起，还可比作人的肌肉和四肢，使人能够运动和从事劳动。只有聪明的大脑，没有灵巧的四肢甚至不能运动的人是难以从事工作的。可见，电力电子技术在21世纪中将会起着十分重要的作用。