电力电子技术的进步与创新

电力电子技术的发展包括电力电子器件的发展和电力电子变流电路的发展两个部分。这两个部分的发展是相辅相成、密不可分的。

电力电子技术起始于20世纪五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。20世纪80年代末期和90年代初期发展起来的，以功率MOSFET和IGBT为代表的，集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。图1-4给出了电力电子器件的发展史。

图1-4 电力电子器件发展史

一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一只晶闸管为标志的。但在晶闸管出现以前，用于电力变换的电子技术就已经存在了。晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。

1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于无线电和通信，从而开启了电子技术应用于电力领域的先河。后来出现了水银整流器，它把水银密封于管内，利用对其蒸气的电弧可对大电流进行控制，其性能与晶闸管已经非常相似。当然，水银整流器所用的水银对人体有害，另外，水银整流器的电压降落也很大，很不理想。20世纪30年代—50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。在这一时期，水银整流器广泛应用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在晶闸管出现以后的相当长一段时期内，所使用的电路依然是这些形式。

在这一时期，把交流变为直流的方法除水银整流器外，还有发展更早的电动机-直流发电机组，即变流机组。和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始而沿用至今。

1947年，美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。晶闸管出现后，由于其优越的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机组，并且其应用范围迅速扩大。电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动、感应加热等）、电力工业（直流输电、无功补偿等）的迅速发展也给晶闸管的发展提供了用武之地。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。

晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很多的局限。

20世纪70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极性晶体管和电力场效应晶体管（Power MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。这些器件都属于全控型器件。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其导通又可使其关断。此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。这些优越的特性使电力电子技术的面貌焕然一新，把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。(www.xing528.com)

与晶闸管电路的相位控制方式相对应，采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，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。PWM控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的位置，它在逆变、直流斩波、整流、交流-交流控制等所有电力电子电路中均可应用。它使电路的控制性能大为改善，使以前难以实现的功能也得以实现，对电力电子技术的发展产生了深远的影响。

20世纪80年代后期，以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。IGBT属于全控型器件，是Power MOSFET和BJT的复合。它把Power MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT的通态压降小、载流能力大、可承受高电压的优点集于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。与IGBT相对应，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）都是Power MOSFET和GTO的复合，它们也综合了Power MOSFET和GTO两种器件的优点。其中IGCT也取得了相当的成功，已经获得大量的应用。

为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。后来，又把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC）。目前电力电子集成电路的功率还都比较小，电压也较低，它面临着电压隔离（主电路为高压，而控制电路为低压）、热隔离（主电路发热严重）、电磁干扰（开关器件通断高压大电流，它和控制电路处于同一芯片上）等几大难点，但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。

目前，电力电子集成技术的发展十分迅速，除以PIC为代表的单片集成技术外，电力电子集成技术发展的焦点是混合集成技术，即把不同的单个芯片集成封装在一起。这样，虽然功率密度不如单片集成，但却为解决上述几大难题提供了很大的方便。这里，封装技术就成了关键技术。除单片集成和混合集成外，系统集成也是电力电子集成技术的一个重要方面，特别是对于超大功率集成技术更是如此。

随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。同时，电力电子器件的开关损耗也随之增大。为了减小开关损耗，软开关技术便应运而生，零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）就是软开关的最基本形式。理论上采用软开关技术可使开关损耗降为零，进而提高效率。另外，它也使得开关频率得以进一步提高，从而提高了功率电子装置的功率密度。

目前电力电子技术的主要发展方向有：

（1）集成化。高度的集成化能使体积更小，质量更小，功率密度更高，性能更好。

（2）智能化。电力传动系统的智能化，使其更具自动调节能力，从而获得更高的性能指标，包括高效率、高功率因数、宽调速范围、快速准确的动态性能和高故障容错能力等。

（3）通用化。更有效地扩大应用范围，从而降低生产制造成本。

（4）信息化。现代信息通信技术渗透到电力传动系统中，使其不但是转换、传送能量的装置，也是传递和交换信息的通道。这就扩展了电力传动系统的内涵和外延，大大提高了电力传动系统的效用。

与此同时，在电力电子技术的发展过程中还应该解决其电路理论进展所遇到的问题：对于高电压，大电流的问题关键是要生产出能耐受高电压，承受大电流的电力电子器件及其串并联技术。