电力电子技术的发展与应用

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。电力电子技术的发展史如图0.4 所示。

电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学转变为以高频技术处理为主的电力电子学。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的第一个晶闸管为标志的。由于其功率处理能力的突破，于是以整流管和晶闸管为核心的、对电能处理的庞大分支从电子技术中分离出来，形成了电力电子技术。其发展先后经历了整流器时代（晶闸管时代）、全控型器件时代和电力电子集成电路时代（PIC），到了20 世纪80 年代末90 年代初，以电力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的兴起，表明传统电力电子技术已经进入了新的电力电子技术时代。

图0.4　电力电子技术发展史

（1）整流器时代

大功率的工业用电由工频（50 Hz）交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消耗的，其中最典型的是电解（有色金属和化工原料需要直流电解）、牵引（电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等）和直流传动（轧钢、造纸等）三大领域。因此，把大功率的交流电变成直流电就成为迫切的工业需求。

在晶闸管出现之前，用于整流的电子技术就已经存在了，比如20 世纪30 年代迅速发展的水银整流器。它把水银封于密闭罐内，利用对其蒸汽的电弧可对大电流进行控制，其原理与晶闸管非常相似。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。但是，由于水银本身对人体有害，且其电压降过大，性能不够理想，因此逐渐被电气性能和控制性能更优越的晶闸管所取代。所以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。但是晶闸管属于半控型器件，对它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，这就使得它的应用受到了很大的限制。

（2）全控型器件时代

20 世纪70 年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（GTR）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。它们的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。这些优越的性能使得电力电子技术的面貌焕然一新，把电力电子技术推到了一个新的发展阶段。

与晶闸管电路的相位控制方式相对应，采用全控型器件电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）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有应用。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。

在这一阶段中，最具代表性的产品是交流电动机的变频调速装置，其调速性能、功率范围、价格都可与直流传动相媲美，交流调速大量应用并占据了主导地位。除此之外，不间断电源（UPS）、变频电源、开关电源、电磁灶等也是这一时期的热门产品。(www.xing528.com)

在20 世纪80 年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。它是MOSFET 和GTR 的复合，综合了两者的优点，性能十分优越，已成为现代电力电子技术的主导器件。

（3）电力电子集成电路时代（PIC）

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。后来，又把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，就构成了电力电子集成电路（PIC）。目前PIC 的功率都还较小，电压也较低。高度集成化将面临电压隔离（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）等几大难题，但它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，虽然其功率密度不如单片集成，但却为解决上述三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。

电力电子技术在21 世纪的主要研究方向之一是实现电力电子装置的“无公害绿色化”，其含义是：装置功率因数接近1，输入电流正弦无谐波；电压、电流均过零切换，以实现开关损耗为零；避免装置对电网与负载的电磁辐射和射频干扰。如前所述，电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机的，那么，要实现“无公害绿色化”，电力电子器件的发展方向主要有以下六个方面：

①大容量化。应用微电子工艺，使单个器件的电压、电流容量进一步提高，以满足高压大电流需求。

②高频化。采用新材料、新工艺，在一定的开关损耗下尽量提高器件的开关速度，使装置运行在更高频率。

③易驱动。由电流驱动发展为电压驱动，大力发展MOS 结构的复合器件。由于驱动功率小，因此可研制专用集成驱动模块，甚至把驱动与器件制作于一个芯片，以便更适合中小功率控制。

④降低导通管压降。研制出比肖特基二极管正向压降还低的器件以提高变流效率、节省电能，特别适用于便携式低压电器。

⑤模块化。采用制造新工艺如塑封化、表面贴装化和桥式化，将几个器件封装在一起以缩小体积与减小连线。如几个IGBT 器件与续流管以及保护、检测器件、驱动等组成桥式模块，称为智能器件，缩写为IPM（Intelligent Power Module）。

⑥功率集成化。充分应用集成电路工艺，将驱动、保护、检测、控制、自诊断等功能与电力电子器件集成于一块芯片上，实现集成电路功率化、功率器件集成化，使功率与信息集成在一起，成为机电一体化的接口，并逐步向智能化（Smart PIC）方向发展。