现代电力电子技术的历史发展

通常认为现代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个晶闸管为标志的，因此，电力电子技术作为一个学科仅有半个世纪的历史。

电力电子技术的发展取决于电力电子器件的发展和进步。现代电力电子器件发展情况如图0-10所示。这里以电力电子器件的发展为线索来叙述现代电力电子技术的发展历史。

图0-10 现代电力电子器件发展情况

1947年美国贝尔实验室发明了半导体器件——硅二极管，引发了电子技术的一场革命。1948年，美国贝尔实验室的肖克莱（W.B.shockley）等人在二极管的基础上发明了晶体管，开创了现代电子学的新时代。1957年，美国通用电气公司在晶体管的基础上发明了晶闸管。由于晶闸管优越的电气性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，其应用范围也迅速扩大。

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，因而属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方法主要是相位控制方法。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限制。

20世纪80年代中期以后，以门极关断（GTO）晶闸管、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。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。

和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（PWM）控制。PWM控制技术在电力电子技术中占有十分重要的地位，它在逆变、斩波、整流、交流-交流变换等控制中均可应用。它使电力电子变换器的控制性能大大提高，使以前难以实现的功能也得以实现，PWM控制技术对电力电子技术的发展产生了极其深刻的影响。

20世纪90年代以后，以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和增强性门极晶体管（IEGT）为代表的复合型器件异军突起。IGBT是MOSFET和BJT的复合。它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，已成为现代电力电子技术的主导器件。IGBT的广泛应用导致了GTR（BJT）的停止使用。与IGBT相对应，集成门极换流晶闸管（IGCT）是MOSFET和GTO的复合，IGCT综合了MOS-FET和GTO两种器件的优点，与IGBT相比具有更大的容量。IGCT的广泛应用导致了GTO的停止使用。

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器件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。后来，又把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前功率集成电路的功率都还小，但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。

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。从理论上讲，采用软开关技术可使开关损耗降为零，从而提高效率。另外，软开关技术的发明也使得开关频率可以进一步提高，从而提高了电力电子装置的功率密度。

电力电子技术发展过程中的重要事件如下：

1876年 发明硒整流器。

1896年 发明单相桥式整流电路。

1897年 发明三相桥式整流电路。

1904年 发明了电子管。

1911年 发明金属封装水银整流器。

1925年 提出逆变器原理。

1926年 发明闸流管。

1947年 半导体硅二极管诞生。

1948年 发明了硅晶体管。

1953年 发明了100A锗功率二极管。

1955年 美国通用电气公司发明了第一个大功率5A硅整流二极管。

1957年 美国通用电气公司发明了第一个半导体晶闸管。

1958年 半导体晶闸管商业化。

1961年 发明小功率门极关断（GTO）晶闸管。

1967年 发明了用于高压直流输电系统的晶闸管。

1970年 发明500V/20A硅双极型晶体管（BJT）。(www.xing528.com)

1975年 发明了300V/400A巨型晶体管（GTR）。

1978年 发明了100V/25A功率场效应晶体管（MOSFET）。

1980年 矩阵变换器的发明；

4kV/1.5kA光触发晶闸管的发明。

1981年2500V/1000A GTO晶闸管的发明。

1982年 在美国发明了IGBT，于1985年商业化。

1983年 谐振式DC-DC变换器的发明。

1989年 85MW变速泵储能系统的完成；

准谐振变换器的发明。

1991年 80Mvar静止无功功率补偿器（SVC）的发明。

1992年 6kV/2.5kA，300MW直流输电成功。

1993年 模糊逻辑神经元网络在电力电子学及电力传动上应用。

38MV·A GTO牵引逆变器的发明；

400MW变速泵储能系统的完成。

1995年 3电平GTO/IGBT逆变器在球磨机传动中的应用（15/1.5MV·A）；

100Mvar（1var=1W）静止无功补偿装置（TVA）应用。

1996年 IGCT问世。

1997年 IEGT问世。

1998年 5MW 3电平直接转矩控制变换器实现；

300MW GTO高压输电变换系统的完成。

1999年 6.5kV/600AIGBT模块在3000V直流输电系统中成功替代GTO。

2000年 IGCT45MV·A动态电压补偿器（DVR）应用成功。

2003年 碳化硅（SICGT）高压模块研制成功。

随着电力电子器件的迅速发展，电力电子技术也迅速发展成为一门独立的技术和学科。其应用已渗透到经济、国防、科技和社会生活的各个方面，并已成为电气工程技术领域最为活跃、最为关键的技术之一。相应的电力电子技术产业也是当今世界发展最快、潜力巨大的产业之一。电力电子技术发展成功与否，对一个国家的国民经济整体水平有着重要的影响，必将成为21世纪国民经济发展中的关键技术。

大容量化、高效化、小型化、模块化、智能化和低成本化，是电力电子技术的发展趋势。

展望未来，随着具有高可靠性的集成电力电子模块（Inte grated Power Electronic Modules，IPEM）技术及具有导通损耗小、耐压高、高结温等特点的新一代宽禁带器件（Silicon）的应用，电力电子技术将会发生新一轮革命性变化，从而带动国民经济及其装备技术水平的飞速发展。