对电力电子器件应用技术发展的思考

1对功率电子器件应用技术发展的思考内容提要：功率电子技术诞生于晶闸管产生的1957年。发展到如今，就功率电子器件而言，早已从半控型的晶闸管进入以IGBT、功率MOSFET为代表的全控型器件的时代。至今，功率电子技术扔十分活跃，是电气工程领域最为活跃的分支，它给电气工程领域带来了翻天覆地的变化，令电气工程的面貌焕然一新。可以说，如果没有功率电子技术，电气工程发展到现在的水平是不可能的。本文从介绍什么是功率电子技术、功率电子技术的发展与应用开始，着重于对功率电子器件的发展与应用的分析和说明，并叙述具有代表性的功率电子电路，再对功率电子器件应用技术的发展前景进行一定的说明，最后对其发展做相应的总结与思考。关键词（keyword）：功率电子技术、功率电子器件、功率变换、变流技术、电能控制、功率二极管、功率晶体管（GTR）、晶闸管（SCR）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、可关断晶闸管（GTO）、功率MOSFET、PWM、软开关、不可控、半控、全控、新型材料、集成电路技术。2目录一、综述...........................................................................................................................................31.1什么是功率电子技术......................................................................................................31.2功率电子技术发展史......................................................................................................31.3功率电子技术的应用......................................................................................................5二、功率电子器件...........................................................................................................................6三、功率电子器件的应用电路.......................................................................................................83.1整流电路..........................................................................................................................83.2逆变电路..........................................................................................................................93.3DC—DC变流电路..........................................................................................................93.4AC—AC变流电路........................................................................................................103.5PWM控制电路.............................................................................................................103.6软开关电路....................................................................................................................11四、功率电子技术发展前景.........................................................................................................114.1分布式电源....................................................................................................................124.2大功率电子器件............................................................................................................124.3状态维修技术................................................................................................................124.4电磁兼容技术................................................................................................................13五、总结与思考.............................................................................................................................143一、综述1.1什么是功率电子技术顾名思义，所谓功率电子技术就是应用于功率电子领域的电子技术。电子技术包括信息电子技术和功率电子技术两大分支。信息电子技术主要应用于信息处理，而功率电子技术则主要用于功率交换，其所交换的功率，功率大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至mW级。功率电子技术就是使用功率电子器件对电能进行交换和控制的技术。目前所用的功率电子器件均由半导体制成，故也称功率半导体器件。表1-1、功率变换的种类输入输出交流（AC）直流（DC）直流（DC）整流直流斩波交流（AC）交流功率控制变频、变相逆变如表1-1所示，功率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）、交流变交流（AC-AC）。进行上述功率变换的技术称为变流技术。通常把功率电子技术分为功率电子器件制造和变流技术两个分支。变流技术也称为功率电子器件的应用技术，它包括用功率电子器件构成各种功率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。可以认为，功率电子器件的制造技术是功率电子技术的基础，而变流技术则是功率电子技术的核心。功率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。1.2功率电子技术发展史功率电子器件的发展对功率电子技术的发展起着决定性的作用，因此，功率电子技术的发展史是以功率电子器件的发展史为纲的。图1-1给出了功率电子技术的发展史。4图1-1、功率电子技术的发展史一般认为，功率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。晶闸管出现前的时期可称为功率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，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于功率领域的先河。20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学工业、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。在这一时期，也应用直流发电机组来变流。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。晶闸管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组，并且其应用范围也迅速扩大。功率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大的局限。70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、功率双极型晶体管（BJT）和功率场效应晶体管（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。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）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。在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BJT的复合，综合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。把驱动、控制、保护电路和功率电子器件集成在一起，构成功率电子集成电路（PIC），这代表了功率电子技术发展的一个重要方向。功率电子集成技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。5随着全控型功率电子器件的不断进步，功率电子电路的工作频率也不断提高。与此同时，软开关技术的应用在理论上可以使功率电子器件的开关损耗降为零，从而提高了功率电子装置的功率密度。1.3功率电子技术的应用功率电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、功率系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。◆一般工业工业中大量应用各种交直流电动机，都是用功率电子装置进行调速的。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。有些并不特别要求调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是功率电子装置。电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源。功率电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。◆交通运输电气化铁道中广泛采用功率电子技术。电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，功率电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开功率电子技术。电动汽车的电机依靠功率电子装置进行功率变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开功率电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。飞机、船舶和电梯都离不开功率电子技术。◆功率系统据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上功率电子变流装置的处理。直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠功率电子装置才得以实现的。晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）、有源功率滤波器（