0.2 现代电力电子技术的发展和现状

0.2.1 电力电子器件的发展历程

现代电力电子技术和设备的发展是和电力电子器件的进步休戚相关的。电力电子器件即功率半导体器件，在20世纪60年代主要是指以晶闸管为代表的半控器件；80年代后以可关断晶闸管（GTO）、大功率晶体管（BJT）、功率MOSFET为代表的自关断器件开始进入商品化阶段；到90年代初，传统功率半导体器件与微电子技术结合，生产出性能更高的复合器件，如绝缘栅双极晶体管（IGBT：Insulated Grid Bipolar Transistor）和集成门极换向晶闸管（IGCT：Integrated Gate-Commutated Thyristor）等，均以其高的开关频率和越来越大的功率获得广泛应用，占据今天电力电子器件发展和应用的主流地位。因此，可以将电力电子器件及设备制造技术的发展历程大致分为两个阶段：

1956—1979年，以传统晶闸管（俗称可控硅/SCR）为代表的AC-DC整流及AC-AC变流器阶段。该阶段以1957年普通晶闸管的诞生为起点，传统电力电子器件（SCR及其派生器件）占主导地位。该阶段电力电子装置主要是应用普通晶闸管或整流管将交流电整流为直流供给负载，以电化学、电解电源装置，电热冶金用电源及直流传动电力电子设备为三大支柱，直至今天这些装置仍在大量生产和应用。

由于其他电力半导体器件的容量目前还无法与普通晶闸管竞争，因而以普通晶闸管为主功率器件的大型直流电动机调速、大功率同步电机传动及励磁、高压直流输电（HVDC：High-Voltage DC Transmission）、无功补偿（STATCOM：Static Var Compensator）等设备仍是目前电力电子行业重要的产品。优点是可用于大功率的场合中，多工作于自然换流状态，所以开关损耗小；缺点是工作频率低，电路功率因数低，对电网的污染严重。由于晶闸管只有导通可控，而关断不可控制，为典型的半控式器件，因而决定了在该阶段发展起来的强迫换相电压型逆变器体积庞大，控制复杂，很难实用化。

1980年至今，现代电力电子器件（GTO，BJT/GTR，MOSFET，IGBT，IGCT）出现并商业化阶段。这些器件均为全控式器件，可以用于DC-AC逆变器及DC-DC斩波器中。优点是电路功率因数高，可工作在比较高的频率；缺点是器件常工作于PWM硬开关状态（与软开关相对应），因此开关损耗大。该阶段电力电子装置的核心技术是大功率交流传动，至今已发展成熟的有各种电压型、电流型、脉宽调制（PWM：Pulse Width Modulation）型逆变器供电的矢量控制调速方案，使得交流传动蓬勃发展，其调速性能可与直流传动相媲美，功率范围还可更大，在很多需要调速的场合，已替换了原来广泛应用的直流电机调速系统。

此外，现代电力电子变换设备不仅用于旋转装置，而且与日常生活开始密不可分，各种逆变技术的产品大大普及，并进入了家庭领域。除了交流调速装置以外，还包括UPS、变频电源、微波炉、电磁灶及开关电源等。日本一位教授说过，离开了电力电子技术，我的生活将无法进行——上班时乘坐的是交流调速的地铁，下楼时乘坐的是交流调速的电梯，进屋后用的是变频调速的空调，照明用的是高频振荡的荧光灯，计算机用的是开关电源和不间断电源（UPS：Uninterrupted Power Supply）、厨房里用的是感应加热的电磁灶。

现代电力电子器件的发展和应用又包括单一型（GTO，BJT/GTR，MOSFET）和复合型器件（IGBT，IGCT等）两代。

单一型器件包括以门极关断（GTO）晶闸管、电力晶体管（GTR）为代表的电流型器件。随着GTO、GTR及各种形式的可关断器件的出现，电力电子设备从以SCR为代表的整流器阶段转向以GTO、GTR为代表的逆变器阶段。目前，GTO是容量仅次于普通晶闸管的电力半导体器件，所以它在电力电子设备中几乎垄断了大功率电压型逆变器和自换相电流型逆变器领域。如在电力机车的牵引系统中，GTO得到广泛应用，其制造及应用技术以日本三菱、瑞士ABB公司最为成熟，处于世界领先水平。GTO、GTR均是电流型控制器件，因而其开关增益均比较小，开关频率较低（一般在1～2kHz，最高不超过4kHz）。

以功率MOS场效应晶体管（MOSFET）为代表的电压型高频器件也是单一型器件的一种。功率场效应器件的兴起，为电力电子设备走向高频化领域奠定了重要的基础。由于材料及电力半导体器件工艺技术的限制，到目前为止，功率场效应晶体管的容量难以做得很大，因而功率MOSFET主要用来制作高频开关电源及其他小功率的变频电源。

复合型器件包括以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等为主的高频压控功率器件。为了解决器件高压与通态压降之间的矛盾，更为了解决GTR与GTO电流驱动的存储时间长、开关频率低、噪声大及大容量GTR和GTO需要较大的基（门）极驱动功率等问题，并克服功率MOSFET在目前电力半导体器件工艺技术及材料条件下难以制成高压大电流这一缺陷，人们研制成功了双机理复合器件，如IGBT、SIT（Static Induction Transistor）、SITH（Static Induc-tion Thyristor）等。它们的出现，展示了广阔的应用前景。目前IGBT的开关频率可高达100kHz，很容易制成无噪声的IGBT变换器，以IGBT为功率器件的变换装置已进入大批量生产阶段，在家用电器、通信电源、电机驱动等各个领域得到广泛应用。

以集成门极换向晶闸管（IGCT）、注入增强栅晶体管（IGET）为代表的大功率电力电子器件也是复合型器件的一种。为进一步解决可控器件上高压大容量的问题，IGCT与IEGT得到迅速发展，其容量已与GTO相当，并开始大量使用。十几年前，人们还普遍认为，在电力半导体器件中最有前途的是MOS控制晶闸管（MCT：MOSFET-Controlled Thyristor）。MCT是一个MOS门控制的PNPN晶闸管，它可以在MOS门上加一个窄脉冲使其导通和关断。与其他电力半导体器件不同的是，MCT具有小单胞结构，而且器件具有大量并联而匹配的单胞。为了使器件有较高的成品率，必须具有高纯度、均匀性好的硅片和精细工艺技术。它的开关频率与IGBT差不多，但其低的通态压降是一个明显的优点，器件不存在二次击穿问题，其dv/dt与di/dt耐量可达2000V/μs与20000A/μs以上，故应用它可制成无缓冲电路的变换器。当时美国GE公司已有产品，Harris公司并已向市场供货。但是由于工艺和材料的限制，MCT的成品率极低、成本高昂，导致其应用前途渺茫，后来，GE和Harris公司相继放弃了MCT的研究和生产。

功率集成电路（PIC：Power Integrated Circuit）在小容量应用领域也得到迅速发展。由于其容量还非常小，所以要广泛使用还需要一定的时间，到目前为止，以PIC作为主功率器件的电力电子设备所占比重还比较小。

0.2.2 电力电子应用技术的发展现状

电力电子控制技术是将电的五大参量（电压、电流、频率、相数及相位），根据用电对象的不同要求进行变换的技术，在国民经济的各个部门中得到应用，其发展现状可概括为：

（1）整流管及晶闸管自20世纪50年代发明至今，由于自身容量的不断增大和性能的不断完善，已经在交流调压、调功、电解、电镀、冶金、直流调速、交流调速等电力电子设备中广泛应用。其派生的半控器件在过去几乎渗透到电力电子技术应用的所有领域，其功率之大是其他电力半导体器件所无法比拟的。单机容量愈来愈大，如大型铝电解装置已达几十万甚至几百万千瓦，用于加热的大功率中频电源至今仍以晶闸管为主功率器件，交-交变频装置其单台容量已达数万千瓦，直流输电已达几千万千瓦。光控晶闸管因触发回路与阳、阴极间电位隔离，故在直流输电这一类大容量电力电子设备中得到了广泛的使用，是其他电力半导体器件无法在短期内取代的。

（2）GTO和GTR及达林顿晶体管（DT：Darlingtong Transistor）的应用已趋成熟和饱和，在IGBT出现之前，它们进入了很多电力电子技术应用领域，如交流调速、直流调速、机车牵引、开关电源和中小功率UPS等。国外应用GTO变频技术最多的领域是轧钢和铁路，如矢量控制的GTO三电平逆变器已用于连轧及工业卷绕生产线，日本东京电力公司应用多重化技术制作的GTO变换器已达11000kVA。GTO斩波器用于电力机车主传动系统后，改善了电力机车的工作性能，省掉了制动过程中的庞大电阻。在GTR变频器方面，过去从事生产的公司（或厂家）很多，目前无论国内还是国外，GTR变频器多已被IGBT变频器所替代。

（3）功率MOSFET、IGBT等高频器件得到广泛应用，使变频器的输出波形大为改观，谐波含量大为减小，且解决了GTR、GTO变频器工作时产生的噪声问题。高频电力半导体器件及配套件的出现，使电力电子设备的工作频率最高已达几兆赫兹，体积成倍缩小。据估计，我国1997年变频器市场销售额接近10亿元，2005年变频器市场销售额接近50亿元，2010年变频器市场销售额接近90亿元。变频器的大量采用使我国的能源得到了很大的节约，对改进生产工艺水平、提高产品质量、降低能耗起到了很大的作用。除通用变频器外，中频磨床电动机用逆变器及高频逆变器亦获得了批量应用。为了进一步提高变频器的性能，无速度传感器矢量控制技术及死区时间补偿技术获得了广泛使用。高频无噪声变频器已进入家用电器领域及军工兵器领域，尤其在小容量领域，PIC也开始得到应用，应用PIC技术的电力电子装置已用于如电视机、音响、洗衣机等家用电器，复印机等办公设备，实现了高效化、高频化、无噪声化及智能化。应用高频器件制成了高效无噪声开关电源取代了传统的线性电源，应用于程控交换机等领域，改善了通信系统的质量。此外，高频电力电子应用技术及高频传感器、高频电容、高频抗干扰技术等配套件的迅猛发展和日趋完善，使电力电子设备的高频化应用已成为现实，其应用领域迅速扩大。

（4）IGCT、IEGT已在大容量电力电子设备中得到应用。20世纪90年代中后期IGCT和IEGT的诞生，对高压大电流电力变换控制系统是一个突破，至今已获得了飞速的发展。目前，国内外均有成套装置应用到轧钢、造纸、水泥、煤炭等工业领域和电动汽车、城市轻轨、机车牵引、船舶推进等交通工具中。

（5）可关断电力半导体器件的驱动和保护技术日趋完善，为电力电子设备的广泛应用奠定了坚实的基础。自关断器件的基极（或门极、栅极）的驱动和快速保护在应用中是一个关键问题，为解决这些问题，世界上许多著名的公司在生产可关断器件的同时，开发生产了配套的驱动和保护电路，如日本富士电机公司生产的GTR厚膜驱动电路（EXB356、357）、IGBT厚膜驱动电路（EXB840、841、850、851），日本三菱电机公司生产的GTR厚膜驱动电路（M572XX系列）、IGBT厚膜驱动电路（M579系列），东芝公司生产的MOSFET及IGBT混合驱动电路（TLP250），国产的GTR、IGBT、MOSFET及GTO厚膜驱动和保护电路（HL系列）。还有以法国汤姆森（THOMSON）公司生产的智能晶体管驱动电路（UAA4002、UAA4003）及美国国际整流器（IR）公司生产的MOSFET和IGBT集成驱动电路（IR21系列）。

0.2.3 现代电力电子技术的发展趋势

20世纪80年代以来，以各种新型电力半导体器件组成的电力电子装置得到了广泛的应用，从而使得现代电力电子技术开始向着高频，高效（低开关损耗），高功率密度（组合集成化），高功率因数及高压大功率的方向迅速发展，如图0.3所示。在中功率范围内，各种新型可关断器件如GTO，BJT，IGBT等已完全取代过去传统的半可控器件SCR，在此基础上发展起来的新型PWM技术，谐振软开关技术及全数字化控制技术已成功地应用在各种电源系统及电机调速系统中。

（1）高频化：高频化是电力电子设备技术含量高低的重要标志，提高开关频率降低了功率器件和配套元件及整个装置的体积和重量，同时还消除了低次谐波，以实现高质量的电能控制。SCR、GTO的工作频率一般为50～500Hz，而IGBT，MOSFET则可达10k～1MHz。

（2）高效率：由于开关频率越来越高，导致开关损耗增大，需要采用谐振开关及软开关技术以减少器件的开关损耗。这些新的控制技术大大提高了电力电子设备的能量转换效率及性能，在高频电源中得到广泛应用。

（3）高电压大功率：电力电子器件的耐压越来越高、容量越来越大，加上高压多电平变换器（Multi-level Converter）的出现，使得电力电子装置的容量可以做到几十兆瓦，应用于高电压大功率的场合，带来巨大的经济效益。目前一些器件已达到的容量如下。

GTO：4500V/4500A，6000V/6000A已商品化，目前研制水平已达8000V/8000A；

IGBT：3300V/2400A，6500V/1200A已商品化，目前研制水平已达6500V/2500A；

IGCT：4500V/4000A，已商品化，目前研制水平已达6000V/6000A。

（4）高功率密度（集成化）：现代电力电子器件集合了多种器件优点，功率密度大大提高，功能更全面。如BJT与MOSFET组合成IGBT，在电动机驱动装置、中频电源领域，IGBT已取代达林顿晶体管（DT）。使用IGBT的整流器和逆变器可提高效率、减小噪声，并将电力电子设备的重量和体积大大减少；而SCR、GTO（电流大但开关频率低）加上MOSFET（高频）构成了MCT、IGCT，它们将逐步的取代SCR，并逐步成为超大容量电力电子设备的首选器件；而IGBT加上驱动保护电路就构成智能模块（IPM：Intelligent Power Module），IPM再加上控制、软开关技术就构成集成电力电子模块（IPEM：Integrated Power Electronics Module）。各种电力电子设备的小型化，超大规模集成化、模块化大大减轻了成套装置设计的工作量，为批量化生产带来了很大方便。

（5）高功率因数：可以减少系统的无功流动，提高电能系统的质量。如传统的SCR相控整流功率因数（PF：Power Factor=cosφ）很低，谐波污染较大；而二极管不控整流则功率因数较高，但仍有谐波污染；目前大力研究的PWM整流技术具有功率因数校正（PFC：Power Factor Correction）作用，cosφ=1，谐波污染或者说谐波总畸变率（THD：Total Harmonics Distortion）可以做得很低。

（6）全数字化控制：由单片机全面向DSP（数字信号处理器）过渡。现代电动机控制器的基本要求是信号处理快而精确，实时完成复杂的控制算法，DSP精确而快速的A/D转换及PWM信号输出，为全数字化控制的实现提供了可能。如TI公司的TMS320-F240/F2407/F2812/F28335，就是专为电力电子、电机控制设计的DSP芯片，功能强大，集成度高，非常适于做电力电子和电机控制。作为实现信号处理和外设控制的硬件核心，DSP的应用领域将不断的拓展。