第1章 绪论

1.1　研究背景

1.1.1　能源现状和环境问题

自19世纪欧美国家率先实现工业化以来，化石能源一直主导着世界能源发展进程和当代一次能源市场。但自20世纪70年代世界范围内的石油危机爆发后，人们逐渐认识到，化石能源支撑的工业化道路是难以持续的，一方面是因为化石能源不可再生、储量有限，难以满足人类长期可持续发展的需要；另一方面是因为化石能源的利用会带来严重的环境污染，导致人类社会发展与自然环境间的矛盾日益突出，同时温室气体排放造成的气候变化问题逐渐威胁人类自身的生存与发展[1-5]。

根据《BP世界能源统计年鉴》，2018年全球一次能源消费量增长2.9%，该增速约为过去近十年平均水平的两倍，达到2010年以来最高，其中煤炭、石油、天然气三项化石能源的占比超过84.6%[6]。图1-1中进一步展示了1994年以来，各类能源消费的分布情况。当前我国的能源消费占比已经超过全球一次能源消费总量的23.6%[6]，其中石油和天然气严重依赖进口。随着经济发展以及城镇化率不断提高，我国能源需求刚性增长，资源环境问题仍是影响我国社会发展的重要因素。在这一形势下，我国必须实现能源的生产和消费全面转型与升级[5,7-11]。

图1-1　世界一次能源消费统计

电力电子技术是能源与信息技术的结合体，对国民经济发展、能源危机和环境污染问题的解决有巨大的促进作用[12-16]。在能源的生产体系中，可以通过提升可再生能源的比重，实现化石能源消费量的降低。由于电能传输方便、使用灵活，故基于电力电子装置实现能量转换和并网是各国开发利用可再生能源的首选形式[4,9]。在能源的消费体系中，现有数据表明，电能占终端能源消费的比重每提升1个百分点，单位国内生产总值所消耗的能源就下降3.7个百分点[17]，因此全面推进电气化，提高电力电子装置的转换效率具有十分重要的意义。

作为电力电子领域的核心技术之一，高频隔离功率变换技术已被广泛应用于固态变压器、直流配电系统、电动汽车、数据中心供电等诸多领域，可满足这些应用场景中电气隔离和电压匹配的需求，实现功率调节与控制。相比于传统的工频隔离方案，高频隔离具有体积小、质量小等优势[18-19]。近年来，碳化硅（silicon carbide, SiC）和氮化镓（gallium nitride, GaN）等宽禁带半导体器件逐渐进入市场，为解决高频隔离功率变换系统的高频率、大功率等方面的技术瓶颈提供了切实可行的技术方案。在此背景下，具有高效率、高功率密度的多功能、智能型高频隔离功率变换系统已成为发展趋势，对其开展深入研究具有重要的理论意义和工程价值。