電力電子技術第1章總結

電力電子技術第1章總結

開課班級：09輸電線路班

總結時間：201*.9.19

總結教師：杜蕓強

一、基本概念

1.電力電子器件：是指可直接用于處理電能的主電路中，實現電能的變換或控制的電子器件。

2.電力電子電路也被稱為電力電子系統(tǒng)，由控制電路、驅動電路、檢測電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。

3．電力電子器件的分類

（1）按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的程度，可分為半控型器件、全控型器件和不控型器件。

（2）按照驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間的信號性質，又可以將電力電子器件分為電流驅動型和電壓驅動型器件。

（3）電力電子器件還可以按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分為單極型器件、雙極型器件和復合型器件。

4.電導調制效應：當PN結上流過的正向電流較小時，二極管的電阻主要是作為基片的低摻雜N區(qū)的歐姆電阻，其阻值較高且為常量，因而管壓降隨正向電流的上升而增加；當PN結上流過的正向電流較大時，注入并積累在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大，為了維持半導體電中性條件，其多子濃度也相應大幅度增加，使其電阻率明顯下降，也就是電導率大大增加，這就是電導調制效應。

5.方向擊穿：PN結具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。

6.熱擊穿：當反向未被限制住，使得反向電流和反向電壓的乘積超過了PN結容許的耗散功率，就會因熱量散發(fā)不出去而導致PN結溫度上升，直至過熱而燒毀，就是熱擊穿。

7.電力二極管的主要參數

正向平均電流IF(AV)：指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

通過對正弦半波電流的換算可知，正向平均電流IF(AV)對應的有效值為1.57IF(AV)。

8．電力二極管的主要類型：普通二極管（又稱整流二極管）、快速恢復二極管（FRD）和肖特基二極管（SRD）。

9．晶閘管：是晶體閘流管的簡稱，又可稱為可控硅整流管（SCR）。10.晶閘管的基本特性：

（1）當晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。（2）當晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導通。

（3）晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不能門極觸發(fā)電流是否存在，晶閘管都保持導通。

（4）若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下。

11．晶閘管的派生器件：快速晶閘管（FST）、雙向晶閘管（TRIAC）、逆導晶閘管（RCT）和光控晶閘管（LTT）。

12.門極可關斷晶閘管（GTO）：它是晶閘管的一種派生器件，但可以通過門極施加負的脈沖電流使其關斷，屬于全控型器件。GTO是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出三個極，但內部則包含數十個甚至數百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內部并聯在一起。

13．GTO與普通晶閘管不同點：

（1）在設計器件時使得2較大，這樣晶體管V2控制靈敏，使得GTO易于關斷。

（2）使得導通時的12更接近于1。這樣使得GTO導通時飽和程度不深，更接近于臨界飽和，從而為門極控制關斷提供了有利條件。

（3）多元集成結構使每個GTO元陰極面積很小，門極和陰極間的距離大為縮短，使得P2基區(qū)所謂的橫向電阻很小，從而使從門極抽出較大的電流成為可能。

14.電力晶體管（GTR）：譯為巨型晶體管，是一種耐高壓、大電流的雙極結型晶體管（BJT）。它由三層半導體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個PN結（集電結和發(fā)射結）構成，多采用NPN結構。

15．GTR的二次擊穿現象：當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這種首先出現的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。出現一次擊穿后，只要Ic不超過最大允許耗散功率相對應的限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不會有什么變化。但實際應用中常常發(fā)現一次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降，這種現象稱為二次擊穿。二次擊穿常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對GTR危害極大。

16.電力場效應晶體管：也分為結型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOSFET，簡稱電力MOSFET。電力MOSFET在導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管。

17.MOSFET分類：

（1）按導電溝道可分為P溝道和N溝道。

（2）對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道的稱為增強型；當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道的稱為耗盡型。在電力MOSFET中，主要是N溝道增強型。18.電力MOSFET的工作原理

（1）當漏極接電源正端，源極接電源負端，柵極和源極間電壓為零時，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。

（2）如果在柵極和源極之間加一正電壓UGS，由于柵極是絕緣的，所以并不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓卻會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。

（3）當UGS大于某一電壓值UT時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型半導體反型而成N型半導體，形成反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。

19.絕緣柵雙極晶體管（IGBT）：綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點。

（GTR和GTO是雙極型電流驅動器件，由于具有電導調制效應，所以其通流能力很強，但開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅動器件，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。）

20.IGBT開通和關斷由柵極和發(fā)射極間的電壓uGE決定。

（1）當uGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，并為晶體管提供基極電流進而是IGBT導通。

（2）當柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使IGBT關斷。

21.IGBT的擎住效應：IGBT內部結構中，由于NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產生壓降，相當于對J3結施加一個正向偏壓，在額定集電極電流范圍內，這個偏壓很小，不足以使J3開通，然而一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，導致集電極電流增大，造成器件功率過高而損壞。這種電流失控的現象，被稱為擎住效應或自鎖效應。

22.功率模塊：將多個相同的電力電子器件或多個相互配合使用的不同電力電子器件封裝在一個模塊中，可以縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。

23.功率集成電路：如果將電力電子器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，則稱為功率集成電路。

24.驅動電路的基本任務：將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。

25.晶閘管觸發(fā)電路應滿足以下要求：

（1）觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通。

（2）觸發(fā)脈沖應有足夠的幅值。

（3）所提供的觸發(fā)脈沖應不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額。（4）應有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。

26.GTO的開通控制與普通晶閘管相似，但對觸發(fā)脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需要在整個導通期間施加正門極電流。使GTO關斷需要施加負門極電流，對其幅值和陡度的要求更高。關斷后還應在門極施加約5V的負偏壓，以提高抗干擾能力。

27.使GTR開通的基極驅動電流應使其處于準飽和導通狀態(tài)，使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)。關斷GTR時，施加一定的負基極電流有利于減小關斷時間和關斷損耗，關斷后同樣應在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負偏壓。

28.電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類。

29.過流保護較常用的措施：采用快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器。

30.緩沖電路：又稱為吸收電路。其作用是抑制電力電子器件的內因過電壓、du和di，減小器件的開關損耗。

dt或過電流

dt

31.按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況，將器件分為：（1）屬于單極型電力電子器件的有MOSFET和SIT等。

（2）屬于雙極型電力電子器件的有電力二極管、晶閘管、GTO、GTR和SITH等。（3）屬于復合型電力電子器件的有IGBT和MCT。

二、作業(yè)詳解：

1.使晶閘管導通的條件是什么？

答：使晶閘管導通的條件是：晶閘管承受正向陽極電壓，并在門極施加觸發(fā)電流（脈沖）。或：uAK0且uGK0。

2.維持晶閘管導通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導通變?yōu)殛P斷？答：維持晶閘管導通的條件是使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導通的最小電流，即維持電流。

要使晶閘管由導通變?yōu)殛P斷，可利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下，即降到維持電流以下，便可使導通的晶閘管關斷。

7.IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET的驅動電路各有什么特點？

答：IGBT驅動電路的特點是：驅動電路具有較小的輸出電阻，IGBT是電壓驅動型器件，IGBT的驅動多采用專用的混合集成驅動器。

GTR驅動電路的特點是：驅動電路提供的驅動電流有足夠陡的前沿，并有一定的過沖，這樣可加速開通過程，減小開通損耗，關斷時，驅動電路能提供幅值足夠大的反向基極驅動電流，并加反偏截止電壓，以加速關斷速度。

GTO驅動電路的特點是：GTO要求其驅動電路提供的驅動電流的前沿應有足夠的幅值和陡度，且一般需要在整個導通期間施加正門極電流，關斷需施加負門極電流，幅值和陡度要求更高，其驅動電路通常包括開通驅動電路，關斷驅動電路和門極反偏電路三部分。

電力MOSFET驅動電路的特點：要求驅動電路具有較小的輸入電阻，驅動功率小且電路簡單。

8.全控型器件的緩沖電路的主要作用是什么？試分析RCD緩沖電路中各元件的作用。

答：全控型器件緩沖電路的主要作用是抑制器件的內因過電壓，du減小器件的開關損耗。

RCD緩沖電路中，各元件的作用是：開通時，Cs經Rs放電，Rs起到限制放電電流的作用；關斷時，負載電流經VDs從Cs分流，使dudtdt或過電流和didt，

減小，抑制過電壓。

9.試說明IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET各自的優(yōu)缺點。答：對IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET的優(yōu)缺點的比較如下：

器件優(yōu)點電壓、電流容量大，適用于大功率場GTO合，具有電導調制效應，其通流能力很強耐壓高，電流大，開關特性好，通流能力強，飽和壓降低開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性電力MOSFET好，所需驅動功率小且驅動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題開關速度高，開關損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅動，驅動功率小

缺點電流關斷增益很小，關斷時門極負脈沖電流大，開關速度低，驅動功率大，驅動電路復雜，開關頻率低開關速度低，為電流驅動，所需驅動功率大，驅動電路復雜，存在二次擊穿問題電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置GTRIGBT開關速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及GTO

擴展閱讀：電力電子應用技術書第1章 緒論

第1章緒論

自1891年世界首次采用交流輸電以來，交流電就成為送達用戶端的主要電能形式，但用電負載有直流負載和交流負載兩大類，相應的供電電源就需要直流和交流兩種形式，因此電能需要變換。

隨著越來越多非線性負載的使用，供電質量變得越來越差；而隨著各種用電設備或單元的數字化、信息化和多樣化發(fā)展，需要的電源種類、等級和質量要求卻不斷提高。因此，更需要對電能進行高質量的變換。

早期，把交流電變換為直流電經歷了機械整流器、閘流管整流器和引燃管整流器的階段。1900年美國紐約地鐵列車供電電源就采用機械整流器從交流電網中獲取直流電源；1928年，實用化的閘流管整流器使直流輸出端的電壓可以不隨交流輸入電壓的波動而變化，隨后閘流管和引燃管整流器的應用得到很大重視。1935年，高壓直流輸電在美國紐約得以實現。在整個30年代直到40年代后期，這兩種器件大量應用于高功率變換的場合。

1957年，美國通用電氣公司發(fā)明了硅可控整流器(SiliconControlledRectifier，SCR)，簡稱可控硅，后被國際電工學會正式命名為晶閘管(Thyristor)。晶閘管的問世，不僅可把交流電變換為直流電，還能把直流電變換為交流電和其它特殊的電能形式。從此，新型電力電子器件不斷涌現，性能不斷提高，并各具電氣特性和使用特點，以適應不同的應用領域和電能變換電路的設計要求。

把各種電力電子器件實用、高效、可靠地應用于電能變換系統(tǒng)，是電力電子應用技術的研究任務。

201*年，IEEE終身會士、美國電力電子學會前主席ThomasG.Wilson給電力電子技術重新下了一個定義：電力電子技術是通過靜止的手段對電能進行有效的轉換、控制和調節(jié)，從而把可利用的輸入電能形式變成所希望的輸出電能形式的技術(Powerelectronicsisthetechnologyassociatedwiththeefficientconversion,controlandconditioningofelectricpowerbystaticmeansfromitsavailableinputformintothedesiredelectricaloutputform)。IEEE電力電子學會在網站上(網址為)給出的定義是：電力電子技術是把電子電路應用到電能變換中的技術。它包括電子器件的使用、電路理論的研究和設計技術的應用，以及為提高變換效果所需各種分析工具的開發(fā)。

從定義可見，電力電子技術與電力電子應用技術的研究內容似乎沒有什么區(qū)別。本書把電力電子元器件的設計、制造和封裝等歸入電力電子技術的范疇，而不歸入電力電子應用技

術的范疇。所以，本書重在研究電力電子元器件的合理使用，使其高效、實用、可靠地控制電能變換；重在對電能變換電路的設計、電力電子系統(tǒng)的控制、以及電力電子技術在工業(yè)中應用的研究。

1.1電力電子應用技術的主要內容

電力電子應用技術，是關于各種電能變換的拓撲電路、控制理論和工業(yè)應用技術，是變換裝置的設計技術，是分析設計工具的開發(fā)利用技術。

1.電能變換的基本形式與電路拓撲

在電力電子應用技術中，不同的電能變換形式要求不同的拓撲電路。根據電能變換的輸入輸出形式，可以分為直流－直流變換器(DC/DC)、直流－交流變換器(DC/AC)、交流－直流變換器(AC/DC)和交流－交流變換器(AC-AC)四種基本形式。

DC/DC變換器常見的有Buck變換器(常稱降壓斬波器)、Boost變換器(常稱升壓斬波器)、Buck/Boost變換器(常稱升降壓斬波器)、Cuk變換器、隔離式的Buck變換器－正激變換器、推挽變換器、橋式變換器，以及隔離式的Buck/Boost變換器－反激變換器等。

DC/AC變換器常稱為逆變器，按直流中間環(huán)節(jié)的特點有電壓型逆變器和電流型逆變器兩種類型；按輸出交流電的相數又分為單相逆變器和三相逆變器。三相逆變器是三個單相逆變器進行同步控制的組合，以便輸出相位上互差120的三相電。

AC/DC變換器習慣稱為整流器，廣泛地用作電力電子系統(tǒng)的前級變換器。電力電子系統(tǒng)的前級變換器應與電力線路“友好”接入，這意味著整流器應具有高功率因數、低輸入電流諧波畸變和低電磁干擾發(fā)射等特點。目前，在諧波治理的嚴峻形勢下，各種高級AC/DC變換器已得到發(fā)展，如有源功率因數校正(PowerFactorCorrection,PFC)整流器，三相脈寬調制(PulseWidthModulation,PWM)BoostPFC整流器，三相BuckPFC整流器等。

AC/AC變換器傳統(tǒng)上用于只調電壓的交流調壓器和只調頻率的周波變換器(也稱循環(huán)變換器)，現在發(fā)展比較快的矩陣變換器也是一種AC/AC變換器。

為了減小開關損耗和功率變換器的電磁干擾，達到重量輕、體積小、且高效節(jié)能的目的，在上述四種基本形式變換器的基礎上，新的電路拓撲和軟開關技術及其應用得以迅速發(fā)展。

2．控制理論和調節(jié)手段

電力電子系統(tǒng)是一種非線性、變結構、電壓電流突變的離散系統(tǒng)，特別是與電機構成的系統(tǒng)更是強耦合、多變量、具有分布參數特征系統(tǒng)，呈現重復瞬態(tài)和非正弦性等特點，這就決定了在電工領域中長期采用的以相量為基礎的控制理論不再適用。經典的電路理論和控制

理論無法直接處理電力電子系統(tǒng)的控制問題，發(fā)展和應用新的控制理論勢在必行。

電力電子應用技術的核心部分都是開關控制器，它是以開關方式運行的非線性元件，因此以離散系統(tǒng)為基礎的開關控制理論成為主要的調節(jié)手段。將控制理論應用于電力電子控制的前提是對其網絡拓撲進行建模。主要使用的建模方法有狀態(tài)空間平均法、數據采樣建模法、PWM開關平均法、等效電路模型法等。對軟開關電路的建模還在探索之中，目前已經提出了高頻網絡平均法、脈沖波形積分法等幾種方法。

電力電子系統(tǒng)控制的目標主要是效率和電源質量。電源質量有動態(tài)響應、諧波質量和魯棒性要求等�，F代控制理論的應用，為實現電力電子系統(tǒng)目標提供了有力手段。日新月異的微處理器技術的發(fā)展，為現代控制理論的應用提供了硬件基礎。數字信號處理器(DSP)已經在電力電子控制領域得到了普遍應用，而系統(tǒng)級芯片SOC(SystemOnChip)技術和網絡技術的發(fā)展，也將極大的推動電力電子應用技術的進步。智能控制理論由于具有本質非線性、并行處理、自組織自學習等能力，在電力電子用于技術控制中也有著巨大的潛力。

3．變換裝置的設計技術

電力電子應用技術的基本任務是要設計出滿足功能要求、且運行可靠的電能變換裝置。一個性能良好的變換裝置設計，應該包括功能設計、電磁兼容設計、散熱設計和結構親和性設計等方面。

功能指標設計主要要滿足輸出電壓(或電流)和功率的指標。同時，為了裝置能正常和可靠的工作，還要縝密地考慮其它一些顯性和隱性的功能指標，如，主電路防沖擊電流的控制設計，控制電路得電復位和斷電保護設計，裝置的過電流、過電壓和欠電壓保護，過熱保護、短路保護，甚至還要考慮過功率保護。功能設計的方法是多種多樣的，總的來說，應選擇保護效果好，同時又簡單節(jié)能的設計方法。

電磁兼容設計電力電子電路的基本特征是，電路總是工作在開關模式的變換之中，在兩個或幾個不同的結構之間不斷切換。開關的通斷在電路中引起的電壓和電流變化率，是電磁干擾（EMI）的本質，解決好電磁兼容問題是電力電子應用技術的一大任務。電能變換裝置的電磁干擾分三類：外部干擾源對裝置的干擾(incoming)；裝置內部的干擾源對系統(tǒng)外部的干擾(outgoing)；裝置內部的相互干擾(internal)。解決前兩類的干擾通常采用濾波的辦法，第三類干擾的解決途徑較多，如，采用電磁屏蔽、電氣隔離，主電路合理采用低電感結構方式等等�？刂齐娐返碾姶偶嫒菰O計一般從導線傳導耦合、公共阻抗電感性耦合、電容性耦合和電磁場耦合5個方面考慮。

系統(tǒng)散熱設計電力電子開關器件在工作時產生的損耗（最主要的是通態(tài)損耗和開關損

耗）都以熱量的形式表現出來。同時，工作在高頻狀態(tài)下的磁性組件（變換器中電感和變壓器）其損耗也比較大。因此，散熱設計是電力電子應用技術的重要任務。一般來說，散熱設計包括對散熱介質、散熱空間和散熱器熱阻的設計計算。良好的設計不僅散熱效果好，而且散熱系統(tǒng)簡單。例如，通過改進IGBT模塊的封裝材料和散熱方式，混合電動汽車或燃料電池汽車，可以不必專門設置牽引變流器的冷卻(散熱)系統(tǒng)而直接共享汽車上原有的冷卻系統(tǒng)。常見的5種散熱器，按散熱效果逐次升級排序為①自冷式散熱器；②風冷式散熱器；③水冷(油冷)式散熱器；④沸騰式散熱器；⑤熱管散熱器。

結構親和性設計變換器裝置的結構形式應該對人具有良好的“親和力”不僅外表美觀宜人、結構緊湊、便于測試和裝卸，而且具有功能分區(qū)設計、模塊化設計和子系統(tǒng)集成設計等內容。

電力電子產品或電路設計正向著模塊化、集成化的方向發(fā)展。具有各種控制功能的專用芯片不斷開發(fā)和應用。IPM以IGBT作功率開關，將控制、驅動、保護、檢測電路都封裝在一個模塊內。由于外部接線、焊點減少、產品體積小，可靠性顯著提高。美國VICOR公司生產的第二代電源模塊達到高度集成化和全面計算機化，內含組件僅為第一代產品的1/3，由115個減為35個。電路集成的進一步發(fā)展方向是系統(tǒng)集成。美國電力電子系統(tǒng)中心(CenterforPowerElectronicsSystems,CPES)已經提出了系統(tǒng)集成的設想：將信息傳輸、控制與功率半導體器件全部集成在一起；采用三維空間熱耗散散熱。從而可能實現將功率從數百瓦－千瓦做到幾十千瓦以上。系統(tǒng)集成可以改變現在的半自動化、半人工的組裝工藝而達到完全自動化生產，從而降低成本，有利于大規(guī)模推廣應用。

4．分析設計工具的使用開發(fā)

對于某一特定的電能變換要求，為了更好地接近所追求的目標，一般要解決好電力電子應用技術的仿真、分析和設計等幾個關鍵問題。它們具體包括：電路拓撲和系統(tǒng)控制策略的確定、開關器件和控制方法的選擇、裝置內部的散熱和電磁兼容性設計、可靠性預估和參數最優(yōu)化等等，所有這些問題，都需要分析設計工具來輔助解決。隨著計算機和軟件技術的發(fā)展，分析工具也越來越豐富。在全軟件的分析設計工具中，有電力電子電路理論和控制理論分析仿真工具－Matlab、Mathematica、Mathcad等；電力電子拓撲及其控制的仿真分析工具－Simulink、Microsim(Pspice)、Powersim等；電力電子分析設計的EDA輔助工具－Saber，以及Cadence、Mentor、Synopsis等公司的相關軟件包，如workbench等；電力電子三維熱場和電磁場分析工具－Ansys、Ansoft等。

為適應特定電路設計分析的需要，有時需要在具體使用軟件工具時補充和開發(fā)其中的一

些模型和功能，有時需要對已有的軟件進行改進，甚至需要另行開發(fā)軟件。另外，在有的場合，如數學模型非常復雜時，軟件的仿真分析需要花很長時間；在有的場合，硬件系統(tǒng)及其各部分相互作用極其復雜，甚至無法建立分析仿真的數學模型等，此時軟件分析設計工具難于發(fā)揮很好的作用。這時，建立軟件和硬件相結合的混合仿真系統(tǒng)，或建立全硬件的仿真、設計和開發(fā)平臺就成為必不可少的工具。因此，基于仿真、分析和設計的軟硬件平臺或專家系統(tǒng)，可使系統(tǒng)設計性能最優(yōu)，設計制造費用最省，是電力電子應用技術的重要內容之一。

5．電力電子元器件的使用

電力電子應用技術的主要內容莫過于合理可靠地使用電力電子元器件。半導體開關器件、磁性元件和電容器等，各類元器件產品型號眾多，特性各異，應用條件差異性很大。且每一種新器件的誕生，都伴隨著電能變換技術的重大突破。所以使用好電力電子元器件十分重要。

半導體開關器件按控制方式來分，有三大類：不控型器件，如二極管；半控型器件，如能控制導通不能控制關斷的晶閘管；全控型器件如GTO、VDMOS、BJT(GTR)、IGBT、IGCT等。

常見的二極管為三種。其一，普通二極管，常用在工頻電路或晶閘管等頻率不高的電路中；其二，快速恢復二極管，它利用特殊工藝制造，反向恢復電流和時間都很短，常用在IGBT或VDMOS等高速開關器件的電路中和高頻整流電路中；其三，肖特級(Schottky)二極管，因為它不是PN結導電特性，導通電壓降小，且?guī)缀鯖]有反向恢復時間，常用在開關電源等低電壓輸出的高頻整流電路中。

常見的晶閘管分為五種：普通晶閘管，容量等級大，目前它常用在大功率整流電路和周波變換器中；快速晶閘管和高頻晶閘管，它利用特殊工藝制造，關斷時間小于50s，主要用在感應加熱的中頻電源中；逆導晶閘管(RCT)，它是將一個晶閘管和一個二極管反并聯集成在同一硅片上面構成的組合器件，常用在直流斬波器、倍頻式中頻電源及三相逆變器電路中；雙向晶閘管(Triac)，它把兩個反并聯的晶閘管集成在同一硅片上，是控制交流功率的理想器件，主要用在交流無觸點繼電器、交流相位控制電路中；光控晶閘管，它不用電壓電流觸發(fā)、而是用光觸發(fā)晶閘管導通，主要應用在電力系統(tǒng)等高電壓大電流場合。

理想的全控型器件在瞬間完成導通或關斷，沒有過渡過程；正向導通電壓降和關斷后的漏電流為都是零。而實際的器件既存在開通和關斷時間，又有導通電壓降和漏電流。因此，一個實際的全控型器件，其性能的優(yōu)劣就在于它在多大的程度上接近這些理想特性。各種不同類型的器件存在的差異很大，GTO和IGCT等晶閘管型器件，去掉正向導通脈沖它們仍能保持導通，只有施加反向關斷脈沖時器件才關斷；而VDMOS、BJT和IGBT等晶體管型器件，

一旦撤走開通脈沖，器件就立即關斷，施加反向脈沖只是為了避免干擾造成誤導通；GTO、IGCT和BJT等是電流型器件，VDMOS和IGBT等是電壓型器件，它們的控制驅動電路設計要區(qū)別對待；即使同是電流型器件，如GTO和BJT，由于器件的特性不一樣，其控制驅動的要求也很不一樣。為了讓每一種器件的特性發(fā)揮到最佳，電路的設計者須根據器件特點和使用要求合理選用。

磁性元件主要指變壓器和電抗器。隨著電力電子技術的高頻化，磁性元件的工作頻率不斷提高，就需要能高頻工作且損耗小的軟磁性材料。這些磁性材料有軟磁合金(鐵鎳合金、鐵鋁合金、鐵鈷釩合金等)、鐵氧體(錳鋅鐵氧體、鎂鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體等)、新型非晶和微晶軟磁材料(鐵基非晶、鈷基非晶、鐵基微晶、鈷基微晶等)。即使同一種材料，如果所含成份不同，性能、價格和適用條件(頻率和溫度范圍)差別很大。如日本TDK的錳鋅鐵氧體材料，根據其性能指標和適用條件不同，就分為PC20、PC30、PC40等多種。另一方面，為了適應小功率開關電源的需要，磁性元件的結構不斷向超薄型、平面型發(fā)展。如平面變壓器以單層或多層印刷電路板代之銅導線，因而厚度遠低于常規(guī)變壓器，能夠直接制作在印刷電路板上。其突出優(yōu)點是能量密度高，因而體積大大縮小，相當于常規(guī)變壓器的20%；效率通常高達97%～99%；工作頻率高，從50kHz到2MHz；具低漏感(小于0.2%)和低電磁干擾(EMI)。

電容器是與磁性元件對偶的一種儲能和濾波元件。直流電容器以鋁電解和鉭電解電容器為主。交流電容器根據電壓等級、容量和使用頻率的不同，種類繁多，如云母電容器、紙介電容器、聚苯乙烯電容器、聚丙烯電容器、滌綸電容器、復合介質電容器、獨石電容器等等。

鋁電解電容器的工作溫度范圍一般是85℃，當工作溫度每升高10℃其壽命就減短一半。由于電力電子裝置內部的環(huán)境溫度相對較高，為了電容器的壽命能與裝置的其它元器件壽命相匹配，需要采用105℃的電解電容器，而不是85℃的電容。超容電容器是近年來的最新進展，它采用獨特的金屬/碳電極技術和先進的非水電解質，具有極大的電極表面和極小的相對距離，單元容量達到10F2700F。利用超容電容器的串聯組合或并聯組合，可得到高壓組件或高能量存儲組件。650V的高壓高能量組件已得到應用。美國的麥克韋爾公司一直保持著超容電容技術的世界領先地位。

吸收電容(snubbercapacitor)和諧振電容(resonancecapacitor)是電力電子應用技術中不可或缺的新型電容。吸收電容要求吸收的峰值電流大，電容本身的等效電感��；而諧振電容要求有效值電流大，電容本身損耗小。如果選擇使用不當，電容器很容易損壞。

無論開關器件，還是電抗器、變壓器和電容器，在使用或參數設計時,都要合理地選擇電壓、電流和開關頻率，以及考慮與熱損耗、電磁干擾等的相互關系。

1.2電力電子應用技術的主要領域

1.電源設計領域

廣義上講，電力電子應用技術就是電能變換的技術，都屬于是電源設計。一般意義上講，電源設計以DC/DC開關電源為主，也包含一些AC/DC電源，甚至DC/AC電源。從應用方面看，主要以計算機、通訊電源為主，兼顧一些特殊行業(yè)的需要，如電化學電源和冶煉加熱電源等。

現代計算機都依賴于開關變換器的直流電源，如臺式機的開關電源、筆記本電腦的電池管理開關電源、服務器的冗余供電開關電源。它們具有多路獨立輸出、多電壓等級的特點，其設計也處處滲透著電力電子應用技術的最新成就。

給計算機和網絡系統(tǒng)供電主要采用分布式結構電源，它包括離線式有源功率因數校正(PFC)電路和后級的多個負載點的DC/DC變換器。這種結構分布式結構的中間電壓級主要是12V的電壓總線或48V的電壓總線，它們通過各DC/DC變換器把能量傳遞到各獨立的功能板或子系統(tǒng)中。

通訊工業(yè)是供電電源和電池的最大用戶之一，使用范圍從無繩電話的小電源到超高可靠性的后備電源系統(tǒng)。它的電源系統(tǒng)與計算機的電源結構類似，前端是離線式有源功率因數校正(PFC)電路，后端是DC/DC前向變換給電話系統(tǒng)直流48V的配電總線提供大電流輸出。

為了降低集成芯片的工作損耗，低電壓的芯片供電電源開發(fā)非常熱門。這就需要高功率密度、低功耗、高效率的性能指標，以及同步整流、多相多重、板上功率變換以及板級互聯等新技術。目前，國外實驗室已開發(fā)出70A/1.2V、效率87％的高性能電源。在不久的將來，一種更先進的芯片級的互聯技術和功率變換技術將會出現在世人面前。

2．電機傳動領域

全國的電機每年要消耗約62％的電能。電力電子應用技術在電機傳動領域不僅能給電機提供好的調速性能，還能大大節(jié)約能源。目前，三相380V/400kVA以下的電動機IGBT通用變頻裝置國際上業(yè)已成熟。3~10kV/400kVA以上電機傳動變頻器還很有市場前景。因為這樣電壓和功率等級的中、大型電動機負載大體都是各行業(yè)的主要機組，節(jié)能潛力很大，對國民經濟的影響十分顯著。以下四種類型的電動機傳動與電力電子應用技術密切相關：（1）工藝調速傳動這類傳動要求機器按一定的工藝要求實施運動控制，以保證最終產品的質量、產量和勞動生產率；（2）節(jié)能調速傳動風機、泵類消耗全國總發(fā)電量的30%左右，用電動機變頻調速來取代傳統(tǒng)的風檔、法門閥門來調節(jié)流量，估計全國每年可節(jié)電百萬千瓦時；（3）牽引調速傳動如軌道交通電傳動車組、城市無軌電車，電梯、礦井卷揚機等，既

提高運輸效率、顯著節(jié)能，又減少污染，保護環(huán)境；（4）精密調速和特種調速數控機床的主軸傳動和伺服傳動是現代機床的不可分割部分，雷達和火炮的同步聯動等軍事應用，都要求電動機有足夠的調速范圍（例如1：10000以上）和控制精度。

3.電力系統(tǒng)領域

電力系統(tǒng)是電力電子技術應用的一個重要領域。最早成功應用于電力系統(tǒng)的大功率電力電子技術是直流輸電（HVDC）�；�于電力電子應用技術在電力系統(tǒng)中的作用，1986年美國電力科學研究院提出了柔性輸電（FACTS）概念，1988年又提出了定制電力（CustomerPower）的概念。在發(fā)電環(huán)節(jié)的應用，有大型發(fā)電機的靜止勵磁控制，水力、風力發(fā)電機的變速恒頻勵磁等；在輸電環(huán)節(jié)中的應用，有直流輸電（HVDC）和輕型直流輸電（HVDCLight）技術、統(tǒng)一潮流控制器和可控串聯補償器等；在配電系統(tǒng)中的應用，如動態(tài)無功發(fā)生器、電力有源濾波器等。以電力電子應用技術為手段，FACTS主要通過控制電力系統(tǒng)的基本參數來靈活控制系統(tǒng)潮流，以提高輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸送容量為目標；定制電力以加強供電可靠性和提高電能質量為目標。

4．汽車電子領域

汽車工業(yè)領域已成為電力電子應用技術的主要增長點。電力電子在新一代汽車上主要應用于以下方面：用電力電子開關器件替代傳統(tǒng)的機械開關和繼電器；用電力電子控制系統(tǒng)對車上負載進行精密控制；利用電力電子技術改造原有的12V電源系統(tǒng)，使之成為多電壓系統(tǒng)；使用適合電力電子控制的、更先進的驅動電機。預計在不久的將來，從小功率的車窗、座椅控制，到大功率電傳動系統(tǒng)，都蘊涵著電力電子應用技術的最新成就。另外，電子點火器，電壓調節(jié)器，電機驅動控制和音響系統(tǒng)是當前最普遍的應用。

5．綠色照明領域

照明是人類文明的永恒需求。照明用電約占全國發(fā)電量的10－12％，很有節(jié)能的潛力。電光源在100多年里經歷了“白織燈-直管熒光燈-高壓放電燈-節(jié)能熒光燈-無燈絲燈”等幾代產品。80年代，隨著電力電子變頻技術的發(fā)展成熟，高頻應用又促成某些更新一代電光源的誕生，從此，電力電子應用技術在綠色照明中開始占有重要的一席之地。一個典型的例子是，緊湊型節(jié)能燈和電子鎮(zhèn)流器的問世，吹響了以照明節(jié)能為中心的綠色照明的前奏曲。采用不同成分的稀土熒光粉可制成各種色溫的氣體放電節(jié)能燈，發(fā)光率比常規(guī)熒光燈提高一倍，可以做成各種形狀便于緊湊安裝，替代白織燈，可節(jié)電75%－80%。電子鎮(zhèn)流器是電力電子應用技術的具體應用之一，它實際上是一個電子變頻器（從50Hz變換到30kHz以上）加一個高頻電感鎮(zhèn)流器。采用電子鎮(zhèn)流器后，高頻電感比工頻電感減輕幾十倍的重量，節(jié)省材料

80%左右，燈管的的實際工作壽命延長3－5倍，同時能提供更好的性能，更低的損耗，和更高的亮度。

6．新能源開發(fā)領域

在世界石油、煤炭等化石能源日益緊缺的今天，低耗高效和尋找開發(fā)新能源是根本出路，因而，可再生能源以及燃料電池受到世界各國的高度重視。再生能源是指可自行再生的能源，如日光能、風能、潮汐能、地熱能以及生物廢料能等。從燃料電池、微燃氣輪機、風能、太陽能和潮汐能等新能源中得到的一次電能，難以直接被標準的電氣負載使用。所以，將其高效而經濟地轉換為民生用電，已成為先進科技國家兼顧環(huán)保和發(fā)電的重要產業(yè)政策。電力電子是解決能源問題的關鍵技術，它對新能源的開發(fā)、轉換、輸送、貯存和利用等各方面發(fā)揮著重要作用。如太陽能光伏發(fā)電。太陽能電池板獲得的原始直流電壓是與太陽光強度等因素有關的，它需要通過一個DC/DC變換器來穩(wěn)定直流電壓，再通過DC/AC變換器變?yōu)樗�要求的交流電，或直接供負載使用，或將電能饋入市電。

1.3電力電子應用技術的主要作用

1．是國民經濟可持續(xù)發(fā)展的重要措施

世界能源日趨緊張，根據全世界石油生產統(tǒng)計，石油產量將于十年內達到高峰，爾后產量將逐年降低，這不僅意味著油價（電價）上升，也可能導致真正石油危機的到來，間接引發(fā)全球經濟風暴。以最少的能源和材料消耗換取最大的產出，就是在有限能源和有限資源的條件下，保持人類生存環(huán)境少受污染、保證經濟可持續(xù)發(fā)展的重要條件。201*年，我國消耗的原油占全世界的7.4%，原煤占31%，鐵礦石占30%，鋼材占27%，氧化鋁占25%，水泥占40%，但創(chuàng)造的GDP僅相當于世界總量的4％。可見，我國能源消耗和創(chuàng)造的國民經濟產值GDP比在全世界是相當低的，這種高投入、高消耗、高排放、低效率的粗放型經濟增長方式不可能持續(xù)發(fā)展。以功率處理為對象的電力電子技術，是緩解和克服當今世界“能源危機、資源危機和環(huán)境危機”三大危機的重要技術手段之一。

電力電子應用技術在各行業(yè)現代化技術改造中發(fā)揮著重大作用。傳統(tǒng)機電產品只是在其額定工作點附近運行時效率才比較高，但是多數實際工況均偏離額定，因此高效設備經常處在低效運行狀態(tài)，這是我國能耗遠高于西方發(fā)達國家的重要因素之。電力電子與微電子／計算機技術相結合，通過改變各種工況下電源的頻率、電壓、相位等參數，使整個系統(tǒng)處于高效運行狀態(tài)，可大大節(jié)約電能。采用變頻調速節(jié)能一般在10％－30％，有時高達40％。例如，1995年－1997年3年間，國家投入風機和水泵等變頻調速改造3.5億元，年節(jié)電達

7億千瓦時，兩年就收回投資。因此，電力電子在運動控制、工業(yè)電源、綠色照明、電力系統(tǒng)以及諧波治理、環(huán)境保護和新能源開發(fā)領域中的應用，是實現高效節(jié)能、省材，機電一體化、自動化、智能化的技術保障。

2．是實現國民經濟信息化的關鍵接口

隨著計算機、數字通訊和網絡技術的發(fā)展，世界已進入信息社會。當前，發(fā)達國家在高度工業(yè)化的基礎上正進一步實施國民經濟的信息化，進入了以信息化帶動其它產業(yè)發(fā)展的時代。人們意識到，為了把信息技術深化應用到各個物質生產領域，以信息流控制能源流/物料流，就必須加強信息控制、電網供電和生產機械之間的接口弱電控制強電的電力電子產業(yè)。

從技術發(fā)展來講，在發(fā)展超大規(guī)模集成電路(VLSI)的同時，大力發(fā)展有超大面積集成(VLAI)之稱的電力半導體器件；在實現信號變頻來傳遞信息的同時，大力推動功率變頻，實行電能的優(yōu)化利用。采用電力電子變頻技術，不僅節(jié)能省材、技術含量增高，還可方便地同計算機或微處理器、數字信號處理器等接口，易于采用軟件控制，擴大智能化程度。例如，在通信用AC-DC電源中，采用IGBT或功率MOSFET管的現代開關電源，比傳統(tǒng)線性電源的體積、重量減少90％；老式直流電焊機重200-300kg，效率僅30％，現代IGBT逆變焊機，重量只有20-30kg，效率卻高達85％以上。

大力發(fā)展現代電力電子應用技術，既可促使傳統(tǒng)產業(yè)許多產品的更新換代，又可為信息指令指揮物質生產架起橋梁，使信息化深入到物質生產中去。如，未來代替燃油汽車的電動車控制系統(tǒng)是一個包括“電池電腦電控電動機”的電子系統(tǒng)。電源轉換、運動控制、安全與導航將是該電子系統(tǒng)的三大功能。未來的各行業(yè)將有自己的專用電子設備，汽車電子、航空電子、照明電子、印刷電子等等。那時電子部門將只提供計算機、通用軟件、基礎件(集成電路、電子元器件)和某些通用電子產品。只有弱電電子工業(yè)，不能直接控制生產機械，只有強電電子，即電力電子應用技術發(fā)展了，強電弱電相融合，構成信息電子電力電子傳感電子的“大電子系統(tǒng)”，真正實現“機械電子一體化”，國民經濟的水準才會有質的躍變。

3．是促進高科技發(fā)展和國防現代化的基礎

巡航導彈、機器人是很輕巧的機電一體化系統(tǒng)，它包含了復雜的運動控制速度、加速度、位置、角度的全面控制，也包含了各種功率的變換給這些系統(tǒng)的各個部位提供不同的電壓、電流、頻率、相位等控制，而運動控制和功率變換正是電力電子應用技術的主要內容。航天器上每增加1kg載荷，從地面起航時必須增添500kg燃料和設施。電力電子應用技術可使各種電磁設備大幅度減輕重量，不言而喻，這對航天、航空、航海等具有重大價值。

在戰(zhàn)艦中，速度就是生命、就是勝利。普通內燃機驅動的輪渡船，時速只有21公里/小時，全電驅動的輪渡船，速度可達60公里/小時。

現代艦船電氣化程度越來越高。艦船上的電力負載，武器和防衛(wèi)裝備的控制系統(tǒng)，通信導航設備，電熱、制冷、照明和其他生活用電設備，需要各種不同的電源。既要有恒定直流或恒壓工頻交流電，也要有可變的直流電源或三相交流變頻變壓電源。而通信導航設備、艦船指揮儀、聲納、雷達，部分設備甚至還要求脈沖沿非常陡的高頻脈沖電源。另外，現代化的個人野戰(zhàn)武器裝備需要有微型衛(wèi)星定位系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)。而這些都需要效率很高、重量很輕的電源變換器把電池電壓變?yōu)楦鞣N所需電壓。所有這些電源都需要電力電子應用技術的支撐。

1.4電力電子應用技術的發(fā)展方向

為了電力電子元器件更加實用、高效、可靠地應用到電能變換電路系統(tǒng)中，電力電子應用技術的發(fā)展方向大致有以下六個方面。

1．集成化

電力電子電路的集成化也在迅猛發(fā)展。在有源器件的封裝集成方面，通過改變器件內部的連線方式并把有關控制和保護功能封裝進去，減小了器件內部連線電感和器件封裝熱阻，提高了內部連接可靠性和增加了器件功能。對無源器件，通過把磁性元件(電感或變壓器)集成，或者把電感和電容集成，可以減少構成電力電子裝置的元器件個數，提高系統(tǒng)可靠性，同時還能有效利用電感和電容的分布參數。在功率稍低的應用中，已經可以把控制、驅動、保護和電力電子主電路集成在一起，這就是系統(tǒng)集成，這種系統(tǒng)集成的功率等級正在逐步提高。在功率等級較高，系統(tǒng)集成難以實現時，模組化是個選擇。模組化是模塊組合化的簡稱。例如，從一個開關器件到三相逆變橋臂的6個開關器件的模塊組合，以減小體積和提高可靠性；開關器件模塊和散熱器的集成組合，以減小從器件到散熱介質之間的熱阻；把變換器橋臂的器件與驅動、保護和散熱器組合在一起成為一個整體，以方便裝卸和更換。

2．智能化

開關器件的功能不斷擴大，品種日益增多。通過數字芯片和通訊網絡等手段，可以使其不僅具有開關功能，還有控制、驅動、檢測、通訊和故障自診斷等功能。隨著集成工藝的提高和突破，有的器件還具有放大、調制、振蕩及邏輯運算的功能，使用范圍得到拓寬而線路結構得到簡化。

3．高壓化

目前，電力電子器件的耐壓等級與工業(yè)應用中需要的電壓等級相比還很小，使其應用受到限制。如，半控開關器件晶閘管為8000V，全控開關器件IGBT只有6500V。為了使開關器件應用在高電壓場合，一種途徑是在拓撲電路方面進行探索，目前的技術大致有多電平變換器技術和多橋級聯技術兩種；另一種是在器件本身方面進行探索，目前主要有器件直接串聯技術和器件材料和工藝的改進技術。如SiC技術等。

4．高頻化

一般情況下，電力電子裝置中的磁性元件和電容器約占1/3體積和1/3以上的重量。為了減小電力電子系統(tǒng)的體積和重量，提高功率密度、改善動態(tài)響應，提高開關變換器工作頻率是必由之路。但高頻化的結果導致器件的開關損耗及無源器件損耗增大、寄生參數影響增大、EMI增加。因此，圍繞著高頻化應加強產生了許多新技術的應用基礎研究。一是改進器件本身的性能，如新型高頻開關器件、新型高頻磁元件的應用基礎研究；二是采用新型軟開關拓撲，三是采用多重化技術。

5．高效化

合理選擇電路、改進控制技術和提升器件性能是提高電力電子裝置效率的根本措施。在低電壓大電流的變換器中，采用同步整流技術可降低整流電路中器件的通態(tài)損耗。在高頻變換器中采用軟開關技術，有利于降低器件的開關損耗。SiC材料器件是開關器件發(fā)展的一個方向。美國戴姆樂克萊斯勒公司的試驗結果表明，用SiC二極管取代IGBT模塊中現有的Si材料反并聯二極管后，開關模塊的開通損耗和關斷損耗分別減小到1/3和1/5。

參考文獻

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