电子电力技术概念

电力电子技术的研究内容

电力电子技术概述

电力电子技术是电气工程与技术、电子科学与技术控制理论三大学科的交叉学科，诞生于20世纪50一60年代。1974年美国学者W．Newell提出了电力电子学的定义，并用倒角形对，b力电子学做了描述(图1—1)，表明电力电子学是由电气工程与技术、电子科学与技术和控制理论三个学科交叉形成的。这一观点已被学术界普遍接受。

从定义可见，电力电子技术是依靠电力电子器件组成各种电力变换电路，实现电能的高效率转换与控制的一门学科。ST代理商它包括电力电子器件、电力电子电路(变流电路)和控制技术三个组成部分。其中，电力电子器件是电力电子技术的基础，变流电路是电力电子技术的核心，而控制技术是电力电子技术发展的纽带。电力电子技术的研究任务是把各种电力器件实用、简效、可靠地应用于电能变换系统，它包括电力电子器件的工作原理与应用、变流电路的基本原理、控制技术以及电力电子装置的开发与应用等。

二、电能变换的基本类型

电力电子电路的根本任务是实现电能变换和控制。电能变换的基本形式有四种：Ac ／Dc变换、Dc／Ac变换、Dc／Dc变换、Ac／Ac变换，在某些变流装置中，可能同时包含两种以上变换。

(一)AC／DC变换

将交流吧能转换为固定或可调的直流电能的电路即为Ac／Dc变换，也叫整流电路。由电力二极管可组成不可控整流电路；用晶问管或其他全控型器件可组成可控整流电路。以往使用最方便的整流咆路为晶同管相控整流rb脐，其特点是控制简单，运行可靠，适宜大功率应用。存在的问题有：网侧功率因数低、谐波严重。内全控型器件组成的PwM整流电

路因具有高功率因数等优点，近年来得到进一少发展与推广，应用前景十分广阔。

(二)Dc从c变换

将直流电能转换为频率固定或可调的交流屯能的电路，常称为逆变电路。逆变LU 路不但能使直流变成可调的交流，而且可输出连续可调的工作频率。完成逆变的山力屯子装置称为逆变器。如揪将逆变器的交流侧接到交流屯网上．把直流电逆变成同频率的交流屯反送别电网去，称为有源逆变。它主要用于直流EU机的可逆调速、绕线转子异步rb动机的申级晌速、i苟压直流输电和太阳能发电等方面。如兴将逆变器的交流侧直接接到负载上，把立流心逆变成某一频率或可调频率的交流电供给负载，则称为无源逆坐。主耍在交流电机变频调速、感应加热、不间断电源(uPs)等方面应用十分广泛，是构成电力电子技水的重要内容。

(三)DC／DC变换

将一种直流电能转换成另一固定电压或可调电压的直流电的Lb路即为Dc／DL变换，也称为斩波电路。斩波电路大都采用PwM控制技术。它广泛地用于计算机电源、各类仪器仪表、直流Lb机调速及金届焊接等。

[四)Ac／Ac变换

将固定大小和频率的交流电能转化为大小和频率可调的交流电能的电路，即为人c ／Ac变换或交流变换电路。交流变换电路可分为交流调压电路相交E交变频电路。交流调压电路征维持电能频率不变的情况下改变输出电压幅佰。它广泛应用于电炉温度控制、灯光调节、异步Eb动机的软启动和调速等场合。交—交变频rb路亦称周波变换器，它把电网频率的交流电直接变换成不同频率的交流电，主要用于大功率交流电动机调这系统。

电力电子技术发展概况

电力电子器件是电力电子技术发展的基础，也是EU力电子技术发展的动力。从1957年美国通用电气(G正)公司发明了半导体开关器件——晶同管(喇％on cont?011ed rcct小er，SCR)以来，电力电子器件已经走道了50年的概念更新、性能换代的发展历程。大体可分为以下三代：

(一)第一代电力电子器件

以硅整流管和晶问管(scR)为代表的第一代电子电力器件，以共休积小、功耗低等优点首先在大功率整流电路中迅速取代老式的汞弧整流器，取得了明显的节能效果．并奠定丁现代屯力电子技术的基础。硅整流管又称电力二极管，产生于20世纪40iF代．是电力电子器件中结构最简单、使用员广泛的一种器件。目前，硅整流管已形成份通整流管、快恢复整流管和肖持基整流管三种主要类型。电力二极管对改善各种电力电子电路的性能、降低rb路损耗和提高电源使用效率等方面都具有非常重要的作用。‘随着各种高件能电力电子器件的山现，开发具百良好高频性能的电力整流管显得非常必要。目前，人们已经迥过新颖结构的设刘和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出一些新型高压伙恢复整流管。

1957年硅品闸管问世以后，电力电子器件的研究者作出了不懈的努力，经过结构的改进和工艺的改革，伎新器件不断出现．ATMEL单片机相继开发出一系列品间管的派生器件。1964年，双向晶间管在cE公司开发成功。196i年，小功率光触发品间管出现，为共后出现的光糊合器打下了基础。20世纪60午代后期，大功率逆变品问管间世。成为当时逆变电路的基本万件。1974年，逆导品刚管和非对称品闸管研制完成。经过工艺完苦和应用开发，到20址纪70年代，晶间管已经形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品。普通晶闸管广泛应用于交直流调速、调光、调温等低频(400H z以下)领域，运用出它所构成的电路对电网进行控制和变换是一种简便而经济的方法。不过，这种装置的运行会产生波形畸变和降低功率因数，影响电问的质量。目前的技术水平为12000v／1000A和6500v／4000A。双向晶间管常用于交流调压和调功电路巾。光控晶闸管是通过光俏号控制品间管导通的器件．它具

有很强的抗干扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被应用于高压直流输电(HvDc)、静止无功功率补偿(sVc)等领域。逆变晶闸管因具有较短的关断时间(10—15s)，主要用于巾频感应加热。在逆变电路中，它已让位于GTR、GTo、IGBT等新器件。与普通品问管相比，逆导晶闸管具有关断时间短、正向压降小、额定结温高、高温特性好等优点，主要用于逆变器和整流器中。

由晶闸管及其派生器件构成的各种电刀电子系统，征工业应用中主要解决了传统的屯能交换装置中所存征的能耗大和装置笨巫等问题，因而大大提高丁电能的利用率，同时也使工作噪声得到一定程度的控制。近十几年来，随着自关断器件的飞速发展，晶间管的应用领域有所缩水，但是，由于品闸管具有向电压大电流特性，因此它在高压直流输电(HvDc)、静止无功补偿(lVc)、大功率育流电源及超大功率和高压受频调速应用方面仍占有十分重要地位。预计在今后若干午内，品间管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。然而，由于晶间管是只能通过门极电压控制共导通，而不．能控制其哭断的半控型器件，这就使它的应用范围受到了极大的限制。

(二)第二代电力电子器件

以GTR、MOsFE7、ICBT为代表的具有自关断能力的全控型器件称为第二代电力电子器件。全控型器件可以控制开逝和关断，大大提i勾丁开关控制的灵活性。20世纪70年代中期起，电力晶体管(GTR)、可关断晶问管(GTO)、电／J场控晶体管(功率MoSFET)、静电感应晶体管(sIT)、M0s控制品间管(MCT)、绝缘栅双极晶体管(1GBT)等通、断两态双可控器件相继问世。全控型器件的开关速度普遍高于晶间管，可用于开关频率较高的电路。功率MosFET是低压范围内最好的功率开关器件．目前广泛应用于高频开关电源、汁算机电源、航空电源、小功率uPs以及小功率变频器等领域。IcBT器件是一种N沟道增强型场控(电压) 复合器件。它兼有功率MosFET和双极型器件的开关速度快、安全工作区宽、驱动功率小、耐高压、载流能力大等优点。在大容显、；勾频率的电JJ电子电路中表现出非凡的性能，因此，IGBT器件将是促进高频电力电子技术发展的一种比较理想的基础元件。现在的电力电子器件可直接用Ic(集成控制器)进行驱动，高频持性更好制造技术已进入了和微电子技术相结合的初级阶段。

(三)1第三代电力电子器件

第三代电力电子器件是以Ptc等功率集成心路为代表的高度智能化器件进入20世纪90午代以后，电力电子器件的研究和开发己进入高频化、标准模块化集成化和智能化时代。电力电子器件的高频化是今后电力电于技术创新的主导方向，而硬件结构的标难模块化是电／J电子器件发展的必然趋势。功率集成电路(PIc)是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护屯路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路。一般将其分为智能功率集成电路(sPIc)和高压集成电路(Hvlc)两类。但随着PIc的不断发展，sPIc与Hvlc在工作电压和器件结构上(垂直或横向)都难以严格区分，已习惯于将它们统称为智能功率集成电路或功率Ic。sPIc是机电一体化的关键接u，h路，是soc(系统级芯片sy瓤em on chip)的核心技术。它将信息采集、处理与功率控制台一，是引发第二次电子革命的关键技术。以5PIc、Hvlc 等功率集成电路为代表的发展阶段，使电／J电子技术与微电子技术更紧密地结合在一起，是将全控型电力电子器件与驱动电路、控制电路、传感电路、保护电路、逻供电路等集成在一起的向度智能化的功率集成电路。Atmel它实现了器件与电路的集成，强吧与弱电、功率流与信息流的集成，成为机和电之间的智能化接D，是机电一体化的基础单元。sPIc的发展将会使lh力电子技术实现第二次革命，进入全新的智能化时代。综上所述，电力电子器件经过了50多年的发展，器件制造技术水平不断提高，新型器件不断涌现，为电力电子技术的发展作出了新的贡献。wxq$#