现代电力电子技术综述_李平锋
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[7] 方舒燕.电力电子技术及在电力系统中的应用现状及前景
[J].高电压技术，2005，31（5）：64-66. [8] 汤永福，贺之渊.2008 年国际大电网会议系列报道—高压
直流输电和电力电子技术最新进展[J].电力系统自动化， 2008，32（22）：1-5.
Review of Modern Power Electronic Technology
现代电力电子技术是高效节能、节约原材料、实用 性极强的高新技术，具有广阔的应用空间。不仅用于 一般工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、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广泛的应用。现就两个重要的应 用领域加以阐述。
1）一般工业。工业中大量应用各种交直流电机， 全世界用电量有 60%左右是电动机消耗掉的。直流电 动机有良好的调速性能，为其供电的可控整流电源或 直流斩波电源都是电力电子装置。近年来，随着交流 变频调速技术的发展，交流调速传动开始大量应用并 占据主导地位。用于交流变频调速的变频器更离不开 电力电子技术。不仅如此，电化学工业中大量使用的 直流电源也是由电力电子装置提供的；冶金工业中的 高频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等都 要用电力电子技术[4]。
4）基于新型材料的电力电子新器件。从晶闸管
收稿日期：2011-10-08 作者简介：李平锋（1969-），女，山西壶关人，工程师，本科，现从事电机与电器设计工作。E-mail: li.ping.feng@163.com
·49·
第 1 期（总第 125 期）
机械管理开发
2012 年 2 月
问世到各种高性能 IGBT 的出现，电力电子器件经过几 十年的发展基本上都表现为对器件结构原理和制造工 艺的改进和创新，在材料的应用上始终没有突破硅的 范围。随着硅材料和硅工艺的日趋完善，各种硅器件 的性能逐步趋于其理论极限。而现代电力电子技术的 发展却不断对电力电子器件的性能提出了更高的要 求，尤其是希望器件的功率和频率得到更高程度的兼 顾。因此，越来越多的电力电子器件研究工作转向了 对应用新型半导体材料制造新型电力电子器件的研 究。结果表明，就电力电子器件而言，硅材料并不是最 理想的材料，比较理想的材料应当是临界雪崩击穿电 场强度、载流子饱和漂移速度和热导率都比较高的宽 禁 带 半 导 体 材 料 ，这 种 材 料 比 较 典 型 的 有 砷 化 镓 (GaAs)、碳化硅(SiC)等。目前，随着这些材料的制造技 术和加工工艺日渐成熟，使用宽禁带半导体材料制造 性能更加优越的电力电子新器件已成为可能[3]。21 世 纪初，碳化硅肖特基势垒二极管(SBD)首先揭开了碳化 硅器件在电力电子领域替代硅器件的序幕。随后，高 耐温、高耐压的碳化硅场效应器件、碳化硅 IGBT、碳化 硅双极型器件纷纷出现，预示着不远的将来集高电压、 大 电 流 、高 工 作 频 率 等 优 点 于 一 身 的 新 型 器 件 即 将 诞生。 2 现代电力电子技术的应用
管，可用于开关频率较高的电路。这些优点使电力电 子技术的面貌焕然一新，把电力电子技术推进到一个 新的发展阶段。
3）电力电子器件的新发展。为了解决 MSOFET 在高压下存在的导通电阻大的问题，RCA 公司和 GE 公司于 1982 年开发出了绝缘栅双极晶体管（IGBT）,并 于 1986 年开始正式生产并逐渐系列化。IGBT 是 MOS⁃ FET 和 BJT 得复合，它把 MOSFET 驱动功率小、开关速 度快的优点和 BJT 通态压降小、载流能力大的优点集 于一身，性能十分优越，使之很快成为现代电力电子技 术 的 主 导 器 件 。 与 IGBT 相 对 应 ，MOS 控 制 晶 闸 管 (MCT)和集成门极换流晶闸管（IGCT）都是 MOSFET 和 GTO 的复合，它们都综合了 MOSFET 和 GTO 两种器件 的特点。
（山西防爆电机（集团）有限公司，山西 长治 046011）
摘 要：介绍电力电子器件的发展过程，说明电力电子器件的最新发展情况及未来的发展趋势。就现代电力电子 技术的应用现状，着重说明其在一般工业及电力系统中的应用。最后介绍电力电子技术未来的发展趋势及应用前景。 关键词：电力电子器件；电力电子技术；电力系统 中图分类号：TN3 文献标识码：A 文章编号：1003-773X（2012）01-0049-03
DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2012.01.105
第 1 期（总第 125 期） No.1（SUM No.125）
机械管理开发 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2012 年 2 月 Feb.2012
现代电力电子技术综述
李平锋
2）全控型器件（第二代电力电气器件）。随着半 导体技术的不断突破及实际需求的发展，从上世纪 70 年代后期开始，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极 晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET） 为代表的全控型器件迅速发展[1]。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。此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸
电力电子技术包含电力电子器件制造技术和变流 技术两个分支，电力电子器件的制造技术是电力电子 技术的基础。电力电子器件的发展对电力电子技术的 发展起着决定性的作用，电力电子技术的发展史是以 电力电子器件的发展史为纲的。
1）半控型器件（第一代电力电子器件）。上世纪 50 年代，美国通用电气公司发明了世界上第一只硅晶 闸管(SCR)，标志着电力电子技术的诞生。此后，晶闸 管得到了迅速发展，器件容量越来越大，性能得到不断 提高，并产生了各种晶闸管派生器件，如快速晶闸管、 逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。但是，晶闸 管作为半控型器件，只能通过门极控制器开通，不能控 制其关断，要关断器件必须通过强迫换相电路，从而使 整个装置体积增加，复杂程度提高，效率降低。另外， 晶闸管为双极型器件，有少子存储效应，所以工作频率 低，一般低于 400 Hz。由于以上这些原因，使得晶闸管 的应用受到很大限制。
0引言 电力电子技术就是使用电力半导体器件对电能进
行变换和控制的技术，它是综合了电子技术、控制技术 和电力技术而发展起来的应用性很强的新兴学科。随 着经济技术水平的不断提高，电能的应用已经普及到 社会生产和生活的方方面面，现代电力电子技术无论 对传统工业的改造还是对高新技术产业的发展都有着 至关重要的作用，它涉及的应用领域包括国民经济的 各个工业部门。毫无疑问，电力电子技术将成为 21 世 纪的重要关键技术之一。 1 电力电子技术的发展［1］
2）电力系统。电力电子技术在电力系统中的应 用表现在发电、输电、配电、用电的各个环节。（1）发电 环节。电力电子技术在发电环节中的应用，一方面表 现在改善传统发电设备的运行特性上，比如大型发电 机的静止励磁采用晶闸管整流并励方式时具有结构简 单、可靠性高及造价低等优点；另一方面表现在风能、
·50·
太阳能并网发电等新能源利用上，比如太阳能电池阵 列直流电转换为交流电的系统核心是具有最大功率跟 踪功能的逆变器。（2）输电环节。高压直流输电技术 在远距离输电时优越性很多。1970 年，世界第一项晶 闸管换流阀试验工程在瑞典建成，标志着电力电子技 术正式用于直流输电。其后，随着全控型器件的出现 及 PWM 控制技术的成熟，新一代 HVDC 技术应用越发 广泛。基于电力电子技术用于改善电网环境的有源电 力滤波器（APF）、静止无功补偿器（SVC）也获得实际 应用[5]。电力电子技术与现代控制技术结合的柔性交 流输电技术（FACTS）对电力系统电压、参数、相位角、 功率潮流的连续调控可大幅降低输电损耗，提高输电 能 力 和 系 统 稳 定 水 平 。 近 年 来 ，柔 性 交 流 输 电 技 术 （FACTS）已在美国、日本、瑞典、巴西等国获得实际应 用，国内也有深入研究和发展；（3）配电及用电环节。 用户电力（Custom Power，简写为 CP）技术是电力电子 技 术 和 现 代 控 制 技 术 在 配 用 电 系 统 中 的 应 用 ，它 和 FACTS 技术原理相同，主要用于加强供电可靠性和提 高 供 电 质 量 。 典 型 的 CP 产 品 有 动 态 电 压 恢 复 器 （DVR）、固态断路器（SSCB）、故障电流限制器（FCL）、 统一电能质量调节器（UPQC）等[6]。 3 现代电力电子技术发展趋势及应用前景
LI Ping-feng
(Shanxi Explosion-proof Motor(Group) Co.,Ltd,Changzhi 046011,China) Abstract：Introduce the development of the power electronic devices,and the latest development as well as the development tendency of the power electronic devices are illustrated. In terms of the present application of modern power electronic technology,this paper highlights its ap⁃ plication in electric power system and general industry.Future development trend of modern power electronic technology and its application prospect are given too. Key words：power electronic devices；power electronic technology；electric power system
当前,电力电子技术已进入高频化，标准模块化， 集成化和智能时代。理论和实验证明电气产品的体积 与质量反比于供电频率的平方根，频率提高对其设备 的制造省材，运行节能和系统性能改善(尤其对航天工 业)意义十分深远。电力电子器件高频化是其创新的 主导方向，硬件结构的标准模块是器件发展的必然趋 势。目前先进模块已和包括开关元件和与其反向并联 的续流二极管及驱动保护电路多个单元且均以器件 标准化和产品系列化，其一致性与可靠性达到极高水 平 。 [7] 现日本三菱、东芝及美国的国际整流器公司已 有成熟的 IPM 智能化功率模块产品推出。电力电子技 术随着新元器件的研发及现代计算机、控制技术的迅 速发展而应用领域更加广泛，应用性能更加完善可靠， 并引起了电力系统的重大变革，新的大功率电力电子 器件的研发和应用将成为 21 世纪电力研究的前沿[8]。
参考文献 [1] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，
2000. [2] 赵定远，赵莉华.现代电力电子器件的发展[J].成都大学学
报（自然科学版），2007，26（9）：210-214. [3] 吴 郁.2008 年 IEEE 功率半导体器件及集成电路国际会
议评述[J].电力电子，2009（2）：6-16. [4] 杨 勇.高压直流输电技术的发展与应用前景[J].电力自动
为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常 把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的 形式，给应用带来了很大的方便。后来，又把驱动、控 制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电 路（PIC）。功率集成电路代表了电力电子技术的一个 重要发展方向。
近年来，在高压硅器件领域，世界各国的研究者关 注的重点是利用新结构、新工艺去突破极限，挖掘潜 力，努力推进各类器件性能的进一步改善，包括在获得 合理通态电阻的前提下研制耐压更高的超结器件。比 如，ABB 公司在 2008 年 IEEE 功率半导体器件及集成 电 路 会 议（International Symposium on Power Semicon⁃ ductor Devices and Ics，缩写为 ISPSD）上报道了该公司 新研制的逆导型 IGBT（RC-IGBT），耐压高达 3 300 V。 这种 RC-IGBT 是在阳极（或集电极）设置 N+短路区， CE 反偏时即可将 P 阱处 P-N 结的电流引出，构成与 IGBT 共享导电体积的反并联二极管[2]。该结构优化了 IGBT 和内集二极管的性能，并且使二者通态电压均实 现了正温度系数，制成的 1 cm2芯片的额定电流为 62.5 A，模块的额定电流高达 2 250 A。
化设备，2001，21（9）：58-60.
第 1 期（总第 125 期）
机 械李管平锋理：现开代发电力电子技术综述
2012 年 2 月
[5] 王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制与无功功率补偿[M].北 京：机械工业出版社，2005.
[6] 黄顺礼.基于电力电子技术的柔性交流传输设备[J].高电压 技术，2002，17（4）：59-61.
[J].高电压技术，2005，31（5）：64-66. [8] 汤永福，贺之渊.2008 年国际大电网会议系列报道—高压
直流输电和电力电子技术最新进展[J].电力系统自动化， 2008，32（22）：1-5.
Review of Modern Power Electronic Technology
现代电力电子技术是高效节能、节约原材料、实用 性极强的高新技术，具有广阔的应用空间。不仅用于 一般工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、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广泛的应用。现就两个重要的应 用领域加以阐述。
1）一般工业。工业中大量应用各种交直流电机， 全世界用电量有 60%左右是电动机消耗掉的。直流电 动机有良好的调速性能，为其供电的可控整流电源或 直流斩波电源都是电力电子装置。近年来，随着交流 变频调速技术的发展，交流调速传动开始大量应用并 占据主导地位。用于交流变频调速的变频器更离不开 电力电子技术。不仅如此，电化学工业中大量使用的 直流电源也是由电力电子装置提供的；冶金工业中的 高频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等都 要用电力电子技术[4]。
4）基于新型材料的电力电子新器件。从晶闸管
收稿日期：2011-10-08 作者简介：李平锋（1969-），女，山西壶关人，工程师，本科，现从事电机与电器设计工作。E-mail: li.ping.feng@163.com
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第 1 期（总第 125 期）
机械管理开发
2012 年 2 月
问世到各种高性能 IGBT 的出现，电力电子器件经过几 十年的发展基本上都表现为对器件结构原理和制造工 艺的改进和创新，在材料的应用上始终没有突破硅的 范围。随着硅材料和硅工艺的日趋完善，各种硅器件 的性能逐步趋于其理论极限。而现代电力电子技术的 发展却不断对电力电子器件的性能提出了更高的要 求，尤其是希望器件的功率和频率得到更高程度的兼 顾。因此，越来越多的电力电子器件研究工作转向了 对应用新型半导体材料制造新型电力电子器件的研 究。结果表明，就电力电子器件而言，硅材料并不是最 理想的材料，比较理想的材料应当是临界雪崩击穿电 场强度、载流子饱和漂移速度和热导率都比较高的宽 禁 带 半 导 体 材 料 ，这 种 材 料 比 较 典 型 的 有 砷 化 镓 (GaAs)、碳化硅(SiC)等。目前，随着这些材料的制造技 术和加工工艺日渐成熟，使用宽禁带半导体材料制造 性能更加优越的电力电子新器件已成为可能[3]。21 世 纪初，碳化硅肖特基势垒二极管(SBD)首先揭开了碳化 硅器件在电力电子领域替代硅器件的序幕。随后，高 耐温、高耐压的碳化硅场效应器件、碳化硅 IGBT、碳化 硅双极型器件纷纷出现，预示着不远的将来集高电压、 大 电 流 、高 工 作 频 率 等 优 点 于 一 身 的 新 型 器 件 即 将 诞生。 2 现代电力电子技术的应用
管，可用于开关频率较高的电路。这些优点使电力电 子技术的面貌焕然一新，把电力电子技术推进到一个 新的发展阶段。
3）电力电子器件的新发展。为了解决 MSOFET 在高压下存在的导通电阻大的问题，RCA 公司和 GE 公司于 1982 年开发出了绝缘栅双极晶体管（IGBT）,并 于 1986 年开始正式生产并逐渐系列化。IGBT 是 MOS⁃ FET 和 BJT 得复合，它把 MOSFET 驱动功率小、开关速 度快的优点和 BJT 通态压降小、载流能力大的优点集 于一身，性能十分优越，使之很快成为现代电力电子技 术 的 主 导 器 件 。 与 IGBT 相 对 应 ，MOS 控 制 晶 闸 管 (MCT)和集成门极换流晶闸管（IGCT）都是 MOSFET 和 GTO 的复合，它们都综合了 MOSFET 和 GTO 两种器件 的特点。
（山西防爆电机（集团）有限公司，山西 长治 046011）
摘 要：介绍电力电子器件的发展过程，说明电力电子器件的最新发展情况及未来的发展趋势。就现代电力电子 技术的应用现状，着重说明其在一般工业及电力系统中的应用。最后介绍电力电子技术未来的发展趋势及应用前景。 关键词：电力电子器件；电力电子技术；电力系统 中图分类号：TN3 文献标识码：A 文章编号：1003-773X（2012）01-0049-03
DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2012.01.105
第 1 期（总第 125 期） No.1（SUM No.125）
机械管理开发 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2012 年 2 月 Feb.2012
现代电力电子技术综述
李平锋
2）全控型器件（第二代电力电气器件）。随着半 导体技术的不断突破及实际需求的发展，从上世纪 70 年代后期开始，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极 晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET） 为代表的全控型器件迅速发展[1]。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。此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸
电力电子技术包含电力电子器件制造技术和变流 技术两个分支，电力电子器件的制造技术是电力电子 技术的基础。电力电子器件的发展对电力电子技术的 发展起着决定性的作用，电力电子技术的发展史是以 电力电子器件的发展史为纲的。
1）半控型器件（第一代电力电子器件）。上世纪 50 年代，美国通用电气公司发明了世界上第一只硅晶 闸管(SCR)，标志着电力电子技术的诞生。此后，晶闸 管得到了迅速发展，器件容量越来越大，性能得到不断 提高，并产生了各种晶闸管派生器件，如快速晶闸管、 逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。但是，晶闸 管作为半控型器件，只能通过门极控制器开通，不能控 制其关断，要关断器件必须通过强迫换相电路，从而使 整个装置体积增加，复杂程度提高，效率降低。另外， 晶闸管为双极型器件，有少子存储效应，所以工作频率 低，一般低于 400 Hz。由于以上这些原因，使得晶闸管 的应用受到很大限制。
0引言 电力电子技术就是使用电力半导体器件对电能进
行变换和控制的技术，它是综合了电子技术、控制技术 和电力技术而发展起来的应用性很强的新兴学科。随 着经济技术水平的不断提高，电能的应用已经普及到 社会生产和生活的方方面面，现代电力电子技术无论 对传统工业的改造还是对高新技术产业的发展都有着 至关重要的作用，它涉及的应用领域包括国民经济的 各个工业部门。毫无疑问，电力电子技术将成为 21 世 纪的重要关键技术之一。 1 电力电子技术的发展［1］
2）电力系统。电力电子技术在电力系统中的应 用表现在发电、输电、配电、用电的各个环节。（1）发电 环节。电力电子技术在发电环节中的应用，一方面表 现在改善传统发电设备的运行特性上，比如大型发电 机的静止励磁采用晶闸管整流并励方式时具有结构简 单、可靠性高及造价低等优点；另一方面表现在风能、
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太阳能并网发电等新能源利用上，比如太阳能电池阵 列直流电转换为交流电的系统核心是具有最大功率跟 踪功能的逆变器。（2）输电环节。高压直流输电技术 在远距离输电时优越性很多。1970 年，世界第一项晶 闸管换流阀试验工程在瑞典建成，标志着电力电子技 术正式用于直流输电。其后，随着全控型器件的出现 及 PWM 控制技术的成熟，新一代 HVDC 技术应用越发 广泛。基于电力电子技术用于改善电网环境的有源电 力滤波器（APF）、静止无功补偿器（SVC）也获得实际 应用[5]。电力电子技术与现代控制技术结合的柔性交 流输电技术（FACTS）对电力系统电压、参数、相位角、 功率潮流的连续调控可大幅降低输电损耗，提高输电 能 力 和 系 统 稳 定 水 平 。 近 年 来 ，柔 性 交 流 输 电 技 术 （FACTS）已在美国、日本、瑞典、巴西等国获得实际应 用，国内也有深入研究和发展；（3）配电及用电环节。 用户电力（Custom Power，简写为 CP）技术是电力电子 技 术 和 现 代 控 制 技 术 在 配 用 电 系 统 中 的 应 用 ，它 和 FACTS 技术原理相同，主要用于加强供电可靠性和提 高 供 电 质 量 。 典 型 的 CP 产 品 有 动 态 电 压 恢 复 器 （DVR）、固态断路器（SSCB）、故障电流限制器（FCL）、 统一电能质量调节器（UPQC）等[6]。 3 现代电力电子技术发展趋势及应用前景
LI Ping-feng
(Shanxi Explosion-proof Motor(Group) Co.,Ltd,Changzhi 046011,China) Abstract：Introduce the development of the power electronic devices,and the latest development as well as the development tendency of the power electronic devices are illustrated. In terms of the present application of modern power electronic technology,this paper highlights its ap⁃ plication in electric power system and general industry.Future development trend of modern power electronic technology and its application prospect are given too. Key words：power electronic devices；power electronic technology；electric power system
当前,电力电子技术已进入高频化，标准模块化， 集成化和智能时代。理论和实验证明电气产品的体积 与质量反比于供电频率的平方根，频率提高对其设备 的制造省材，运行节能和系统性能改善(尤其对航天工 业)意义十分深远。电力电子器件高频化是其创新的 主导方向，硬件结构的标准模块是器件发展的必然趋 势。目前先进模块已和包括开关元件和与其反向并联 的续流二极管及驱动保护电路多个单元且均以器件 标准化和产品系列化，其一致性与可靠性达到极高水 平 。 [7] 现日本三菱、东芝及美国的国际整流器公司已 有成熟的 IPM 智能化功率模块产品推出。电力电子技 术随着新元器件的研发及现代计算机、控制技术的迅 速发展而应用领域更加广泛，应用性能更加完善可靠， 并引起了电力系统的重大变革，新的大功率电力电子 器件的研发和应用将成为 21 世纪电力研究的前沿[8]。
参考文献 [1] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，
2000. [2] 赵定远，赵莉华.现代电力电子器件的发展[J].成都大学学
报（自然科学版），2007，26（9）：210-214. [3] 吴 郁.2008 年 IEEE 功率半导体器件及集成电路国际会
议评述[J].电力电子，2009（2）：6-16. [4] 杨 勇.高压直流输电技术的发展与应用前景[J].电力自动
为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常 把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的 形式，给应用带来了很大的方便。后来，又把驱动、控 制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电 路（PIC）。功率集成电路代表了电力电子技术的一个 重要发展方向。
近年来，在高压硅器件领域，世界各国的研究者关 注的重点是利用新结构、新工艺去突破极限，挖掘潜 力，努力推进各类器件性能的进一步改善，包括在获得 合理通态电阻的前提下研制耐压更高的超结器件。比 如，ABB 公司在 2008 年 IEEE 功率半导体器件及集成 电 路 会 议（International Symposium on Power Semicon⁃ ductor Devices and Ics，缩写为 ISPSD）上报道了该公司 新研制的逆导型 IGBT（RC-IGBT），耐压高达 3 300 V。 这种 RC-IGBT 是在阳极（或集电极）设置 N+短路区， CE 反偏时即可将 P 阱处 P-N 结的电流引出，构成与 IGBT 共享导电体积的反并联二极管[2]。该结构优化了 IGBT 和内集二极管的性能，并且使二者通态电压均实 现了正温度系数，制成的 1 cm2芯片的额定电流为 62.5 A，模块的额定电流高达 2 250 A。
化设备，2001，21（9）：58-60.
第 1 期（总第 125 期）
机 械李管平锋理：现开代发电力电子技术综述
2012 年 2 月
[5] 王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制与无功功率补偿[M].北 京：机械工业出版社，2005.
[6] 黄顺礼.基于电力电子技术的柔性交流传输设备[J].高电压 技术，2002，17（4）：59-61.