现代电力电子技术的发展、现状与未来展望综述

课程报告

现代电力电子技术的发展、现状与未

来展望综述

学院：电气工程学院

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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］

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。

1.1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。

1.2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。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。

1.3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。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3300 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。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62.5A，模块的额定电流高达2250 A。

1.4基于新型材料的电力电子新器件

从晶闸管问世到各种高性能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

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。

2.1一般工业

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。

2.2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、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[3].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。

3 现代电力电子技术发展趋势及应用前景

电力电子技术从诞生到发展壮大到有今日的辉煌, 经历了十分艰难的发展历程。电力电子技术从本质上讲属于强电电子技术的范畴, 但是完成强电变换的主回路要用弱电来实现智能化、数字化和最优化控制, 这样就会不断有各种层次的问题在工程实践中被发现、被提出,提出的这些问题正是电力电子学理论发展和新型器件诞生的强大推动力。电力电子装置的研发必须解决元器件选择、主电路拓扑设计、控制方案设计及优化、电磁兼容设计、结构布局和传热设计、可靠