現(xiàn)代電力電子綜述

1、現(xiàn)代電力電子技術發(fā)展與應用J I A N G S U U N I V E R S I T Y現(xiàn)代電力電子技術發(fā)展與應用姓 名： 班 級： 學 號： 授課教師：2015年 11 月現(xiàn)代電力電子技術發(fā)展與應用摘要 ：電力電子學是一門新興的科學， 電力電子技術是現(xiàn)代科學、 工業(yè)和國防的重要支撐技術。 而功率器件是電力電子技術的核心和基礎， 其應用是電力電子技術發(fā)展的驅(qū)動力。 文章介紹了 電力電子器件的發(fā)展過程， 說明電力電子器件的最新發(fā)展情況及未來的發(fā)展趨勢， 同時介紹了 電力電子技術在各個領域的應用情況并展望電力電子技術的未來發(fā)展方向。關鍵詞： 電力電子技術；電力電子器件；應用展望現(xiàn)代電力電子技術

2、發(fā)展與應用0 引言電力電子技術就是使用電力半導體器件對電能進行變換和控制的技術， 它是綜合了電子技 術、控制技術和電力技術而發(fā)展起來的應用性很強的新興學科。 隨著經(jīng)濟技術水平的不斷提高， 電能的應用已經(jīng)普及到社會生產(chǎn)和生活的方方面面， 現(xiàn)代電力電子技術無論對傳統(tǒng)工業(yè)的改造 還是對高新技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都有著至關重要的作用， 它涉及的應用領域包括國民經(jīng)濟的各個工 業(yè)部門。毫無疑問，電力電子技術將成為 21 世紀的重要關鍵技術之一。分析當前電力電子技術的發(fā)展趨勢， 其大致方向表現(xiàn)為由傳統(tǒng)低頻技術處理向現(xiàn)代高頻技 術轉(zhuǎn)換， 并逐漸取代傳統(tǒng)的電力電子器件整合時代。 現(xiàn)代電力電子技術應用領域廣泛， 開關電

3、源、輸電技術、發(fā)電系統(tǒng)，隨處可見電力電子技術的身影。上世紀九十年代初以功率半導體復 合器件為象征的現(xiàn)代電力電子體系逐漸形成， 對于人們的工作和生活產(chǎn)生了重大影響。 本文從 電力電子技術的發(fā)展歷程和應用展望等方面分析了現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展趨勢， 體現(xiàn)了電力 電子技術的發(fā)展與當前時代發(fā)展特征的融合。1 電力電子技術的發(fā)展電力電子技術包含電力電子器件制造技術和變流技術兩個分支， 電力電子器件的制造技術 是電力電子技術的基礎。 電力電子器件的發(fā)展對電力電子技術的發(fā)展起著決定性的作用， 電力 電子技術的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。1）半控型器件（第一代電力電子器件）。上世紀 50 年代，美國

4、通用電氣公司發(fā)明了世界上第 一只硅晶閘管 （SCR），標志著電力電子技術的誕生。此后，晶閘管得到了迅速發(fā)展，器件容量 越來越大，性能得到不斷提高，并產(chǎn)生了各種晶閘管派生器件，如快速晶閘管、逆導晶閘管、 雙向晶閘管、光控晶閘管等。但是，晶閘管作為半控型器件，只能通過門極控制器開通，不能 控制其關斷，要關斷器件必須通過強迫換相電路，從而使整個裝置體積增加，復雜程度提高， 效率降低。另外，晶閘管為雙極型器件， 有少子存儲效應， 所以工作頻率低， 一般低于 400 Hz。 由于以上這些原因，使得晶閘管的應用受到很大限制。2）全控型器件（第二代電力電氣器件）。隨著半導體技術的不斷突破及實際需求的發(fā)展，從

5、 上世紀 70 年代后期開始，以門極可關斷晶閘管（ GTO）、電力雙極晶體管（ BJT）和電力場 效應晶體管（ Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展 1 。全控型器件的特點是，通過 對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關斷。此外，這些器件的開關速度普遍高 于晶閘管， 可用于開關頻率較高的電路。 這些優(yōu)點使電力電子技術的面貌煥然一新， 把電力電現(xiàn)代電力電子技術發(fā)展與應用子技術推進到一個新的發(fā)展階段。3）電力電子器件的新發(fā)展。為了解決 MOSFET 在高壓下存在的導通電阻大的問題， RCA 公 司和 GE 公司于 1982 年開發(fā)出了絕緣柵雙極晶體管（ IGBT ）,并于

6、 1986年開始正式生產(chǎn)并逐 漸系列化。 IGBT 是 MOSFET 和 BJT 的復合，它把 MOSFET 驅(qū)動功率小、開關速度快的優(yōu)點 和 BJT 通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點集于一身，性能十分優(yōu)越，使之很快成為現(xiàn)代電力電 子技術的主導器件。與 IGBT 相對應， MOS控制晶閘管 （MCT）和集成門極換流晶閘管（ IGCT） 都是 MOSFET 和 GTO的復合，它們都綜合了 MOSFET和 GTO兩種器件的特點。為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊， 體積減小， 常常把若干個電力電子器件及必要的輔助元 件做成模塊的形式，給應用帶來了很大的方便。后來，又把驅(qū)動、控制、保護電路和功率器件 集成在一

7、起，構(gòu)成功率集成電路（ PIC）。功率集成電路代表了電力電子技術的一個重要發(fā)展 方向。近年來，在高壓硅器件領域，世界各國的研究者關注的重點是利用新結(jié)構(gòu)、新工藝去突 破極限，挖掘潛力， 努力推進各類器件性能的進一步改善， 包括在獲得合理通態(tài)電阻的前提下 研制耐壓更高的超結(jié)器件。4）基于新型材料的電力電子器件。從晶閘管問世到各種高性能IGBT 的出現(xiàn)，電力電子器件經(jīng)過幾十年的發(fā)展基本上都表現(xiàn)為對器件結(jié)構(gòu)原理和制造工藝的改進和創(chuàng)新， 在材料的應用上 始終沒有突破硅的范圍。 隨著硅材料和硅工藝的日趨完善， 各種硅器件的性能逐步趨于其理論 極限。而現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展卻不斷對電力電子器件的性能提出了更

8、高的要求， 尤其是希 望器件的功率和頻率得到更高程度的兼顧。 因此，越來越多的電力電子器件研究工作轉(zhuǎn)向了對 應用新型半導體材料制造新型電力電子器件的研究。 結(jié)果表明， 就電力電子器件而言， 硅材料 并不是最理想的材料， 比較理想的材料應當是臨界雪崩擊穿電場強度、 載流子飽和漂移速度和 熱導率都比較高的寬禁帶半導體材料，這種材料比較典型的有砷化鎵（GaAs）、碳化硅 （SiC）等。目前，隨著這些材料的制造技術和加工工藝日漸成熟， 使用寬禁帶半導體材料制造性能更加優(yōu) 越的電力電子新器件已成為可能 2。21 世紀初，碳化硅肖特基勢壘二極管 （SBD）首先揭開了碳 化硅器件在電力電子領域替代硅器件的序

9、幕。隨后，高耐溫、高耐壓的碳化硅場效應器件、碳 化硅 IGBT 、碳化硅雙極型器件紛紛出現(xiàn)，預示著不遠的將來集高電壓、大電流、高工作頻率 等優(yōu)點于一身的新型器件即將誕生。2 常用電力電子器件簡介絕緣柵雙極晶體管 （IGBT）IGBT 是由 BJT（雙極型三極管 ）和 MOS（ 絕緣柵型場效應管 ）組成的復合全控型電壓驅(qū)動式現(xiàn)代電力電子技術發(fā)展與應用功率半導體器件 , 兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。 GTR 飽和 壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大； MOSFET 驅(qū)動功率很小，開關速度快，但導通壓降 大，載流密度小。 IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，

10、驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應 用于直流電壓為 600V 及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳 動等領域。IGBT 的電路符號和等效電路如圖一所示。（a）IGBT 符號（b）等效電路圖一 IGBT 符號與等效電路 主要參數(shù)：1）集電極 -發(fā)射極額定電壓 UCES2）柵極 -發(fā)射極額定電壓 UGES3）額定集電極電流 IC4）集電極 - 發(fā)射極飽和電壓 UEC5）開關頻率 功率場效應晶體管 （P-MOSFET）功率 MOS 場效應晶體管，即 MOSFET，其原意是： MOS（Metal Oxide Semiconductor 金 屬氧化物半導體）， FET（Fiel

11、d Effect Transistor場效應晶體管），即以金屬層（ M）的柵極隔 著氧化層（ O）利用電場的效應來控制半導體（ S）的場效應晶體管。P-MOSFET 的結(jié)構(gòu)符號如圖二所示?，F(xiàn)代電力電子技術發(fā)展與應用(a)P-MOSFET 結(jié)構(gòu)(b)符號圖二 P-MOSFET 結(jié)構(gòu)與符號工作原理：當漏極接電源正極，源極接電源負極，柵源之間電壓為零或為負時，型區(qū)和型 漂移區(qū)之間的結(jié)反向，漏源之間無電流流過。 如果在柵極和源極加正向電壓 UGS，不會 有柵流。但柵極的正電壓所形成電場的感應作用卻會將其下面型區(qū)中的少數(shù)載流子電子吸引 到柵極下面的型區(qū)表面。當 UGS大于某一電壓值 UT 時，柵極下面型

12、區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使型半導體反型成型半導體，溝通了漏極和源極，形成漏極電流ID。電壓UT 稱為開啟電壓，UGS超過 UT 越多，導電能力越強。漏極電流ID 越大。主要參數(shù)：1. 漏源擊穿電壓 BUDS2. 漏極連續(xù)電流ID 和漏極峰值電流IDM3. 柵源擊穿電壓 BUGS4. 開啟電壓 UT5. 極間電容6. 通態(tài)電阻 Ron門極可關斷晶閘管 (GTO)GTO 的結(jié)構(gòu)為四層三端結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和符號如圖三所示(a)GTO 結(jié)構(gòu)(b)符號圖三 GTO 結(jié)構(gòu)與符號現(xiàn)代電力電子技術發(fā)展與應用GTO 主要參數(shù)：1. 最大可關斷陽極電流 IATO通常將最大可關斷陽極電流 IATO作為 GTO

13、的額定電流。2. 關斷增益off關斷增益off 為最大可關斷陽極電流 IATO與門極負電流最大值 IGM之比，其表達式為off ATO/ GMoff 比晶體管的電流放大系數(shù) 小得多，一般只有左右。3 電力電子技術應用現(xiàn)代電力電子技術是高效節(jié)能、節(jié)約原材料、實用性極強的高新技術，具有廣闊的應用空 間。不僅用于一般工業(yè)，也廣泛應用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源 系統(tǒng)等，在照明，空調(diào)等家用電器及其他領域中也有廣泛的應用。 現(xiàn)就兩個重要的應用領域加 以闡述。1）一般工業(yè)。工業(yè)中大量應用各種交直流電機，全世界用電量有 60%左右是電動機消耗掉的。 直流電動機有良好的調(diào)速性能，為其供電

14、的可控整流電源或直流斬波電源都是電力電子裝置。 近年來，隨著交流變頻調(diào)速技術的發(fā)展，交流調(diào)速傳動開始大量應用并占據(jù)主導地位。 用于交 流變頻調(diào)速的變頻器更離不開電力電子技術。 不僅如此，電化學工業(yè)中大量使用的直流電源也 是由電力電子裝置提供的；冶金工業(yè)中的高頻感應加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等都 要用電力電子技術 3。2）電力系統(tǒng)。電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用表現(xiàn)在發(fā)電、輸電、配電、用電的各個環(huán)節(jié)。（1）發(fā)電環(huán)節(jié)。電力電子技術在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應用，一方面表現(xiàn)在改善傳統(tǒng)發(fā)電設備的運行 特性上，比如大型發(fā)電機的靜止勵磁采用晶閘管整流并勵方式時具有結(jié)構(gòu)簡單、 可靠性高及造 價低等優(yōu)點；另一方面

15、表現(xiàn)在風能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電等新能源利用上，比如太陽能電池陣列直 流電轉(zhuǎn)換為交流電的系統(tǒng)核心是具有最大功率跟蹤功能的逆變器。（2）輸電環(huán)節(jié)。高壓直流輸電技術在遠距離輸電時優(yōu)越性很多。 1970 年，世界第一項晶閘管換流閥試驗工程在瑞典建 成，標志著電力電子技術正式用于直流輸電。其后，隨著全控型器件的出現(xiàn)及 PWM 控制技術 的成熟，新一代 HVDC 技術應用越發(fā)廣泛?；陔娏﹄娮蛹夹g用于改善電網(wǎng)環(huán)境的有源電力 濾波器（ APF）、靜止無功補償器（ SVC）也獲得實際應用 4。電力電子技術與現(xiàn)代控制技術 結(jié)合的柔性交流輸電技術（ FACTS）對電力系統(tǒng)電壓、參數(shù)、相位角、功率潮流的連續(xù)調(diào)控可 大幅

16、降低輸電損耗，提高輸電能力和系統(tǒng)穩(wěn)定水平。近年來，柔性交流輸電技術（FACTS）已現(xiàn)代電力電子技術發(fā)展與應用在美國、日本、瑞典、巴西等國獲得實際應用，國內(nèi)也有深入研究和發(fā)展；（3）配電及用電環(huán)節(jié)。用戶電力（ Custom Power，簡寫為 CP）技術是電力電子技術和現(xiàn)代控制技術在配用電 系統(tǒng)中的應用，它和 FACTS 技術原理相同，主要用于加強供電可靠性和提高供電質(zhì)量。典型 的 CP 產(chǎn)品有動態(tài)電壓恢復器（ DVR ）、固態(tài)斷路器（ SSCB）、故障電流限制器（ FCL）、 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（ UPQC）等 5。4 電力電子技術展望4.1 電力電子技術的發(fā)展趨勢 電子電子技術歸根結(jié)底是對電

17、源技術的研究，電源技術不僅是電力電子技術研究的核心， 一定程度上開光電源技術的發(fā)展也預示著現(xiàn)代電力電子技術今后的發(fā)展走向。從發(fā)展趨勢來 看，現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展趨勢可概括為以下幾方面特點：第一，現(xiàn)代電力電子技術的集成化與模塊化特征。 這一特征主要表現(xiàn)在現(xiàn)代電力電子技術 的功率器件和電源單元兩個方面， 從微小器件組成來實現(xiàn)電子器件的智能化辨別與使用。 這樣 的模塊功率不僅有效控制了器件的體積， 在設計與制造方面也形成了顯著的模塊化特征。 電力 電子技術的模塊化發(fā)展其核心目的旨在降低器件的電應力， 從安全性與可靠性角度提升電力系 統(tǒng)的使用性能。第二，現(xiàn)代電力電子技術的高頻化特征。 從理論分析及實

18、踐驗證的雙重角度不難看出， 無 論是變壓器的電感還是電容體積在供電頻率方面都呈現(xiàn)出一定的反比例趨勢， 因此體積的減小 必然會導致電子技術的高頻化呈現(xiàn)。 從這個角度來看， 全控型電子器件的問世已然標志著現(xiàn)代 電子與電力技術率先實現(xiàn)了自身的高頻化轉(zhuǎn)換。第三，現(xiàn)代電力電子技術的全控化與數(shù)字化特征。 全控化電力電子技術的革新突破了原有 電力電子器件在使用功能方面的限制， 降低了關斷換流電路可能造成的危險， 從根本上保障了 電力系統(tǒng)在使用過程中的安全性。 數(shù)字化特征則主表現(xiàn)在現(xiàn)代電力電子技術的高頻斬波以及諧 振變換等方面，從弱電領域拓展了電力電子技術的發(fā)展渠道，提前實現(xiàn)了控制技術的集成化。第四，現(xiàn)代電力

19、電子技術的綠色化特征。 這里的綠色化特征既包括了環(huán)境污染問題的控制， 又涉及到必要的電網(wǎng)污染源問題， 是當前電力電子技術在發(fā)展過程中亟需解決的重要問題。 發(fā) 電容量的控制從根本上減少了發(fā)電對環(huán)境造成的污染， 與此相關的污染過濾器或是電能補償系 統(tǒng)等都是當前電力電子技術向綠色化邁進的有力證據(jù)。 具體的電力電子技術應用方面， 則主要 表現(xiàn)為四大革新趨勢： 其一，太陽能發(fā)電技術的應用。 太陽能發(fā)電技術為普通家庭提供了足夠 的電能使用空間，成為了可再生資源的有效傳播途徑之一。其二，燃料電池發(fā)電技術。燃料電現(xiàn)代電力電子技術發(fā)展與應用池的發(fā)電裝置主要是將其中的化學能轉(zhuǎn)化為可使用的電能， 節(jié)能省電，鮮少產(chǎn)生環(huán)境污染問題。 其三，交流輸電技術的應用。 作為一種新型電力系統(tǒng)出現(xiàn)的交流輸電技術實現(xiàn)了對電網(wǎng)資源重 新分配與利用， 保障了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 其四，現(xiàn)代電力電子技術中的儲存與質(zhì)量控制技術。 儲存技術的使用在于提升電力系統(tǒng)本身的電力儲備功能， 而質(zhì)量控制技術則在于從供電質(zhì)量角 度提高電力產(chǎn)品的使用效率。4.2 現(xiàn)代電力電子技術的應用展望關于現(xiàn)代電力電子技術的應用展望， 可從如下幾方面得以體現(xiàn)： 第一，從節(jié)能性角度提升 電機系統(tǒng)的使用性能， 可從專用電機的設計或是控制設備的完善等方面來提升整體電力系統(tǒng)的 使用效率； 第二，中高壓