电力电子技术第1章总结

电力电子技术第1章总结

电力电子技术第1章总结

开课班级：09输电线路班

总结时间：201*.9.19

总结教师：杜芸强

一、基本概念

1.电力电子器件：是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

2.电力电子电路也被称为电力电子系统，由控制电路、驱动电路、检测电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。

3．电力电子器件的分类

（1）按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可分为半控型器件、全控型器件和不控型器件。

（2）按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号性质，又可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型器件。

（3）电力电子器件还可以按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为单极型器件、双极型器件和复合型器件。

4.电导调制效应：当PN结上流过的正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因而管压降随正向电流的上升而增加；当PN结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，使其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。

5.方向击穿：PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。

6.热击穿：当反向未被限制住，使得反向电流和反向电压的乘积超过了PN结容许的耗散功率，就会因热量散发不出去而导致PN结温度上升，直至过热而烧毁，就是热击穿。

7.电力二极管的主要参数

正向平均电流IF(AV)：指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

通过对正弦半波电流的换算可知，正向平均电流IF(AV)对应的有效值为1.57IF(AV)。

8．电力二极管的主要类型：普通二极管（又称整流二极管）、快速恢复二极管（FRD）和肖特基二极管（SRD）。

9．晶闸管：是晶体闸流管的简称，又可称为可控硅整流管（SCR）。10.晶闸管的基本特性：

（1）当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。（2）当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通。

（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不能门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通。

（4）若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。

11．晶闸管的派生器件：快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LTT）。

12.门极可关断晶闸管（GTO）：它是晶闸管的一种派生器件，但可以通过门极施加负的脉冲电流使其关断，属于全控型器件。GTO是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出三个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。

13．GTO与普通晶闸管不同点：

（1）在设计器件时使得2较大，这样晶体管V2控制灵敏，使得GTO易于关断。

（2）使得导通时的12更接近于1。这样使得GTO导通时饱和程度不深，更接近于临界饱和，从而为门极控制关断提供了有利条件。

（3）多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2基区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。

14.电力晶体管（GTR）：译为巨型晶体管，是一种耐高压、大电流的双极结型晶体管（BJT）。它由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。

15．GTR的二次击穿现象：当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。出现一次击穿后，只要Ic不超过最大允许耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不会有什么变化。但实际应用中常常发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的陡然下降，这种现象称为二次击穿。二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变，因而对GTR危害极大。

16.电力场效应晶体管：也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOSFET，简称电力MOSFET。电力MOSFET在导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。

17.MOSFET分类：

（1）按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

（2）对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。18.电力MOSFET的工作原理

（1）当漏极接电源正端，源极接电源负端，栅极和源极间电压为零时，P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

（2）如果在栅极和源极之间加一正电压UGS，由于栅极是绝缘的，所以并不会有栅极电流流过。但栅极的正电压却会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。

（3）当UGS大于某一电压值UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型而成N型半导体，形成反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。

19.绝缘栅双极晶体管（IGBT）：综合了GTR和MOSFET的优点。

（GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，所以其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。）

20.IGBT开通和关断由栅极和发射极间的电压uGE决定。

（1）当uGE为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而是IGBT导通。

（2）当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使IGBT关断。

21.IGBT的擎住效应：IGBT内部结构中，由于NPN晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加一个正向偏压，在额定集电极电流范围内，这个偏压很小，不足以使J3开通，然而一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件功率过高而损坏。这种电流失控的现象，被称为擎住效应或自锁效应。

22.功率模块：将多个相同的电力电子器件或多个相互配合使用的不同电力电子器件封装在一个模块中，可以缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。

23.功率集成电路：如果将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，则称为功率集成电路。

24.驱动电路的基本任务：将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。

25.晶闸管触发电路应满足以下要求：

（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。

（2）触发脉冲应有足够的幅值。

（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额。（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

26.GTO的开通控制与普通晶闸管相似，但对触发脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需要在整个导通期间施加正门极电流。使GTO关断需要施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高。关断后还应在门极施加约5V的负偏压，以提高抗干扰能力。

27.使GTR开通的基极驱动电流应使其处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。

28.电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。

29.过流保护较常用的措施：采用快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。

30.缓冲电路：又称为吸收电路。其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du和di，减小器件的开关损耗。

dt或过电流

dt

31.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，将器件分为：（1）属于单极型电力电子器件的有MOSFET和SIT等。

（2）属于双极型电力电子器件的有电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH等。（3）属于复合型电力电子器件的有IGBT和MCT。

二、作业详解：

1.使晶闸管导通的条件是什么？

答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：uAK0且uGK0。

2.维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。

要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。

7.IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点？

答：IGBT驱动电路的特点是：驱动电路具有较小的输出电阻，IGBT是电压驱动型器件，IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。

GTR驱动电路的特点是：驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿，并有一定的过冲，这样可加速开通过程，减小开通损耗，关断时，驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流，并加反偏截止电压，以加速关断速度。

GTO驱动电路的特点是：GTO要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅值和陡度，且一般需要在整个导通期间施加正门极电流，关断需施加负门极电流，幅值和陡度要求更高，其驱动电路通常包括开通驱动电路，关断驱动电路和门极反偏电路三部分。

电力MOSFET驱动电路的特点：要求驱动电路具有较小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。

8.全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么？试分析RCD缓冲电路中各元件的作用。

答：全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压，du减小器件的开关损耗。

RCD缓冲电路中，各元件的作用是：开通时，Cs经Rs放电，Rs起到限制放电电流的作用；关断时，负载电流经VDs从Cs分流，使dudtdt或过电流和didt，

减小，抑制过电压。

9.试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。答：对IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较如下：

器件优点电压、电流容量大，适用于大功率场GTO合，具有电导调制效应，其通流能力很强耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度快，输入阻抗高，热稳定性电力MOSFET好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小

缺点电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置GTRIGBT开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO

扩展阅读：电力电子应用技术书第1章 绪论

第1章绪论

自1891年世界首次采用交流输电以来，交流电就成为送达用户端的主要电能形式，但用电负载有直流负载和交流负载两大类，相应的供电电源就需要直流和交流两种形式，因此电能需要变换。

随着越来越多非线性负载的使用，供电质量变得越来越差；而随着各种用电设备或单元的数字化、信息化和多样化发展，需要的电源种类、等级和质量要求却不断提高。因此，更需要对电能进行高质量的变换。

早期，把交流电变换为直流电经历了机械整流器、闸流管整流器和引燃管整流器的阶段。1900年美国纽约地铁列车供电电源就采用机械整流器从交流电网中获取直流电源；1928年，实用化的闸流管整流器使直流输出端的电压可以不随交流输入电压的波动而变化，随后闸流管和引燃管整流器的应用得到很大重视。1935年，高压直流输电在美国纽约得以实现。在整个30年代直到40年代后期，这两种器件大量应用于高功率变换的场合。

1957年，美国通用电气公司发明了硅可控整流器(SiliconControlledRectifier，SCR)，简称可控硅，后被国际电工学会正式命名为晶闸管(Thyristor)。晶闸管的问世，不仅可把交流电变换为直流电，还能把直流电变换为交流电和其它特殊的电能形式。从此，新型电力电子器件不断涌现，性能不断提高，并各具电气特性和使用特点，以适应不同的应用领域和电能变换电路的设计要求。

把各种电力电子器件实用、高效、可靠地应用于电能变换系统，是电力电子应用技术的研究任务。

201*年，IEEE终身会士、美国电力电子学会前主席ThomasG.Wilson给电力电子技术重新下了一个定义：电力电子技术是通过静止的手段对电能进行有效的转换、控制和调节，从而把可利用的输入电能形式变成所希望的输出电能形式的技术(Powerelectronicsisthetechnologyassociatedwiththeefficientconversion,controlandconditioningofelectricpowerbystaticmeansfromitsavailableinputformintothedesiredelectricaloutputform)。IEEE电力电子学会在网站上(网址为)给出的定义是：电力电子技术是把电子电路应用到电能变换中的技术。它包括电子器件的使用、电路理论的研究和设计技术的应用，以及为提高变换效果所需各种分析工具的开发。

从定义可见，电力电子技术与电力电子应用技术的研究内容似乎没有什么区别。本书把电力电子元器件的设计、制造和封装等归入电力电子技术的范畴，而不归入电力电子应用技

术的范畴。所以，本书重在研究电力电子元器件的合理使用，使其高效、实用、可靠地控制电能变换；重在对电能变换电路的设计、电力电子系统的控制、以及电力电子技术在工业中应用的研究。

1.1电力电子应用技术的主要内容

电力电子应用技术，是关于各种电能变换的拓扑电路、控制理论和工业应用技术，是变换装置的设计技术，是分析设计工具的开发利用技术。

1.电能变换的基本形式与电路拓扑

在电力电子应用技术中，不同的电能变换形式要求不同的拓扑电路。根据电能变换的输入输出形式，可以分为直流－直流变换器(DC/DC)、直流－交流变换器(DC/AC)、交流－直流变换器(AC/DC)和交流－交流变换器(AC-AC)四种基本形式。

DC/DC变换器常见的有Buck变换器(常称降压斩波器)、Boost变换器(常称升压斩波器)、Buck/Boost变换器(常称升降压斩波器)、Cuk变换器、隔离式的Buck变换器－正激变换器、推挽变换器、桥式变换器，以及隔离式的Buck/Boost变换器－反激变换器等。

DC/AC变换器常称为逆变器，按直流中间环节的特点有电压型逆变器和电流型逆变器两种类型；按输出交流电的相数又分为单相逆变器和三相逆变器。三相逆变器是三个单相逆变器进行同步控制的组合，以便输出相位上互差120的三相电。

AC/DC变换器习惯称为整流器，广泛地用作电力电子系统的前级变换器。电力电子系统的前级变换器应与电力线路“友好”接入，这意味着整流器应具有高功率因数、低输入电流谐波畸变和低电磁干扰发射等特点。目前，在谐波治理的严峻形势下，各种高级AC/DC变换器已得到发展，如有源功率因数校正(PowerFactorCorrection,PFC)整流器，三相脉宽调制(PulseWidthModulation,PWM)BoostPFC整流器，三相BuckPFC整流器等。

AC/AC变换器传统上用于只调电压的交流调压器和只调频率的周波变换器(也称循环变换器)，现在发展比较快的矩阵变换器也是一种AC/AC变换器。

为了减小开关损耗和功率变换器的电磁干扰，达到重量轻、体积小、且高效节能的目的，在上述四种基本形式变换器的基础上，新的电路拓扑和软开关技术及其应用得以迅速发展。

2．控制理论和调节手段

电力电子系统是一种非线性、变结构、电压电流突变的离散系统，特别是与电机构成的系统更是强耦合、多变量、具有分布参数特征系统，呈现重复瞬态和非正弦性等特点，这就决定了在电工领域中长期采用的以相量为基础的控制理论不再适用。经典的电路理论和控制

理论无法直接处理电力电子系统的控制问题，发展和应用新的控制理论势在必行。

电力电子应用技术的核心部分都是开关控制器，它是以开关方式运行的非线性元件，因此以离散系统为基础的开关控制理论成为主要的调节手段。将控制理论应用于电力电子控制的前提是对其网络拓扑进行建模。主要使用的建模方法有状态空间平均法、数据采样建模法、PWM开关平均法、等效电路模型法等。对软开关电路的建模还在探索之中，目前已经提出了高频网络平均法、脉冲波形积分法等几种方法。

电力电子系统控制的目标主要是效率和电源质量。电源质量有动态响应、谐波质量和鲁棒性要求等。现代控制理论的应用，为实现电力电子系统目标提供了有力手段。日新月异的微处理器技术的发展，为现代控制理论的应用提供了硬件基础。数字信号处理器(DSP)已经在电力电子控制领域得到了普遍应用，而系统级芯片SOC(SystemOnChip)技术和网络技术的发展，也将极大的推动电力电子应用技术的进步。智能控制理论由于具有本质非线性、并行处理、自组织自学习等能力，在电力电子用于技术控制中也有着巨大的潜力。

3．变换装置的设计技术

电力电子应用技术的基本任务是要设计出满足功能要求、且运行可靠的电能变换装置。一个性能良好的变换装置设计，应该包括功能设计、电磁兼容设计、散热设计和结构亲和性设计等方面。

功能指标设计主要要满足输出电压(或电流)和功率的指标。同时，为了装置能正常和可靠的工作，还要缜密地考虑其它一些显性和隐性的功能指标，如，主电路防冲击电流的控制设计，控制电路得电复位和断电保护设计，装置的过电流、过电压和欠电压保护，过热保护、短路保护，甚至还要考虑过功率保护。功能设计的方法是多种多样的，总的来说，应选择保护效果好，同时又简单节能的设计方法。

电磁兼容设计电力电子电路的基本特征是，电路总是工作在开关模式的变换之中，在两个或几个不同的结构之间不断切换。开关的通断在电路中引起的电压和电流变化率，是电磁干扰（EMI）的本质，解决好电磁兼容问题是电力电子应用技术的一大任务。电能变换装置的电磁干扰分三类：外部干扰源对装置的干扰(incoming)；装置内部的干扰源对系统外部的干扰(outgoing)；装置内部的相互干扰(internal)。解决前两类的干扰通常采用滤波的办法，第三类干扰的解决途径较多，如，采用电磁屏蔽、电气隔离，主电路合理采用低电感结构方式等等。控制电路的电磁兼容设计一般从导线传导耦合、公共阻抗电感性耦合、电容性耦合和电磁场耦合5个方面考虑。

系统散热设计电力电子开关器件在工作时产生的损耗（最主要的是通态损耗和开关损

耗）都以热量的形式表现出来。同时，工作在高频状态下的磁性组件（变换器中电感和变压器）其损耗也比较大。因此，散热设计是电力电子应用技术的重要任务。一般来说，散热设计包括对散热介质、散热空间和散热器热阻的设计计算。良好的设计不仅散热效果好，而且散热系统简单。例如，通过改进IGBT模块的封装材料和散热方式，混合电动汽车或燃料电池汽车，可以不必专门设置牵引变流器的冷却(散热)系统而直接共享汽车上原有的冷却系统。常见的5种散热器，按散热效果逐次升级排序为①自冷式散热器；②风冷式散热器；③水冷(油冷)式散热器；④沸腾式散热器；⑤热管散热器。

结构亲和性设计变换器装置的结构形式应该对人具有良好的“亲和力”不仅外表美观宜人、结构紧凑、便于测试和装卸，而且具有功能分区设计、模块化设计和子系统集成设计等内容。

电力电子产品或电路设计正向着模块化、集成化的方向发展。具有各种控制功能的专用芯片不断开发和应用。IPM以IGBT作功率开关，将控制、驱动、保护、检测电路都封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减少、产品体积小，可靠性显著提高。美国VICOR公司生产的第二代电源模块达到高度集成化和全面计算机化，内含组件仅为第一代产品的1/3，由115个减为35个。电路集成的进一步发展方向是系统集成。美国电力电子系统中心(CenterforPowerElectronicsSystems,CPES)已经提出了系统集成的设想：将信息传输、控制与功率半导体器件全部集成在一起；采用三维空间热耗散散热。从而可能实现将功率从数百瓦－千瓦做到几十千瓦以上。系统集成可以改变现在的半自动化、半人工的组装工艺而达到完全自动化生产，从而降低成本，有利于大规模推广应用。

4．分析设计工具的使用开发

对于某一特定的电能变换要求，为了更好地接近所追求的目标，一般要解决好电力电子应用技术的仿真、分析和设计等几个关键问题。它们具体包括：电路拓扑和系统控制策略的确定、开关器件和控制方法的选择、装置内部的散热和电磁兼容性设计、可靠性预估和参数最优化等等，所有这些问题，都需要分析设计工具来辅助解决。随着计算机和软件技术的发展，分析工具也越来越丰富。在全软件的分析设计工具中，有电力电子电路理论和控制理论分析仿真工具－Matlab、Mathematica、Mathcad等；电力电子拓扑及其控制的仿真分析工具－Simulink、Microsim(Pspice)、Powersim等；电力电子分析设计的EDA辅助工具－Saber，以及Cadence、Mentor、Synopsis等公司的相关软件包，如workbench等；电力电子三维热场和电磁场分析工具－Ansys、Ansoft等。

为适应特定电路设计分析的需要，有时需要在具体使用软件工具时补充和开发其中的一

些模型和功能，有时需要对已有的软件进行改进，甚至需要另行开发软件。另外，在有的场合，如数学模型非常复杂时，软件的仿真分析需要花很长时间；在有的场合，硬件系统及其各部分相互作用极其复杂，甚至无法建立分析仿真的数学模型等，此时软件分析设计工具难于发挥很好的作用。这时，建立软件和硬件相结合的混合仿真系统，或建立全硬件的仿真、设计和开发平台就成为必不可少的工具。因此，基于仿真、分析和设计的软硬件平台或专家系统，可使系统设计性能最优，设计制造费用最省，是电力电子应用技术的重要内容之一。

5．电力电子元器件的使用

电力电子应用技术的主要内容莫过于合理可靠地使用电力电子元器件。半导体开关器件、磁性元件和电容器等，各类元器件产品型号众多，特性各异，应用条件差异性很大。且每一种新器件的诞生，都伴随着电能变换技术的重大突破。所以使用好电力电子元器件十分重要。

半导体开关器件按控制方式来分，有三大类：不控型器件，如二极管；半控型器件，如能控制导通不能控制关断的晶闸管；全控型器件如GTO、VDMOS、BJT(GTR)、IGBT、IGCT等。

常见的二极管为三种。其一，普通二极管，常用在工频电路或晶闸管等频率不高的电路中；其二，快速恢复二极管，它利用特殊工艺制造，反向恢复电流和时间都很短，常用在IGBT或VDMOS等高速开关器件的电路中和高频整流电路中；其三，肖特级(Schottky)二极管，因为它不是PN结导电特性，导通电压降小，且几乎没有反向恢复时间，常用在开关电源等低电压输出的高频整流电路中。

常见的晶闸管分为五种：普通晶闸管，容量等级大，目前它常用在大功率整流电路和周波变换器中；快速晶闸管和高频晶闸管，它利用特殊工艺制造，关断时间小于50s，主要用在感应加热的中频电源中；逆导晶闸管(RCT)，它是将一个晶闸管和一个二极管反并联集成在同一硅片上面构成的组合器件，常用在直流斩波器、倍频式中频电源及三相逆变器电路中；双向晶闸管(Triac)，它把两个反并联的晶闸管集成在同一硅片上，是控制交流功率的理想器件，主要用在交流无触点继电器、交流相位控制电路中；光控晶闸管，它不用电压电流触发、而是用光触发晶闸管导通，主要应用在电力系统等高电压大电流场合。

理想的全控型器件在瞬间完成导通或关断，没有过渡过程；正向导通电压降和关断后的漏电流为都是零。而实际的器件既存在开通和关断时间，又有导通电压降和漏电流。因此，一个实际的全控型器件，其性能的优劣就在于它在多大的程度上接近这些理想特性。各种不同类型的器件存在的差异很大，GTO和IGCT等晶闸管型器件，去掉正向导通脉冲它们仍能保持导通，只有施加反向关断脉冲时器件才关断；而VDMOS、BJT和IGBT等晶体管型器件，

一旦撤走开通脉冲，器件就立即关断，施加反向脉冲只是为了避免干扰造成误导通；GTO、IGCT和BJT等是电流型器件，VDMOS和IGBT等是电压型器件，它们的控制驱动电路设计要区别对待；即使同是电流型器件，如GTO和BJT，由于器件的特性不一样，其控制驱动的要求也很不一样。为了让每一种器件的特性发挥到最佳，电路的设计者须根据器件特点和使用要求合理选用。

磁性元件主要指变压器和电抗器。随着电力电子技术的高频化，磁性元件的工作频率不断提高，就需要能高频工作且损耗小的软磁性材料。这些磁性材料有软磁合金(铁镍合金、铁铝合金、铁钴钒合金等)、铁氧体(锰锌铁氧体、镁锌铁氧体、镍锌铁氧体等)、新型非晶和微晶软磁材料(铁基非晶、钴基非晶、铁基微晶、钴基微晶等)。即使同一种材料，如果所含成份不同，性能、价格和适用条件(频率和温度范围)差别很大。如日本TDK的锰锌铁氧体材料，根据其性能指标和适用条件不同，就分为PC20、PC30、PC40等多种。另一方面，为了适应小功率开关电源的需要，磁性元件的结构不断向超薄型、平面型发展。如平面变压器以单层或多层印刷电路板代之铜导线，因而厚度远低于常规变压器，能够直接制作在印刷电路板上。其突出优点是能量密度高，因而体积大大缩小，相当于常规变压器的20%；效率通常高达97%～99%；工作频率高，从50kHz到2MHz；具低漏感(小于0.2%)和低电磁干扰(EMI)。

电容器是与磁性元件对偶的一种储能和滤波元件。直流电容器以铝电解和钽电解电容器为主。交流电容器根据电压等级、容量和使用频率的不同，种类繁多，如云母电容器、纸介电容器、聚苯乙烯电容器、聚丙烯电容器、涤纶电容器、复合介质电容器、独石电容器等等。

铝电解电容器的工作温度范围一般是85℃，当工作温度每升高10℃其寿命就减短一半。由于电力电子装置内部的环境温度相对较高，为了电容器的寿命能与装置的其它元器件寿命相匹配，需要采用105℃的电解电容器，而不是85℃的电容。超容电容器是近年来的最新进展，它采用独特的金属/碳电极技术和先进的非水电解质，具有极大的电极表面和极小的相对距离，单元容量达到10F2700F。利用超容电容器的串联组合或并联组合，可得到高压组件或高能量存储组件。650V的高压高能量组件已得到应用。美国的麦克韦尔公司一直保持着超容电容技术的世界领先地位。

吸收电容(snubbercapacitor)和谐振电容(resonancecapacitor)是电力电子应用技术中不可或缺的新型电容。吸收电容要求吸收的峰值电流大，电容本身的等效电感小；而谐振电容要求有效值电流大，电容本身损耗小。如果选择使用不当，电容器很容易损坏。

无论开关器件，还是电抗器、变压器和电容器，在使用或参数设计时,都要合理地选择电压、电流和开关频率，以及考虑与热损耗、电磁干扰等的相互关系。

1.2电力电子应用技术的主要领域

1.电源设计领域

广义上讲，电力电子应用技术就是电能变换的技术，都属于是电源设计。一般意义上讲，电源设计以DC/DC开关电源为主，也包含一些AC/DC电源，甚至DC/AC电源。从应用方面看，主要以计算机、通讯电源为主，兼顾一些特殊行业的需要，如电化学电源和冶炼加热电源等。

现代计算机都依赖于开关变换器的直流电源，如台式机的开关电源、笔记本电脑的电池管理开关电源、服务器的冗余供电开关电源。它们具有多路独立输出、多电压等级的特点，其设计也处处渗透着电力电子应用技术的最新成就。

给计算机和网络系统供电主要采用分布式结构电源，它包括离线式有源功率因数校正(PFC)电路和后级的多个负载点的DC/DC变换器。这种结构分布式结构的中间电压级主要是12V的电压总线或48V的电压总线，它们通过各DC/DC变换器把能量传递到各独立的功能板或子系统中。

通讯工业是供电电源和电池的最大用户之一，使用范围从无绳电话的小电源到超高可靠性的后备电源系统。它的电源系统与计算机的电源结构类似，前端是离线式有源功率因数校正(PFC)电路，后端是DC/DC前向变换给电话系统直流48V的配电总线提供大电流输出。

为了降低集成芯片的工作损耗，低电压的芯片供电电源开发非常热门。这就需要高功率密度、低功耗、高效率的性能指标，以及同步整流、多相多重、板上功率变换以及板级互联等新技术。目前，国外实验室已开发出70A/1.2V、效率87％的高性能电源。在不久的将来，一种更先进的芯片级的互联技术和功率变换技术将会出现在世人面前。

2．电机传动领域

全国的电机每年要消耗约62％的电能。电力电子应用技术在电机传动领域不仅能给电机提供好的调速性能，还能大大节约能源。目前，三相380V/400kVA以下的电动机IGBT通用变频装置国际上业已成熟。3~10kV/400kVA以上电机传动变频器还很有市场前景。因为这样电压和功率等级的中、大型电动机负载大体都是各行业的主要机组，节能潜力很大，对国民经济的影响十分显著。以下四种类型的电动机传动与电力电子应用技术密切相关：（1）工艺调速传动这类传动要求机器按一定的工艺要求实施运动控制，以保证最终产品的质量、产量和劳动生产率；（2）节能调速传动风机、泵类消耗全国总发电量的30%左右，用电动机变频调速来取代传统的风档、法门阀门来调节流量，估计全国每年可节电百万千瓦时；（3）牵引调速传动如轨道交通电传动车组、城市无轨电车，电梯、矿井卷扬机等，既

提高运输效率、显著节能，又减少污染，保护环境；（4）精密调速和特种调速数控机床的主轴传动和伺服传动是现代机床的不可分割部分，雷达和火炮的同步联动等军事应用，都要求电动机有足够的调速范围（例如1：10000以上）和控制精度。

3.电力系统领域

电力系统是电力电子技术应用的一个重要领域。最早成功应用于电力系统的大功率电力电子技术是直流输电（HVDC）。基于电力电子应用技术在电力系统中的作用，1986年美国电力科学研究院提出了柔性输电（FACTS）概念，1988年又提出了定制电力（CustomerPower）的概念。在发电环节的应用，有大型发电机的静止励磁控制，水力、风力发电机的变速恒频励磁等；在输电环节中的应用，有直流输电（HVDC）和轻型直流输电（HVDCLight）技术、统一潮流控制器和可控串联补偿器等；在配电系统中的应用，如动态无功发生器、电力有源滤波器等。以电力电子应用技术为手段，FACTS主要通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流，以提高输电系统稳定性和输送容量为目标；定制电力以加强供电可靠性和提高电能质量为目标。

4．汽车电子领域

汽车工业领域已成为电力电子应用技术的主要增长点。电力电子在新一代汽车上主要应用于以下方面：用电力电子开关器件替代传统的机械开关和继电器；用电力电子控制系统对车上负载进行精密控制；利用电力电子技术改造原有的12V电源系统，使之成为多电压系统；使用适合电力电子控制的、更先进的驱动电机。预计在不久的将来，从小功率的车窗、座椅控制，到大功率电传动系统，都蕴涵着电力电子应用技术的最新成就。另外，电子点火器，电压调节器，电机驱动控制和音响系统是当前最普遍的应用。

5．绿色照明领域

照明是人类文明的永恒需求。照明用电约占全国发电量的10－12％，很有节能的潜力。电光源在100多年里经历了“白织灯-直管荧光灯-高压放电灯-节能荧光灯-无灯丝灯”等几代产品。80年代，随着电力电子变频技术的发展成熟，高频应用又促成某些更新一代电光源的诞生，从此，电力电子应用技术在绿色照明中开始占有重要的一席之地。一个典型的例子是，紧凑型节能灯和电子镇流器的问世，吹响了以照明节能为中心的绿色照明的前奏曲。采用不同成分的稀土荧光粉可制成各种色温的气体放电节能灯，发光率比常规荧光灯提高一倍，可以做成各种形状便于紧凑安装，替代白织灯，可节电75%－80%。电子镇流器是电力电子应用技术的具体应用之一，它实际上是一个电子变频器（从50Hz变换到30kHz以上）加一个高频电感镇流器。采用电子镇流器后，高频电感比工频电感减轻几十倍的重量，节省材料

80%左右，灯管的的实际工作寿命延长3－5倍，同时能提供更好的性能，更低的损耗，和更高的亮度。

6．新能源开发领域

在世界石油、煤炭等化石能源日益紧缺的今天，低耗高效和寻找开发新能源是根本出路，因而，可再生能源以及燃料电池受到世界各国的高度重视。再生能源是指可自行再生的能源，如日光能、风能、潮汐能、地热能以及生物废料能等。从燃料电池、微燃气轮机、风能、太阳能和潮汐能等新能源中得到的一次电能，难以直接被标准的电气负载使用。所以，将其高效而经济地转换为民生用电，已成为先进科技国家兼顾环保和发电的重要产业政策。电力电子是解决能源问题的关键技术，它对新能源的开发、转换、输送、贮存和利用等各方面发挥着重要作用。如太阳能光伏发电。太阳能电池板获得的原始直流电压是与太阳光强度等因素有关的，它需要通过一个DC/DC变换器来稳定直流电压，再通过DC/AC变换器变为所要求的交流电，或直接供负载使用，或将电能馈入市电。

1.3电力电子应用技术的主要作用

1．是国民经济可持续发展的重要措施

世界能源日趋紧张，根据全世界石油生产统计，石油产量将于十年内达到高峰，尔后产量将逐年降低，这不仅意味着油价（电价）上升，也可能导致真正石油危机的到来，间接引发全球经济风暴。以最少的能源和材料消耗换取最大的产出，就是在有限能源和有限资源的条件下，保持人类生存环境少受污染、保证经济可持续发展的重要条件。201*年，我国消耗的原油占全世界的7.4%，原煤占31%，铁矿石占30%，钢材占27%，氧化铝占25%，水泥占40%，但创造的GDP仅相当于世界总量的4％。可见，我国能源消耗和创造的国民经济产值GDP比在全世界是相当低的，这种高投入、高消耗、高排放、低效率的粗放型经济增长方式不可能持续发展。以功率处理为对象的电力电子技术，是缓解和克服当今世界“能源危机、资源危机和环境危机”三大危机的重要技术手段之一。

电力电子应用技术在各行业现代化技术改造中发挥着重大作用。传统机电产品只是在其额定工作点附近运行时效率才比较高，但是多数实际工况均偏离额定，因此高效设备经常处在低效运行状态，这是我国能耗远高于西方发达国家的重要因素之。电力电子与微电子／计算机技术相结合，通过改变各种工况下电源的频率、电压、相位等参数，使整个系统处于高效运行状态，可大大节约电能。采用变频调速节能一般在10％－30％，有时高达40％。例如，1995年－1997年3年间，国家投入风机和水泵等变频调速改造3.5亿元，年节电达

7亿千瓦时，两年就收回投资。因此，电力电子在运动控制、工业电源、绿色照明、电力系统以及谐波治理、环境保护和新能源开发领域中的应用，是实现高效节能、省材，机电一体化、自动化、智能化的技术保障。

2．是实现国民经济信息化的关键接口

随着计算机、数字通讯和网络技术的发展，世界已进入信息社会。当前，发达国家在高度工业化的基础上正进一步实施国民经济的信息化，进入了以信息化带动其它产业发展的时代。人们意识到，为了把信息技术深化应用到各个物质生产领域，以信息流控制能源流/物料流，就必须加强信息控制、电网供电和生产机械之间的接口弱电控制强电的电力电子产业。

从技术发展来讲，在发展超大规模集成电路(VLSI)的同时，大力发展有超大面积集成(VLAI)之称的电力半导体器件；在实现信号变频来传递信息的同时，大力推动功率变频，实行电能的优化利用。采用电力电子变频技术，不仅节能省材、技术含量增高，还可方便地同计算机或微处理器、数字信号处理器等接口，易于采用软件控制，扩大智能化程度。例如，在通信用AC-DC电源中，采用IGBT或功率MOSFET管的现代开关电源，比传统线性电源的体积、重量减少90％；老式直流电焊机重200-300kg，效率仅30％，现代IGBT逆变焊机，重量只有20-30kg，效率却高达85％以上。

大力发展现代电力电子应用技术，既可促使传统产业许多产品的更新换代，又可为信息指令指挥物质生产架起桥梁，使信息化深入到物质生产中去。如，未来代替燃油汽车的电动车控制系统是一个包括“电池电脑电控电动机”的电子系统。电源转换、运动控制、安全与导航将是该电子系统的三大功能。未来的各行业将有自己的专用电子设备，汽车电子、航空电子、照明电子、印刷电子等等。那时电子部门将只提供计算机、通用软件、基础件(集成电路、电子元器件)和某些通用电子产品。只有弱电电子工业，不能直接控制生产机械，只有强电电子，即电力电子应用技术发展了，强电弱电相融合，构成信息电子电力电子传感电子的“大电子系统”，真正实现“机械电子一体化”，国民经济的水准才会有质的跃变。

3．是促进高科技发展和国防现代化的基础

巡航导弹、机器人是很轻巧的机电一体化系统，它包含了复杂的运动控制速度、加速度、位置、角度的全面控制，也包含了各种功率的变换给这些系统的各个部位提供不同的电压、电流、频率、相位等控制，而运动控制和功率变换正是电力电子应用技术的主要内容。航天器上每增加1kg载荷，从地面起航时必须增添500kg燃料和设施。电力电子应用技术可使各种电磁设备大幅度减轻重量，不言而喻，这对航天、航空、航海等具有重大价值。

在战舰中，速度就是生命、就是胜利。普通内燃机驱动的轮渡船，时速只有21公里/小时，全电驱动的轮渡船，速度可达60公里/小时。

现代舰船电气化程度越来越高。舰船上的电力负载，武器和防卫装备的控制系统，通信导航设备，电热、制冷、照明和其他生活用电设备，需要各种不同的电源。既要有恒定直流或恒压工频交流电，也要有可变的直流电源或三相交流变频变压电源。而通信导航设备、舰船指挥仪、声纳、雷达，部分设备甚至还要求脉冲沿非常陡的高频脉冲电源。另外，现代化的个人野战武器装备需要有微型卫星定位系统和计算机系统。而这些都需要效率很高、重量很轻的电源变换器把电池电压变为各种所需电压。所有这些电源都需要电力电子应用技术的支撑。

1.4电力电子应用技术的发展方向

为了电力电子元器件更加实用、高效、可靠地应用到电能变换电路系统中，电力电子应用技术的发展方向大致有以下六个方面。

1．集成化

电力电子电路的集成化也在迅猛发展。在有源器件的封装集成方面，通过改变器件内部的连线方式并把有关控制和保护功能封装进去，减小了器件内部连线电感和器件封装热阻，提高了内部连接可靠性和增加了器件功能。对无源器件，通过把磁性元件(电感或变压器)集成，或者把电感和电容集成，可以减少构成电力电子装置的元器件个数，提高系统可靠性，同时还能有效利用电感和电容的分布参数。在功率稍低的应用中，已经可以把控制、驱动、保护和电力电子主电路集成在一起，这就是系统集成，这种系统集成的功率等级正在逐步提高。在功率等级较高，系统集成难以实现时，模组化是个选择。模组化是模块组合化的简称。例如，从一个开关器件到三相逆变桥臂的6个开关器件的模块组合，以减小体积和提高可靠性；开关器件模块和散热器的集成组合，以减小从器件到散热介质之间的热阻；把变换器桥臂的器件与驱动、保护和散热器组合在一起成为一个整体，以方便装卸和更换。

2．智能化

开关器件的功能不断扩大，品种日益增多。通过数字芯片和通讯网络等手段，可以使其不仅具有开关功能，还有控制、驱动、检测、通讯和故障自诊断等功能。随着集成工艺的提高和突破，有的器件还具有放大、调制、振荡及逻辑运算的功能，使用范围得到拓宽而线路结构得到简化。

3．高压化

目前，电力电子器件的耐压等级与工业应用中需要的电压等级相比还很小，使其应用受到限制。如，半控开关器件晶闸管为8000V，全控开关器件IGBT只有6500V。为了使开关器件应用在高电压场合，一种途径是在拓扑电路方面进行探索，目前的技术大致有多电平变换器技术和多桥级联技术两种；另一种是在器件本身方面进行探索，目前主要有器件直接串联技术和器件材料和工艺的改进技术。如SiC技术等。

4．高频化

一般情况下，电力电子装置中的磁性元件和电容器约占1/3体积和1/3以上的重量。为了减小电力电子系统的体积和重量，提高功率密度、改善动态响应，提高开关变换器工作频率是必由之路。但高频化的结果导致器件的开关损耗及无源器件损耗增大、寄生参数影响增大、EMI增加。因此，围绕着高频化应加强产生了许多新技术的应用基础研究。一是改进器件本身的性能，如新型高频开关器件、新型高频磁元件的应用基础研究；二是采用新型软开关拓扑，三是采用多重化技术。

5．高效化

合理选择电路、改进控制技术和提升器件性能是提高电力电子装置效率的根本措施。在低电压大电流的变换器中，采用同步整流技术可降低整流电路中器件的通态损耗。在高频变换器中采用软开关技术，有利于降低器件的开关损耗。SiC材料器件是开关器件发展的一个方向。美国戴姆乐克莱斯勒公司的试验结果表明，用SiC二极管取代IGBT模块中现有的Si材料反并联二极管后，开关模块的开通损耗和关断损耗分别减小到1/3和1/5。

参考文献

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