现代电力电子综述

J I A N G S U U N I V E R S I T Y现代电力电子技术发展与应用姓名：班级：学号：授课教师：2023年11月摘要：电力电子学是一门新兴的科学，电力电子技术是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。而功率器件是电力电子技术的核心和基础，其应用是电力电子技术发展的驱动力。文章介绍了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，同时介绍了电力电子技术在各个领域的应用情况并展望电力电子技术的未来发展方向。关键词：电力电子技术；电力电子器件；应用展望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。 分析当前电力电子技术的发展趋势，其大致方向表现为由传统低频技术处理向现代高频技术转换，并逐渐取代传统的电力电子器件整合时代。现代电力电子技术应用领域广泛，开关电源、输电技术、发电系统，随处可见电力电子技术的身影。上世纪九十年代初以功率半导体复合器件为象征的现代电力电子体系逐渐形成，对于人们的工作和生活产生了重大影响。本文从电力电子技术的发展历程和应用展望等方面分析了现代电力电子技术的发展趋势，体现了电力电子技术的发展与当前时代发展特征的融合。1 电力电子技术的发展 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。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MOSFET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MOSFET和BJT的复合，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。4）基于新型材料的电力电子器件。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2。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 常用电力电子器件简介绝缘栅双极晶体管(IGBT) IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 IGBT的电路符号和等效电路如图一所示。(a)IGBT符号(b)等效电路 图一 IGBT符号与等效电路主要参数：1)集电极-发射极额定电压UCES 2)栅极-发射极额定电压UGES 3)额定集电极电流IC4)集电极-发射极饱和电压UEC5)开关频率功率场效应晶体管(P-MOSFET) 功率MOS场效应晶体管，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。 P-MOSFET的结构符号如图二所示。 (a)P-MOSFET结构(b)符号图二 P-MOSFET结构与符号工作原理：当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源之间电压为零或为负时，型区和型漂移区之间的结反向，漏源之间无电流流过。 如果在栅极和源极加正向电压UGS，不会有栅流。但栅极的正电压所形成电场的感应作用却会将其下面型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的型区表面。当UGS大于某一电压值UT时，栅极下面型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使型半导体反型成型半导体，沟通了漏极和源极，形成漏极电流ID。电压UT称为开启电压，UGS超过UT越多，导电能力越强。漏极电流ID越大。主要参数： 1. 漏源击穿电压BUDS 2. 漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM 3. 栅源击穿电压BUGS 4. 开启电压UT 5. 极间电容 6. 通态电阻Ron 门极可关断晶闸管(GTO) GTO的结构为四层三端结构，其结构和符号如图三所示。 (a)GTO结构 (b)符号图三 GTO结构与符号GTO主要参数：1. 最大可关断阳极电流IATO 通常将最大可关断阳极电流IATO作为GTO的额定电流。2. 关断增益off 关断增益off为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IGM之比，其表达式为off ATO/GMoff比晶体管的电流放大系数小得多，一般只有左右。 3 电力电子技术应用 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。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3。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4。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5。4 电力电子技术展望4.1 电力电子技术的发展趋势 电子电子技术归根结底是对电源技术的研究，电源技术不仅是电力电子技术研究的核心，一定程度上开光电源技术的发展也预示着现代电力电子技术今后的发展走向。从发展趋势来看，现代电力电子技术的发展趋势可概括为以下几方面特点： 第一，现代电力电子技术的集成化与模块化特征。这一特征主要表现在现代电力电子技术的功率器件和电源单元两个方面，从微小器件组成来实现电子器件的智能化辨别与使用。这样的模块功率不仅有效控制了器件的体积，在设计与制造方面也形成了显著的模块化特征。电力电子技术的模块化发展其核心目的旨在降低器件的电应力，从安全性与可靠性角度提升电力系统的使用性能。 第二，现代电力电子技术的高频化特征。从理论分析及实践验证的双重角度不难看出，无论是变压器的电感还是电容体积在供电频率方面都呈现出一定的反比例趋势，因此体积的减小必然会导致电子技术的高频化呈现。从这个角度来看，全控型电子器件的问世已然标志着现代电子与电力技术率先实现了自身的高频化转换。 第三，现代电力电子技术的全控化与数字化特征。全控化电力电子技术的革新突破了原有电力电子器件在使用功能方面的限制，降低了关断换流电路可能造成的危险，从根本上保障了电力系统在使用过程中的安全性。数字化特征则主表现在现代电力电子技术的高频斩波以及谐振变换等方面，从弱电领域拓展了电力电子技术的发展渠道，提前实现了控制技术的集成化。 第四，现代电力电子技术的绿色化特征。这里的绿色化特征既包括了环境污染问题的控制，又涉及到必要的电网污染源问题，是当前电力电子技术在发展过程中亟需解决的重要问题。发电容量的控制从根本上减少了发电对环境造成的污染，与此相关的污染过滤器或是电能补偿系统等都是当前电力电子技术向绿色化迈进的有力证据。具体的电力电子技术应用方面，则主要表现为四大革新趋势：其一，太阳能发电技术的应用。太阳能发电技术为普通家庭提供了足够的电能使用空间，成为了可再生资源的有效传播途径之一。其二，燃料电池发电技术。燃料电池的发电装置主要是将其中的化学能转化为可使用的电能，节能省电，鲜少产生环境污染问题。其三，交流输电技术的应用。作为一种新型电力系统出现的交流输电技术实现了对电网资源重新分配与利用，保障了电力系统的稳定性。其四，现代电力电子技术中的储存与质量控制技术。储存技术的使用在于提升电力系统本身的电力储备功能，而质量控制技术则在于从供电质量角度提高电力产品的使用效率。4.2 现代电力电子技术的应用展望 关于现代电力电子技术的应用展望，可从如下几方面得以体现：第一，从节能性角度提升电机系统的使用性能，可从专用电机的设计或是控制设备的完善等方面来提升整体电力系统的使用效率；第二，中高压直流输电系统的运用也是今后电力电子技术发展的必然趋势，这一系统本身就具备了低污染和低能耗的特点；第三，当前社会发展进程中充电站网络的构建或是电动车辆的普及已经逐渐成为现代电力电子技术发展进程中积极完善与改革的内容，以电动汽车为代表的环保电力问题逐渐成为一个时代课题。至于当前城市建设过程中充电网络的配备问题基本尚处于起步阶段，无论是实际应用领域还是理论构建领域都还存在许多值得研究和讨论的问题，但无疑其发展空间是极为广阔的；第四，关于电力系统中电能储备装置的设置与超导线的使用也将成为电力电子技术亟需解决的问题之一，从根本上解决电能储备问题势必将对电力系统的持续发展产生积极而深远的影响。然而面对电能储备过程中存在的诸多问题，电力系统设计者需要从控制技术与存储技术的双重层面来体现储能装置的有效性，对于其中可能存在的不合理问题提出切实有效的解决或改进对策。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吴郁.2023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，2023（2）：6-16.3杨勇.高压直流输电技术的发展与应用前景J.电力自动化设备，2001，21（9）：58-60.4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，2005.5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.