电力电子技术是以电力电子器件为基础对电能进行控制、转换和传输的一门技术,是现代电子学的一个重要分支,包括电力电子器件、变流电路和控制电路三大部分,其中以电力电子器件的制造和应用为最基本的技术。因此,了解电力电子器件的基本工作原理、结构和电气参数,正确安全使用电力电子器件是完成一种电力电子装置最关键的一步。

电力电子器件种类繁多,各种器件具有自身的特点并对驱动、保护和缓冲电路有一定的要求。一个完善的驱动、保护和缓冲电路是器件安全、成功使用的关键。

电力电子变换电路常用的半导体电力器件有快速功率二极管、大功率双极型晶体管(GTR)、晶闸管(Thyristor或SCR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)以及功率集成电路(PIC)等。在这些器件中,二极管属于不控型器件,晶闸管属于半控型器件,其他均属于全控型器件。SCR、GTO及GTR属于电流驱动型器件,功率MOSFET、IGBT及PIC为电压驱动型器件。

在直接用于处理电能的主电路中,实现电能变换和控制的电子器件称为“电力电子器件”。电力电子器件之所以和“电力”二字相连,是因为它主要应用于电气工程和电力系统,其作用是根据负载的特殊要求,对市电、强电进行各种形式的变换,使电气设备得到最佳的电能供给,从而使电气设备和电力系统实现高效、安全、经济的运行。目前的电力电子器件主要指的是电力半导体器件,与普通半导体器件一样,电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。

1    电力电子器件的一般特征

(1)处理电功率的能力大

(2)工作在开关状态

(3)需要由信息电子电路来控制

(4)需要安装散热器

2   电力电子器件的分类

2.1   按器件被控程度分类

按照器件控制信号的控制程度,电力电子器件可分为以下三类:

(1)不可控型器件

这类器件一般为两端器件,一端是阳极,另一端是阴极。与电子电路中的二极管一样,具有单向导电性。其开关操作仅取决于其在主电路中施加在阳、阴极间的电压和流过它的电流,正向电压使其导通,负向电压使其关断,流过它的电流是单方向的。不可控器件不能用控制信号来控制电流的通断,因此不需要驱动电路。这类器件就是功率二极管(Power Diode)。

(2)半控型器件

这类器件是三端器件,除阳极和阴极外,还增加了一个控制门极。半控型器件也具有单向导电性,但开通不仅需在其阳、阴极间施加正向电压,而且还必须在门极和阴极间施加正向控制电压。门极和阴极间的控制电压仅控制其开通而不能控制其关断,器件的关断是由其在主电路中施加的电压和通过的电流决定的。这类半控型器件是指晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件。

(3)全控型器件

这类器件也是带有控制端的三端器件,其控制端不仅可以控制其开通,还能控制其关断。这类器件很多,包括门极关断晶闸管(GTO)、功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(功率MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。目前常用的是功率MOSFET和IGBT。

2.2   按控制信号的性质分类

按照控制信号的性质,电力电子器件可分为以下两类:

(1)电流驱动型器件

驱动信号加在器件控制端和公共端之间,通过从控制端注入或抽出电流来实现器件的导通或者关断的控制,这类电力电子器件称为电流驱动型器件或称为电流控制型器件。

(2)电压驱动型器件

通过施加在控制端和公共端之间的电压信号来实现器件的导通或者关断的控制，这类电力电子器件称为电压驱动型器件或称为电压控制型器件。

2.3   按参与导电的情况分类

按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况,电力电子器件可分为以下三类:

(1)由一种载流子参与导电的器件称为单极型器件;

(2)由电子和空穴两种载流子参与导电的器件称为双极型器件;

(3)由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件称为复合型器件。

典型电力电子器件的分类和用途见表1。

表1  典型电力电子器件的分类和用途

3   电力电子器件的发展历程

电力电子器件的发展,可分为以下四个阶段:

第一阶段是以整流管、晶闸管为代表的发展阶段。这一阶段的电力电子器件在低频、大功率变频领域中的应用占有优势,取代了早先的汞弧整流器。1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管,功率二极管开始应用于电力领域。1956年贝尔实验室又发明了晶闸管,1957年美国通用电气公司开发出世界上第一只晶闸管器件,开创了传统的电力电子器件应用技术阶段,实现了弱电对强电的控制,在工业界引起了一场技术革命。晶闸管的迅速发展使得中大功率的各种变流装置和电动机传动系统得到了快速发展。但关断这些器件的控制电路存在体积大、效率低、可靠性差、工作频率低以及电网侧和负载上谐波严重等缺点。

第二阶段是20世纪70年代后期以GTO、GTR和功率MOSFET等全控型器件为代表的发展阶段。这一阶段的电力电子器件开关速度高于晶闸管,它们的应用使变流器的高频化得以实现。
第三阶段是20世纪80年代后期以IGBT复合型器件为代表的发展阶段。IGBT是功率MOSFET和GTR的复合。功率MOSFET的特点是驱动功率小、开关速度快;GTR的特点是通态压降小、载流能力大。IGBT的优越性能使之成为电力电子器件应用技术的主导器件。

第四阶段是以PIC、HVIC等功率集成电路为代表的发展阶段。高速、全控型、大电流、集成化和多功能的电力电子器件先后问世,开创了现代电力电子集成器件的新阶段。这一阶段,是将全控型电力电子器件与驱动电路、控制电路、传感电路、保护电路、逻辑电路等集成在一起的高度智能化PIC,它实现了器件与电路、强电与弱电、功率流与信息流的集成,成为机和电之间的智能化接口、机电一体化的基础单元。

4   电力电子器件的应用与展望

电力电子器件的应用是电力电子技术的一部分。电力电子器件的应用技术称为“变流技术”,它包括用电力电子器件构成各种电力电子电路和对这些电路进行控制的技术,以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。

4.1   变流技术的分类

(1)AC/DC变换

把交流电变换成固定或可调的直流电称为整流。这类变换装置通常称为整流器。

(2)DC/AC变换

把直流电变换成频率固定或可调的交流电称为逆变。这类变换装置通常称为逆变器。按电源性质可分为电压型逆变和电流型逆变,按控制方式可分为方波逆变、PWM型逆变和谐振型(软开关)逆变,按换相性质可分为靠电网换相的有源逆变和自关断的无源逆变。

(3)AC/AC变换

把一种形式的交流电变换成频率、电压可调或固定的另一种形式的交流电,只对电压、电流或对电路的通断进行控制而不改变频率的称为电力控制,改变频率的称为变频控制。

(4)DC/DC变换

把一种固定的直流电压(或电流)变换成可调或恒定的另一种直流电压(或电流),称为斩波。DC/DC变换广泛应用于计算机电源、各类仪器仪表、直流电动机调速及金属焊接等。谐振型软开关技术是DC/DC变换的发展方向,该技术可以减小变换器的体积、质量,提高其可靠性,并有效解决开关损耗的问题。

4.2   电力电子器件的应用

近年来,由于电力电子变流技术的迅猛发展,已经成为其他工业技术发展的重要基础。电力电子器件不仅应用于电力系统,也广泛应用于工业、交通运输、通信系统、计算机系统、新能源系统;还应用于照明、空调等家用电器中,可概括为以下几个领域:

(1)电力系统

为了控制和改善供电质量,发电厂发出的交流电必须经过电力电子装置的处理后送到用户端,没有电力电子器件的应用,就没有电力系统的现代化。从技术层面来讲,电力市场的引入将产生对电力品质的改善装置,如不间断电源(UPS)、静止无功补偿装置(SVC)、静止无功发生器(SVG)、动态电压恢复器(DVR)、电力有源滤波器(APF)、限流器、电力储能装置、微型燃气发电机(Micro Cas Turbo)等新需求;再生能源、环保发电技术等分散发电将需要交直流变流装置。

(2)新能源利用与环境保护

电力电子器件还用于太阳能发电、风力发电与电力系统的联网,以及太阳能发电与风力发电电能的改善。

现代社会对环境造成了严重的污染,温室气体的排放引起了国际社会的关注。我国改革开放以来能源消费量急剧上升,二氧化碳的排放量也在迅速增加。

我国十分重视再生能源的开发,2006年我国实施了《再生能源法》。光伏、风力、燃料电池等新能源发电技术推动电力电子技术的应用,并形成电力电子技术的巨大市场。

(3)混合动力汽车

由于电力电子器件应用技术的迅速发展,交流电动机的调速性能可以和直流电动机相媲美。在工业电动机的控制中,交流调速、直流调速以及节能和软起动都是通过电力电子器件实现的,其驱动结构如图1所示。

图1  混合动力汽车的驱动结构

(4)交流运输

铁道电气化、电力机车控制、磁悬浮列车的使用都离不开电力电子器件,高级汽车中许多电机的控制是靠变频或斩波实现的。电动汽车的电动机控制和蓄电池充电也是靠电力电子装置实现的,飞机、船舶、电梯等都离不开电力电子装置。

(5)电源

不间断电源、电解电源、电镀电源、开关电源、微机及仪器仪表电源、航空电源、通信电源、交流电子稳压电源、脉冲功率电源、动力牵引及传动控制用电源等都是靠变流技术实现的。

(6)家用电器

用于家庭照明的LED节能灯，体积小、发光效率高、节省能量多，这是通过电力电子器件把交流电转换成电力电子照明电源来实现的。此外，变频空调、电视机、音响、洗衣机、电冰箱、微波炉、计算机等都离不开电力电子器件的应用。

总之,电力电子技术已经渗透到现代社会的各个方面,其应用涉及航天、国防、工农业生产、交通、文教卫生、办公自动化及家用电器等各个领域。电力电子器件的应用与国民经济和日常生活息息相关。未来90%的电能均需通过电力电子处理后再加以利用,以便提高能源利用效率、提高工业生产效率、实现再生能源的最大利用。电力电子技术将在21世纪为建设一个节能、环保、和谐的社会发挥着重要作用。

作者简介

乔恩明 (1959-),男。军事装备学研究生毕业。武汉雷升电子有限公司总经理,高级工程师。有著作5部,论文20余篇。参与编著《现代电力电子器件识别、检测及应用》(中国电力出版社,2010年6月)。主要研究方向:军用电源技术等。

张乃国 (1937-),男。本刊主编。 "));

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