現(xiàn)代電力電子綜述

1、.1J 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(shù)開展與應(yīng)用姓 名：班 級：學(xué) 號：授課教師：2021 年11月.1摘要：電力電子學(xué)是一門新興的科學(xué)，電力電子技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)、工業(yè)和國防的重要支撐技術(shù)。而功率器件是電力電子技術(shù)的核心和根底，其應(yīng)用是電力電子技術(shù)開展的驅(qū)動力。文章介紹了電力電子器件的開展過程，說明電力電子器件的最新開展情況及未來的開展趨勢，同時介紹了電力電子技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用情況并展望電力電子技術(shù)的未來開展方向。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；電力電子器件；應(yīng)用展望0 引言 電力電子技術(shù)就是使用電力半導(dǎo)體器件對電能進(jìn)展變換和控制的技術(shù)，它是綜合了電子技術(shù)

2、、控制技術(shù)和電力技術(shù)而開展起來的應(yīng)用性很強(qiáng)的新興學(xué)科。隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的不斷提高，電能的應(yīng)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(shù)無論對傳統(tǒng)工業(yè)的改造還是對高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的開展都有著至關(guān)重要的作用，它涉及的應(yīng)用領(lǐng)域包括國民經(jīng)濟(jì)的各個工業(yè)部門。毫無疑問，電力電子技術(shù)將成為21世紀(jì)的重要關(guān)鍵技術(shù)之一。 分析當(dāng)前電力電子技術(shù)的開展趨勢，其大致方向表現(xiàn)為由傳統(tǒng)低頻技術(shù)處理向現(xiàn)代高頻技術(shù)轉(zhuǎn)換，并逐漸取代傳統(tǒng)的電力電子器件整合時代?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，開關(guān)電源、輸電技術(shù)、發(fā)電系統(tǒng)，隨處可見電力電子技術(shù)的身影。上世紀(jì)九十年代初以功率半導(dǎo)體復(fù)合器件為象征的現(xiàn)代電力電子體系逐漸形成，對于人

3、們的工作和生活產(chǎn)生了重大影響。本文從電力電子技術(shù)的開展歷程和應(yīng)用展望等方面分析了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的開展趨勢，表達(dá)了電力電子技術(shù)的開展與當(dāng)前時代開展特征的融合。1 電力電子技術(shù)的開展 電力電子技術(shù)包含電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)兩個分支，電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的根底。電力電子器件的開展對電力電子技術(shù)的開展起著決定性的作用，電力電子技術(shù)的開展史是以電力電子器件的開展史為綱的。1半控型器件第一代電力電子器件。上世紀(jì)50年代，美國通用電氣公司創(chuàng)造了世界上第一只硅晶閘管(SCR)，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。此后，晶閘管得到了迅速開展，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

4、派生器件，如快速晶閘管、逆導(dǎo)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(guān)斷，要關(guān)斷器件必須通過強(qiáng)迫換相電路，從而使整個裝置體積增加，復(fù)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(yīng)，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(yīng)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(dǎo)體技術(shù)的不斷突破及實(shí)際需求的開展，從上世紀(jì)70年代后期開場，以門極可關(guān)斷晶閘管GTO、電力雙極晶體管BJT和電力場效應(yīng)晶體管Power-MOSFET為代表的全控型器件迅速開展1。全控型器件的特點(diǎn)是，通過對門極基極、柵極的控

5、制既可使其開通又可使其關(guān)斷。此外，這些器件的開關(guān)速度普遍高于晶閘管，可用于開關(guān)頻率較高的電路。這些優(yōu)點(diǎn)使電力電子技術(shù)的面貌煥然一新，把電力電子技術(shù)推進(jìn)到一個新的開展階段。3電力電子器件的新開展。為了解決MOSFET在高壓下存在的導(dǎo)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1986年開場正式生產(chǎn)并逐漸系列化。IGBT是MOSFET和BJT的復(fù)合，它把MOSFET驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點(diǎn)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(shù)的主導(dǎo)器件。與IGBT相對應(yīng)，MOS控制晶閘管(MCT)和集成門極換流晶閘管I

6、GCT都是MOSFET和GTO的復(fù)合，它們都綜合了MOSFET和GTO兩種器件的特點(diǎn)。 為了使電力電子裝置的構(gòu)造緊湊，體積減小，常常把假設(shè)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(yīng)用帶來了很大的方便。后來，又把驅(qū)動、控制、保護(hù)電路和功率器件集成在一起，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(shù)的一個重要開展方向。近年來，在高壓硅器件領(lǐng)域，世界各國的研究者關(guān)注的重點(diǎn)是利用新構(gòu)造、新工藝去突破極限，挖掘潛力，努力推進(jìn)各類器件性能的進(jìn)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

7、經(jīng)過幾十年的開展根本上都表現(xiàn)為對器件構(gòu)造原理和制造工藝的改進(jìn)和創(chuàng)新，在材料的應(yīng)用上始終沒有突破硅的圍。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(shù)的開展卻不斷對電力電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(yīng)用新型半導(dǎo)體材料制造新型電力電子器件的研究。結(jié)果說明，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(yīng)當(dāng)是臨界雪崩擊穿電場強(qiáng)度、載流子飽和漂移速度和熱導(dǎo)率都比較高的寬禁帶半導(dǎo)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

8、料的制造技術(shù)和加工工藝日漸成熟，使用寬禁帶半導(dǎo)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(jì)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(lǐng)域替代硅器件的序幕。隨后，高耐溫、高耐壓的碳化硅場效應(yīng)器件、碳化硅IGBT、碳化硅雙極型器件紛紛出現(xiàn)，預(yù)示著不遠(yuǎn)的將來集高電壓、大電流、高工作頻率等優(yōu)點(diǎn)于一身的新型器件即將誕生。2 常用電力電子器件簡介 = 1 * GB2 * MERGEFORMAT 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(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的

9、低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。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(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)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UCES 2)柵極-發(fā)射極額定電壓UGES 3)額定集電極電流IC4)集電極-發(fā)射極飽和電壓UEC5)開關(guān)頻率 = 2 * GB2 * MERGEFORMAT 功率場

10、效應(yīng)晶體管(P-MOSFET) 功率MOS場效應(yīng)晶體管，即MOSFET，其原意是：MOSMetal O*ide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體，F(xiàn)ETField Effect Transistor場效應(yīng)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(yīng)來控制半導(dǎo)體S的場效應(yīng)晶體管。 P-MOSFET的構(gòu)造符號如圖二所示。(a)P-MOSFET構(gòu)造(b)符號圖二 P-MOSFET構(gòu)造與符號工作原理：當(dāng)漏極接電源正極，源極接電源負(fù)極，柵源之間電壓為零或?yàn)樨?fù)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(yīng)

11、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)外表。當(dāng)UGS大于*一電壓值UT時，柵極下面型區(qū)外表的電子濃度將超過空穴濃度，使型半導(dǎo)體反型成型半導(dǎo)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(dǎo)電能力越強(qiáng)。漏極電流ID越大。主要參數(shù)： 1. 漏源擊穿電壓BUDS 2. 漏極連續(xù)電流ID和漏極峰值電流IDM 3. 柵源擊穿電壓BUGS 4. 開啟電壓UT 5. 極間電容 6. 通態(tài)電阻Ron = 3 * GB2 * MERGEFORMAT 門極可關(guān)斷晶閘管(GTO) GTO的構(gòu)造為四層三端構(gòu)造，其構(gòu)造和符號如圖三所示。(a)GTO構(gòu)造(b)符號圖三

12、 GTO構(gòu)造與符號GTO主要參數(shù)：1. 最大可關(guān)斷陽極電流IATO 通常將最大可關(guān)斷陽極電流IATO作為GTO的額定電流。2. 關(guān)斷增益off 關(guān)斷增益off為最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)電流最大值IGM之比，其表達(dá)式為 off ATO/GM off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(shù)應(yīng)用 現(xiàn)代電力電子技術(shù)是高效節(jié)能、節(jié)約原材料、實(shí)用性極強(qiáng)的高新技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用空間。不僅用于一般工業(yè)，也廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)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(lǐng)域中也有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)就兩個重要的應(yīng)用領(lǐng)域加以闡述。一般工業(yè)。工業(yè)量應(yīng)用各種交

13、直流電機(jī)，全世界用電量有60%左右是電動機(jī)消耗掉的。直流電動機(jī)有良好的調(diào)速性能，為其供電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(shù)的開展，交流調(diào)速傳動開場大量應(yīng)用并占據(jù)主導(dǎo)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(shù)。不僅如此，電化學(xué)工業(yè)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(yīng)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(shù)3。電力系統(tǒng)。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)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(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，一方面表現(xiàn)在改善傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行特性上，比方大型發(fā)電機(jī)的靜止勵磁采用晶閘管整流

14、并勵方式時具有構(gòu)造簡單、可靠性高及造價低等優(yōu)點(diǎn)；另一方面表現(xiàn)在風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電等新能源利用上，比方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(shù)在遠(yuǎn)距離輸電時優(yōu)越性很多。1970年，世界第一項(xiàng)晶閘管換流閥試驗(yàn)工程在瑞典建成，標(biāo)志著電力電子技術(shù)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(shù)的成熟，新一代HVDC技術(shù)應(yīng)用越發(fā)廣泛。基于電力電子技術(shù)用于改善電網(wǎng)環(huán)境的有源電力濾波器APF、靜止無功補(bǔ)償器SVC也獲得實(shí)際應(yīng)用4。電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合的柔性交流輸電技術(shù)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)

15、控可大幅降低輸電損耗，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(shù)FACTS已在美國、日本、瑞典、巴西等國獲得實(shí)際應(yīng)用，國也有深入研究和開展；3配電及用電環(huán)節(jié)。用戶電力Custom Power，簡寫為CP技術(shù)是電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配用電系統(tǒng)中的應(yīng)用，它和FACTS技術(shù)原理一樣，主要用于加強(qiáng)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(fù)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(shù)展望4.1 電力電子技術(shù)的開展趨勢 電子電子技術(shù)歸根結(jié)底是對電源技術(shù)的研究，電源技術(shù)不僅是電力電子技術(shù)研究的核心，一定程度上開光電源技術(shù)的開

16、展也預(yù)示著現(xiàn)代電力電子技術(shù)今后的開展走向。從開展趨勢來看，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的開展趨勢可概括為以下幾方面特點(diǎn)： 第一，現(xiàn)代電力電子技術(shù)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(shù)的功率器件和電源單元兩個方面，從微小器件組成來實(shí)現(xiàn)電子器件的智能化區(qū)分與使用。這樣的模塊功率不僅有效控制了器件的體積，在設(shè)計(jì)與制造方面也形成了顯著的模塊化特征。電力電子技術(shù)的模塊化開展其核心目的旨在降低器件的電應(yīng)力，從平安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(shù)的高頻化特征。從理論分析及實(shí)踐驗(yàn)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

17、體積的減小必然會導(dǎo)致電子技術(shù)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(biāo)志著現(xiàn)代電子與電力技術(shù)率先實(shí)現(xiàn)了自身的高頻化轉(zhuǎn)換。 第三，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的全控化與數(shù)字化特征。全控化電力電子技術(shù)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(guān)斷換流電路可能造成的危險，從根本上保障了電力系統(tǒng)在使用過程中的平安性。數(shù)字化特征則主表現(xiàn)在現(xiàn)代電力電子技術(shù)的高頻斬波以及諧振變換等方面，從弱電領(lǐng)域拓展了電力電子技術(shù)的開展渠道，提前實(shí)現(xiàn)了控制技術(shù)的集成化。 第四，現(xiàn)代電力電子技術(shù)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(dāng)前電力電子技術(shù)在開展過程

18、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(guān)的污染過濾器或是電能補(bǔ)償系統(tǒng)等都是當(dāng)前電力電子技術(shù)向綠色化邁進(jìn)的有力證據(jù)。具體的電力電子技術(shù)應(yīng)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(shù)的應(yīng)用。太陽能發(fā)電技術(shù)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(shù)。燃料電池的發(fā)電裝置主要是將其中的化學(xué)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(shù)的應(yīng)用。作為一種新型電力系統(tǒng)出現(xiàn)的交流輸電技術(shù)實(shí)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(shù)中的儲存與質(zhì)量控制技術(shù)。儲存技術(shù)的使用在于提升電力系統(tǒng)本身的電力儲藏功能，而質(zhì)量控制技術(shù)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(shù)的應(yīng)用展望 關(guān)于現(xiàn)代電力電子技術(shù)的應(yīng)用展望，可從如下幾方面得以表達(dá)：第一，從節(jié)能性角度提升電機(jī)系統(tǒng)的使用性能，可從專用電機(jī)的設(shè)計(jì)或