變流技術(shù)與半導(dǎo)體電力變流器

電力電子學(xué)（或電力電子技術(shù)）的理論是建立在電子學(xué)、電力學(xué)和控制學(xué)三個(gè)學(xué)科基礎(chǔ)之上的。起初它被認(rèn)為是介于電子學(xué)、電力學(xué)與控制學(xué)之間的邊緣學(xué)科，但是隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，它已成為一個(gè)涉及領(lǐng)域廣闊的學(xué)科，可以說(shuō)凡是涉及到電能應(yīng)用的場(chǎng)合，便有其用武之地。時(shí)值今日它不僅已發(fā)展成為高科技的一個(gè)分支，而且還是許多高科技的支撐。

電力電子技術(shù)之所以和“電力”二字相連則是因?yàn)樽畛跛膽?yīng)用范圍主要是在電氣工程中和電力系統(tǒng)中，對(duì)市電或強(qiáng)電進(jìn)行控制與變換。其作用就是根據(jù)負(fù)荷和負(fù)載的特殊要求，對(duì)市電、強(qiáng)電進(jìn)行各種形式的變換（主要是頻率的變換），以使電氣設(shè)備得到最佳的電能供給，使電力系統(tǒng)處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)，從而使電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效、安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。電力電子技術(shù)發(fā)展到今天，它不僅僅只涉及到“電力”的變換與應(yīng)用，而且也涉及到化學(xué)能電源（電池）、太陽(yáng)能電池電能的變換與應(yīng)用。雖然已突破了當(dāng)初單純“電力”的界限，但是仍然是在功率變換的范圍。

僅就電力電子技術(shù)本身而言，它主要包括二個(gè)方面，即電力半導(dǎo)體器件制造技術(shù)和電力半導(dǎo)體變流技術(shù)。前者是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，后者是電力電子技術(shù)的核心。二者相輔相成，相互依存，相互促進(jìn)的關(guān)系，使得電力電子技術(shù)發(fā)展的勢(shì)頭一浪高過(guò)一浪，使其在科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

1電力半導(dǎo)體器件

半導(dǎo)體變流技術(shù)的發(fā)展，立足于電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展。而電力半導(dǎo)體器件是以美國(guó)1956年生產(chǎn)硅整流管（SR）、1958年生產(chǎn)晶閘管（SCR）為起始點(diǎn)逐漸發(fā)展起來(lái)的。

經(jīng)過(guò)了40多年的發(fā)展，在器件制造技術(shù)上不斷提高，已經(jīng)歷了以晶閘管為代表的分立器件，以可關(guān)斷晶閘管（GTO）、巨型晶體管（GTR）、功率MOSFET、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）為代表的功率集成器件（PID），以智能化功率集成電路（SPIC）、高壓功率集成電路（HVIC）為代表的功率集成電路（PIC）等三個(gè)發(fā)展時(shí)期。從晶閘管靠換相電流過(guò)零關(guān)斷的半控器件發(fā)展到PID、PIC通過(guò)門(mén)極或柵極控制脈沖可實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通與關(guān)斷的全控器件，從而實(shí)現(xiàn)了真正意義上的可控硅。在器件的控制模式上，從電流型控制模式發(fā)展到電壓型控制模式，不僅大大降低了門(mén)極（柵極）的控制功率，而且大大提高了器件導(dǎo)通與關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度，從而使器件的工作頻率由工頻→中頻→高頻不斷提高。

在器件結(jié)構(gòu)上，從分立器件，發(fā)展到由分立器件組合成功率變換電路的初級(jí)模塊，繼而將功率變換電路與觸發(fā)控制電路、緩沖電路、檢測(cè)電路等組合在一起的復(fù)雜模塊。功率集成器件從單一器件發(fā)展到模塊的速度更為迅速，今天已經(jīng)開(kāi)發(fā)出具有智能化功能的模塊（IPM）。

表1具有代表性的電力半導(dǎo)體器件發(fā)展概況

所有這一切為高頻變換技術(shù)的開(kāi)發(fā)，為變流器實(shí)現(xiàn)高頻化、小型化、輕量化，為節(jié)能、節(jié)材、提高效率與可靠性奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)于具有代表性的電力半導(dǎo)體器件與模塊的發(fā)展概況可參見(jiàn)表1。

概括電力電子器件40多年來(lái)的發(fā)展，經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期，具體可分為四個(gè)階段。

（1）第一階段

以整流管、晶閘管為代表的發(fā)展階段，其在低頻、大功率變流領(lǐng)域中的應(yīng)用占有優(yōu)勢(shì)，很快便完全取代了汞弧整流器。

（2）第二階段

以GTO、GTR等全控器件為代表的發(fā)展階段，雖仍屬電流型控制模式，但其應(yīng)用使得變流器的準(zhǔn)高頻化得以實(shí)現(xiàn)。

（3）第三階段

以功率MOSFET、IGBT等電壓型全控器件為代表的發(fā)展階段，可直接用IC進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，高頻特性更好，可以說(shuō)器件制造技術(shù)已進(jìn)入了和微電子技術(shù)相結(jié)合的初級(jí)階段。即電力電子器件與電子器件在發(fā)展的道路上，經(jīng)歷了一段時(shí)間的分道揚(yáng)鑣、各走各的路的狀況之后，又走到一起了。

（4）第四階段

以SPIC、HVIC等功率集成電路為代表的發(fā)展階段，使電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)更緊密地結(jié)合在了一起，是將全控型電力電子器件與驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、傳感電路、保護(hù)電路、邏輯電路等集成在一起的高度智能化的功率集成電路。它實(shí)現(xiàn)了器件與電路的集成，強(qiáng)電與弱電、功率流與信息流的集成，成為機(jī)和電之間的智能化接口，機(jī)電一體化的基礎(chǔ)單元，預(yù)計(jì)PIC的發(fā)展將會(huì)使電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)第二次革命，進(jìn)入全新的智能化時(shí)代。這一階段還處在初期發(fā)展中。

2半導(dǎo)體電力變流器

2?1變流技術(shù)的應(yīng)用范圍

變流技術(shù)發(fā)展到今天，其應(yīng)用范圍大致分為5個(gè)方面。

（1）整流：實(shí)現(xiàn)AC/DC變換；

（2）逆變：實(shí)現(xiàn)DC/AC變換；

（3）變頻：實(shí)現(xiàn)AC/AC(AC/DC/AC)變換；

（4）斬波：實(shí)現(xiàn)DC/DC(AC/DC/DC)變換；

（5）靜止式固態(tài)斷路器：實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)、斷路器的功能，控制電能的通斷。

2?2變流技術(shù)的發(fā)展

變流技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)歷了三個(gè)階段。

（1）第一階段

第一階段是基于電子管、離子管（閘流管、汞弧整流器、高壓汞弧閥）的發(fā)展與應(yīng)用，當(dāng)時(shí)把這一學(xué)科稱作工業(yè)電子學(xué)（IndustrialElectronics)。這一階段的研究工作，主要是集中在整流、逆變和變頻技術(shù)的開(kāi)發(fā)上。變流技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要是直流傳動(dòng)，直流牽引，電化、電冶、中頻、高頻淬火、加熱，高壓直流輸電等。由于直流傳動(dòng)，直流牽引，電化電冶在變流技術(shù)應(yīng)用中占有壓倒的優(yōu)勢(shì)，因此，那時(shí)將直流傳動(dòng)、牽引、電化稱作變流行業(yè)的三大支柱。其實(shí)從變流技術(shù)的分類(lèi)來(lái)看，它屬于整流變換，是變流技術(shù)的一小部分。

（2）第二階段

第二階段是基于硅整流管、晶閘管的發(fā)展與應(yīng)用，主要是晶閘管。在我國(guó)始于20世紀(jì)60年代初，電力電子學(xué)（PowerElectronics）問(wèn)世，并取代了工業(yè)電子學(xué)。由于變流技術(shù)的基本理論——整流、逆變、變頻技術(shù)的研究，可以說(shuō)在第一階段已經(jīng)完成，這已不是第二階段的研究主題。這一階段主要是針對(duì)硅整流管、晶閘管取代電子管、離子管以后出現(xiàn)的新問(wèn)題，（如硅整流管、晶閘管的阻斷電壓不高，通態(tài)電流不大，耐受過(guò)電壓、過(guò)電流沖擊能力不強(qiáng)，應(yīng)用中稍有異常狀況出現(xiàn)，便會(huì)造成器件永久性損壞）開(kāi)展的應(yīng)用研究，諸如：觸發(fā)電路的研究、器件并聯(lián)均流措施的研究、器件串聯(lián)均壓措施的研究、器件換相過(guò)程中防止開(kāi)通過(guò)電流、關(guān)斷過(guò)電壓的緩沖（阻尼）電路的研究、變流裝置過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)的研究，以及器件的熱容量與變流系統(tǒng)故障時(shí)系統(tǒng)短路電流及快速熔斷器短路容量的保護(hù)配合研究等。隨著器件制造水平的不斷提高，變流裝置保護(hù)措施的不斷完善，使得硅整流管、晶閘管在變流裝置中的應(yīng)用技術(shù)日趨成熟。

如同任何新生事務(wù)的發(fā)展都是勢(shì)不可擋一樣，硅整流管、晶閘管在變流技術(shù)中的應(yīng)用與發(fā)展，亦是勢(shì)不可擋。它很快便取代了汞弧整流器在變流技術(shù)中的地位，使我國(guó)進(jìn)入了電力電子技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用階段，而我國(guó)的汞弧整流器制造業(yè)在完成自己的歷史使命后于1972年正式停產(chǎn)。它不僅在所謂變流技術(shù)三大支柱產(chǎn)業(yè)中完全取代了汞弧整流器，并且功率更大，即使在高壓直流輸電領(lǐng)域，世界上第一個(gè)高壓晶閘管換流閥于1970年在瑞典哥特蘭島直流輸電工程中投運(yùn)，宣告了高壓汞弧閥在高壓直流輸電領(lǐng)域中歷史使命的終結(jié)。除此而外，它還取代了用于電鍍、蓄電池充電、發(fā)電廠（站）與變電站直流系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組；取代了發(fā)電機(jī)的直流勵(lì)磁機(jī)組。

這一時(shí)期，隨著整流管特別是晶閘管制造技術(shù)水平的不斷提高，半導(dǎo)體變流技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域不斷得到擴(kuò)展。例如，快速晶閘管的開(kāi)發(fā)大大促進(jìn)了中頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火電源（1kHz～8kHz）的發(fā)展；為國(guó)防建設(shè)和高科技研究服務(wù)的晶閘管低頻電源、400Hz中頻電源、高精度穩(wěn)壓電源與穩(wěn)流電源相繼開(kāi)發(fā)出來(lái)；還有許多應(yīng)用領(lǐng)域，不再贅述。

以晶閘管應(yīng)用為核心的這一發(fā)展階段，無(wú)論是整流、逆變、變頻，其變換都是通過(guò)對(duì)晶閘管的門(mén)極進(jìn)行移相控制（α、β）而實(shí)現(xiàn)的，即相控型的變換技術(shù)。由于晶閘管屬于非自關(guān)斷（全控）器件，它又是電流型控制器件，所以在高頻應(yīng)用領(lǐng)域，它還無(wú)法取代閘流管和電子管，只在低頻大功率領(lǐng)域占優(yōu)勢(shì)。

在這一階段，關(guān)于實(shí)現(xiàn)DC/DC變換的斬波技術(shù)的研究已經(jīng)開(kāi)展，并且率先應(yīng)用在直流牽引調(diào)速中。公交無(wú)軌電車(chē)上所用的晶閘管調(diào)速，即是DC/DC變換應(yīng)用的實(shí)例。只不過(guò)由于晶閘管是半控器件，將其用在DC/DC變換中，為了強(qiáng)迫其關(guān)斷，主電路、控制電路較為復(fù)雜，但是其節(jié)能效果是顯著的。

（3）第三階段

第三階段是基于全控型電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展與應(yīng)用，是半導(dǎo)體電力變流器向高頻化發(fā)展的階段，也是變流裝置的控制方式由移相控制（PhaseshiftControl）向時(shí)間比率控制(TimeRatioControl—TRC）發(fā)展的階段。時(shí)下將采用上述二種控制方式的變流裝置（電源）簡(jiǎn)單地稱作相控電源和開(kāi)關(guān)電源的說(shuō)法是不確切的，這是因?yàn)樵诎雽?dǎo)體電力變流器中，承擔(dān)功率變換的電力電子器件就是作為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)來(lái)應(yīng)用的，無(wú)論是相控電源還是時(shí)間比率控制電源都是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此，稱為移相控制電源和時(shí)間比率控制電源的比較確切。

TRC一般有三種，即脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModuration－PWM），脈沖頻率調(diào)制(PulseFrequencyModulation－PFM)，混合調(diào)制（PWM＋PFM)。PWM方式因?yàn)檎{(diào)制頻率固定，即調(diào)制周期T恒定（或基本不變），通過(guò)改變控制脈沖的占空比D進(jìn)行變換電路的調(diào)節(jié)，從而使濾波電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，所以常用的TRC是PWM方式。

第三階段的發(fā)展是隨著全控型器件的發(fā)展而逐漸展開(kāi)的。

首先以GTO、GTR等雙極型全控器件的應(yīng)用為代表，使逆變、變頻、斬波變換電路的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，使變換的頻率可以提高到20kHz左右，為電氣設(shè)備的高頻化、小型化、高效、節(jié)能、節(jié)材奠定了基礎(chǔ)。但是由于GTO、GTR是電流型控制器件，控制電路功率大，且變換頻率也不能很高。

隨著變換頻率的不斷提高，PWM電路的缺點(diǎn)便逐漸暴露了出來(lái)。由于PWM電路屬硬開(kāi)關(guān)電路，一方面使電路中的變換器件工作時(shí)所承受的電壓應(yīng)力及電流應(yīng)力大，同時(shí)變換過(guò)程中高的dv/dt、di/dt又會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，使電氣電子設(shè)備電磁兼容的問(wèn)題突出；另一方面器件開(kāi)通與關(guān)斷損耗的問(wèn)題逐漸棘手，嚴(yán)重制約了變換頻率的進(jìn)一步提高。于是建立在諧振、準(zhǔn)諧振原理之上的軟開(kāi)關(guān)電路，即所謂的零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）與零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）電路問(wèn)世。它是利用諧振進(jìn)行換相的一種新型變流電路，實(shí)現(xiàn)了器件在零電壓下的導(dǎo)通和零電流下的關(guān)斷，從而大大降低了器件的開(kāi)關(guān)損耗，這樣一來(lái)，TRC技術(shù)＋軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使得變換頻率進(jìn)一步得到提高。

之后以功率MOSFET、IGBT等電壓型控制的、混合型全控器件的應(yīng)用為代表，真正實(shí)現(xiàn)了高頻化，使變換頻率達(dá)到100kHz～500kHz甚至更高，為電氣電子設(shè)備更加高頻化、小型化、高效、節(jié)能、節(jié)材創(chuàng)造了條件。

從以上敘述可知，第三階段主要是電力半導(dǎo)體器件向全控型、模塊化、集成化、智能化發(fā)展，半導(dǎo)體變流技術(shù)向高頻化發(fā)展的時(shí)期，其結(jié)果是實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)（晶閘管與移相控制）向現(xiàn)代電力電子技術(shù)（全控型器件與TRC＋軟開(kāi)關(guān)技術(shù)）的跨越，具有劃時(shí)代的意義。僅就高頻化帶來(lái)的技術(shù)進(jìn)步與節(jié)能、節(jié)材的實(shí)效，對(duì)于降低單產(chǎn)能耗，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益的影響都是巨大的。

時(shí)值今日，晶閘管的應(yīng)用領(lǐng)域，絕大部分已經(jīng)或即將被功率集成器件所取代，只是在大功率、特大功率的電化、電冶電源以及與電力系統(tǒng)有關(guān)的高壓直流輸電（HVDC），靜止式動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置（SVC），串聯(lián)可控電容補(bǔ)償裝置（SCC）等應(yīng)用領(lǐng)域，晶閘管暫時(shí)還不能被取代。

3半導(dǎo)體變流技術(shù)與電源技術(shù)的關(guān)系

將半導(dǎo)體變流技術(shù)與電源技術(shù)的關(guān)系說(shuō)成是兩個(gè)獨(dú)立的學(xué)科之間的關(guān)系是不科學(xué)的。實(shí)際上電源技術(shù)應(yīng)該屬于電力電子技術(shù)的范疇，而且是其一小部分，這是因?yàn)椋?

（1）電源技術(shù)所用的半導(dǎo)體功率變換器件屬于電

力半導(dǎo)體器件；

（2）電源技術(shù)所要解決的問(wèn)題仍離不開(kāi)功率變

換，其理論基礎(chǔ)就是半導(dǎo)體變流技術(shù)；

（3）電源技術(shù)所涉及的交直流穩(wěn)定電源、UPS等，

皆是半導(dǎo)體電力變流器的內(nèi)容，至于AC/DC，DC/AC，AC/AC，DC/DC變換技術(shù)，也是半導(dǎo)體變流技術(shù)早已解決了的題目；

（4）電源技術(shù)所應(yīng)用的化學(xué)電源—蓄電池，物理

電源—發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池，則各自分屬一個(gè)學(xué)科、一個(gè)行業(yè)，電源技術(shù)只是拿來(lái)使用它們而已；

（5）電磁兼容的問(wèn)題，更是一個(gè)大題目，屬于無(wú)線電技術(shù)的范疇，電源技術(shù)也是利用信息傳遞過(guò)程中的電磁兼容通用技術(shù)，主要是用來(lái)解決高頻化給電源本身和其它電子設(shè)備帶來(lái)的電磁干擾問(wèn)題。

電源技術(shù)由于其特定的應(yīng)用場(chǎng)合，其功率不是很大，屬于中小功率，所以基于時(shí)間比率控制＋軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻變換技術(shù)，在電源技術(shù)的應(yīng)用中具有廣闊的發(fā)展前景，完全取代相控變換技術(shù)只是時(shí)間早晚的問(wèn)題。

4靜止式固態(tài)斷路器

電力電子器件開(kāi)通、關(guān)斷的可控性，不能不使人們想到用它來(lái)作電路開(kāi)關(guān)的可能性。特別是電力電子器件在關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電弧這一特點(diǎn)，更是具有重要的使用價(jià)值，這對(duì)于解決象含有易燃、易爆氣體和粉塵的環(huán)境的輸配電問(wèn)題意義重大。

目前，利用電力電子器件的低壓小功率的固態(tài)（體）開(kāi)關(guān)，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，效果很好。在電力電子器件的正反向阻斷電壓已達(dá)到10kV～12kV，通態(tài)電流已達(dá)到3kA甚至更高的情況下，隨著器件制造成本的不斷下降，用于電力系統(tǒng)的高壓靜止式固態(tài)斷路器現(xiàn)已處于開(kāi)發(fā)應(yīng)用階段。這將是電力電子技術(shù)的又一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。