变流技术与半导体电力变流器

2008-6-23 17:27:04　国际电力网　网友评论

    特点

    电力电子学（或电力电子技术）的理论是建立在电子学、电力学和控制学三个学科基础之上的。起初它被认为是介于电子学、电力学与控制学之间的边缘学科，但是随着电力电子技术的不断发展，它已成为一个涉及领域广阔的学科，可以说凡是涉及到电能应用的场合，便有其用武之地。时值今日它不仅已发展成为高科技的一个分支，而且还是许多高科技的支撑。

    电力电子技术之所以和“电力”二字相连则是因为最初它的应用范围主要是在电气工程中和电力系统中，对市电或强电进行控制与变换。其作用就是根据负荷和负载的特殊要求，对市电、强电进行各种形式的变换（主要是频率的变换），以使电气设备得到最佳的电能供给，使电力系统处于最佳的运行状态，从而使电气设备和电力系统实现高效、安全、经济的运行。电力电子技术发展到今天，它不仅仅只涉及到“电力”的变换与应用，而且也涉及到化学能电源（电池）、太阳能电池电能的变换与应用。虽然已突破了当初单纯“电力”的界限，但是仍然是在功率变换的范围。

    仅就电力电子技术本身而言，它主要包括二个方面，即电力半导体器件制造技术和电力半导体变流技术。前者是电力电子技术的基础，后者是电力电子技术的核心。二者相辅相成，相互依存，相互促进的关系，使得电力电子技术发展的势头一浪高过一浪，使其在科技进步和经济建设中发挥着越来越重要的作用。

    1电力半导体器件

    半导体变流技术的发展，立足于电力半导体器件的发展。而电力半导体器件是以美国1956年生产硅整流管（SR）、1958年生产晶闸管（SCR）为起始点逐渐发展起来的。

    经过了40多年的发展，在器件制造技术上不断提高，已经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管（GTO）、巨型晶体管（GTR）、功率 MOSFET、绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的功率集成器件（PID），以智能化功率集成电路（SPIC）、高压功率集成电路（HVIC）为代表的功率集成电路（PIC）等三个发展时期。从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到PID、PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件，从而实现了真正意义上的可控硅。在器件的控制模式上，从电流型控制模式发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极（栅极）的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率由工频→中频→高频不断提高。

    在器件结构上，从分立器件，发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。功率集成器件从单一器件发展到模块的速度更为迅速，今天已经开发出具有智能化功能的模块（IPM）。

    所有这一切为高频变换技术的开发，为变流器实现高频化、小型化、轻量化，为节能、节材、提高效率与可靠性奠定了基础。

    关于具有代表性的电力半导体器件与模块的发展概况可参见表1。

    概括电力电子器件40多年来的发展，经历了三个时期，具体可分为四个阶段。

    （1）第一阶段

    以整流管、晶闸管为代表的发展阶段，其在低频、大功率变流领域中的应用占有优势，很快便完全取代了汞弧整流器。

    （2）第二阶段

    以GTO、GTR等全控器件为代表的发展阶段，虽仍属电流型控制模式，但其应用使得变流器的准高频化得以实现。

    （3）第三阶段

    以功率MOSFET、IGBT等电压型全控器件为代表的发展阶段，可直接用IC进行驱动，高频特性更好，可以说器件制造技术已进入了和微电子技术相结合的初级阶段。即电力电子器件与电子器件在发展的道路上，经历了一段时间的分道扬镳、各走各的路的状况之后，又走到一起了。

    （4）第四阶段

    以SPIC、HVIC等功率集成电路为代表的发展阶段，使电力电子技术与微电子技术更紧密地结合在了一起，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的功率集成电路。它实现了器件与电路的集成，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，预计PIC的发展将会使电力电子技术实现第二次革命，进入全新的智能化时代。这一阶段还处在初期发展中。

    2半导体电力变流器

    2.1变流技术的应用范围

    变流技术发展到今天，其应用范围大致分为5个方面。

    （1）整流：实现AC/DC变换；

    （2）逆变：实现DC/AC变换；

    （3）变频：实现AC/AC(AC/DC/AC)变换；

    （4）斩波：实现DC/DC(AC/DC/DC)变换；

    （5）静止式固态断路器：实现无触点的开关、断路器的功能，控制电能的通断。

    2.2变流技术的发展

    变流技术的发展，已经历了三个阶段。

    （1）第一阶段

    第一阶段是基于电子管、离子管（闸流管、汞弧整流器、高压汞弧阀）的发展与应用，当时把这一学科称作工业电子学（IndustrialElectronics)。这一阶段的研究工作，主要是集中在整流、逆变和变频技术的开发上。变流技术的应用领域主要是直流传动，直流牵引，电化、电冶、中频、高频淬火、加热，高压直流输电等。由于直流传动，直流牵引，电化电冶在变流技术应用中占有压倒的优势，因此，那时将直流传动、牵引、电化称作变流行业的三大支柱。其实从变流技术的分类来看，它属于整流变换，是变流技术的一小部分。