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)三個學(xué)科基礎(chǔ)之上的。起初它被認為是介于電子學(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，它已成為一個涉及領(lǐng)域廣闊的學(xué)科，可以說凡是涉及到電能應(yīng)用的場合，便有其用武之地。時值今日它不僅已發(fā)展成為高科技的一個分支，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”二字相連則是因為最初它的應(yīng)用范圍主要是在電氣工程中和電力系統(tǒng)中，對市電或強電進行控制與變換。其作用就是根據(jù)負荷和負載的特殊要求，對市電、強電進行各種形式的變換（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)處于最佳的運行狀態(tài)，從而使電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)實現(xiàn)高效、安全、經(jīng)濟的運行。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）、太陽能電池電能的變換與應(yīng)用。雖然已突破了當初單純“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，相互促進的關(guān)系，使得電力電子技術(shù)發(fā)展的勢頭一浪高過一浪，使其在科技進步和經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

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1956年生產(chǎn)硅整流管（SR）、1958年生產(chǎn)晶閘管（SCR）為起始點逐漸發(fā)展起來的。

經(jīng)過了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）等三個發(fā)展時期。從晶閘管靠換相電流過零關(guān)斷的半控器件發(fā)展到PID、PIC通過門極或柵極控制脈沖可實現(xiàn)器件導(dǎo)通與關(guān)斷的全控器件，從而實現(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)的開發(fā)，為變流器實現(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)展概況可參見表1。

概括電力電子器件40多年來的發(fā)展，經(jīng)歷了三個時期，具體可分為四個階段。

（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，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)用使得變流器的準高頻化得以實現(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進行驅(qū)動，高頻特性更好，可以說器件制造技術(shù)已進入了和微電子技術(shù)相結(jié)合的初級階段。即電力電子器件與電子器件在發(fā)展的道路上，經(jīng)歷了一段時間的分道揚鑣、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)動電路、控制電路、傳感電路、保護電路、邏輯電路等集成在一起的高度智能化的功率集成電路。它實現(xiàn)了器件與電路的集成，強電與弱電、功率流與信息流的集成，成為機和電之間的智能化接口，機電一體化的基礎(chǔ)單元，預(yù)計PIC的發(fā)展將會使電力電子技術(shù)實現(xiàn)第二次革命，進入全新的智能化時代。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個方面。

（1）整流：實現(xiàn)AC/DC變換；

（2）逆變：實現(xiàn)DC/AC變換；

（3）變頻：實現(xiàn)AC/AC(AC/DC/AC)變換；

（4）斬波：實現(xiàn)DC/DC(AC/DC/DC)變換；

（5）靜止式固態(tài)斷路器：實現(xiàn)無觸點的開關(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，當時把這一學(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)的開發(fā)上。變流技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要是直流傳動，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，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，因此，那時將直流傳動、牽引、電化稱作變流行業(yè)的三大支柱。其實從變流技術(shù)的分類來看，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。在我國始于20世紀60年代初，電力電子學(xué)（PowerElectronics）問世，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硅整流管、晶閘管取代電子管、離子管以后出現(xiàn)的新問題，（如硅整流管、晶閘管的阻斷電壓不高，通態(tài)電流不大，耐受過電壓、過電流沖擊能力不強，應(yīng)用中稍有異常狀況出現(xiàn)，便會造成器件永久性損壞）開展的應(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、器件換相過程中防止開通過電流、關(guān)斷過電壓的緩沖（阻尼）電路的研究、變流裝置過電壓保護、過電流保護、過熱保護的研究，以及器件的熱容量與變流系統(tǒng)故障時系統(tǒng)短路電流及快速熔斷器短路容量的保護配合研究等。隨著器件制造水平的不斷提高，變流裝置保護措施的不斷完善，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，使我國進入了電力電子技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用階段，而我國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，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)的電動機—發(fā)電機組；取代了發(fā)電機的直流勵磁機組。

這一時期，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)域不斷得到擴展。例如，快速晶閘管的開發(fā)大大促進了中頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火電源（1kHz～8kHz）的發(fā)展；為國防建設(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)流電源相繼開發(fā)出來；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，無論是整流、逆變、變頻，其變換都是通過對晶閘管的門極進行移相控制（α、β）而實現(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，它還無法取代閘流管和電子管，只在低頻大功率領(lǐng)域占優(yōu)勢。

在這一階段，關(guān)于實現(xiàn)DC/DC變換的斬波技術(shù)的研究已經(jīng)開展，并且率先應(yīng)用在直流牽引調(diào)速中。公交無軌電車上所用的晶閘管調(diào)速，即是DC/DC變換應(yīng)用的實例。只不過由于晶閘管是半控器件，將其用在DC/DC變換中，為了強迫其關(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）向時間比率控制(TimeRatioControl—TRC）發(fā)展的階段。時下將采用上述二種控制方式的變流裝置（電源）簡單地稱作相控電源和開關(guān)電源的說法是不確切的，這是因為在半導(dǎo)體電力變流器中，承擔功率變換的電力電子器件就是作為無觸點開關(guān)來應(yīng)用的，無論是相控電源還是時間比率控制電源都是工作在開關(guān)狀態(tài)，因此，稱為移相控制電源和時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方式因為調(diào)制頻率固定，即調(diào)制周期T恒定（或基本不變），通過改變控制脈沖的占空比D進行變換電路的調(diào)節(jié)，從而使濾波電路的設(shè)計比較簡單，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電路的缺點便逐漸暴露了出來。由于PWM電路屬硬開關(guān)電路，一方面使電路中的變換器件工作時所承受的電壓應(yīng)力及電流應(yīng)力大，同時變換過程中高的dv/dt、di/dt又會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾，使電氣電子設(shè)備電磁兼容的問題突出；另一方面器件開通與關(guān)斷損耗的問題逐漸棘手，嚴重制約了變換頻率的進一步提高。于是建立在諧振、準諧振原理之上的軟開關(guān)電路，即所謂的零電壓開關(guān)（ZVS）與零電流開關(guān)（ZCS）電路問世。它是利用諧振進行換相的一種新型變流電路，實現(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關(guān)損耗，這樣一來，TRC技術(shù)＋軟開關(guān)技術(shù)使得變換頻率進一步得到提高。

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，真正實現(xiàn)了高頻化，使變換頻率達到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)展的時期，其結(jié)果是實現(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＋軟開關(guān)技術(shù)）的跨越，具有劃時代的意義。僅就高頻化帶來的技術(shù)進步與節(jié)能、節(jié)材的實效，對于降低單產(chǎn)能耗，提高綜合經(jīng)濟效益的影響都是巨大的。

時值今日，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），靜止式動態(tài)無功功率補償裝置（SVC），串聯(lián)可控電容補償裝置（SCC）等應(yīng)用領(lǐng)域，晶閘管暫時還不能被取代。

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)系說成是兩個獨立的學(xué)科之間的關(guān)系是不科學(xué)的。實際上電源技術(shù)應(yīng)該屬于電力電子技術(shù)的范疇，而且是其一小部分，這是因為：

（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)所要解決的問題仍離不開功率變

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、太陽能電池，則各自分屬一個學(xué)科、一個行業(yè)，電源技術(shù)只是拿來使用它們而已；

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

電源技術(shù)由于其特定的應(yīng)用場合，其功率不是很大，屬于中小功率，所以基于時間比率控制＋軟開關(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)只是時間早晚的問題。

4靜止式固態(tài)斷路器

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

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到10kV～12kV，通態(tài)電流已達到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)已處于開發(fā)應(yīng)用階段。這將是電力電子技術(shù)的又一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。