關(guān)于電力電子器件分類與應(yīng)用思考

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電力電子技術(shù)是以電力電子器件為基礎(chǔ)對電能進(jìn)行控制、轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)囊婚T技術(shù)，是現(xiàn)代電子學(xué)的一個重要分支，包括電力電子器件、變流電路和控制電路三大部分，其中以電力電子器件的制造、應(yīng)用技術(shù)為最基本的技術(shù)。因此，了解電力電子器件的基本工作原理、結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)，正確安全使用電力電子器件是完成一部電力電子裝置最關(guān)鍵的一步。電力電子器件種類繁多，各種器件具有自身的特點并對驅(qū)動、保護(hù)和緩沖電路有一定的要求。一個完善的驅(qū)動、保護(hù)和緩沖電路是器件安全、成功使用的關(guān)鍵，也是本講座重點講述的部分。電力電子變換電路常用的半導(dǎo)體電力器件有快速功率二極管、大功率雙極型晶體管(GTR)、晶閘管(Thyristor或SCR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)以及功率集成電路PIC等。在這些器件中，二極管屬于不控型器件，晶閘管屬于半控型器件，其他均屬于全控型器件。SCR、GTO及GTR屬電流驅(qū)動型器件，功率MOSFET、IGBT及PIC為電壓驅(qū)動型器件。在直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能變換和控制的電子器件稱為電力電子器件。電力電子器件之所以和“電力”二字相連，是因為它主要應(yīng)用于電氣工程和電力系統(tǒng)，其作用是根據(jù)負(fù)載的特殊要求，對市電、強電進(jìn)行各種形式的變換，使電氣設(shè)備得到最佳的電能供給，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。目前的電力電子器件主要指的是電力半導(dǎo)體器件，與普通半導(dǎo)體器件一樣，電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅。

1電力電子器件的一般特征

(1)處理電功率的能力大

(2)工作在開關(guān)狀態(tài)

(3)需要由信息電子電路來控制

(4)需要安裝散熱器

2電力電子器件的分類

2.1按器件被控程度分類

按照器件控制信號的控制程度，電力電子器件可分為以下三類：

(1)不可控器件。這類器件一般為兩端器件，一端是陽極，另一端是陰極。與電子電路中的二極管一樣，具有單向?qū)щ娦浴Ｆ溟_關(guān)操作僅取決于其在主電路中施加在陽、陰極間的電壓和流過它的電流，正向電壓使其導(dǎo)通，負(fù)向電壓使其關(guān)斷，流過它的電流是單方向的。不可控器件不能用控制信號來控制電流的通斷，因此不需要驅(qū)動電路。這類器件就是功率二極管(PowerDiode)。

(2)半控型器件。這類器件是三端器件，除陽極和陰極外，還增加了一個控制門極。半控型器件也具有單向?qū)щ娦裕_通不僅需在其陽、陰極間施加正向電壓，而且還必須在門極和陰極間施加正向控制電壓。門極和陰極間的控制電壓僅控制其開通而不能控制其關(guān)斷，器件的關(guān)斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。這類半控型器件是指晶閘管(Thyris-tor)及其大部分派生器件。

(3)全控型器件。這類器件也是帶有控制端的三端器件，其控制端不僅可以控制其開通，還能控制其關(guān)斷。這類器件很多，包括門極關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率晶體管(GTR)、功率場效應(yīng)晶體管(功率MOS-FET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。目前常用的是功率MOSFET和IGBT。

2.2按控制信號的性質(zhì)分類

按照控制信號的性質(zhì)，電力電子器件可分為以下兩類：

(1)電流驅(qū)動型器件。驅(qū)動信號加在器件控制端和公共端之間，通過從控制端注入或抽出電流來實現(xiàn)器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制，這類電力電子器件稱為電流驅(qū)動型器件或稱為電流控制型器件。

(2)電壓驅(qū)動型器件。通過施加在控制端和公共端之間的電壓信號來實現(xiàn)器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制，這類電力電子器件稱為電壓驅(qū)動型器件或稱為電壓控制型器件。

2.3按參與導(dǎo)電的情況分類按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況，電力電子器件可分為三類：

(1)由一種載流子參與導(dǎo)電的器件稱為單極型器件；

(2)由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件稱為雙極型器件；

(3)由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件稱為復(fù)合型器件。典型電力電子器件的分類和用途見表1。

3電力電子器件的發(fā)展歷程

電力電子器件的發(fā)展，可分為以下四個階段：

第一階段是以整流管、晶閘管為代表的發(fā)展階段。這一階段的電力電子器件在低頻、大功率變流領(lǐng)域中的應(yīng)用占有優(yōu)勢，取代了早先的汞弧整流器。1947年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，功率二極管開始應(yīng)用于電力領(lǐng)域，1956年貝爾實驗室又發(fā)明了晶閘管，1957年美國通用電氣公司開發(fā)出世界上第一只晶閘管器件，開創(chuàng)了傳統(tǒng)的電力電子器件應(yīng)用技術(shù)階段，實現(xiàn)了弱電對強電的控制，在工業(yè)界引起了一場技術(shù)革命。晶閘管的迅速發(fā)展使得中大功率的各種變流裝置和電動機傳動系統(tǒng)得到了快速發(fā)展。但關(guān)斷這些器件的控制電路存在體積大、效率低、可靠性差、工作頻率低以及電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載上諧波嚴(yán)重等缺點。

第二階段是20世紀(jì)70年代后期以GTO、GTR和功率MOSFET等全控型器件為代表的發(fā)展階段。這一階段的電力電子器件開關(guān)速度高于晶閘管，它們的應(yīng)用使變流器的高頻化得以實現(xiàn)。

第三階段是20世紀(jì)80年代后期以IGBT復(fù)合型器件為代表的發(fā)展階段。IGBT是功率MOSFET和GTR的復(fù)合。功率MOSFET的特點是驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快；GTR的特點是通態(tài)壓降小、載流能力大。IGBT的優(yōu)越性能使之成為電力電子器件應(yīng)用技術(shù)的主導(dǎo)器件。

第四階段是以PIC、HVIC等功率集成電路為代表的發(fā)展階段。高速、全控型、大電流、集成化和多功能的電力電子器件先后問世，開創(chuàng)了現(xiàn)代電力電子集成器件的新階段。這一階段，所使用的電力電子器件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(hù)電路、邏輯電路等集成在一起的高度智能化PIC，它實現(xiàn)了器件與電路、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。國內(nèi)外電力電子器件的最新研制水平見表2。

4電力電子器件的應(yīng)用與展望

電力電子器件的應(yīng)用是電力電子技術(shù)的一部分。電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)稱為變流技術(shù)，它包括用電力電子器件構(gòu)成各種電力電子電路和對這些電路進(jìn)行控制的技術(shù)，以及由這些電路構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。

4.1變流技術(shù)的分類

(1)AC/DC變換。把交流電壓變換成固定或可調(diào)的直流電壓稱為整流。這類變換裝置通常稱為整流器。

(2)DC/AC變換。把直流電變換成頻率固定或可調(diào)的交流電稱為逆變。這類變換裝置通常稱為逆變器。按電源性質(zhì)可分為電壓型逆變和電流型逆變，按控制方式可分為方波逆變、PWM型逆變和諧振型(軟開關(guān))逆變，按換相性質(zhì)可分為靠電網(wǎng)換相的有源逆變和自關(guān)斷的無源逆變。

(3)AC/AC變換。把一種形式的交流電變換成頻率、電壓可調(diào)或固定的另一種形式的交流電，只對電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制而不改變頻率的稱為電力控制，改變頻率的稱為變頻控制。

(4)DC/DC變換。把固定的直流電壓(或電流)變換成可調(diào)或恒定的另一種直流電壓(或電流)，稱為斬波。DC/DC變換廣泛應(yīng)用于計算機電源、各類儀器儀表、直流電動機調(diào)速及金屬焊接等。諧振型軟開關(guān)技術(shù)是DC/DC變換的發(fā)展方向，該技術(shù)可減小變換器體積、質(zhì)量，提高可靠性，并有效解決開關(guān)損耗問題。

4.2電力電子器件的應(yīng)用

近年來，由于電力電子變流技術(shù)的迅猛發(fā)展，已經(jīng)成為其他工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。電力電子器件不僅應(yīng)用于電力系統(tǒng)，也廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通運輸、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)；還應(yīng)用于照明、空調(diào)等家用電器中，可概括為以下幾個領(lǐng)域：

(1)電力系統(tǒng)。為了控制和改善供電質(zhì)量，發(fā)電廠發(fā)出的交流電必須經(jīng)過電力電子裝置的處理后送到用戶端，沒有電力電子器件的應(yīng)用，就沒有電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化。從技術(shù)層面來講，電力市場的引入將產(chǎn)生對電力品質(zhì)的改善裝置，如不間斷電源(UPS)、靜止無功補償裝置(SVC)、靜止無功發(fā)生器(SVG)、動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)、電力有源濾波器(APF)、限流器、電力儲能裝置、微型燃?xì)獍l(fā)電機(MicroCasTurbo)等新需求；再生能源、環(huán)保發(fā)電技術(shù)等分散發(fā)電將需要交直流變流裝置。

(2)新能源利用與環(huán)境保護(hù)。電力電子器件裝置還用于太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電裝置與電力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，以及太陽能發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電電能的改善。現(xiàn)代社會對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，溫室氣體的排放引起了國際社會的關(guān)注。我國改革開放以來能源消費量急劇上升，二氧化碳排放量也有較大增加。我國十分重視再生能源的開發(fā)，2006年我國實施了《再生能源法》。光伏、風(fēng)力、燃料電池等新能源發(fā)電技術(shù)推動電力電子技術(shù)的應(yīng)用，并形成電力電子技術(shù)的巨大市場。(3)混合動力汽車。由于電力電子器件應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電動機的調(diào)速性能可以和直流電動機相媲美。在工業(yè)電動機的控制中，交流調(diào)速、直流調(diào)速以及節(jié)能和軟起動都是通過電力電子器件實現(xiàn)的，其驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(4)交通運輸。鐵道電氣化、電力機車控制、磁懸浮列車的使用都離不開電力電子器件，高級汽車中許多電機的控制是靠變頻或斬波實現(xiàn)的。電動汽車的電動機控制和蓄電池充電也是靠電力電子裝置實現(xiàn)，飛機、船舶、電梯等都離不開電力電子裝置。

(5)電源。不間斷電源、電解電源、電鍍電源、開關(guān)電源、微機及儀器儀表電源、航空電源、通信電源、交流電子穩(wěn)壓電源、脈沖功率電源、動力牽引及傳動控制用電源都是靠變流技術(shù)實現(xiàn)的。

(6)家用電器。用于家庭照明的LED節(jié)能燈，體積小、發(fā)光效率高、節(jié)省能量多，這是通過電力電子器件把交流電轉(zhuǎn)換成電力電子照明電源來實現(xiàn)的。此外，變頻空調(diào)、電視機、音響、洗衣機、電冰箱、微波爐、計算機等都離不開電力電子器件的應(yīng)用。

總之，電力電子技術(shù)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代社會的各個方面，其應(yīng)用涉及航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通、文教衛(wèi)生、辦公自動化及家用電器等各個領(lǐng)域。電力電子器件的應(yīng)用與國民經(jīng)濟和日常生活、工作息息相關(guān)。未來90%的電能均需通過電力電子處理后再加以利用，以便提高能源利用效率、提高工業(yè)生產(chǎn)效率、實現(xiàn)再生能源的最大利用。電力電子技術(shù)將在21世紀(jì)為建設(shè)一個節(jié)能、環(huán)保、和諧的社會發(fā)揮重要作用。