电力电子综述

现代电力电子技术课程综述

1. 什么是电力电子技术？

电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，具体来说， 就是为了给不同要求的负载提供适配的电源，对电能的电压、电流、频率、波形和相数等参数进行变换。

电力电子技术与多种学科密不可分，因此出现了两种不同的定义。一种是1973年第四届国际电力电子会议首次提出的Newevell 定义，如右图1；另一种是1980年国际上出现的电力电子技术的新定义，如图2.。

电力

电子学电子学器件

电路

电力学静止器、旋转电机

连续离散

控制理论

图1 电力电子学的Newevell 定义

电力电子技术计算机辅助设计CDA

模拟和数字电子学

微机应用

控制理论

超大规模集成电路

电力变换电路

电力半导体器件图2 电力电子学的新定义

两种定义的差别，反映了电力电子技术的迅速发展和所涉猎以及应用领域的不断扩大，预示着电力电子技术无限的发展前景和未来。

2.电力电子技术发展历史

随着科学技术的发展，电力电子也经历了几个发展阶段。

（1）第一阶段——水印整流器时代

1902年出现了第一个玻璃的汞弧整流器；

1910年出现了铁壳汞弧整流器。用汞弧整流器代替机械式开关和换流器,这是电力电子技术的发端；

20世纪40年代末出现了晶体管。

（2）第二阶段——晶闸管时代

1957年，美国CE公司造出世界上第一支晶闸管（中国当时成为可控硅），拉开了电力电子发展的第二阶段序幕。

（3）第三阶段——大功率晶体管时代

从1975年起，开发出大功率晶体管代替晶闸管，GTO、IGBT、MOSFET 陆续出现。

（4）第四阶段——智能化、模块化功率器件时代

从1980年开始，美国GE公司首次发布功率器件智能化(intelligent）的概念

（5）第五阶段——未来——超高频、超大容量高度功能的新元器件

一批新半导体材料的出现，必将带来一批新型高压、小型化的器件。

至于控制方面，人工智能的技术含量将会更高。

3.电力电子器件的分类

电力电子器件常用的分类方法有三种：

（1）按电力电子器件能够被控电路信号所控制的程度，可分为三种类型：

1）半控型器件。如晶闸管及大部分其派生器件。

2）全控型器件。又称自关断器件。包括GTO、GTR、MOSFET、IGBT等。

3）不可控器件。如整流二极管。

（2）按器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，也可分为三类；

1）单极型器件。这类器件有电力MOSFET和静电感应晶体管（SIT）。

2）双极型器件。属于这类器件的有电力二极管，晶闸管、GTO、GTR、电感应晶闸管（SITH）。

3）复合型器件。这类器件有IGBT.

（3）按驱动信号的性质，可分为两类：

1）电流驱动型。如晶闸管、GTR、GTO等。这类器件控制功率较大，控制电路复杂，工作频率较低，但容量较大。

2）电压驱动型。如功率MOSFET、IGBT等。这类器件驱动电路简单，控制功率小，工作频率高，性能稳定，因此成为电力电子器件的重要发展方向。

4.电力电子的技术应用领域

由于功率整流器、功率晶体管，晶闸管、GTO、IGBT等功率器件取得很大进展，所以电力变换和控制领域不断的扩大。

电力电子技术和器件在工业企业和日常生活的应用领域有以下几点：

（1）工业企业领域。如机床、机器人、轧钢机、冶金工业。

（2）家电领域。如空调、冰箱、洗衣机、荧光灯、微波炉、吸尘器、录像机。

（3）电力系统领域。频率变换、直流输电、无功功率补偿（SVC/SVG）、不间断电源（UPS）。

（4）交通运输领域。铁路电机车、地铁、电动汽车、电梯。

（5）新能源领域。太阳能发电、燃料电池、风力发电。

5.仿真课题介绍

5.1 研究IGBT全桥逆变的意义

逆变电路是将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的电路称为逆变电路。广泛应用在直流输电、变频器等领域。

所谓直流输电，是发电厂发出的交流电，经整流器变换成直流电输送至受电端，再用逆变器将直流电变换成交流电送到受端交流电网的一种输电方式。

传统的逆变器件采用晶闸管、GTR等，但其开关频率低，输入阻抗低，开关容量低等弱点，往往不能满足大容量，高频率的逆变要求。

5.2研究的现状及应用前景

随着轨道交通的迅猛发展，从2000年至今，IGBT逆变电路在轨道交通领域获得广泛应用，

在节能背景的要求下，新能源利用越来越受到人们的重视，IGBT逆变电路在太阳能逆变领域也获得了广泛应用。

随着电力电子技术的迅猛发展，IGBT逆变电路应用会越来越广泛，高性能

的变频器以及交通领域，尤其是城市轨道交通和目前发展势头很猛的高速铁路列车，都会对逆变电路的应用起到巨大的促进作用。

5.3 IGBT逆变电路的存在的问题

采用IGBT逆变电路后，高频率的PWM控制脉冲将对器件长生很大影响，对快速换流提出更高要求，有串联感性零件（电感，继电器，变压器）的时候。不能保证IGBT可靠的工作在开关状态，反电动势有可能将其损坏。

5.4解决方案

在旁路设置一个续流二极管，吧uzhengIGBTkekaode工作在开关状态，防止被反电势损坏。

本仿真课题模拟电路可用于直流输电中的逆变部分，也可用于变频器的逆变部分，可以根据负载的实际要求，改变控制电路的参数来满足。

参考文献

[1] 林渭勋.现代电力电子技术[M].机械工业出版社，2006.

[2] 陶生桂.城市轨道交通电动车组电力电子器件与变流器发展[j].

城市轨道交通研究，1999，2

[3] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].机械工业出版社，2006.