无触点交流电源(电力电子技术的研究内容)

Posted 2023-05-28

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无触点交流电源(电力电子技术的研究内容)

电力电子技术的研究内容

借鉴国际电气电子工程师学会（IEEE）电力电子分会对电力电子技术主要研究内容的总结.以及国内外同行专家近几年电力电子技术研究的体会，本书从以下 8个方面介绍电力电子技术的研究内容∶

①电力半导体器件;

②变换器电路结构与设计;

③控制与调节;

④电力电子技术中的储能元件;

⑤电力半导体器件的封装与制造;

⑥电磁干扰和电磁兼容;

⑦电机控制;

⑧电力稳定与电能质量控制。

电力半导体器件

电力半导体器件又称功率半导体器件，是电力电子技术的核心。所有电力电子系统的可靠性和效率都依赖于功率半导体开关器件的质量.以及如何使用这些半导体开关从电力电子技术发展史上看，电力电子技术发展都与功率半导体新器件的问世和器件的改进体戚相关。任何一种新器件刚问世时都存在这样或那样的问题，这需要用户和制造商之间加强联系来改进完善它。如二极管的反向恢复问题、MOS管的 du/dr 引起的关断失败问题。BJT的反偏二次击穿问题、GTO的 du/d 损坏问题、IGBT的锁定问题等，都是在使用中发现后，制造商组织专家逐步加以解决的。

功率半导体器件的控制容量和开关频率的应用范围。其领域1是THY（晶闸管）的主要应用范围，频率为50 Hz，而容量超过 100 MV·A，主要用于高压直流输电和巨大容量的交直流电源中，其中容量为1kV·A的领域则是双向晶闸管TRIAC在家用电器中的应用。图中领域2是GTO和IGCT的应用范围，目前主要用在干线铁路大功率机车牵引电传动.金属治炼电源和大型不停申电电源（UPS）中，上海高速磁悬浮线德国机组也采用 GTO作为牵引变流器的开关，国产化试制机组则采用IGCT。

领域3是 GTR 模块的主要应用范围，它已大量应用在电机控制、空调机、UPS、逆变器、电冰箱等各方面，除国防等核心技术应用外，已大部分被 IGBT所取代。领域4是IGBT的应用范围.主要用于电机控制，自动电焊机以及逆变器中.目前是应用面最受欢迎的功率半导体器件之一。领域5是MOS模块的主要应用范围，在汽车电子设备、自动电焊机、高频火花加工、电磁炉及电子检测设备中用得较多。频率最高的领域6是MOSFET分立器件，主要用在开关电源、录像机、音频电源等小功率电子设备中。

下面介绍常见的功率半导体器件及主要特点∶二极管、晶闸管、GTO、VDMOS、BJT、IGBT、IGCT，从这些功率半导体器件的开关特性来说，分为三类。第一类是二极管，加上正向电压就接通，加上反向电压就断开，称为不控型器件;第二类是晶闸管，加上正向电压时，能控制接通，不能控制断开，称为半控型器件;第三类是后面5种器件，加上正向电压时，能控制接通，也能控制断开，称为全控型器件。

一、不控型器件——二极管

二极管的外观及其符号如图所示（图中只给出中等容量的外形），A为阳极，K为阴极。作为理想开关时，加上正电压，二极管就导通;去掉正向电压或加上反向电压，二极管就截止。理想的二极管正向导通时，电压降为零;反向截止时，漏电流为零;导通到截止或截止到导通都在瞬间完成，没有过渡过程（即没有正向导通开通时间和反向截止恢复时间）。

但实际的二极管并不这样，它既有电压电流的限制，又有导通电压降和反向恢复时间等问题。在大电流高电压的场合，还有正向导通的开通时间等问题。

在二极管的选择使用中，要着重考虑以下几个问题∶

（1）二极管允许流过的电流。

（2）二极管允许承受的反向电压。

（3）二极管正向导通时有零点几伏到几伏的导通电压降，导通电压降因器件情况和电流大小而变化。

（4）二极管从导通到截止存在电荷的反向恢复问题，这是二极管损耗的重要组成部分，也是影响二极管工作频率的重要因素，也是造成电磁噪声的原因之一。

（5）二极管的工作频率，主要与二极管的反向恢复有关。

常用的二极管分为三种∶第一种是普通二极管，它常用在工频电路或晶闸管等频率不高的电路中;第二种是快速恢复二极管，它利用特殊工艺制造，反向恢复的电流很小且恢复时间很短，它常用在IGBT或VDMOS等高速开关器件的电路和高频整流电路中;第三种是肖特基（Schotky）二极管，因为它不是 PN 结导电特性，导通电压降很小，且几乎没有反向恢复时间，它的反向耐压较低，常用在开关电源等低电压输出的高频整流电路中。

二、半控型器件———晶闸管（THY）

晶闸管的外观与符号如图4-15所示（图中只给出中大容量的外形），A为阳极，K为阴极，G为门极。作为理想开关时，加上正电压的前提下，一旦门极施加电流触发信号，晶闸管就导通;在导通时，去掉门极信号，晶闸管保持导通;当流过晶闸管的电流到零后，自动关断;晶闸管正向导通时，电压降为零;正向电流过零自动关断后，施加正向电压时的漏电流为零;导通到截止或截止到导通都在瞬间完成，没有过渡过程。但等际的品间管并不这样它既有电压、电流的限制，又有导通电压降和反向恢复时间问题，还有门极触发脉冲的要求和器件不受控制的问题等。

在晶闸管的选择使用中，要着重考虑以下几个问题∶

（1）闸管允许承受的正反向断态中压。

（2）允许流过晶闸管的浪涌电流和平均电流;流过晶闸管的电流一般称为阳极电流。

（3）晶闸管正向导通时有2V左右的导通电压降，导通电压降因器件情况和电流大小而有所不同。

（4）晶闸管门极触发后到完全导通的时间。

（5）晶闸管的导通电流到零后，要过一定的时间才能承受规定的电压，这个时间称为晶闸管的关断时间。

（6）晶闸管开通时电流上升率（即 di/dt）不能太大，否则就会导致晶闸管损坏失效，因此一般晶闸管回路中有一个电感来限制 di/d。

（7）晶闸管断开时或在关断过程中的电压上升率（即 du/dt）不能太大，否则就会引起晶闸管自动导通或失控，从而导致电路或器件损坏失效，因此常在晶闸管两端并联电阻和电容构成的 RC回路来吸收 du/d。

（8）晶闸管对门极触发信号的电压和电流值有—定的要求。且触发信号撤离后口要显

闸管中流过的电流大于某个值时.晶闸管就能维持导通。若小于这个值品间管就会自动关断。这个值定义为擎住电流。

常见的晶闸管分为五种∶第一种是普通晶闸管，容量等级大，目前它常用在大功率整流电路和周波变换器中;第二种是快速晶闸管和高频晶闸管，它利用特殊工艺制造，关断时间小于50 μs，主要用在感应加热的中频电源中;第三种是逆导晶闸管（RCT），它是将一个晶闸管和一个二极管反并联集成在同一硅片上面构成的组合器件，它常用在直流斩波器，倍频式中频电源及三相逆变器电路中;第四种是双向晶闸管（Triac），它把两个反并联的晶闸管集成在同一硅片上，是控制交流功率的理想器件，主要用在交流无触点继电器、交流相位控制电路中;第五种是光控晶闸管，它不用电压电流触发，而是用光触发晶闸管导通.主要应用在电力系统等高电压大电流场合。

三、全控型器件—GTO、VDMOS、BJT（GTR）、IGBT、IGCT等

作为理想开关时，全控器件具有共同的性质。加上正电压的前提下，一旦控制极施加开通触发信号，器件就导通。在导通时，去掉控制信号，VDMOS、BJT和IGBT等晶体管型器件立即关断;GTO和IGCT等晶闸管型器件则保持导通。要关断 GTO和IGCT等晶闸管型，需要施加关断触发信号。全控器件正向导通时电压降为零;关断后的漏电流为零;导通到截止或截止到导通都在瞬间完成，没有过渡过程。但实际的全控器件并不这样，不同的器件类型具有不同的性质。它们既有电压、电流的限制，又有导通电压降和开通时间、关断时间的限制，还有很多不同点。下面分别阐述使用这些全控型器件时的注意要点。

1. GTO

GTO是门极可关断晶闸管的简称，GTO的外形与符号如图所示（图中只给出中大容量的外形）。就目前情况来说，在所有可供应市场的全控器件中，GTO的功率等级最大。在 GTO的选择使用中，要着重注意以下几个问题∶

（1）GTO允许承受的正反向断态电压，不仅要考虑加在 GTO两端的稳态电压，还要考虑GTO开关过程带来的过电压。

（（2）允许流过GTO的申电流只能小干其"最大可关断电流"，这与考虑晶闸管的平均电流概念完全不一样。如果出现GTO电流大于其最大可关断电流时，不能通过门极试图关断GTO，否则GTO 就会烧损;只能通过别的途径先把流过GTO的电流降到其最大可关断电流以内，才可再通过门极关断它。

（3）GTO与晶闸管一样，正向导通时有2V左右或更高一些的导通电压隆，导通电压降因器件情况和电流大小而不同。

（（4）GTO 与晶闸管一样是四层半导体硅片结构，但GTO的阴极和门极分成很多的细小单元，不像晶闸管那样是一个大单元.所以GTO触发后到完全导通的时间比晶闸管短得多。

（5）GTO可以在有电流流通的情况下，给门极加上反向脉冲电流来关断它，这个门极反向脉冲电流称为关断电流。流过GTO 的电流称为阳极电流。通过强触发关断，即增加关断电流，GTO的关断会更加可靠，且关断时间也会缩短。一般地，设计驱动电路时，门极关断电流不能小于GTO须关断电流的1/5~1/3。因此.GTO的使用，其门极关断的大电流要求给驱动电路的设计带来不少困难。

（6）GTO开通时电流上升率（即di/dt）和关断时的电压上升率（du/d）都不能太大.需要根据GTO的允许值进行限制。对电流上升率的限制，一般采取在 GTO 器件回路中串联一定电感量的电抗器;对电压上升率的限制，一般在GTO器件两端并联一定电容量的电容器。这样的电抗器和电容器及其能量释放元件构成的回路称为吸收电路或吸收回路。

（7）GTO对门极触发信号的电压、电流的形状和大小有一定的要求，且触发信号撤离后，只要GTO中流过的电流大干某个值时。GTO就能维持导通.若小干这个值GTO就会自动关断。像晶闸管一样，这个值定义为擎住电流。

GTO目前主要应用在大功率场合，如铁道牵引功率变流器和电力系统中的大功率无功发生器和高压直流输电等领域。上海磁悬浮铁路的牵引供电系统中，德国的高功率模块采用了容量为2×7.8 MW的GTO变流器。

2. VDMOS

VDMOS也常称VMOS.其全称是垂直双扩散金属氧化物场效应管（Vertical Double Diffusion Metal-Oxide Semiconductor Field-effect Transistor）的英文缩减写法，是功率 MOS（或功率场效应管）的简称。VDMOS的三个极分别称为漏极（Drain）、源极（Source）和栅极（Gate），与GTO的阳极、阴极和门极相对应。

N型沟道的VDMOS外形与符号如图所示。由于栅极与源极之间是通过金属氧化物陶资绝缘的.因此在栅源极之间的驱动是电压型驱动即在驱动电压稳定时，驱动回路中没有电流，只有在栅源极之间的电压增加过程或下降过程中，才有电流给栅源极之间的寄生电容冲放电。在VDMOS的选择使用中，要着重注意以下几个问题∶

（1）VDMOS的金属氧化物绝缘层非常薄，栅源极所加电压一般不得超过20 V，因为绝缘层的耐压很低。故在运输或储存中，要把栅源极之间短路起来;在 VDMOS 栅源极之间开路时，不能用手接触栅极，以免静电击穿绝缘层;在使用时，不能让栅源极之间开路。驱动的电压一般为12~15V。

（2）VDMOS内部寄生有反并联二极管。VDMOS 的耐压在 250 V以下时，该二极管可像VDMOS本身一样工作在高频状态;VDMOS的耐压超过250V时，该二极管不能工作在 10kHz 以上的高频状态。

（3）允许流过VDMOS 的电流一般指有效电流。如果某 VDMOS器件的电流是 10 A，则在高频工作的占空比为0.5时，流过VDMOS的电流为将近 20 A是允许的。占空比是指器件在一定频率下工作时，导通时间与周期时间之比值。

（4）VDMOS 的通态电压降与流过的电流成正比。即这个电压降与流过的电流之比是个常数——电阻，所以VDMOS导通时，一般不说通态压降，只说通态电阻。

（5）VDMOS是至今为止工作频率最高的功率半导体器件。VDMOS开关速度很快，因此器件两端的耐压不仅要考虑稳态电压，还要非常关注开关过电压对器件的影响。

（6）VDMOS三个极之间的寄生电容量比较大，将增加器件工作时的开关损耗。所以在使用软开关技术为减小开关损耗时，对于VDMOS采用零电压软开关更有实际意义。

（7）VDMOS 能承受的 di/dr 和 du/dt 比较高。在电路设计时，不必考虑di/dt 和 du/dt 的吸收回路。但由于VDMOS的开关速度非常快，定要考虑 VDMOS 关断时与器件相连接的线路上分布电感能量的吸收，以免电感能量转化成过电压击穿烧坏VDMOS器件。

（8）VDMOS的栅极驱动与晶闸管、GTO 有所不同。除了前面讲到的 VDMOS 是电压驱动，晶闸管和GTO是电流驱动外，更重要的一定是，晶闸管和GTO开通后，只要阳极电流大于擎住电流，把门极脉冲撤掉，器件依然维持导通;而VDMOS 则不然，要VDMOS维持导通，栅极电压必须自始至终维持，只要撤掉栅极电压，VDMOS 马上就截止。VDMOS 的这一跟随驱动特性同样体现在 BIT、IGBT等晶体管型的器件中。而晶闸管和GTO 的能自维持驱动特性体现在所有晶闸管型的器件中，如后面要讲到的IGCT器件，也有这一驱动特性。

常见的VDMOS分为两种形式。第一种N沟道VDMOS.棚源极之间加上正向由压时VDMOS 导通，不加电压或加上反向电压时VDMOS关断;第二种 P沟道VDMOS.栅源极不加电压或加上反向电压时VDMOS导通，加上正向电压时VDMOS关断。它们大量用于高频低电压开关电源中，如 48V通信电源和手机、笔记本电脑等申池提供电能的各种电源变换器中。

3. BJT(GTR)

BJT是双极晶体管（Bipolar Junction Transistor）的简写。双极晶体管的基本原理在微电子学中学习。在微电子学中，双极晶体管又简称为晶体管。BJT的三个极分别称为集电极（Collector）、发射极（Emitter）和基极（Base），与VDMOS的漏极、源极和栅极相对应，与 GTO 的阳极、阴极和门极相对应。NPN 型 BIT的外形与符号如图所示。在微电子技术中。我国和日本均以晶体管集电极最大功率损耗 P、是否大于1W把晶体管划分为大功率晶体管和小功率晶体管。

在电力电子技术中，BJT的 Pc功耗可达数百瓦，流过集电极的电流也可达数自安培、电压可超过1000 V。这样大电流、高电压的BIT习惯上被称为GTR（Giant TRansistor，巨型晶体管）.或电力晶体管。GTR 的放电倍数比较小.只有10左右。为了获得比较大的 BJT集电极电流，GTR 通常采用至少由两个晶体管按达林顿（Dalington）接法组成的单元结构。BJT的达林顿结构如图所示。在 BJT的选择使用中，要着重注意以下几个问题∶

（1）BJT是电流型驱动的器件。它像晶闸管和GTO一样，在基射极之间施加驱动电流时，集电极和发射极之间才能导通。BJT驱动与晶闸管和GTO不同的是，前者在器件集射极之间导通时，基射极之间必须自始至终有驱动电流，而后两者在阳极电流大于擎住电流时，门极驱动电流可以撤掉。

（2）BJT有较突出的二次击穿现象，使用时要格外注意。因为二次击穿现象使得 BJT的安全工作区大为缩小。像稳压二极管那样，BIT的集射极之间增加电压到一定程度时，会造成器件击穿，流过器件的电流能骤然上升，但端电压无明显变化。这种现象称为BJT的一次击穿现象。所谓一次击穿现象.是指在次击穿电流骤然上升的同时.伴随着器件两端电压的突然跌落的破坏性击穿。这种一次击穿要么造成器件永久性破坏。要么造成器件工作特性明显衰变，再经数次类似过程之后必永久损坏。

（3）BIT的集电极电流是指最大值电流。所以在选择器件电流容量的时候，要把电路中的最大电流限制在器件的电流容量之内。

（4）BIT与VDMOS类似，能承受的 di/d 和 du/dt 比较高。在电路设计时，可以不考虑di/dt和 du/dt 的吸收回路。但由于BJT的开关速度也很快，一定要考虑 BJT关断时与器件相连接的线路上分布电感能量的吸收，以免电感能量转化成过电压击穿烧坏 BJT器件。

（5）BIT 的开关频率比晶闸管和 CTO要高，但比VDMOS和后面讲到的IGBT要低。在中小功率场合，一般工作频率在5~10 kHz是允许的。

常见的 BJT分为两种形式。第一种是NPN 型BJT，基射极之间加上正向电流时 BJT导通，不加电流时BJT关断。在正常工作时，为了防止干扰造成不必要的导通，通常在关断时加上5V左右的反向电压偏置。第二种是 PNP型 BJT，基射极加上反向电流时 BJT导通.不加电流时或正向电压偏置时BJT关断。PNP 型 BJT在10 A 以下的器件中较常见，大功率器件中较少见。人们习惯称谓的GTR器件中.很少有 PNP型的器件。随着器件的发展，现在BJT在电流 20 A 以内的应用领域大都被 VDMOS 所取代;电流大于20 A 以上的应用领域被IGBT所取代。但由于 BIT的通态压降比较低，在低电压的驱动电路和其他一些系统中，仍很有生命力。

4. IGBT

IGBT是绝缘栅双极晶体管的简称。它结合了VDMOS和 BJT的优点，自诞生以来发展速度出乎人们的意料。这是一种非常有生命力的器件，它的外观（模块式）与符号如图所示。IGBT的三个极分别称为集电极（Collector）、发射极（Emitter）和栅极（Gate），与BJT 的集由极发射极利基极相对应。也与VDMOS的澡漏极源极和栅极相对应。从IGBT的表示符号和极性的表示字母可以看出，IGBT的导通电流部分吸收了BJT的工作机理，驱动部分吸收了VDMOS的工作机理。IGBT 在选择使用中，要着重注意以下几个问题;

（1）IGBT像VDMOS一样，是电压驱动的器件。一般驱动电压为15V左右，为了防止关断时的误触发，通常在 IGBT关断后施加一个10 V左右的反向电压偏置。它与VDMOS 和BJT一样，在IGBT器件集射极之间导通时，栅射极之间必须自始至终有驱动信号。

（2）IGBT的集电极电流是指最大值电流。所以在选择器件电流容量的时候，要把电路中的最大电流限制在器件的电流容量之内。

（3）IGBT与BJT一样，能承受的 di/dt 和 du/dt 比较高。在电路设计时，可以不考虑 di/dt 和 du/ds 的吸收回路。但由于IGBT的开关速度也很快，一定要考虑IGBT关断时与器件相连接的线路上分布电感能量的吸收，以免电感能量转化成过电压击穿烧坏IGBT器件。

（4）IGBT的开关频率比 BJT高，但比VDMOS 低。1700 V/600 A 以内容量的IGBT用在一般工业领域，工作频率可以到20 kHz;而应用于轨道交通等大功率场合的IGBT 工作频率为1~2 kHz，如3300 V/1 200A的IGBT工作频率建议要低于2 kHz。

（5）IGBT比 VDMOS和 BJT 都容易通过更大的电流。在同样大小的硅片上，IGBT的通过电流能力是VDMOS的20倍左右，是BJT的5倍左右。

（6）IGBT关断时有拖尾电流，这是IGBT的结构特点所决定的。因此，如果电路要实现软开关工作来减小开关损耗时，对于IGBT采用零电流软开关更有实际章义。

（7）IGBT一般可以承受短路电流的时间为10 μs。因此，IGBT发生短路后，必须在10 μs 内撤掉栅极驱动电压。现在市场上的IGBT驱动片电路一般都有短路保护功能，且短路后会在5~6μs 以内通过软关断的方式来撤掉IGBT的驱动电压脉冲。短路保护通过软关断实现，可以减小加在 IGBT两端的瞬时过电压。

IGBT是一种非常成功的电力半导体器件。现在的 IGBT容量已经做到6500 V/2 400 A。IGBT已经在很多领域取代大功率 BJT和GTO。一般地，现在功率等级在1.5 MV·A 以内的应用领域都采用IGBT。如现在北京城市铁路13号线新引进的日立公司车辆动车组的交流传动逆变器的器件就是IGBT。

5. IGCT

IGCT是集成门极换向晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyristor）的简称。IGCT是在 GTO基础上改进发展起来的，属于晶闸管型器件。IGCT外形及其符号如图所示。IGCT的三个极分别称为阳极（Anode）、阴极（Cathode）和门极（Gate），与GTO和晶闸管完全一样。它与GTO相比，主要有四方面的改进∶

①由于IGCT通过"N"缓冲层±穿透阳极结构，将硅片的厚度降低了1/3左右，大幅度地降低了器件的通态损耗;

②在减薄硅片厚度的基础上，在芯片中集成了反向续流二极管，形成GCT，简化了电路结构;

③通过门极驱动单元和封装结构的优化设计.将门极驱动单元与封装后的GCT芯片集成在一起，从而大幅度地降低了门极与阴极回路中的杂散电感.驱动回路中的杂散电感由普通GTO的 300 nH 降到5 nH，因而极大地提高了开关过程中的门极电流上升率，实现了GCT器件的强触发驱动，器件的开关特性得到显著改善;

④通过设置"穿透阳极发射极"结构，大大提高了电子的抽出速度，又不引起空穴的注入，因而可实现晶体管式的关断，IGCT的关断时间可达1~2μs;所以采用IGCT的牵引变流器结构比GTO的牵引变流器要简单。IGCT既有GTO的高电压、大电流、低导通损耗的优点，也有IGBT的关断均匀、开关速度高的优点。目前已用于电压等级为2.3kV、3.3 kV、4.16 kV、6.9 kV，功率范围为0.5~100 MV·A的装置中，它是一种比较理想的大功率电力半导体器件。IGCT在选择使用中，要着重注意以下几个问题;

（1）与IGBT相比，相同耐压的 IGCT器件通态电压降更低。但 IGBT 的驱动电路仍要比IGCT的简单，功耗也更低。

（2）IGCT在开通时仍是晶闸管的工作特性，di/d 不能太大，所以需要在回路中加一定电感量的电抗器来限制 di/dt，以免损坏器件。但 IGCT在关断时，体现出了晶体管的特性，du/di 的耐量比较高，，在实际电路中不必加限制 du/dt 的措施。但在 IGCT应用的大功率变流器中，为了减小开关过程中加在 IGCT两端的瞬时过电压，需要有吸收线路结构分布电感能量的回路，以免电感能量转化成过电压击穿烧坏IGCT器件。

（3）IGCT的开关频率比 GTO高，但比大功率的IGBT要低。在大功率应用场合，开关频率一般为1kHz左右。

（4）IGCT工作时，与其他器件一样，器件两端的电压和流过器件的电流必须限制在它的容量之内。

变换器的电路结构与设计

在电力电子技术中，不同的用途对应有各种不同的拓扑电路。根据电能变换的输入输出形式，可以分为四种形式;交流-直流变换器（AC/DC）、直流-直流变换器（DC/DC）、直流-交流变换器（DC/AC）、交流-交流变换器（AC/AC）。

AC/DC变换器习惯称为整流器，通常用作电力电子系统的前端变换器最简单的是采用二极管或晶闸管整流。现在电力电子前端变换器要求与电力线路友好接入，这意味着需要高的功率因数、低的输入电流谐波畸变和低的电磁干扰发射。为了满足越来越严格的电能质量标准，分别用于单相和三相的高级 AC/DC 变换器也已得到发展.如单相 Bost功率因数矫正（Power Factor Correction，PFC）整流器、三相断续电流模式（Discontinued Current Mode，DCM）Boost PFC整流器、三相脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）Bost PEC整流器、三相 Buck PFC.整流器。

DC/DC. 变换器习惯称为斩波器，常见的有 Buck 变换器（也称降压斩波器）、Boost 变换器（也称升压斩波器）、Buck/Boost 变换器（也称升降压斩波器）、Cuk 变换器、隔离式的 Buck 变换器——正向变换器、推挽变换器、桥式变换器等，以及隔离式的 Buck/Boost 变换器——Flyback 变换器（有时称反激式变换器和回扫式变换器）等。

DC/AC变换器习惯称为逆变器，通常有电压型逆变器和电流型逆变器两种。逆变器的每一相由两个开关串联组成桥臂结构。两个开关有一个共同节点为桥臂中点，桥臂的正端接到直流电能的正极，桥臂的负端接到直流电能的负极。逆变器工作时，桥臂的中点能输出交流电能。三相逆变器是把三个桥臂组合，并按相序进行同步控制，这样就能输出互差 120°的三相平衡电压。单相逆变器则是由两个桥臂组合而成，并按照180°的方式控制，就能得到单相电压。

AC/AC. 变换器传统上用于只调电压大小的交流调压器和只调频率大小的周波变换器（也称循环变换器）。现在发展比较快的矩阵变换器也是一种 AC/AC 变换器。

为了达到减小开关损耗和功率变换器的电磁干扰的目的，针对上述四种形式的变换器，提出了许多软开关技术和相应的电路拓扑。这样可以使得变换器的效率更高，体积更小，重量更轻。

电力电子技术的一个基本任务，是要设计出功能满足要求、且运行可靠的电能变换装置。一个性能良好的变换装置设计，大致应该包括功能指标设计、电磁兼容设计、系统散热设计和结构亲和性设计等几个方面。

（1）功能指标设计从变换装置的功能上看，主要是输出电压（或电流）和功率的指标。但在功能设计时仅考虑电压（或电流）和功率指针是不够的.还要考虑其他一些显性和隐性的功能指标，装置才能正常可靠工作。如主电路预防冲击电流的控制设计，控制电路的得电复位和断由保护设计。装置过电流保护、过电压和欠申压保护、过热保护、短路保护等都要考虑，有时还要考虑过功率保护。有时功能设计可以采取多种设计方法。如主电路预防冲击电流的控制设计中，有的采用电磁接触器控制的充电电阻方法来预防二极管整流器的冲击电流，有的采用晶闸管缓开放导通角的方法来预防整流器的冲击电流。

（2）电磁兼容设计电力电子电路的一个基本特征就是开关的闭合和断开，从而使得电路在两个或几个不同的电路结构之间切换工作。开关的通断，就意味着电路中存在电压和电流变化率。电压电流的变化率其实就是电磁干扰的本质。

因此电力电子技术的一大任务就是要解决好电磁旅容问题。电能变换装置的电磁干扰分为三类.一一是外部干扰源对装置的干扰（incoming）;二是装置产生的干扰源对系统外部（outgoing）的干扰;三是装置内部（intermal）的相互干扰。

第一类和第二类的干扰通常采用滤波的办法解决，第三类干扰的解决途径较多∶一是采用金属外壳，并通过屏蔽层把装置内的强电和弱电区分隔开等措施来预防和减弱电磁干扰;二是通过电隔离的方式防止控制电路和主电路之间的干扰;三是对主电路采用合理的低电感结构方式减小杂散电感和特征阻抗。控制电路的电磁兼容设计一般从以下五个方面考虑;一是导线传导耦合;二是公共阻抗耦合;三是电感性耦合;四是电容性耦合;五是电磁场耦合。

（3）系统散热设计电力电子开关器件在工作时产生的许多损耗都以热量的形式表现出来，而开关器件的通态损耗和开关过程损耗都比一一般的金属内阳损耗大许多。因此电力电子技术中的散热设计很重要。由于在申能弯换装置中的开关器件厂作在高频状态.其中的磁性组件也工作在高都状态，而高帮下的磁性组件损耗比较大，所以变换器中的电质感和变压器的散热设计也很重要。除了散热介质和散热空间需要设计计算外，对于电力电子变换装置，散执设计还要非常注意提供电力电子器件散热的散热器热阻设计计算。

比如，通过改进 IGBT模块的封装材料和散热方式，混合电动汽车或燃料电池汽车可以不必专门设置牵引变流器的冷却（散热）系统，而直接共享汽车上原有的冷却系统。常见的散热器有五种类型∶一是自冷式散热器，对流换热系数为（6~13）×4.18×J/（h·m²·K），常用于额定电流小于20 A的器件或简单装置中的大电流器件;二是风冷式散热器，对流换热系数为（35~62）×4.18×J/（h·m²·K），是自冷式散热器效率的2~4倍，常用于额定电流在50-500 A 的器件中;三是水冷（油冷）式散热器，对流换热系数为2 000×4.18×J/（h·m²·K），是自冷式散热器效率的150~300倍，常用于额定电流在 500 A 以上的器件中，这种散热方式需解决好水质和凝露问题;四是沸腾式散热器，对流换热系数为（3 00~7 000）×4.18× J/（h·m²·K），其等效导热率相当于同几何尺寸实心铜导热率的 380倍;五是热管散热器，热管是一种新型高效的传热组件，因为它利用了沸腾吸热和凝结放热两种最强烈的传热机理，因而表现出优异的传热特性，它的传热效率高和沿轴向的等温性好，其散热效率要比同质量的铜散热器大2~3个数量级。

（4）结构亲和性设计一个好的变换器装置的结构形式对人具L有很好的亲和力。它不仅外表美观宜人，而且结构紧凑，便于测试和装卸。另外，结构亲和性设计还应该包括功能分区设计、模块化设计和子系统集成设计等内容。如电力牵引变换器的机柜式结构功能设计、6 U标准机箱功能插件式设计、模块化设计。现在电力电子应用技术的产品或电路设计的发展方向是模块化，集成化.如功率因子校正（PFC）控制电路，软开关控制用的ZVS和ZCS电路等都集成为各种控制功能专用黄片。

IPM 以IGBT作功率开关，将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线，焊点减少.可靠性显著提高。集成化模块化使电源产品体积小、可靠性高，给应用带来极大方便。电路集成的进一步发展方向是系统集成，如现在的逆变器是将 200~300 个零件装配在一起成为一个系统。这种做法要花很多时间和人工，成本也高，也难于做得体积很小。美国VICOR 公司生产的第二代电源模块，内部结构改为模块式，达到高度集成化和全面计算机化。电源模块内含组件只有第一代产品的1/3.由115个减为35个。

第二代产品的集成度显然提高了，但还不是系统集成。美国电力电子系统中心（Center for Power Electronics Systems，CPES）已经提出了系统集成的设想，信息传输、控制与功率半导体器件全部集成在一起.组成的组件之间不用导线连接以增加可靠性，采用三维空间热耗散的方法来改善散热，有可能将功率从低功率（几百瓦至千瓦）做到高功率（几十千瓦以上）。系统集成的结果，可以改变现在的半自动化、半人工的组装工艺而可能达到完全自动化生产，因而可以降低成本.有利干普遍地推广应用。

控制与调节

电力电子技术可以说是把电子元器件合理地用于电能的变换与控制调节中，因此.电力电子的所有应用都包含有控制的问题。用于解决一个电力电子变换器控制和调节问题的一种数学和软件工具，常常可以用于解决其他问题。为此，一些学者和研究人员专门从事电力电子不同应用中的各种控制算法研究和工具软件开发。与其他领域一样，微型计算机也是电力电子技术控制与调节研究的主要工具。从不同的应用领域对电力电子系统的控制要求进行简单回顾，有利于从总体上理解现代控制理论和电力电子应用技术的广泛联系。

（1）静态电力变换与控制任何电力电子变换器的核心部分就是开关控制器。根据使用要求，我们希望转换器的理想输出波形是纯正的直流或纯止的正弦波。开关控制理论和调节手段关心的主要问题就是要减小开关工作过程中产生的谐波，同时减小，甚至消除变换器输入端和输出端的谐波。

（2）静态电力供应大到电力系统的高压直流输电系统、无功补偿装置，小到计算机、复印机和传真机等用的不停电电源（UPS）等电力供应装置都与电力电子技术休戚相关。它们的效率和谐波质量是电力电子系统控制器的主要控制目标。为了降低硬件费用，小功率的直流电源通常采用含有简单控制算法的控制技术。由于现在谐波标准要求比过去更严，制造商价1不得不采用事复杂的开关控制技术和昂贵的硬件结构。用于改善电力电子变换器输入端和输出端的谐波畸变。另外.一日新的拓扑电路能够改进诸如UPS之类的装置性能和可靠性，该研究领域的专家学者也更应该善于处理先进的控制理论，因为新的拓扑电路往往需要更复杂的控制算法。

（3）运动控制所有新投产的运动控制应用系统中可以说都采用了电力电子电机传动系统。比如.工业加工机械.传送装置，起重机和提升机.电传动车辆.电梯。叉车。火车等因此，电力电子应用技术在该领域自然而然的拓展，就是开发新的控制算法，以改善控制响应速度，提高效率，降低硬件要求等。另外.该系统中的电力电子装置本身的问题.如可靠性、效率、谐波质量等同样需要高的控制要求。

（4）加热与照明无论是工业用还是家庭用的电加热、照明镇流器和调光器，都消耗了大量电能。与传统的装置相比，采用电力电子技术后，这些装置的体积重量更小、工作性能更好、工作效率更高。由于电力电子电路开关模式的本质特征，这些装置的效率和谐波质量与所采用的控制策略关系很大。

电力电子技术中的储能元件

电力电子技术中的储能元件有磁性元件和电容器两类。从磁性元件的材料方面看，用在 50 Hz 工频领域的电抗器和变压器的常见材料是电工硅钢片。随着电力电子应用技术的发展，磁性元件的工作频率的不断提高，适用于电力电子装置的磁性材料的种类也越来越多如软磷合金（铁镍合金，铁铝合金，铁钻钥合金等）.铁氧体（锰锌铁氧体、镁锌铁氧体、镍锌铁氧体等）、新型非和微M软碎材料（铁基非晶，钻基非晶.铁基微晶，钻基微晶等）.即使是同一种类的磁性材料，根据构成成分的不同，它的性能、价格和适用条件（频率范围、温度范围）也有不少差别。比如，日本TDK 的锰锌铁氧体材料，根据它的性能指标和适用条件不同，就分为 PC20、PC30、PC40等。

从磁性元件的型式方面看，新型磁性组件和新型变压器得到了开发。如集成磁路、平面型磁心、超薄型（Lowprofile）变压器（电抗器），以及适用于开关电源等小功率的新型变压器如压电式、无磁心印制电路（PCB）变压器等，使电力电子装置的尺寸重量都减少了许多。平面变压器是近几年面世的一种全新产品。与常规变压器不同，平面变压器没有铜导线，代之以单层或多层印制电路板，因而厚度远低于常规变压器，能够直接制作在印制电路板上。图4-23所示是一种印制电路板上的平面变压器。其突出优点是能量密度高，因而体积大大缩小.相当于常规变压器的 20%;效率高，通常为97%~99%;工作频率高，从50 kHz-~2 MHz;低漏感（小于0.2%）;低电磁干扰（EMI）等。

电容器是与磁性元件对偶的一种储能和滤波元件。一般地讲，电容器分为直流电容器和交流电容器两种。直流电容器以铝电解电容器为主，交流电容器根据电压等级和容量的不同.以及根据应用环境条件的不同，种类很多，如云母电容器、纸介电容器、聚苯乙烯电容器、涤纶电容器、复合介质电容器、有机实心电容器等。

电力电子技术的发展，也大大促进了电容器的发展。铝电解电容器的工作温度范围一般是85℃。由于它服从10℃二倍则原理，即工作温度每升高 10℃，电容器的寿命就减短一半。比如.一个85℃的铝电解电容器寿命是2000h，若工作在75℃时，其寿命就达到4 000h。由于电力电子装置工作时内部环境温度相对较高，为了电容器的寿命能与整个装置的其他元器件寿命相匹配，开发了105℃的电解电容器。因此，现在电力电子装置一般使用105℃的铝电解电容，而不使用 85℃的电容。

超容电容器是电容器件近年来的最新进展，美国的麦克韦尔公司一直保持着超容电容技术的世界领先地位。超容电容器采用了独特的金属/碳电极技术和先进的非水电解质，具有极大的电极表面和极小的相对距离。现在已开发生产出多种具有广泛适用范围的超容电容器单元和组件，单元容量小到10F，大到2700F。超容电容器可方便地串联组合成高压组件或并联组合成高能量存储组件。超容电容器组件现已可提供650V的高压高能量应用。

吸收电容（Snubber Capacitor）和谐振电容（Resonance Capacitor）是电力电子技术中不可或缺的新型电容。吸收电容要求吸收的峰值电流大，电容本身的等效电感小;相比吸收电容来说.谐振电容要求有效值电流大，电容本身损耗小。如果选择使用不当，吸收电容用作谐振电容时，电容器很容易损坏。

各种新型磁性材料和电容器的开发，使得电力电子装置不断向小型化发展.EMI滤波器技术也不断进步，并提高了电磁兼容 EMC（Electro Magnetic Compatibility）性能。

无论开关器件，还是电抗器、电容器和变压器，在选择使用或设计参数时，要合理考虑好电压、电流和开关频率的选择，以及与热损耗、电磁干扰等的相互关系。

电力半导体器件的封装与制造

电力半导体器件的封装技术包括材料、制造过程、散热管理，以及与器件电气特性有关的布局优化问题。随着技术的发展，当今的封装概念已经拓展到功率模块的智能化集成方面，目标是把控制、驱动、检测和保护等功能集成封装在一起，构成集成化的智能模块。这样的模块可以给电力电子系统提供共同的东西，如界面友好、方便控制和易于通信的接口等。

并且为了尽量减小器件的寄生参数，往往采用多层结构，这对高频应用是最基本的。对于电力电子器件的封装，有6个方面的问题需要研究考虑∶一是电气结构与功能确认;二是封装结构开发;三是热场分布分析;四是寄生参数的减少以致去除，对优化封装设计和电气特性均有好处;五是减少电磁于扰;六是使用方面的接口设计。

电磁干扰和电磁兼容

电力电子技术以控制电子开关的导通和断开为基本工作形态。控制导通时，电子开关两端的电压从外加电压值下降至接近0.流过电子开关的电流从0上升至负载电流;控制断开时，电子开关两端的电压和流过电子开关的电流变化反之。这说明电力电子技术是以du/dt 和di/dt 方式工作的。而du/d 和didL 就是电磁干扰的本质。显然，电力电子系统工作时，就是一个大的电磁干扰源。因此，电力电子技术中研究电磁干扰和电磁兼容是其中重要内容之一。

电力电子系统电磁场分布通常是影响该系统成功与失败的重要因素。电子元器件的封装结构、电路布局，以及各元器件在系统中的位置都与该系统的电磁场分布相关。

就基本理论而言.电力电子系统中的电磁兼容问题与通信中的电磁兼容问题没有什么原则性的差异。但是，电力电子系统中电磁兼容问题具有其固有的特点;首先，在EMI方面。与通信系统相比，虽然电力电子系统工作频率不高，但是通常工作电压高、电流和功率都较大，且大功率器件在开关过程中会产生很高的 di/d 和 du/d，其频谱范围非常宽。

其次，它们既有通过电力电子系统的线路传导传播，也有通过杂散分布参数和空中辐射传播。再次，它们产生强大的瞬态噪声电压或瞬态噪声电流，从而成为强的电磁噪声源，它对系统（电路）造成的干扰主要表现为近场辐射和传导性质的 EMI。总之，电力电子系统中的电磁干扰能量比较大，特别是大功率电力电子系统。它们产生强大的谐波电压和谐波电流，造成谐波干扰，不但会污染电网，血目还可能会危及设备和系统的安全。曾经发生过这样的学例.牵司I领域中电力电子装置供电的电机传动系统，如果电机采用普通正弦波电压的电机，工作不到半年电机就因绝缘击穿而烧毁了。

有些高频大功率装置还会引起强电磁场（通常是近场）的辐射，因此电力电子系统中的电磁噪声对其周围电磁环境的污染和造成的干扰有时要比通信系统还要严重得多。随着消费类电子产品的息化和功能的不断改进.给电力电子系统的电磁于扰和电磁兼容研穿带来了挑战。比如蓝牙（Bluetooth）技术，它使用的是2.4 GHz工业安全频带，用于电子设备之间的 30 m 之内的无线自动通信。还有10 GHz左右的全球卫星定位系统（GPS）产品已经走入寻常百姓家。这些产品通信的无线发射能量不大，而其本身的电源还需要电力电子技术进行变换。

电机控制

调速传动（Adjustable-Speed Drive，ASD）的许多应用场合要求比较宽的转矩控制范围来保证足够的控制性能。换句话说，如果一个传动系统是一个具有快速动态响应的可控转矩源，它就可以实现所要求的运动控制特性。

在 1980年之前，虽然交流调速的矢量控制理论已经于1972年发表，直流电机实现的调速传动系统，虽然显示出其优成性。自流调速传动比起交流调速传动系统的主要优点，就是直流传动系统通过直接调节控制电枢电流就可以方何地实现转矩控制相反.1980年之前的交流调速系统通常使用方波变换器，只能实现简单的速度控制，不能实现良好的转矩控制。

如果没有良好的转矩控制，一个传动系统的动态性能很慢而且容易振荡，极端情况会造成不稳定。方波变换器因其固有的转矩振荡和响应迟钝特性，只能在转矩瞬时控制不重要的风机和水泵等场合应用。在一些需要中等性能的应用场合，如传送带、滚扎机、电动车辆等，需要定时生转短矩控制能力;而在高性能的应用场合，如工业加工工U..纺然机械，切割机械位置控制等，最好的实现手段就是精确的转矩控制。因此在中等性能和高性能的应用场合，在 1980前后，还是大量使用直流传动系统。

直流电机能提供快速的转矩控制，原因在于机械换向器任何时候都能保证转矩角的恒定。这样，瞬时转矩就与电机的电枢电流和励磁磁场电流的乘积成正比，而且电枢电流和励磁电流是动态解耦的。动态解耦意味着电枢电流和励磁电流可以相互不受干扰地独立调节。一种典型的应用就是把励磁电流设定并维持在所要的目标值，仅调节电枢电流来调节转轴的转矩。即使大型直流电机的电枢时间常数（L/R）也在 20 ms 的范围以内，所以转矩的动态响应速度可以非常快，可以在几十赫兹的带宽内调节。

直流电机调速传动系统的一项任务是，如何在调节电枢电压进而控制电机的电枢电流时，使得系统的损耗最小。早期的直流电机调速传动采用Ward-Leonard 系统，近几.年来都采用电力电子技术来进行电枢电流控制。而交流电机则不同.它的电压，电流，磁通和转矩之间是复杂的、非线性的关系，为了达到高精度的转矩电流控制.就需要快速的电力申子元器件，而这样的电力电子元器件只有20世纪 70年代以后才出现。由于这些原因，1980年以前实际投入使用的中等性能和高性能的调速传动系统都是直流传动系统。

大量出现在 20世纪 80年代的早期交流调速传动系统，采用脉宽调制来改变加载交流电机定子的电流频率。这种传动系统提供了出色的速度控制，但没有转矩控制能力。这种交流电机传动系统被当做"速度源"来对待，因为它的速度主要由电机定子频率来决定。它的控制方式是维持电机的空载电流基本不变，从而定子电压要随频率的改变而调节。这一控制方式使得电压和频率是一种比例关系，所以通常称为恒压频比控制。这种控制方式在商业上已很成熟，能实现宽范围的速度调节，是一种"标量"控制传动系统。在一般的商用调速应用领域标量控制的传动系统最为普遍。它的优占是只需要速度反馈，几乎不需要电机本身的参数信息。

速度调节控制的电机传动系统能适应比较宽范围的应用，但它无法适应需要"转矩源"的真正高端的应用。20世纪 60年代后期，发明了一些控制算法，使得交流电机接近可以转矩控制。由于它们需要许多未知的模型参数和大量的近似以及大量的运算量.限于当时的技术水平，在电机应用上没有取得多大进展。

1972年，德国西门子公司F.Blaschke 等发表的论文《感应电机磁场定向的控制原理》和美国P.C.Custman与 A.A.Clark 申请的专利《感应电机定子电压的坐标变换控制》.从物理模型出发取得了卓越的研究成果.以后经过各国学者和工程师的研究、实践和不断地完善，已形成现在普遍应用的高性能交流调速系统——磁场定向控制系统。磁场定向控制系统的特点是;通过坐标变换（三相——两相变换、同步旋转变换），把交流异步电动机在按转子磁链定向的同步旋转坐标系上等效成直流电动机，从而模仿直流电动机进行控制，得到在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美的交流调速系统。这种类开的传动系统.不仅能调节电机定子由压的幅值和频率，还能实时调节电压的相位.现通常称为"矢量"传动系统，以便把它与调速标量传动方法相区分。

交流电机及其调速用的矢量控制调速变频器。

实现矢量传动控制的另一种办法就是 1985年德国教授 Depenbrock提出的直接力矩控制技术。直接力矩控制在技术上与磁场定向控制相类似，它使得电机的电压或电流尽可能接近能产生所需力矩的电压或电流值。它工作时需要的计算量比磁场定向少，通常由空间向量调制（Space Vector Modulation.SVM）来实现。在直接力矩控制中.传动系统中的开关只能在两种可能的输出电压中切换，使得实际的输出电压近似地跟踪所需的电压向量。

电力稳定与电能质量控制

电能质量包括四个方面的内容;电压质量、电流质量、供电质量、用电质量。

交流电力系统中，由于可控性能低，经常出现复杂网络中的"大环流"现象、联络线上的功率振荡、输送能力过低、潮流控制能力差等问题。为了增加电力系统的可控性能，甚至灵活可控，基于电力电子技术的灵活交流输电系统应运而生。通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流，突破静态稳定瓶颈，使输送容量更接近线路的热稳极限，是提高输电系统输送容量的有效措施。

目前主要的FACTS 装置有;静止无功补偿器（SVC）、晶闸管控制的串联投切电容器（TSSC）、可控串联补偿电容器（TCSC）、统一潮流控制器（UPFC）等。其中串联补偿装置，如 TSSC.TCSC 等，能使输电线路的阻抗变小，相当于缩短了输电线路的长度，因此是提高系统输送容量和暂态稳定性的重要手段;而并联补偿装置-—SVC.通过与系统进行无功功率交换，以维持线路电压恒定，因此是抑制系统电压波动、闪变和提高系统稳定性特别是电压稳定性的有力工具;UPFC.则综合了串、并联补偿的功能，能对线路电压、阻抗、相位进行控制，从而实现控制潮流、阻尼振荡、提高系统稳定性等多种功能。

作为FACTS技术在配电系统应用的延伸—— 一般称定制电力（Customer Power）技术，已成为改善电能质量的有力工具，由于配电系统中容量相对小些，可以使用开关频率更高的电力电子器件，因此定制电力装置具有更快的响应特性，可以对配电系统的传输能力和供电质量等进行连续，快速，精确的有效控制.使现有仕申质量提高到一个全新水平目前主要的定制电力装置有∶有源滤波器（APF）、动态电压恢复器（DVR）、静止无功补偿器（SVC）.固态断路器（SSCB）等。

其中DVR 用于补偿电压跌落、提高下游敏感负荷供电质量的有效串联补偿装置，APF 用于补偿负载侧谐波，并起到平衡负荷作用的有效并联补偿装置。电能储存手段之一的超导储能（SMES），作为一种特殊新能源因其固有的诸多优点而引起广泛研究。SMES 因其储能损耗低、储能密度大、适应于电力负荷峰谷调节而备受青睐。SMES在电力系统中应用的研发目标是用于调节电力峰谷负载和提高输电系统的暂态稳定性，它几乎能随时跟踪负荷变化，使系统在恒输出条件下运行。SMES是一种非常有前景的DVR.同时也能为各种新能源如风能，太阳能、潮汐能、生物质能、小水力等的充分开发利用，提供很好的能量缓冲手段。