變流技術與半導體電力變流器

電力電子學（或電力電子技術）的理論是建立在電子學、電力學和控制學三個學科基礎之上的。起初它被認為是介于電子學、電力學與控制學之間的邊緣學科，但是隨著電力電子技術的不斷發展，它已成為一個涉及領域廣闊的學科，可以說凡是涉及到電能應用的場合，便有其用武之地。時值今日它不僅已發展成為高科技的一個分支，而且還是許多高科技的支撐。

電力電子技術之所以和“電力”二字相連則是因為最初它的應用范圍主要是在電氣工程中和電力系統中，對市電或強電進行控制與變換。其作用就是根據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），以使電氣設備得到最佳的電能供給，使電力系統處于最佳的運行狀態，從而使電氣設備和電力系統實現高效、安全、經濟的運行。電力電子技術發展到今天，它不僅僅只涉及到“電力”的變換與應用，而且也涉及到化學能電源（電池）、太陽能電池電能的變換與應用。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。

僅就電力電子技術本身而言，它主要包括二個方面，即電力半導體器件制造技術和電力半導體變流技術。前者是電力電子技術的基礎，后者是電力電子技術的核心。二者相輔相成，相互依存，相互促進的關系，使得電力電子技術發展的勢頭一浪高過一浪，使其在科技進步和經濟建設中發揮著越來越重要的作用。

1電力半導體器件

半導體變流技術的發展，立足于電力半導體器件的發展。而電力半導體器件是以美國1956年生產硅整流管（SR）、1958年生產晶閘管（SCR）為起始點逐漸發展起來的。

經過了40多年的發展，在器件制造技術上不斷提高，已經歷了以晶閘管為代表的分立器件，以可關斷晶閘管（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）等三個發展時期。從晶閘管靠換相電流過零關斷的半控器件發展到PID、PIC通過門極或柵極控制脈沖可實現器件導通與關斷的全控器件，從而實現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通與關斷的轉換速度，從而使器件的工作頻率由工頻→中頻→高頻不斷提高。

在器件結構上，從分立器件，發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控制電路、緩沖電路、檢測電路等組合在一起的復雜模塊。功率集成器件從單一器件發展到模塊的速度更為迅速，今天已經開發出具有智能化功能的模塊（IPM）。

表1具有代表性的電力半導體器件發展概況

所有這一切為高頻變換技術的開發，為變流器實現高頻化、小型化、輕量化，為節能、節材、提高效率與可靠性奠定了基礎。

關于具有代表性的電力半導體器件與模塊的發展概況可參見表1。

概括電力電子器件40多年來的發展，經歷了三個時期，具體可分為四個階段。

（1）第一階段

以整流管、晶閘管為代表的發展階段，其在低頻、大功率變流領域中的應用占有優勢，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展階段，雖仍屬電流型控制模式，但其應用使得變流器的準高頻化得以實現。

（3）第三階段

以功率MOSFET、IGBT等電壓型全控器件為代表的發展階段，可直接用IC進行驅動，高頻特性更好，可以說器件制造技術已進入了和微電子技術相結合的初級階段。即電力電子器件與電子器件在發展的道路上，經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展階段，使電力電子技術與微電子技術更緊密地結合在了一起，是將全控型電力電子器件與驅動電路、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，機電一體化的基礎單元，預計PIC的發展將會使電力電子技術實現第二次革命，進入全新的智能化時代。這一階段還處在初期發展中。

2半導體電力變流器

2?1變流技術的應用范圍

變流技術發展到今天，其應用范圍大致分為5個方面。

（1）整流：實現AC/DC變換；

（2）逆變：實現DC/AC變換；

（3）變頻：實現AC/AC(AC/DC/AC)變換；

（4）斬波：實現DC/DC(AC/DC/DC)變換；

（5）靜止式固態斷路器：實現無觸點的開關、斷路器的功能，控制電能的通斷。

2?2變流技術的發展

變流技術的發展，已經歷了三個階段。

（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）的發展與應用，當時把這一學科稱作工業電子學（IndustrialElectronics)。這一階段的研究工作，主要是集中在整流、逆變和變頻技術的開發上。變流技術的應用領域主要是直流傳動，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應用中占有壓倒的優勢，因此，那時將直流傳動、牽引、電化稱作變流行業的三大支柱。其實從變流技術的分類來看，它屬于整流變換，是變流技術的一小部分。

（2）第二階段

第二階段是基于硅整流管、晶閘管的發展與應用，主要是晶閘管。在我國始于20世紀60年代初，電力電子學（PowerElectronics）問世，并取代了工業電子學。由于變流技術的基本理論——整流、逆變、變頻技術的研究，可以說在第一階段已經完成，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、離子管以后出現的新問題，（如硅整流管、晶閘管的阻斷電壓不高，通態電流不大，耐受過電壓、過電流沖擊能力不強，應用中稍有異常狀況出現，便會造成器件永久性損壞）開展的應用研究，諸如：觸發電路的研究、器件并聯均流措施的研究、器件串聯均壓措施的研究、器件換相過程中防止開通過電流、關斷過電壓的緩沖（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故障時系統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用技術日趨成熟。

如同任何新生事務的發展都是勢不可擋一樣，硅整流管、晶閘管在變流技術中的應用與發展，亦是勢不可擋。它很快便取代了汞弧整流器在變流技術中的地位，使我國進入了電力電子技術的開發與應用階段，而我國的汞弧整流器制造業在完成自己的歷史使命后于1972年正式停產。它不僅在所謂變流技術三大支柱產業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域中歷史使命的終結。除此而外，它還取代了用于電鍍、蓄電池充電、發電廠（站）與變電站直流系統的電動機—發電機組；取代了發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水平的不斷提高，半導體變流技術所涉及的應用領域不斷得到擴展。例如，快速晶閘管的開發大大促進了中頻感應加熱、熔煉、淬火電源（1kHz～8kHz）的發展；為國防建設和高科技研究服務的晶閘管低頻電源、400Hz中頻電源、高精度穩壓電源與穩流電源相繼開發出來；還有許多應用領域，不再贅述。

以晶閘管應用為核心的這一發展階段，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）而實現的，即相控型的變換技術。由于晶閘管屬于非自關斷（全控）器件，它又是電流型控制器件，所以在高頻應用領域，它還無法取代閘流管和電子管，只在低頻大功率領域占優勢。

在這一階段，關于實現DC/DC變換的斬波技術的研究已經開展，并且率先應用在直流牽引調速中。公交無軌電車上所用的晶閘管調速，即是DC/DC變換應用的實例。只不過由于晶閘管是半控器件，將其用在DC/DC變換中，為了強迫其關斷，主電路、控制電路較為復雜，但是其節能效果是顯著的。

（3）第三階段

第三階段是基于全控型電力半導體器件的發展與應用，是半導體電力變流器向高頻化發展的階段，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電源的說法是不確切的，這是因為在半導體電力變流器中，承擔功率變換的電力電子器件就是作為無觸點開關來應用的，無論是相控電源還是時間比率控制電源都是工作在開關狀態，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，即脈沖寬度調制（PulseWidthModuration－PWM），脈沖頻率調制(PulseFrequencyModulation－PFM)，混合調制（PWM＋PFM)。PWM方式因為調制頻率固定，即調制周期T恒定（或基本不變），通過改變控制脈沖的占空比D進行變換電路的調節，從而使濾波電路的設計比較簡單，所以常用的TRC是PWM方式。

第三階段的發展是隨著全控型器件的發展而逐漸展開的。

首先以GTO、GTR等雙極型全控器件的應用為代表，使逆變、變頻、斬波變換電路的結構大為簡化，使變換的頻率可以提高到20kHz左右，為電氣設備的高頻化、小型化、高效、節能、節材奠定了基礎。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電路屬硬開關電路，一方面使電路中的變換器件工作時所承受的電壓應力及電流應力大，同時變換過程中高的dv/dt、di/dt又會產生嚴重的電磁干擾，使電氣電子設備電磁兼容的問題突出；另一方面器件開通與關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電路，即所謂的零電壓開關（ZVS）與零電流開關（ZCS）電路問世。它是利用諧振進行換相的一種新型變流電路，實現了器件在零電壓下的導通和零電流下的關斷，從而大大降低了器件的開關損耗，這樣一來，TRC技術＋軟開關技術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用為代表，真正實現了高頻化，使變換頻率達到100kHz～500kHz甚至更高，為電氣電子設備更加高頻化、小型化、高效、節能、節材創造了條件。

從以上敘述可知，第三階段主要是電力半導體器件向全控型、模塊化、集成化、智能化發展，半導體變流技術向高頻化發展的時期，其結果是實現了從傳統的電力電子技術（晶閘管與移相控制）向現代電力電子技術（全控型器件與TRC＋軟開關技術）的跨越，具有劃時代的意義。僅就高頻化帶來的技術進步與節能、節材的實效，對于降低單產能耗，提高綜合經濟效益的影響都是巨大的。

時值今日，晶閘管的應用領域，絕大部分已經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有關的高壓直流輸電（HVDC），靜止式動態無功功率補償裝置（SVC），串聯可控電容補償裝置（SCC）等應用領域，晶閘管暫時還不能被取代。

3半導體變流技術與電源技術的關系

將半導體變流技術與電源技術的關系說成是兩個獨立的學科之間的關系是不科學的。實際上電源技術應該屬于電力電子技術的范疇，而且是其一小部分，這是因為：

（1）電源技術所用的半導體功率變換器件屬于電

力半導體器件；

（2）電源技術所要解決的問題仍離不開功率變

換，其理論基礎就是半導體變流技術；

（3）電源技術所涉及的交直流穩定電源、UPS等，

皆是半導體電力變流器的內容，至于AC/DC，DC/AC，AC/AC，DC/DC變換技術，也是半導體變流技術早已解決了的題目；

（4）電源技術所應用的化學電源—蓄電池，物理

電源—發電機、太陽能電池，則各自分屬一個學科、一個行業，電源技術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，屬于無線電技術的范疇，電源技術也是利用信息傳遞過程中的電磁兼容通用技術，主要是用來解決高頻化給電源本身和其它電子設備帶來的電磁干擾問題。

電源技術由于其特定的應用場合，其功率不是很大，屬于中小功率，所以基于時間比率控制＋軟開關技術的高頻變換技術，在電源技術的應用中具有廣闊的發展前景，完全取代相控變換技術只是時間早晚的問題。

4靜止式固態斷路器

電力電子器件開通、關斷的可控性，不能不使人們想到用它來作電路開關的可能性。特別是電力電子器件在關斷時不會產生電弧這一特點，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（體）開關，已經得到了廣泛應用，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，用于電力系統的高壓靜止式固態斷路器現已處于開發應用階段。這將是電力電子技術的又一個新的應用領域。