第1章 緒論

1.1 概述

電力電子技術(shù)就是應(yīng)用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電能有交流電和直流電之分。電力變換是指電能的四大基本變換：交流/直流（AC/DC）、直流/交流（DC/AC）、直流/直流（DC/DC）和交流/交流（AC/AC）的變換，如表1-1所示。電能變換包含在兩種電能之間，或?qū)ν环N電能的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)（如電壓、電流、頻率、波形和相位等）進(jìn)行變換。而控制則包括三個(gè)方面的內(nèi)容：①對(duì)電力變換，亦即對(duì)電能形態(tài)變換的控制；②對(duì)電能傳送流動(dòng)方向的控制；③對(duì)電能質(zhì)量指標(biāo)的控制，包括電量的大小、頻率、波形和相位等。

表1-1電力變換和種類

電力電子技術(shù)這門新興學(xué)科的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的。早期的電力變換是以晶閘管為核心組成的變流電路，沿用電力電子技術(shù)史前期的水銀整流器所用的相控整流電路及周波變換電路，實(shí)現(xiàn)AC/DC整流變換和AC/AC交交頻率變換。隨后，就開創(chuàng)了“晶閘管及其應(yīng)用”的傳統(tǒng)電力電子技術(shù)時(shí)代，實(shí)現(xiàn)了兩種電能之間或同一電能電氣參數(shù)的變換，達(dá)到了電能“粗加工”需求（此時(shí)期對(duì)電能質(zhì)量指標(biāo)的要求還不是很嚴(yán)格）。然而晶閘管這類半控型器件，一則只能通過控制信號(hào)控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷，控制起來不盡如人意；二則開關(guān)速度難以提高，一般情況下低于400Hz，大大限制了其應(yīng)用范圍；三則由于相控運(yùn)行方式使電網(wǎng)和負(fù)載都產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波，使電路功率因數(shù)下降，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生“電力公害”。

電力電子學(xué)（Power Electronics）這一名稱是在20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的。1974年，美國的W. Newell用圖1-1所示的倒三角形對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，認(rèn)為電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。這一觀點(diǎn)被全世界普遍接受。“電力電子學(xué)”和“電力電子技術(shù)”是分別從學(xué)術(shù)和工程技術(shù)兩個(gè)不同的角度來稱呼的，其實(shí)際內(nèi)容并沒有很大的不同。

圖1-1 描述電力電子學(xué)的倒三角形

電力電子技術(shù)和電子學(xué)的關(guān)系是顯而易見的。如圖1-1所示，電子學(xué)可分為電子器件和電子電路兩大分支，這分別與電力電子器件和電力電子電路相對(duì)應(yīng)。電力電子器件的制造技術(shù)和電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相同的。特別是現(xiàn)代電力電子器件的制造大都使用集成電路制造工藝，采用微電子制造技術(shù)，許多設(shè)備都和微電子器件制造設(shè)備通用，這說明兩者同根同源。電力電子電路和電子電路的許多分析方法也是一致的，只是兩者應(yīng)用目的不同，前者用于電力變換和控制，后者用于信息處理。廣義而言，電子電路中的功率放大和功率輸出部分也可算做電力電子電路。此外，電力電子電路廣泛用于包括電視機(jī)、計(jì)算機(jī)在內(nèi)的各種電子裝置中，其電源部分都是電力電子電路。在信息電子技術(shù)中，半導(dǎo)體器件既可處于放大狀態(tài)，也可處于開關(guān)狀態(tài)；而在電力電子技術(shù)中，為避免功率損耗過大，電力電子器件總是工作在開關(guān)狀態(tài)，這是電力電子技術(shù)的一個(gè)重要特征。

電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這就是電力電子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。“電力學(xué)”這個(gè)術(shù)語在我國已不太應(yīng)用，這里可用“電工科學(xué)”或“電氣工程”取代之。各種電力電子裝置廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流電源等電力系統(tǒng)和電氣工程中，因此，通常把電力電子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中的一個(gè)最為活躍的分支。電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步給電氣工程的現(xiàn)代化以巨大的推動(dòng)力，是保持電氣工程活力的重要源泉。

控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的各種需求。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。而控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。另外，控制理論和自動(dòng)化技術(shù)密不可分，而電力電子裝置則是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。

20世紀(jì)70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。到20世紀(jì)80年代后期，以絕緣柵雙極晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件相繼出現(xiàn)：IGBT是MOSFET和GTR的復(fù)合；MOS控制晶閘管（MCT）是MOSFET和SCR的復(fù)合；門極換流晶閘管（IGCT）是MOSFET和GTO的復(fù)合，這些都是綜合了兩管的優(yōu)點(diǎn)而研制出來的新型器件。全控型器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，特別是20世紀(jì)80年代以后出現(xiàn)的場(chǎng)控自關(guān)斷器件（IGBT、P-MOSFET、IGCT等）集高頻、高電壓和大電流于一身的優(yōu)良性能，使電力電子技術(shù)從低頻（傳統(tǒng)）電力電子技術(shù)進(jìn)入高頻（現(xiàn)代）電力電子技術(shù)的發(fā)展時(shí)期。

現(xiàn)代電力電子技術(shù)與傳統(tǒng)電力電子技術(shù)相比，最令人鼓舞的是，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，可以克服甚至消除由傳統(tǒng)電力電子技術(shù)帶來的負(fù)面影響，服務(wù)于人類，造福于人類，給人類創(chuàng)造日益增長(zhǎng)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。