第1章 緒論

1.1 概述

電力電子技術就是應用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。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電能的一個或多個參數(shù)（如電壓、電流、頻率、波形和相位等）進行變換。而控制則包括三個方面的內(nèi)容：①對電力變換，亦即對電能形態(tài)變換的控制；②對電能傳送流動方向的控制；③對電能質(zhì)量指標的控制，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

電力電子技術這門新興學科的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為標志的。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“晶閘管及其應用”的傳統(tǒng)電力電子技術時代，實現(xiàn)了兩種電能之間或同一電能電氣參數(shù)的變換，達到了電能“粗加工”需求（此時期對電能質(zhì)量指標的要求還不是很嚴格）。然而晶閘管這類半控型器件，一則只能通過控制信號控制其導通而不能控制其關斷，控制起來不盡如人意；二則開關速度難以提高，一般情況下低于400Hz，大大限制了其應用范圍；三則由于相控運行方式使電網(wǎng)和負載都產(chǎn)生嚴重的諧波，使電路功率因數(shù)下降，對電網(wǎng)產(chǎn)生“電力公害”。

電力電子學（Power Electronics）這一名稱是在20世紀60年代出現(xiàn)的。1974年，美國的W. Newell用圖1-1所示的倒三角形對電力電子學進行了描述，認為電力電子學是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受。“電力電子學”和“電力電子技術”是分別從學術和工程技術兩個不同的角度來稱呼的，其實際內(nèi)容并沒有很大的不同。

圖1-1 描述電力電子學的倒三角形

電力電子技術和電子學的關系是顯而易見的。如圖1-1所示，電子學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應。電力電子器件的制造技術和電子器件制造技術的理論基礎是一樣的，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，許多設備都和微電子器件制造設備通用，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、計算機在內(nèi)的各種電子裝置中，其電源部分都是電力電子電路。在信息電子技術中，半導體器件既可處于放大狀態(tài)，也可處于開關狀態(tài)；而在電力電子技術中，為避免功率損耗過大，電力電子器件總是工作在開關狀態(tài)，這是電力電子技術的一個重要特征。

電力電子技術廣泛用于電氣工程中，這就是電力電子學和電力學的主要關系。“電力學”這個術語在我國已不太應用，這里可用“電工科學”或“電氣工程”取代之。各種電力電子裝置廣泛應用于高壓直流輸電、靜止無功補償、電力機車牽引、交直流電力傳動、電解、勵磁、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歸屬于電氣工程學科。電力電子技術是電氣工程學科中的一個最為活躍的分支。電力電子技術的不斷進步給電氣工程的現(xiàn)代化以巨大的推動力，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的各種需求。電力電子技術可以看成是弱電控制強電的技術，是弱電和強電之間的接口。而控制理論則是實現(xiàn)這種接口的一條強有力的紐帶。另外，控制理論和自動化技術密不可分，而電力電子裝置則是自動化技術的基礎元件和重要支撐技術。

20世紀70年代后期，以門極可關斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）和電力場效應晶體管（P-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。到20世紀80年代后期，以絕緣柵雙極晶體管（IGBT）為代表的復合型器件相繼出現(xiàn)：IGBT是MOSFET和GTR的復合；MOS控制晶閘管（MCT）是MOSFET和SCR的復合；門極換流晶閘管（IGCT）是MOSFET和GTO的復合，這些都是綜合了兩管的優(yōu)點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80年代以后出現(xiàn)的場控自關斷器件（IGBT、P-MOSFET、IGCT等）集高頻、高電壓和大電流于一身的優(yōu)良性能，使電力電子技術從低頻（傳統(tǒng)）電力電子技術進入高頻（現(xiàn)代）電力電子技術的發(fā)展時期。

現(xiàn)代電力電子技術與傳統(tǒng)電力電子技術相比，最令人鼓舞的是，現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展和推廣應用，可以克服甚至消除由傳統(tǒng)電力電子技術帶來的負面影響，服務于人類，造福于人類，給人類創(chuàng)造日益增長的社會效益和經(jīng)濟效益。