1.3 現代電力電子技術

從20世紀70年代后期，特別是80年代以后，各種高速、全控型器件先后問世，并獲得高速發展，如可關斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、功率場效應晶體管（P-MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、靜電感應晶體管（SIT）、靜電感應晶閘管（SITH）、MOS控制晶閘管（MCT）和門極換流晶閘管（IGCT）等。變流裝置中的晶閘管被這些新型全控型器件取代，結構先進緊湊的變流電路及其控制系統隨之出現。新型的變流裝置具有功率增益高，控制靈活，動態特性好，效率高等優點。

隨著集成工藝的提高，20世紀80年代中期開發出功率集成電路（Power Integrated Cir-cuit，PIC）和智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM），這是微電子技術與電力電子技術在各自發展的基礎上相結合而成的新一代高頻化、全控型的功率集成電路，從而使電力電子技術由傳統的電力電子技術跨入現代電力電子技術的新時代。

現代電力電子技術的主要特點有：

（1）集成化。與傳統電力電子器件基于分立方式不同，幾乎所有的全控型器件都是由許多單元胞器件并聯而成的。例如，一個40A的P-MOSFET由上萬個單元并聯而成，而一個300A的SITH含有約5萬個單元。

（2）高頻化。隨著器件集成化的實現，工作速度有了很大的提高。例如，高電壓大電流的GTO，其工作頻率為1～2kHz，GTR可達2～5kHz，IGBT的工作頻率可達20kHz，P-MOS-FET可達數百kHz，而SIT則可達10MHz以上。

（3）全控化。由半控型的晶閘管到全控型的電力電子器件，是電力電子器件在功能上的重大突破。無論是雙極型器件的GTO、GTR、SITH或單極型器件P-MOSFET、SIT，還是混合型器件IGBT、MCT等都實現了全控化，從而避免了采用晶閘管關斷時所需要的強迫換流電路。

（4）PWM控制方式。和晶閘管采用移相控制相對應，采用全控型器件組成的電路主要控制方式為PWM控制方式。現在PWM技術已成為電力變換的核心技術，在逆變、斬波、變頻、整流及交流電力控制中均可應用。

（5）控制技術數字化與智能化。目前電力電子器件正向著大容量、高頻、易驅動和智能化方向發展。功率集成電路PIC和智能模塊IPM，集電力電子器件、驅動電路、傳感器和診斷、保護、控制電路于一身。智能化的功率集成電路的應用預示著電力電子技術與計算機控制技術已密不可分，自然結合在一起，走向一體化的時機已逐步成熟。

（6）高效率與軟開關技術。高頻全控型器件的應用帶來開關頻率大幅度提高，取得了裝置小型化與輕量化的直接效果。然而開關頻率的提高又帶來了開關損耗和開關噪聲的增加，電路效率嚴重下降，電磁干擾增大。針對這些問題，發明了軟開關技術，主要解決電路中的開關損耗和開關噪聲問題，使開關頻率可以大幅度提高，變換器的運行效率也得到提高。

基于上述六大特點，現代電力電子技術應用領域將會有更大的延伸和擴展。現在經過變換處理后再供用戶使用的電能占全國總發電量的百分比值的高低，已成為衡量一個國家技術進步的主要標志之一。據有關資料所述，1995年發達國家中有75%左右的電能是經過電力電子技術變換或控制后再使用的。據預測，2000年以后，將有95%的電能須經變換處理后再使用。而美國預計到21世紀二三十年代，由發電站生產的全部電能都將經過變換處理后再供負載使用。

如此說來，未來的電能都要經過電力電子技術加工處理，將“粗電”變成“精電”后才能使用了。為什么呢？理由有三：

1. 節能的需要

帶風機、水泵等負載的三相交流異步電動機，每年耗電量為發電總量的1/3以上。如果直接由電網供電，而用擋板、閥門調節風量、水量至50%額定值，則電能的利用效率將低于50%；如果采用電力電子技術變壓變頻供電，通過調節電動機的轉速來改變風量、流量，則電能的利用效率可維持在90%左右，這將節省大量的能源。

還有耗電量占發電量的10%～15%的電氣照明，采用高頻電力變換器（又稱電子鎮流器）對熒光燈供電，在同樣的光通量下，其耗電量可減小到白熾燈的1/6。

2. 節材的需要

高頻變換裝置的功率密度隨頻率的提高而提高。高頻逆變裝置將工頻50Hz交流電升頻至20kHz后再給負載供電，可使電能變換設備成10～20倍地縮小體積和重量，使鋼、銅原材料的消耗量大大減小。

3. 使用電設備獲得更大的經濟效益的需要

在電力系統中，公用電網提供的電源是頻率固定的單相或三相交流電源。而用電設備的類型、功能千差萬別，對電能的電壓、頻率要求各不相同。比如說，許多高新技術設備要由恒壓恒頻的正弦波交流不間斷電源UPS供電，而通信設備大都需要48V低壓直流電源，現在廣泛應用的交流電動機變頻調速則由三相交流變壓變頻電源供電。為了滿足一定的生產工藝和流程的需求，確保產品質量，提高勞動效率，降低能耗，提高經濟效益，供電電源的電壓、頻率，甚至波形、相位都必須嚴格滿足各種用電設備的不同要求。因此，由公用電源或其他電源提供的“粗電”，必須經過適當的加工處理變成“精電”后再供負載使用，使用電設備處于理想的最佳工況，才能使用電設備獲得更大的經濟效益。