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電力電子技術是以電力電子器件為基礎對電能進行控制、轉換和傳輸的一門技術，是現代電子學的一個重要分支，包括電力電子器件、變流電路和控制電路三大部分，其中以電力電子器件的制造、應用技術為最基本的技術。因此，了解電力電子器件的基本工作原理、結構和電氣參數，正確安全使用電力電子器件是完成一部電力電子裝置最關鍵的一步。電力電子器件種類繁多，各種器件具有自身的特點并對驅動、保護和緩沖電路有一定的要求。一個完善的驅動、保護和緩沖電路是器件安全、成功使用的關鍵，也是本講座重點講述的部分。電力電子變換電路常用的半導體電力器件有快速功率二極管、大功率雙極型晶體管(GTR)、晶閘管(Thyristor或SCR)、可關斷晶閘管(GTO)、功率場效應晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)以及功率集成電路PIC等。在這些器件中，二極管屬于不控型器件，晶閘管屬于半控型器件，其他均屬于全控型器件。SCR、GTO及GTR屬電流驅動型器件，功率MOSFET、IGBT及PIC為電壓驅動型器件。在直接用于處理電能的主電路中，實現電能變換和控制的電子器件稱為電力電子器件。電力電子器件之所以和“電力”二字相連，是因為它主要應用于電氣工程和電力系統，其作用是根據負載的特殊要求，對市電、強電進行各種形式的變換，使電氣設備得到最佳的電能供給，從而使電氣設備和電力系統實現高效、安全、經濟的運行。目前的電力電子器件主要指的是電力半導體器件，與普通半導體器件一樣，電力半導體器件所采用的主要材料仍然是硅。

1電力電子器件的一般特征

(1)處理電功率的能力大

(2)工作在開關狀態

(3)需要由信息電子電路來控制

(4)需要安裝散熱器

2電力電子器件的分類

2.1按器件被控程度分類

按照器件控制信號的控制程度，電力電子器件可分為以下三類：

(1)不可控器件。這類器件一般為兩端器件，一端是陽極，另一端是陰極。與電子電路中的二極管一樣，具有單向導電性。其開關操作僅取決于其在主電路中施加在陽、陰極間的電壓和流過它的電流，正向電壓使其導通，負向電壓使其關斷，流過它的電流是單方向的。不可控器件不能用控制信號來控制電流的通斷，因此不需要驅動電路。這類器件就是功率二極管(PowerDiode)。

(2)半控型器件。這類器件是三端器件，除陽極和陰極外，還增加了一個控制門極。半控型器件也具有單向導電性，但開通不僅需在其陽、陰極間施加正向電壓，而且還必須在門極和陰極間施加正向控制電壓。門極和陰極間的控制電壓僅控制其開通而不能控制其關斷，器件的關斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。這類半控型器件是指晶閘管(Thyris-tor)及其大部分派生器件。

(3)全控型器件。這類器件也是帶有控制端的三端器件，其控制端不僅可以控制其開通，還能控制其關斷。這類器件很多，包括門極關斷晶閘管(GTO)、功率晶體管(GTR)、功率場效應晶體管(功率MOS-FET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。目前常用的是功率MOSFET和IGBT。

2.2按控制信號的性質分類

按照控制信號的性質，電力電子器件可分為以下兩類：

(1)電流驅動型器件。驅動信號加在器件控制端和公共端之間，通過從控制端注入或抽出電流來實現器件的導通或者關斷的控制，這類電力電子器件稱為電流驅動型器件或稱為電流控制型器件。

(2)電壓驅動型器件。通過施加在控制端和公共端之間的電壓信號來實現器件的導通或者關斷的控制，這類電力電子器件稱為電壓驅動型器件或稱為電壓控制型器件。

2.3按參與導電的情況分類按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況，電力電子器件可分為三類：

(1)由一種載流子參與導電的器件稱為單極型器件；

(2)由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件稱為雙極型器件；

(3)由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件稱為復合型器件。典型電力電子器件的分類和用途見表1。

3電力電子器件的發展歷程

電力電子器件的發展，可分為以下四個階段：

第一階段是以整流管、晶閘管為代表的發展階段。這一階段的電力電子器件在低頻、大功率變流領域中的應用占有優勢，取代了早先的汞弧整流器。1947年美國著名的貝爾實驗室發明了晶體管，功率二極管開始應用于電力領域，1956年貝爾實驗室又發明了晶閘管，1957年美國通用電氣公司開發出世界上第一只晶閘管器件，開創了傳統的電力電子器件應用技術階段，實現了弱電對強電的控制，在工業界引起了一場技術革命。晶閘管的迅速發展使得中大功率的各種變流裝置和電動機傳動系統得到了快速發展。但關斷這些器件的控制電路存在體積大、效率低、可靠性差、工作頻率低以及電網側和負載上諧波嚴重等缺點。

第二階段是20世紀70年代后期以GTO、GTR和功率MOSFET等全控型器件為代表的發展階段。這一階段的電力電子器件開關速度高于晶閘管，它們的應用使變流器的高頻化得以實現。

第三階段是20世紀80年代后期以IGBT復合型器件為代表的發展階段。IGBT是功率MOSFET和GTR的復合。功率MOSFET的特點是驅動功率小、開關速度快；GTR的特點是通態壓降小、載流能力大。IGBT的優越性能使之成為電力電子器件應用技術的主導器件。

第四階段是以PIC、HVIC等功率集成電路為代表的發展階段。高速、全控型、大電流、集成化和多功能的電力電子器件先后問世，開創了現代電力電子集成器件的新階段。這一階段，所使用的電力電子器件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PIC，它實現了器件與電路、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。國內外電力電子器件的最新研制水平見表2。

4電力電子器件的應用與展望

電力電子器件的應用是電力電子技術的一部分。電力電子器件的應用技術稱為變流技術，它包括用電力電子器件構成各種電力電子電路和對這些電路進行控制的技術，以及由這些電路構成電力電子裝置和電力電子系統的技術。

4.1變流技術的分類

(1)AC/DC變換。把交流電壓變換成固定或可調的直流電壓稱為整流。這類變換裝置通常稱為整流器。

(2)DC/AC變換。把直流電變換成頻率固定或可調的交流電稱為逆變。這類變換裝置通常稱為逆變器。按電源性質可分為電壓型逆變和電流型逆變，按控制方式可分為方波逆變、PWM型逆變和諧振型(軟開關)逆變，按換相性質可分為靠電網換相的有源逆變和自關斷的無源逆變。

(3)AC/AC變換。把一種形式的交流電變換成頻率、電壓可調或固定的另一種形式的交流電，只對電壓、電流或對電路的通斷進行控制而不改變頻率的稱為電力控制，改變頻率的稱為變頻控制。

(4)DC/DC變換。把固定的直流電壓(或電流)變換成可調或恒定的另一種直流電壓(或電流)，稱為斬波。DC/DC變換廣泛應用于計算機電源、各類儀器儀表、直流電動機調速及金屬焊接等。諧振型軟開關技術是DC/DC變換的發展方向，該技術可減小變換器體積、質量，提高可靠性，并有效解決開關損耗問題。

4.2電力電子器件的應用

近年來，由于電力電子變流技術的迅猛發展，已經成為其他工業技術發展的重要基礎。電力電子器件不僅應用于電力系統，也廣泛應用于工業、交通運輸、通信系統、計算機系統、新能源系統；還應用于照明、空調等家用電器中，可概括為以下幾個領域：

(1)電力系統。為了控制和改善供電質量，發電廠發出的交流電必須經過電力電子裝置的處理后送到用戶端，沒有電力電子器件的應用，就沒有電力系統的現代化。從技術層面來講，電力市場的引入將產生對電力品質的改善裝置，如不間斷電源(UPS)、靜止無功補償裝置(SVC)、靜止無功發生器(SVG)、動態電壓恢復器(DVR)、電力有源濾波器(APF)、限流器、電力儲能裝置、微型燃氣發電機(MicroCasTurbo)等新需求；再生能源、環保發電技術等分散發電將需要交直流變流裝置。

(2)新能源利用與環境保護。電力電子器件裝置還用于太陽能發電、風力發電裝置與電力系統的聯網，以及太陽能發電與風力發電電能的改善。現代社會對環境造成了嚴重的污染，溫室氣體的排放引起了國際社會的關注。我國改革開放以來能源消費量急劇上升，二氧化碳排放量也有較大增加。我國十分重視再生能源的開發，2006年我國實施了《再生能源法》。光伏、風力、燃料電池等新能源發電技術推動電力電子技術的應用，并形成電力電子技術的巨大市場。(3)混合動力汽車。由于電力電子器件應用技術的迅速發展，交流電動機的調速性能可以和直流電動機相媲美。在工業電動機的控制中，交流調速、直流調速以及節能和軟起動都是通過電力電子器件實現的，其驅動結構如圖1所示。

(4)交通運輸。鐵道電氣化、電力機車控制、磁懸浮列車的使用都離不開電力電子器件，高級汽車中許多電機的控制是靠變頻或斬波實現的。電動汽車的電動機控制和蓄電池充電也是靠電力電子裝置實現，飛機、船舶、電梯等都離不開電力電子裝置。

(5)電源。不間斷電源、電解電源、電鍍電源、開關電源、微機及儀器儀表電源、航空電源、通信電源、交流電子穩壓電源、脈沖功率電源、動力牽引及傳動控制用電源都是靠變流技術實現的。

(6)家用電器。用于家庭照明的LED節能燈，體積小、發光效率高、節省能量多，這是通過電力電子器件把交流電轉換成電力電子照明電源來實現的。此外，變頻空調、電視機、音響、洗衣機、電冰箱、微波爐、計算機等都離不開電力電子器件的應用。

總之，電力電子技術已經滲透到現代社會的各個方面，其應用涉及航天、國防、工農業生產、交通、文教衛生、辦公自動化及家用電器等各個領域。電力電子器件的應用與國民經濟和日常生活、工作息息相關。未來90%的電能均需通過電力電子處理后再加以利用，以便提高能源利用效率、提高工業生產效率、實現再生能源的最大利用。電力電子技術將在21世紀為建設一個節能、環保、和諧的社會發揮重要作用。