電力電子技術(shù)的作用與發(fā)展簡(jiǎn)史

電力電子技術(shù)的作用

我國(guó)載人航天飛船"神舟十號(hào)"和"天宮一號(hào)"空間站在太空中遨游，通過太陽(yáng)能電池板獲取電源，但太陽(yáng)能電池的電源要經(jīng)過變換才能被航天飛船使用;世界首次商業(yè)運(yùn)營(yíng)的上海磁懸浮列車時(shí)速高達(dá) 430 km/h，通過電力網(wǎng)獲取 20 kV的三相交流電源，但這一電源也要經(jīng)過變換才能驅(qū)動(dòng)磁懸浮列車運(yùn)行;家家戶戶使用的電都是從墻上插座獲取220 V 的單相交流電源，但現(xiàn)在家中的電源也要經(jīng)過變換才能被電視機(jī)、冰箱、洗衣機(jī)、計(jì)算機(jī)、視頻播放機(jī)等正常使用。因?yàn)楝F(xiàn)代家用電器使用的電壓很少能直接使用頻率為 50 Hz 的220 V單相交流電，需要使用經(jīng)過變換的有特殊要求的15V、12 V、5V、3.3V、1.5V等直流電源或者頻率和幅值可變的交流電源。無論航天飛船、磁懸浮列車，還是現(xiàn)代家電，都需要把能夠得到的電源變換為可以使用的電源。這種對(duì)電源進(jìn)行變換的技術(shù)就不得不借助于電力電子技術(shù)。

例如，手機(jī)電池都是可充電電池，電壓為3.7V等。不僅手機(jī)的充電器需使用電力電子技術(shù)，而且手機(jī)本身也需使用電力電子技術(shù)，否則手機(jī)就不能工作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新問世的電器對(duì)電源質(zhì)量的要求越來越高。可以說，現(xiàn)在需要用電的場(chǎng)合就需要電力電子技術(shù)，換句話說，電力電子技術(shù)無所不在。圖4-1所示是使用了電力電子技術(shù)的系統(tǒng)與設(shè)備。

當(dāng)今世界電力能源的使用約占總能源的40%。而電能中有40% 需要經(jīng)過電力電子設(shè)備的變換才能被使用。大約62%的電能用于電機(jī)和電機(jī)控制方面，10%~12%用于照明方面，8%~10%用于電化工和金屬冶煉方面。在這三類主要應(yīng)用領(lǐng)域中，電力電子技術(shù)能發(fā)揮很大的作用。利用電力電子技術(shù)對(duì)電能變換后再使用，人類最少可節(jié)省近 1/3的能源。據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，到 2012年底我國(guó)發(fā)電總裝機(jī)容量已達(dá)到11.4億千瓦，其中煤炭火力發(fā)電占78%左右。如果少建火電廠，還可以大大減少因燒煤而排放的二氧化碳和硫化物。

二氧化碳和硫化物等物質(zhì)的排放，造成了溫室效應(yīng)和酸雨、厄爾尼諾等現(xiàn)象。為了環(huán)境保護(hù)和解決能源危機(jī)，進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)綠色可再生能源已經(jīng)成為各國(guó)十分重要的能源政策。風(fēng)能、太陽(yáng)能、波能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能以及各種水力資源發(fā)電方興未艾。日本的煤炭發(fā)電已經(jīng)下降到總發(fā)電量的15% 以下，丹麥的風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)占到總發(fā)電量的30%以上。風(fēng)力發(fā)電在全世界以年均32%的速度發(fā)展。到2012年底，全世界風(fēng)電裝機(jī)容量為238 000 MW，年發(fā)電量約為1008億千瓦時(shí)。中國(guó)在新能源領(lǐng)域的進(jìn)步最大，2012年中國(guó)新增裝機(jī)容量占全球的 35%。太陽(yáng)能發(fā)電目前成本還相對(duì)較高，但到 2012年底，全世界的太陽(yáng)能電池直接發(fā)電的裝機(jī)容量也達(dá)到了67000 MW。

不管是風(fēng)能、太陽(yáng)能，還是其他可再生能源，所有產(chǎn)生的電能都必須經(jīng)過電力電子技術(shù)的變換才能被有效地使用。由此可以看出，電力電子技術(shù)不僅與節(jié)約能源密切相關(guān)，還與環(huán)境保護(hù)密切相關(guān)。為了合理高效地利用電能，現(xiàn)在發(fā)達(dá)國(guó)家 75% 的電能要經(jīng)過這種變換后使用。而我國(guó)經(jīng)過變換后使用的電能不到 45%.55% 以上的電能仍采用傳統(tǒng)的傳輸方式據(jù)美國(guó)預(yù)測(cè)，到2010年，電能中的 80%要經(jīng)過電力電子設(shè)備的變換才能使用。

2003年8月14日.由于美國(guó)俄亥俄州北部地區(qū)一條過熱的電線下垂到一棵樹上，引發(fā)了一系列激烈的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致了包括紐約市在內(nèi)的北美有史以來最大規(guī)模的停電，29 h 的故障停電造成的直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)60多億美元。如果當(dāng)時(shí)這一地區(qū)有幾條采用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的直流輸電線路，起到故障隔離墻的作用，發(fā)生事故的范圍就可大大縮小，這一大面積的停電事故就可能避免。電力電子技術(shù)用于電力系統(tǒng)交流輸電中，還能提高電力系統(tǒng)的輸電能力和輸電質(zhì)量。

利用電力電子技術(shù)既可以進(jìn)行電能變換，還可以節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，又可以提高電力系統(tǒng)的輸電能力、避免電力事故，那么，什么是電力電子技術(shù)呢?

簡(jiǎn)單地說.電力電子技術(shù)就是以電子器件為開關(guān).把能得到的電源（如220V/50 Hz交流、48V直流等）變換為所需要的電源（如 15V直流.110V/60 Hz交流等）的一門科學(xué)應(yīng)用技術(shù)。它是電子工程、電力工程和控制工程相結(jié)合的一門技術(shù)，以控制理論為基礎(chǔ)、以微電子器件或微計(jì)算機(jī)為工具、以電子開關(guān)器件為執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的有效變換。

2000年，IEEE（電氣電子工程師協(xié)會(huì)，國(guó)際）終身會(huì)士、美國(guó)電力電子學(xué)會(huì)前主席 Thomas CWilson 總結(jié)了電力申子技術(shù)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展.給出了—個(gè)事貼切的定義.電力電子技術(shù)是通過醬止的手段對(duì)電能進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)節(jié)，從而把能得到的輸入電源形式變成所希望得到的輸出電源形式的科學(xué)應(yīng)用技術(shù)（Power electronics is the technology associated with the effcient conversion,control and conditioning of electric power by static means from its available input form into the desired electrical output form)。

概括起來說，電力電子技術(shù)就是變換電源的技術(shù)。它借助于數(shù)學(xué)、軟件等各種分析工具. 通過合理選擇使用電氣電子元器件和相關(guān)拓?fù)渥儞Q電路，應(yīng)用各種控制理論和專門設(shè)計(jì)技術(shù)，高效、實(shí)用、可靠地把能得到的電源變?yōu)樗枰碾娫矗詽M足不同的負(fù)載要求.同時(shí)以追求電源變換裝置的體積小、重量輕和成本低為目標(biāo)。電力電子技術(shù)的基本工作框圖如圖4-2所示。

電力電子技術(shù)的萌芽

各種產(chǎn)品設(shè)備對(duì)電源的不同要求，催生了電力電子技術(shù);電力電子器件的不斷涌現(xiàn).又發(fā)展了電力電子技術(shù)。早在1900年，美國(guó)紐約地鐵為了從交流電網(wǎng)中獲取直流電源為地鐵列車供電，就開始采用機(jī)械整流器的方法。由于機(jī)械整流器是旋轉(zhuǎn)的，目整流用的電接觸部分是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，因而存在高損耗、大維修量等諸多問題，促使人們研究其他更好的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電源的變換，特別是以1948年發(fā)明晶體管為代表的半導(dǎo)體技術(shù)。

1831年 Michael Faradax發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)以后，最初的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)是直流的，電力的用途主要是照明和電機(jī)傳動(dòng)。當(dāng)變壓器和交流發(fā)電機(jī)分別于1883年和1885年實(shí)用化后，于 1891年在德奧地區(qū)建成了世界上第一個(gè)三相交流輸電系統(tǒng)的水電站。由于交流輸電效率當(dāng)時(shí)就達(dá)到了 80%，因此交流發(fā)電和輸電得到蓬勃發(fā)展。

由于先有直流用電后有交流發(fā)電，因此當(dāng)時(shí)的電氣設(shè)備大都是直流的。為了使發(fā)出來的交流電能供給直流電氣設(shè)備使用，需要把交流電整流成直流電。

在 1940年發(fā)明PN結(jié)之前，科學(xué)家就嘗試了很多種整流的措施。1876年發(fā)現(xiàn)了硒的整流特性;1884年發(fā)現(xiàn)了Edison效應(yīng)，即熱陰極電子發(fā)射整流效應(yīng)，但該整流效應(yīng)到1901年才由 O.W. Richardson 給出解釋;1902 年 Cooper Hewitt由汞蒸氣燈的制造開始探索汞蒸氣的單向?qū)щ娦裕l(fā)明了雙陽(yáng)極全波汞弧整流器;到了1904年，J.A.Fleming利用熱陰極電子發(fā)射整流效應(yīng)發(fā)明了熱陰極電子二極管，并應(yīng)用于收音機(jī)無線信號(hào)的接收中;1907年 Lee DeForest發(fā)明了熱陰極電子三極管;1925年E.Presser 發(fā)明了干盤式硒整流器;1926年L.0. Grondahl發(fā)明了干盤式氧化銅整流器。

Cooper Hewitt 于1902年發(fā)明汞蒸氣整流器后，汞整流器在功率整流中受到青睞，但它還是不可控的。1903年，Cooper Hewitt 認(rèn)為，通過在陽(yáng)極和陰極之間的柵極上施加電壓，來控制汞蒸氣的放電是可能的。在這種預(yù)見之下，I.Langmuir 和 D.C.Prince于1928年發(fā)明了閘流管（Thyratron）——可控三極充氣整流器;J.Slepian和L.R.Ludwig 于1933年發(fā)明了引燃管（lgnitron）——可控汞弧整流器。閘流管是具有熱陰極的氣體三極管，它通過觸發(fā)脈沖的方式減少柵極負(fù)偏壓來控制陽(yáng)極電流的導(dǎo)通;引燃管是具有尖端點(diǎn)火極的汞腔陰極器件，它通過觸發(fā)引弧極，在陽(yáng)極和汞腔里的陰極之間起動(dòng)汞弧來導(dǎo)通電流。

1928年發(fā)明了實(shí)用化的閘流管后.整流器直流輸出端的電壓可以保持穩(wěn)定 不隨交流輸入電壓的波動(dòng)而變化。因此。隨后閘流管和引燃管整流器的應(yīng)用受到很大重視。到了1935年，高壓直流（High Voltage DC，HVDC）輸電在美國(guó)紐約得以實(shí)現(xiàn)。

在 20世紀(jì)整個(gè)30年代直到40年代后期，這兩種器件大量應(yīng)用于高功率變換領(lǐng)域。為有別于通信領(lǐng)域的應(yīng)用，前者被稱為"工業(yè)電子學(xué)"。"工業(yè)電子學(xué)"這一名詞被廣泛采用，沿用至今。現(xiàn)在 IEEE的一個(gè)分會(huì)及其學(xué)術(shù)刊物名稱就叫工業(yè)電子學(xué)。電力電子技術(shù)的很多研究進(jìn)展和成果應(yīng)用都在IEEE 工業(yè)電子學(xué)的年會(huì)上和刊物上發(fā)表。

1948年硅晶體管發(fā)明之后，引發(fā)了電子學(xué)的第一次革命。以硅半導(dǎo)體材料制作的電子器件逐步主宰了整個(gè)世界。至今為止.無論是低電壓小電流的邏輯器件集成芯片，還是高壓大電流的電力電子器件芯片，絕大多數(shù)都是以硅材料制作的。

在能承受相同的反向電壓時(shí)，硅晶體管 PN 結(jié)的正向?qū)妷航当乳l流管和引燃管等要低得多，而反向漏電流比鍺材料制作的器件要小得多。也就是說使用硅半導(dǎo)體器件后，整流器的損耗會(huì)大大降低。

因此1948年硅晶體管發(fā)明以后，把硅材料用于整流器的努力一直在進(jìn)行。繼1953年研制出100 A 的鍺功率一極管后.1954年研制出了硅材料的功率一極管到了20世紀(jì) 50年代的末期，采用硅材料的功率二極管已大量應(yīng)用于大功率的交直流變換系統(tǒng)中。由于硅二極管的低損耗、高可靠性，以至于在大功率的電力牽引領(lǐng)域，直流傳動(dòng)重新盛行起來，出現(xiàn)了"直流牽引"時(shí)代。硅功率二極管在其他領(lǐng)域的應(yīng)用更是比比皆是。

電力電子器件的發(fā)展

1957年美國(guó)通用電氣公司（General Electric，GE）發(fā)明了可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR），后被國(guó)際電工學(xué)會(huì)正式命名為晶閘管（Thyristor）。晶閘管于1960年正式供應(yīng)市場(chǎng)。由干晶閘管是 PNPN結(jié)構(gòu)，具有更低的導(dǎo)通壓降，又是可控的器件，因此它的發(fā)明被稱為電子學(xué)的第二次革命。從現(xiàn)代角度來理解電力電子技術(shù)的內(nèi)涵，晶閘管可以說是第一種電力電子半導(dǎo)體器件，它開啟了電力電子技術(shù)的新紀(jì)元。

由于晶閘管在電源變換中的突出作用和眾多優(yōu)點(diǎn)，它自發(fā)明以來得到迅速發(fā)展。圖 4-4 所示是Powerex公司開發(fā)的12 kV/1.5 kA的晶閘管。到1980年，已經(jīng)開發(fā)出采用光觸發(fā)的大功率晶閘管，容量達(dá)到 4000 V/1 500 A。

晶閘管加上正向電壓后，通過觸發(fā)極可選擇任何時(shí)刻控制其開通;一旦導(dǎo)通后，觸發(fā)極便失去作用.只有當(dāng)流過晶闡管的電流為零時(shí)才能自然關(guān)斷。這不像機(jī)械開關(guān)，既可合閘控制其開通，又可拉閘控制其關(guān)斷。既能控制開通又能控制關(guān)斷的晶閘管于1961年由美國(guó)通用電氣公司研究成功，稱為門極可關(guān)斷晶閘管（Gate Turn Off Thyristor），簡(jiǎn)稱GTO。

1948年發(fā)明的硅晶體管（三個(gè)極為基極 、集電極、發(fā)射極），通過控制其基極，集射極之間可以起到類似機(jī)械開關(guān)的作用，可以控制電路中電流的通斷。當(dāng)晶體管基射極之間不加正向電流時(shí)，甚至加一定反向電壓時(shí)，晶體管不導(dǎo)通，相當(dāng)于機(jī)械開關(guān)斷開;當(dāng)晶體管基射極之間加上正向電流大于某一定值時(shí)，晶體管進(jìn)入飽和導(dǎo)通態(tài)，相當(dāng)于機(jī)械開關(guān)閉合導(dǎo)通。

1970 年，美國(guó)國(guó)際整流器公司（Intermational Rectifier.IR）開發(fā)出 500 V/20A的功率晶體管。現(xiàn)在晶體管一般稱為雙極晶體管（Bipolar Junction Transistor），簡(jiǎn)稱 BJT。1975年，300 V/400 A 的功率 BJT問世。由于功率晶體管的容量相對(duì)于信號(hào)用的晶體管，無論是器件耐壓還是電流通過能力都要大得多，因此.功率 BIT 又稱巨型晶體管（Giant Transistor，GTR）。為使功率BJT 能達(dá)到高的電流通過能力，采取了一種基射極級(jí)聯(lián)的復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu)，稱為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)（Darlington），所以功率BJT也叫達(dá)林頓晶體管。

晶體管是空穴和電子兩種載流子共同導(dǎo)電，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得導(dǎo)通電壓降比較低，但開關(guān)速度受到一定限制。1978年開發(fā)出了單載流子（要么空穴，要么電子）導(dǎo)電的功率 MOS 場(chǎng)效晶體管，容量為100 V/25 A。由于功率 MOS場(chǎng)效晶體管常采用垂直（Vertical）雙擴(kuò)散（Diffusion）溝道，通常簡(jiǎn)稱為功率 MOS管，或VDMOS。

VDMOS沒有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其開關(guān)速度要比容量相當(dāng)?shù)?BJT更快，但其導(dǎo)通壓降要比容量相當(dāng)?shù)?BIT高不少。前面提到.BIT 的基極要加一定的電流（稱驅(qū)動(dòng)電流），集射極之間才能進(jìn)入低壓降的飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

所以，BJT 被稱為電流控制型器件，簡(jiǎn)稱電流型器件。而VDMOS器件不然，VDMOS 的柵極和發(fā)射極之間是絕緣的，通常不導(dǎo)電。VDMOS的柵極通常稱為絕緣柵。只要在VDMOS的柵射極（相當(dāng)于BJT的基射極）之間加上一個(gè)電壓（稱驅(qū)動(dòng)電壓），一般在 12V 到17V之間，VDMOS就進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。VDMOS 正常導(dǎo)通期間，柵射極之間是絕緣的，沒有電流.只有電壓。所以，VDMOS稱為電壓控制型器件，簡(jiǎn)稱電壓型器件。在半導(dǎo)體器件工作狀態(tài)中，有電流就有損耗。因此從器件損耗角度，比較相同電壓和電流的 BJT和VDMOS，可以得出兩點(diǎn)簡(jiǎn)單結(jié)論∶一是 BJT的驅(qū)動(dòng)損耗比VDMOS大;二是 BJT的導(dǎo)通損耗比VDMOS小。

1981年，一種吸收了VDMOS的驅(qū)動(dòng)優(yōu)點(diǎn)和 BJT的導(dǎo)通優(yōu)點(diǎn)的新型半導(dǎo)體器件誕生了。這種混合型器件稱為絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT），現(xiàn)國(guó)內(nèi)外統(tǒng)稱為IGBT。由于其驅(qū)動(dòng)損耗小、通態(tài)壓降低、開通和關(guān)斷時(shí)不必采取額外的措施來限制電流電壓變化率.因此IGBT自投放市場(chǎng)以來，比先前的各種可關(guān)斷器件，更受到使用者的青睞。通過不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)和工藝，現(xiàn)在容量已經(jīng)達(dá)到6500 V/2 400 A。

從IGBT 器件的開發(fā)成功和市場(chǎng)前景，可以看出混合型器件的生命力和優(yōu)勢(shì)。于是，混合型器件不斷得到開發(fā)。1987年開發(fā)出了靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction Transistor，SIT）和靜電感應(yīng)晶閘管（Static Induction Thyristor，SITH），1988年開發(fā)出 MOS控制晶閘管（Mos Controlled Thyristor，MCT），1991年以后開發(fā)出不同的發(fā)射極開關(guān)的晶閘管（Emitter Switched Thysistor.EST）。

1996年開發(fā)出集成門極換向晶閘管（Integrated Gate Commutated Thvristor. IGCT），1998年開發(fā)出注入增強(qiáng)門極晶體管（Injection Enhancement Gate Transistor.IEGT），等等從混合到器件開發(fā)的歷程可以看出.半導(dǎo)體電子開關(guān)的控制模式題向于采用MOS結(jié)構(gòu)的電壓控制模式;導(dǎo)通模式有晶體管和晶閘管兩種模式。晶體管模式的通態(tài)壓降比晶閘管的高，但開通和關(guān)斷時(shí)對(duì)電流電壓的變化率的承受能力要比晶閘管優(yōu)越得多。

IGCT 器件成功地結(jié)合了晶體管和晶閘管模式——導(dǎo)通時(shí)是晶閘管模式，有較低的通態(tài)壓降;關(guān)斷時(shí)是晶體管模式.不要電壓變化率的扣抑制電路。IGCT器件的容量已經(jīng)做到 6.5kV/6kA。1990年，把ICGBT半導(dǎo)體電子開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路、過流保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路、短路保護(hù)電路等集成起來，與電子開關(guān)一起封裝在一個(gè)模塊中的"智能化"器件開發(fā)成功，稱為智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）。這是一種全新的器件理念。在這種理念引導(dǎo)下，此后各種各樣的集成電力電子模塊（Integrated Power Electronics Module，IPEM），如電力電子搭積木（PEBB）組件、靈巧（SMART）器件、專用功率集成（ASPIC）器件等得到進(jìn)一步開發(fā)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件在不斷進(jìn)步。在控制方面，從單門控制器件（Single Gate Device）向雙門控制器件（Double Gate Device）變化，如雙溝道（Trench Double）IGBT;在材料方面，從硅（Silicon）材料向碳化硅（4H-SiC）材料變化，如碳化硅功率二極管，甚至今后可能采用金剛石材料;在 PN結(jié)方面，從一維結(jié)器件（One-dimensional Junction Device）向三維超結(jié)器件（Three-dimensional Super Junction Device）變化，如酷（Cool）MOS 器件。

西門子公司開發(fā)的耐壓為600 V的Cool MOS，其通態(tài)電阻只有普通功率MOS管的五分之一.2001年戴姆勒—克萊斯勒（Daimler Chrysler Research and Technology）用1 700 V的碳化硅二極管替代 IGBT 模塊中的硅反并二極管后，所構(gòu)成逆變器的開通損耗只有原來的三分之一，關(guān)斷損耗只有原來的五分之一。到2001年，全碳化硅器件已經(jīng)開發(fā)出19kV的二極管，1.8 kV的雙極晶體管，3.1 kV/3A的 GTO，也開發(fā)出了功率 MOS管和IGBT模塊。

電力電子變換技術(shù)的發(fā)展

電力電子的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也伴隨著器件的發(fā)展而發(fā)展。

1891年建立了世界上第一座交流發(fā)電站以后，于1896年和 1897年分別發(fā)明了單相和三相橋式整流電路。

1903年發(fā)明了相控整流原理，可以通過控制開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)刻來控制直流輸出電壓的大小。

1922年發(fā)明了從交流到交流變換的周波變換器（Cyclo-converter.也譯為"循環(huán)變換器"）原理。

1924年發(fā)明了從直流到直流變換的斬波器原理。

1925年發(fā)明了逆變器換流原理。

1935年直流高壓輸電線路正式在美國(guó)紐約州的 Mechanicville 和 Shenectady 之間建成。

1942年 20 MW 的頻率變換站建成。

1959年集成電路誕生，為后來功能和性能更好的電力申子器件指明了方向。

1964年把用于通信領(lǐng)域的脈沖寬度調(diào)制（PWM）概念移植到電力電子變換器中，直流變換到交流的逆變器在理論上可以輸出交流正弦波電壓或電流。

1969 年，發(fā)明了PWM整流器.把PWM技術(shù)應(yīng)用在整流器上，通過控制脈沖.整流器的輸入電流可以為正弦波形，與電壓波形一樣。PWM變流器的發(fā)明，改變了電力電子整流裝置會(huì)使電網(wǎng)電流波形畸變的歷史。

從電力電子變換器輸入和輸出的交直流關(guān)系來說.通常有四種形式∶AC/DC（交流到直流）——整流，DC/AC（直流到交流）——逆變，DC/DC （直流到直流）——斬波，AC/AC（交流到交流）——交流調(diào)壓或周波變換。

AC/DC，交流到直流的整流技術(shù)。整流器的發(fā)展經(jīng)歷四個(gè)階段，對(duì)應(yīng)四種形式;二極管不控整流、晶閘管等器件的相控整流器、1989年發(fā)明的二極管不控整流加升壓斬波器、PWM整流器。后兩種整流器能改善交流側(cè)的電流波形質(zhì)量，理論上可以達(dá)到正弦波形。

DC/AC，直流到交流的逆變技術(shù)。根據(jù)逆變器直流側(cè)的儲(chǔ)能元件是電容器還是電抗器，分為電壓型逆變器和電流型逆變器兩種。電壓型逆變器的發(fā)展分為;方波/六階梯波逆變器、PWM逆變器、1987年發(fā)明的整流和逆變器均采用PWM控制的雙 PWM逆變器、1987年發(fā)明的多電平 PWM逆變器、諧振直流環(huán)或交流環(huán)逆變器等。

根據(jù)產(chǎn)生 PWM 的方式不同，PWM逆變器分為正弦 PWM、指定諧波消除 PWM、電流滯環(huán)控制（也稱邊帶控制）PWM、三角調(diào)制 PWM、隨機(jī)諧波頻譜PWM、空間電壓矢量 PWM等。諧振直流環(huán)逆變器有1989年Divan發(fā)明的有源電壓鉗位直流環(huán)諧振逆變器和 1990年Bose發(fā)明的電流初始化直流環(huán)讓皆振逆變器等，諧振交流環(huán)逆變器有1990年 Lipo 發(fā)明的直流環(huán)節(jié)高頻諧振交流換向逆變器和 Donker發(fā)明的輔助諧振換向極逆變器等。

電流型逆變器的發(fā)展分為∶同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流型逆變器LCI、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流型逆變器 ASCI、電流型 PWM 逆變器、1985年 Hombu 發(fā)明的整流和逆變都是電流型 PWM控制方式的雙 PWM電流型逆變器 感應(yīng)加熱用的由流型并聯(lián)諧振逆變器、1981年 Schwarz發(fā)明的串聯(lián)諧振交流環(huán)電流型整流-逆變器系統(tǒng)。

電壓型逆變器的儲(chǔ)能元件為電容器，其損耗少、單位儲(chǔ)能的體積小且重量輕、發(fā)射的電磁干擾小.但容易造成逆變器貫穿短路血燒損∶常規(guī)電流型逆變器的儲(chǔ)能元件為電抗器，其損耗多，單位儲(chǔ)能的體積大且重量重、發(fā)射的電磁干擾大，但不會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)短路而燒損逆變器。因此。在逆變器短路保護(hù)尚未完全解決之前，電流型逆變器比較受歡迎。20世紀(jì) 90年代以來，由于貫穿短路問題得到解決，電壓型逆變器已占絕大多數(shù)市場(chǎng)。

AC/AC，交流到交流的變換技術(shù)。基本的形式有∶采用反并聯(lián)閘管等組成開關(guān)的定順相控調(diào)壓器、頻率可向低頻變換的相控周波變換器、矩陣式變換器等。

DC/DC，直流到直流的斬波技術(shù)（已經(jīng)越來越傾向于稱"DC/DC變換技術(shù)"）。最基本的形式有降壓斬波器（Buck 變換器）、升壓斬波器（Boost變換器）和升降壓斬波器（Buck-Boost 變換器）三種。1982年Slobodan Cuk發(fā)明了Cuk變換器。電氣隔離可保證故障況下設(shè)備或人員的最大安全，同時(shí)可避免設(shè)備正常使用的接地短路問題。因此采用變壓器耦合進(jìn)行電氣隔離的 DC/DC變換器應(yīng)用更加廣泛。基本的隔離型 DC/DC 變換器，主要有以 Buck-Boost為基礎(chǔ)的 Fly-Back（回掃）變換器、以 Buck為基礎(chǔ)的 Forward（正向）變換器、Push-Pull（推挽）變換器、Half-Bridge （半橋）變換器和 Full-Bridge（全橋）變換器等。

傳送功率一定時(shí)，隨著工作頓率的提高，變壓器的重量和體積會(huì)隨之減小。同樣隨著工作頻率的提高，變換器中需要電抗器和電容器緩沖的能量要求降低，因此電抗器和電容器的容量可以隨之減小.從而也減小了電抗器和電容器的體積和重量。開關(guān)頻率達(dá)到20 kHz 以上時(shí)，已經(jīng)超出人的聽覺范圍。為此，去掉工頻變壓器，代之以高頻變壓器的開關(guān)電源技術(shù)自20世紀(jì) 70年代中期以來風(fēng)靡歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，出現(xiàn)了開關(guān)電源中的20 kHz革命現(xiàn)象。

為了降低單位功率的電源體積和重量，或提高單位體積的功率密度，自 20世紀(jì)70 年代以來，開關(guān)電源領(lǐng)域一直不斷地改進(jìn)技術(shù)，把開關(guān)頻率繼續(xù)推向高端。市場(chǎng)上供應(yīng)的開關(guān)電源，采用軟開關(guān)控制方式的開關(guān)頻率現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到500 kHz。開關(guān)頻率達(dá)到MHz級(jí)的開關(guān)電源也已經(jīng)開發(fā)出來。

通信、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)開關(guān)電源提出了更高的要求，也提出了挑戰(zhàn)。為了滿足電子通信設(shè)備、服務(wù)器、高速計(jì)算機(jī)芯片等的低靜態(tài)功耗和高動(dòng)態(tài)性能的要求，需要開關(guān)電源能提供低電壓、大電流，有的設(shè)備已經(jīng)需要開關(guān)電源輸出為1 V/50A。輸出電壓為1.1V、電流為100A、電流轉(zhuǎn)換率為5 A/ns 的開關(guān)電源也于2003年問世。

可以整流和逆變的 PWM變流器是一種功能強(qiáng)大的四象限變流器。所謂四象限變流器，是指從交流側(cè)看，交流電壓和電流波形的夾角可以是0°~360°，可位于直角坐標(biāo)系中的任一象限。PWM 四象限變流器不僅交流電壓和電流的波形相位差可以是0°~360°，而且交流側(cè)輸出波形的幅值、頻率和形狀可以按照控制要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。PWM 四象限變流器的性質(zhì)，為交流電機(jī)變頻調(diào)速奠定了理論基礎(chǔ)，也為改善供電質(zhì)量的電力有源濾波器的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。電力有源濾波器不僅能補(bǔ)償諧波電流，還能吸收容性和感性無功電流、平衡負(fù)荷。

1971年德國(guó)工程師 Blaschke提出了交流電機(jī)的矢量控制思想.后來其博十論文對(duì)矢量控制的原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。矢量控制從理論上解決了交流電機(jī)的變頻調(diào)速困難，它可以像他勵(lì)直流電機(jī)那樣完全解耦地對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁通分別進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)。矢量控制的算法相當(dāng)復(fù)雜，鑒于當(dāng)時(shí)微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展水平，要學(xué)現(xiàn)矢量控制的優(yōu)良特性比較困難。

1985年德國(guó)魯爾大學(xué) Depenbrock教授提出了直接力矩控制，簡(jiǎn)化了矢量控制系統(tǒng)的算法，通過力矩反饋的"乓- 乓"控制達(dá)到力矩和磁通的基本解耦控制。交流電機(jī)調(diào)速理論解決以后.根據(jù)調(diào)速理論對(duì) PWM 四象限變流器的輸出 PWM波進(jìn)行有效控制.電力電子變流器裝置就獲得了交流電機(jī)調(diào)速的理想變頻變壓電源。

1976年和1978年美國(guó)西屋電氣公司的Gyugvi基于電力電子變換技術(shù)分別提出電力有源濾波器（APF）和無功發(fā)生器（SVG）的概念。此后，電力電子技術(shù)開始應(yīng)用于電力網(wǎng)的諧波濾除和無功補(bǔ)償。在此基礎(chǔ)上，1986年美國(guó)電力科學(xué)研究院的 Hingorani提出了靈活交流輸電（FACTS）的概念。靈活交流輸電是指利用電力電子技術(shù)對(duì)輸電線路的電源進(jìn)行變換，達(dá)到對(duì)輸電線路阻抗等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)潮流的更好控制，并保證輸電線路的輸送負(fù)荷安全運(yùn)行在更加接近于設(shè)計(jì)容量極限。

1988年 Hingorani 又進(jìn)一步提出定制電力（Custom Power）的概念。如果把靈活交流輸電定位于輸變電系統(tǒng)中，則定制電力主要是指在配電系統(tǒng)中，通過電力電子變換技術(shù)以獲得更好的用電可靠性和用電質(zhì)量。定制電力的概念表明，今后供電部門可以根據(jù)用戶的電源要求來提供更好質(zhì)量和可靠性的增值了的電力。圖 4-10 所示是在挪威安裝的 ± 160 Mvar、420 kV的無功發(fā)生器。

進(jìn)行電源變換的電力電子技術(shù)，其基礎(chǔ)是電力電子開關(guān)。電力電子技術(shù)，無論應(yīng)用于—般電子電器電源領(lǐng)域、還是應(yīng)用于電機(jī)傳動(dòng)領(lǐng)域和電力系統(tǒng)領(lǐng)域，電力電子開關(guān)的工作頻率越高，經(jīng)過變換得到的電源就越接近于理想電源。因此，從電力電子技術(shù)的電源變換角度來說，希望開關(guān)頻率越高越好。電力電子技術(shù)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是開關(guān)器件頻率的高頻化。

電力電子軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展

電子開關(guān)在開通和關(guān)斷時(shí)，電流和電壓的變化不是瞬間完成的，而是需要一定的時(shí)間才能完成。那么，在開通和關(guān)斷過程中，就會(huì)出現(xiàn)電壓波形和電流波形變化的交登現(xiàn)象。開關(guān)過程中電壓電流波形的交疊會(huì)產(chǎn)生損耗，稱為開關(guān)過程損耗。開關(guān)過程損耗比開關(guān)正常導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)的損耗要大得多。

因此，從開關(guān)損耗的角度和電力電子裝置效率的角度，希望開關(guān)頻率越低越好。為了獲得高質(zhì)量的電源，希望電源變換的開關(guān)頻率越高越好。這兩者互相矛盾。要解決好這個(gè)矛盾，只有想辦法把開關(guān)的損耗降下來。降低開關(guān)損耗，一是從開關(guān)器件本身想辦法.增加開關(guān)速度，減少開關(guān)過程的電流電壓交疊成分;一是從變換技術(shù)上想辦法，減小開關(guān)過程的電流電壓交疊成分。通過開關(guān)變換技術(shù)的辦法.減小開關(guān)過程中電流和電壓波形的交疊成分，從而減小開關(guān)過程損耗的辦法，稱為軟開關(guān)技術(shù)。

電力電子軟開關(guān)技術(shù)，受逆阻型晶閘管關(guān)斷過程的換流思路啟發(fā)。在晶閘管組成的電力電子裝置中，要么通過負(fù)載電路諧振的辦法讓晶閘管電流過零關(guān)斷;要么在裝置電路中增加一個(gè)輔助電路，并在必要時(shí)啟動(dòng)輔助電路工作，使得晶閘管電流過零而關(guān)斷。如果通過諧振等辦法，使得一個(gè)開關(guān)器件開通以后才開始流通電流，或電流過零以后才開始關(guān)斷器件，稱為零電流軟開關(guān)（ZCS）;一個(gè)開關(guān)器件兩端的電壓過零以后才開通器件，或器件兩端的電壓過零以后才開始關(guān)斷器件，稱為零電壓軟開關(guān)（ZVS）。

國(guó)際上 20世紀(jì)七八十年代主要研究方向是零電壓或零電流的諧振、準(zhǔn)諧振軟開關(guān)技術(shù)。其缺點(diǎn)是開關(guān)電流（電壓）應(yīng)力高。并且變頻控制復(fù)雜。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，各種軟開關(guān)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用.如零電壓/零電流開關(guān) PWM.零由壓/零由流轉(zhuǎn)移PWM、移相全橋和有源鉗位零電壓 PWM變換等都有很大發(fā)展。針對(duì)中等功率移相全橋零電壓 PWM技術(shù)的固有缺點(diǎn)以及應(yīng)用IGBT后的特點(diǎn)，人們又做了許多改進(jìn)研究，提出了混合ZCSZVS的 PWM移相全橋軟開關(guān)技術(shù)。此后又提出大功率和多電平的軟開關(guān)變換器新拓?fù)洌拐鞴芎洼o助開關(guān)也實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，提高了電路效率，拓展了應(yīng)用范圍。這方面改進(jìn)和研究至今方興未艾。

數(shù)字化社會(huì)的各種通信和數(shù)據(jù)等電子設(shè)備對(duì)電源質(zhì)量的要求越來越高，不斷涌現(xiàn)的各種新型設(shè)備對(duì)電源的要求也越來越特殊，世界能源的緊缺對(duì)節(jié)約電能的要求也越來越高。總之，電源的高質(zhì)量變換、電能的節(jié)約，都越來越離不開電力電子技術(shù)。除了前面提到的一般高質(zhì)量電源、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)離不開電力電子技術(shù)外，奔騰Ⅱ以上的高速計(jì)算機(jī)中央處理芯片的正常工作離不開電力電子技術(shù);現(xiàn)代無線數(shù)字通信離不開電力電子技術(shù);網(wǎng)絡(luò)世界的正常運(yùn)行離不開電力電子技術(shù);綠色環(huán)保和可再生新能源離不開由力由子技術(shù)·由動(dòng)汽車和磁懸浮列車等交通工具離不開電力電子技術(shù)，等等。

總之，電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，它的應(yīng)用已深入到使用電源的各個(gè)領(lǐng)域。電力由千技術(shù)領(lǐng)域涵蓋廣泛.是自動(dòng)化.信息化。國(guó)防，航天，運(yùn)輸，能源與環(huán)保等工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)。根據(jù)美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)顧問委員會(huì)的資料，電力電子技術(shù)已經(jīng)成為與國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)的七大關(guān)鍵科技的重要支撐∶能源、環(huán)保、信息與通信、生命科學(xué)、制造業(yè)、材料、交通運(yùn)輸。因此可以說，在電的世界里，21世紀(jì)是電力電子技術(shù)的世紀(jì)。