电力电子技术基本研究

【摘要】在上世纪各项科学技术及社会需求的带动下，电力电子技术出现并得到了很大的发展。它主要是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。本文基于作者自身的工作经验及相关知识了解，对电力电子技术进行了部分基本分析，并就其在各领域当中的应用提出了部分探讨性意见。

【关键词】电力电子；器件；应用

一、引言

在上世纪各项科学技术及社会需求的带动下，电力电子技术出现并得到了很大的发展，逐渐它在电控装置、电气自动化系统当中的应用越来越广。如今，各式各样的自关断器件大量的出现，使性能得到了很大程度的提高，同时容量方面也有很大的扩展。以PWM控制为代表的、采用数字控制的电力电子装置性能日趋完替。目前，电力电子技术已经被应用于各个领域当中，从电力到工业再到交通，无不有其身影，且目前开始迅速想家电、通信以及节能方面开始发展。

二、其他学科与电力电子技术之间的关系分析

（一）电子学与电力电子技术之间的关系

与传统的电子器件制造工艺相比，电力电子器件的制造工艺、技术与其没有太多的差别，两者基本相同。如今的电力电子器件生产、制造一般都为集成电路，应用了微电子制造相关方面的技术，许多设备都和微电子器件制造设备通用，说明二者同根同源。

（二）电气工程与电力电子技术之间的关系

电力电子技术广泛用于电气工程中的高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流电源等领域。通常把电力电子技术归属为电气工程学科，并且电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支，其不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力。

（三）控制理论与电力电子技术之间的关系

控制理论广泛用于电力电子系统中，使电力电子装置和系统的性能满足各种需求。电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带。控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。

三、电力电子技术主要器件分析

电力电子器件既是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的强大动力。电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。至今电力电子器件发展可分为三个阶段，电力电子技术的发展也相应地分成三大步。

（一）不可控器件

1955年美国通用电气公司研发了第一个电力电子器件一一硅整流管（SR）。它的问世使变流技术从机械整流、汞弧整流进入电力半导体整流。1957年出现了硅晶闸管（SCR），接着晶闸管的派生器件：逆导晶闸管（KN）、双向晶闸管（KS）、快速晶闸管（KK）、门极辅助关断晶闸管（GATT）、非对称晶闸管（ASCR）等相继问世，从而使电力电子技术不仅具有整流功能（交流→直流），而且具有逆变（直流→交流）、斩波（直流→直流）、变频（交流→交流）等功能。在这一发展阶段的电力电子器件，基本上都是分立器件或几个分立器件的组合，它们能被控制导通，而不能被直接控制关断，要靠“电流过零”或强迫换流才能关断，这就形成了以晶闸管及其派生器件为代表的第一代电力电子器件。

（二）半可控器件

半可控器件的代表是晶闸管，它在1956年由贝尔实验室发明，并在1958年由GE公司组织生产，称为硅可控整流器（Silicon-ControlledRectifie或SCR），中文简称晶闸管。晶闸管是一个四层三端结构，三个端子分别为发射极、集电极和门极，它的导通条件除集电极与发射极问加正向电压外，还需在门极加正向脉冲，否则不能由断态转变为通态。另外，晶闸管开通后没有切断电流的能力，要靠电流自行过零，才能恢复阻断状态。因而，这是半可控器件，即只能控制开通而不能控制阻断。

80年代发展起来的半可控电力电子器件，主要有巨型晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极晶体管（（IGBT）、单极场控晶体管（电力MOSFET）、静电感应晶体管（SIT）、静电感应晶闸管（SITH）和MOS控制晶闸管（MCT）等，形成了第二代电力电子器件。在结构上，它们具有功率集成器件的特点，在功能上，它们具有通过电流信号（或电场）控制器件导通或关断的特点。

（三）全可控器件

全控型器件主要是功率晶体管GTR，功率场效应管Power-MOSFET，门极可关断晶闸管。GTR是一种NPN开关器件，可用基极电流开关集电极主电流，即具有自关断能力，它还具有开关时间短、通态电压低、开关损耗小、高频性能好、驱动简单、成本低廉等优点。因此它正在中小功率交流调速、逆变及斩波等方面取代着晶闸管的地位。GT可工作在10kHz，广泛应用于500kW以下的感应电机变频调速、不间断电源以及脉冲电源。

门极可关断晶闸管GTO是一种既可在门极加正脉冲使之由断态变为通态，又可在门极加负脉冲使之由通态变为断态的器件，因此这种器件可控制电路的通断。

四、电力电子技术在各领域当中的应用

目前，电力电子技术已经被应用于各个领域当中，从电力到工业再到交通，无不有其身影，且目前开始迅速想家电、通信以及节能方面开始发展。

（一）电力系统当中对电力电子技术的应用

将电力电子技术引入电力系统并获得广泛应用的领域，首推应是同步发电机励磁系统，这种励磁系统由于动作迅速，容易设计出高顶值电压，并且控制功率小，因而，作为电压调节系统具有优越的性能；另一领域是交流电动机的变频调速，它的应用，节约了可观的电能。近年来，国外还研究将电力电子技术引入抽水蓄能电站，以提高水泵水轮机的效率，并已取得成果。

在电力系统的发电、输电和配电环节中都离不开电力电子器件和电力电子技术。电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用极大地改善这些设备的运行特性。在输电环节中，电力电子器件大量应用于高压输电系统，被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和小对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，成功地解决了这些难题。

（二）一般工业中对电子电力技术的应用

在工业中大量应用交直流电动机进行电力拖动，直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置。近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。

电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。

（三）家用电器中对电力电子技术的应用

照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。

五、结语

当前，电力电子技术仍在不断发展，新材料、新结构器件的陆续诞生，计算机技术的进步为现代控制技术的实际应用提供了有力的支持，在各行各业中的应用越来越广泛，从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。

参考文献

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