电力电子技术_王兆安_刘进军_第5版-电子书
“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材
普通高等教育“十 一 五”国家级规划教材
普通高等教育电气工程与自动化类“十 一 五”规划教材
电 力 电 子 技 术
第 5 版
主 编 王兆安 刘进军 参 编 杨 旭 卓 放
裴云庆 王 跃
第1章 绪论
对于电力电子技术尚不了解的人一开始会有这样一些问题：什么是电力电子技术?它的 发展经历了哪些阶段?目前主要应用在哪些领域?对这些问题的初步讲解将使读者对电力电 子技术有一个大致的了解。对本教材编写指导思想和基本内容的说明有助于读者更好的学习 这门课程。本章的内容试图使读者对电力电子技术有一个初步的了解。
1 . 1 什 么 是 电 力 电 子 技 术
顾名思义，可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电子技术包 括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于 信息电子技术。电力电子技术中所变换的“电力”和“电力系统”所指的“电力”是有一 定差别的。两者都指“电能”,但后者更具体，特指电力网的“电力”,前者则更一般些。 具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。目前所用的 电力电子器件均由半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术所变换的“ 电力 ”, 功率可以大到数百兆瓦甚至吉瓦，也可以小到数瓦甚至是毫瓦级。信息电子技术主要用于信 息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换，这是二者本质上的不同。
通常所用的电力有交流和直流两种。从公用电网直接得到的电力是交流，从蓄电池和 干电池得到的电力是直流。从这些电源得到的电力往往不能直接满足要求，需要进行电 力变换。如表1-1所示. 电力变换通常可分为四大类，即交流变直流(AC-DC)、直流变交 流(DC-AC) 、 直流变直流(DC-DC) 和交流变交流( AC-AC) 。 交流变直流称为整流，直流 变交流称为逆变。直流变直流是指一种电压(或电流)的直流变为另一种电压(或电流)的 直流，可用直流斩波电路实现。交流变交流可以是电压或电力的变换，称做交流电力控 制，也可以是频率或相数的变换。有的读者认为，整流和逆变较好理解；而直流变直流 和交流变交流则较难理解。实际上直流变直流并非电力种类的变换，而是电压(或电流) 的变换，即一种直流电压(或电流)变为另一种直流电压(或电流);交流变交流除了电压 或电流的变换外，还多了另一些可能，即频率或相数的变换。进行上述电力变换的技术 称为变流技术。
通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。变流技术也称为 电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行 控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。“变流”不只指交 直流之间的变换，也包括上述的直流变直流和交流变交流的变换。
如果没有晶闸管、电力晶体管、 IGBT 等电力电子器件，也就没有电力电子技术，而电 力电子技术主要用于电力变换。因此可以认为，电力电子器件的制造技术是电力电子技术的 基础，而变流技术则是电力电子技术的核心。电力电子器件制造技术的理论基础是半导体物 理，而变流技术的理论基础是电路理论。
电力电子学( Power Electronics)这一名称是在20世纪60年代出现的(比晶闸管的出现 晚)。1974年，美国学者W.Newell 用图1-1的倒三角形对电力电子学进行了描述，认为电 力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍 接受。
“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术两个不同的角度来称呼 的，其实际内容并没有很大的不同。
电力电子技术和电子学的关系是显而易见的， 如图1-1所示。信息电子学可分为电子器件和电子电路两大分支，这分别与电力电子器件和电力电子电路相对应。电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子器件制造技术的理论基础(都是基于半导 体理论)是一样的，其大多数工艺也是相同的。特别 是现代电力电子器件的制造大都使用集成电路制造 工艺，采用微电子制造技术，许多设备都和微电子 器件制造设备通用，这说明二者同根同源。电力电 子电路和电子电路的许多分析方法也是一致的，只是二者应用目的不同。前者用于电力变换和控制，后者用于信息处理。广义而言，电子电路 中的功率放大和功率输出部分也可算做电力电子电路。此外，电力电子电路广泛用于包括电 视机、计算机在内的各种电子装置中，其电源部分都是电力电子电路。在信息电子技术中， 半导体器件既可处于放大状态，也可处于开关状态；而在电力电子技术中，为避免功率损耗 过大，电力电子器件总是工作在开关状态，这成为电力电子技术区别于信息电子技术的一个重要特征。
电力电子技术广泛用于电气工程中，这就是电力电子学和电力学的主要关系。“电力学”这个术语在我国已不太应用，这里可用“电工科学”或“电气工程”取而代之。各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、 电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等之中，因此，无论是国内还是国外，通常把电力 电子技术归属于电气工程学科。电力电子技术是电气工程学科中的一个最为活跃的分支。电 力电子技术的不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力，是电气工程这一相对古老学科保持活力的重要源泉。
在我国的学科分类中，电气工程是一个一级学科，它包含了五个二级学科，即电力系统 及其自动化、电机与电器、高电压与绝缘技术、电力电子与电力传动、电工理论与新技术。 其中电力电子与电力传动是由电力电子技术和电力传动自动化两个二级学科合并而成的。由 于现代电力传动主要采用的是电力电子技术，因此将二者合并是有其道理的。图1-2用两个 三角形对电气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学科和其他学科的关系， 小三角形则描述了电气工程一级学科内各二级学科的关系。从图1-2的大三角形来看，和电 气工程关系密切的其他学科主要是信息科学和能源科学。这里所说的信息科学是广义的信息 科学，也就是所谓的弱电，即电子信息工程(也包括通信，但可以不包括计算机科学和工 程)。电气工程研究的主要是电能，而信息科学则是研究(如何利用电磁来)处理信息。因 此，二者既有所不同但又同根同源。而且，电气工程的发展越来越依赖于电子信息技术的 进步。在美国及其他发达国家，大学中的电气工程系已经完全包含了电子信息技术的内容， 甚至电子信息技术已经喧宾夺主，成了电气工程的主体。无论如何，电气工程与电子信息工 程二者你中有我、我中有你，相互融合，这已成为科学技术发展的一种必然趋势。
但是，如果从应用领域看，电气工程则又和能源科学密切相关。电能是能源的一种，而 且是使用、输送和控制最为方便的能源，也是人类研究较为充分的一种能源。在可以预见的 将来，还没有一种能源有可能取代电能。而人类在任何时候都不可能离开能源，能源为人类 提供动力，是人类永恒的研究对象。因此，人类如果关注能源，就必须关注电能，也就必须 关注电气工程。正因为电气工程和能源科学有如此密切的关系，国家在划分专业或行业时.常 常 把 电 力 和 动 力 放在一起。
在图1-2的小三有形所描述的电气工程内部结构中，电工理论是电气工程的基础，主要 包括电路理论和电磁场理论。这些理论是物理学中的电学和磁学的发展和延伸。电气装备制 造既包括发电机、电动机、变压器等电机设备的制造，也包括开关、用电设备等电器设备的 制造，还包括电力电子设备的制造、各种电气控制装置的制造以及电工材料、电气绝缘等内 容。电气装备的应用则是指上述设备和装置的应用。电力系统的运行主要包括电力网的运行和控制、电气自动化以及各种电气装备和系统的运 行等方面。当然，制造和运行是不可能截然分开 的，电气设备在制造印必须考虑其运行，而电力系 统是由各种电气设备红成的，系统的良好运行当然 依靠良好的设备。
在电气工程的五个二级学科中，电力电子技术 处于十分特殊的地位。电力电子技术和其他几个二 级学科的关系都十分密切，甚至可以说，其他几个二级学科的发展都有赖于电力电子技术的发展。正 是由于电力电子技术的迅返发展，才使电气工程始终保持着强大的活力。
控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益 增长的需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而 控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二者密不可分，而电力电子装置则是自动化 技术的基础元件和重要支撑技术。
电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术。可以预见，在21世纪电 力电子技术仍将以迅猛的速度发展。以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的 科学技术之一，这是毫无疑义的。有人预言，电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技 · 术共同成为未来科学技术的两大支柱。通常把计算机的作用比做人的大脑。那么,可以把电 力电子技术比做人的消化系统和循环系统。消化系统对能量进行转换(把电网或其他电源提 供的“粗电”变成适合于人们使用的“精电”),再由以心脏为中心的循环系统把转换后的能量 传送到大脑和全身。电力电子技术连同运动控制一起，还可比做人的肌肉和四肢，使人能够 运动和从事劳动。只有聪明的大脑，没有灵巧的四肢甚至不能运动的人是难以从事工作的。 可见，电力电子技术在21世纪中将会起着十分重要的作用，有着十分光明的未来。
1 . 2 电 力 电 子 技 术 的 发 展 史
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。图1-3给出了电力电子技术的发展史。
一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为 标 志 的。但在晶闸管出现以前，用于电力变换的电子技术就已经存在了。晶闸管出现前的时 期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。
1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从 而开启了电子技术用于电力领域的先河。后来出现了水银整流器，它把水银封于管内，利用对其蒸气的点弧可对大电流进行控制，其性能和晶闸管已经非常相似。当然，水银整流器所 用的水银对人体有害，另外，水银整流器的电压降落也很高，很不理想。20世纪30年代~ 50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。在这一时期，水银整流器广泛用于电 化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时 期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在晶闸管出 现以后的相当长一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式。
在这一时期，把交流变为直流的方法除水银整流器外，还有发展更早的电动机-直流发 电机组，即变流机组。和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始而沿用 至今。
1947年，美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。最先用 于电力领域的半导体器件是硅二极管。晶闸管出现后，由于其优越的电气性能和控制性能， 使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围迅速扩大。电化学工业、铁 道电气机车、钢铁工业(轧钢用电气传动、感应加热等)、电力工业(直流输电、无功补偿等) 的迅速发展也给晶闸管的发展提供了用武之地。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管 及晶闸管变流技术的发展而确立的。
晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对 晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电 压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。
20世纪70年代后期，以门极可关断晶闸管(GTO)、 电力双极型晶体管(BJT) 和电力场 效应晶体管(Power-MOSFET)为代表的全控型器件迅速发展。这些器件都属于全控型器件。 全控型器件的特点是，通过对门极(基极、栅极)的控制既可使其开通又可使其关断。此外， 这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。这些优越的特性使电力 电子技术的面貌焕然一新，把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。
与晶闸管电路的相位控制方式相对应，采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽 度调制(PWM) 方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。 PWM 控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的位置，它在逆变、直流斩波、整流、交流- 交流控制等所有电力电子电路中均可应用。它使电路的控制性能大为改善，使以前难以实现 的功能也得以实现，对电力电子技术的发展产生了深远的影响。
在20世纪80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT) 为代表的复合型器件异军突 起 。IGBT 属于全控型器件，它是MOSFET和 BJT的复合。它把MOSFET的驱动功率小、开 关速度快的优点和BJT的通态压降小、载流能力大、可承受电压高的优点集于一身，性能十 分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。与IGBT相 对 应 ，MOS控制晶闸管(MCT) 和集成门极换流晶闸管(IGCT) 都 是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和 GTO 两种器件的优点。其中IGCT 也取得了相当的成功，已经获得大量应用。
为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助 元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。后来，又把驱动、控制、保护电路和电 力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路(PIC)。 目前电力电子集成电路的功率都还 较小，电压也较低，它面临着电压隔离(主电路为高压，而控制电路为低压)、热隔离(主电 路发热严重)、电磁干扰(开关器件通断高压大电流，它和控制电路处于同一芯片)等几大难题，但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。
目前，电力电子集成技术的发展十分迅速，除以PIC 为代表的单片集成技术外，电力电 子集成技术发展的焦点是混合集成技术，即把不同的单个芯片集成封装在一起。这样，虽然 功率密度不如单片集成，但却为解决上述几大难题提供了很大的方便。这里，封装技术就成 了关键技术。除单片集成和混合集成外，系统集成也是电力电子集成技术的一个重要方面， 特别是对于超大功率集成技术更是如此。
随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。同时，电 力电子器件的开关损耗也随之增大。为了减小开关损耗，软开关技术便应运而生，零电压开 关(ZVS) 和零电流开关(ZCS) 就是软开关的最基本形式。理论上讲采用软开关技术可使开关 损耗降为零，可以提高效率。另外，它也使得开关频率得以进一步提高，从而提高了电力电 子装置的功率密度。
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