變流技術與半導體電力變流器

電力電子學（或電力電子技術）的理論是建立在電子學、電力學和控制學三個學科基礎之上的。起初它被認為是介于電子學、電力學與控制學之間的邊緣學科，但是隨著電力電子技術的不斷發展，它已成為一個涉及領域廣闊的學科，可以說凡是涉及到電能應用的場合，便有其用武之地。時值今日它不僅已發展成為高科技的一個分支，而且還是許多高科技的支撐。

電力電子技術之所以和“電力”二字相連則是因為最初它的應用范圍主要是在電氣工程中和電力系統中，對市電或強電進行控制與變換。其作用就是根據負荷和負載的特殊要求，對市電、強電進行各種形式的變換（主要是頻率的變換），以使電氣設備得到最佳的電能供給，使電力系統處于最佳的運行狀態，從而使電氣設備和電力系統實現高效、安全、經濟的運行。電力電子技術發展到今天，它不僅僅只涉及到“電力”的變換與應用，而且也涉及到化學能電源（電池）、太陽能電池電能的變換與應用。雖然已突破了當初單純“電力”的界限，但是仍然是在功率變換的范圍。

僅就電力電子技術本身而言，它主要包括二個方面，即電力半導體器件制造技術和電力半導體變流技術。前者是電力電子技術的基礎，后者是電力電子技術的核心。二者相輔相成，相互依存，相互促進的關系，使得電力電子技術發展的勢頭一浪高過一浪，使其在科技進步和經濟建設中發揮著越來越重要的作用。

1電力半導體器件

半導體變流技術的發展，立足于電力半導體器件的發展。而電力半導體器件是以美國1956年生產硅整流管（SR）、1958年生產晶閘管（SCR）為起始點逐漸發展起來的。

經過了40多年的發展，在器件制造技術上不斷提高，已經歷了以晶閘管為代表的分立器件，以可關斷晶閘管（GTO）、巨型晶體管（GTR）、功率MOSFET、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）為代表的功率集成器件（PID），以智能化功率集成電路（SPIC）、高壓功率集成電路（HVIC）為代表的功率集成電路（PIC）等三個發展時期。從晶閘管靠換相電流過零關斷的半控器件發展到PID、PIC通過門極或柵極控制脈沖可實現器件導通與關斷的全控器件，從而實現了真正意義上的可控硅。在器件的控制模式上，從電流型控制模式發展到電壓型控制模式，不僅大大降低了門極（柵極）的控制功率，而且大大提高了器件導通與關斷的轉換速度，從而使器件的工作頻率由工頻→中頻→高頻不斷提高。

在器件結構上，從分立器件，發展到由分立器件組合成功率變換電路的初級模塊，繼而將功率變換電路與觸發控制電路、緩沖電路、檢測電路等組合在一起的復雜模塊。功率集成器件從單一器件發展到模塊的速度更為迅速，今天已經開發出具有智能化功能的模塊（IPM）。

表1具有代表性的電力半導體器件發展概況

所有這一切為高頻變換技術的開發，為變流器實現高頻化、小型化、輕量化，為節能、節材、提高效率與可靠性奠定了基礎。

關于具有代表性的電力半導體器件與模塊的發展概況可參見表1。

概括電力電子器件40多年來的發展，經歷了三個時期，具體可分為四個階段。

（1）第一階段

以整流管、晶閘管為代表的發展階段，其在低頻、大功率變流領域中的應用占有優勢，很快便完全取代了汞弧整流器。

（2）第二階段

以GTO、GTR等全控器件為代表的發展階段，雖仍屬電流型控制模式，但其應用使得變流器的準高頻化得以實現。

（3）第三階段

以功率MOSFET、IGBT等電壓型全控器件為代表的發展階段，可直接用IC進行驅動，高頻特性更好，可以說器件制造技術已進入了和微電子技術相結合的初級階段。即電力電子器件與電子器件在發展的道路上，經歷了一段時間的分道揚鑣、各走各的路的狀況之后，又走到一起了。

（4）第四階段

以SPIC、HVIC等功率集成電路為代表的發展階段，使電力電子技術與微電子技術更緊密地結合在了一起，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的功率集成電路。它實現了器件與電路的集成，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，預計PIC的發展將會使電力電子技術實現第二次革命，進入全新的智能化時代。這一階段還處在初期發展中。

2半導體電力變流器

21變流技術的應用范圍

變流技術發展到今天，其應用范圍大致分為5個方面。

（1）整流：實現AC/DC變換；

（2）逆變：實現DC/AC變換；

（3）變頻：實現AC/AC(AC/DC/AC)變換；

（4）斬波：實現DC/DC(AC/DC/DC)變換；

（5）靜止式固態斷路器：實現無觸點的開關、斷路器的功能，控制電能的通斷。