第1章 绪论

1.1 概述

电力电子技术就是应用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电能有交流电和直流电之分。电力变换是指电能的四大基本变换：交流/直流（AC/DC）、直流/交流（DC/AC）、直流/直流（DC/DC）和交流/交流（AC/AC）的变换，如表1-1所示。电能变换包含在两种电能之间，或对同一种电能的一个或多个参数（如电压、电流、频率、波形和相位等）进行变换。而控制则包括三个方面的内容：①对电力变换，亦即对电能形态变换的控制；②对电能传送流动方向的控制；③对电能质量指标的控制，包括电量的大小、频率、波形和相位等。

表1-1电力变换和种类

电力电子技术这门新兴学科的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。早期的电力变换是以晶闸管为核心组成的变流电路，沿用电力电子技术史前期的水银整流器所用的相控整流电路及周波变换电路，实现AC/DC整流变换和AC/AC交交频率变换。随后，就开创了“晶闸管及其应用”的传统电力电子技术时代，实现了两种电能之间或同一电能电气参数的变换，达到了电能“粗加工”需求（此时期对电能质量指标的要求还不是很严格）。然而晶闸管这类半控型器件，一则只能通过控制信号控制其导通而不能控制其关断，控制起来不尽如人意；二则开关速度难以提高，一般情况下低于400Hz，大大限制了其应用范围；三则由于相控运行方式使电网和负载都产生严重的谐波，使电路功率因数下降，对电网产生“电力公害”。

电力电子学（Power Electronics）这一名称是在20世纪60年代出现的。1974年，美国的W. Newell用图1-1所示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。

图1-1 描述电力电子学的倒三角形

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，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电子器件制造技术的理论基础是一样的，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，这说明两者同根同源。电力电子电路和电子电路的许多分析方法也是一致的，只是两者应用目的不同，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，这是电力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电力系统和电气工程中，因此，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，是保持电气工程活力的重要源泉。

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各种需求。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，控制理论和自动化技术密不可分，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。

20世纪70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）和电力场效应晶体管（P-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。到20世纪80年代后期，以绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的复合型器件相继出现：IGBT是MOSFET和GTR的复合；MOS控制晶闸管（MCT）是MOSFET和SCR的复合；门极换流晶闸管（IGCT）是MOSFET和GTO的复合，这些都是综合了两管的优点而研制出来的新型器件。全控型器件的出现和迅速发展，特别是20世纪80年代以后出现的场控自关断器件（IGBT、P-MOSFET、IGCT等）集高频、高电压和大电流于一身的优良性能，使电力电子技术从低频（传统）电力电子技术进入高频（现代）电力电子技术的发展时期。

现代电力电子技术与传统电力电子技术相比，最令人鼓舞的是，现代电力电子技术的发展和推广应用，可以克服甚至消除由传统电力电子技术带来的负面影响，服务于人类，造福于人类，给人类创造日益增长的社会效益和经济效益。