第一章电力电子技术的基本概况

第一章第一章电力电子技术的基本概况电力电子技术的基本概况第一章第一章电力电子技术的基本概况电力电子技术的基本概况

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1.1 电力电子技术的含义 1.1 电力电子技术的含义

1.2 电力电子的主要应用形式1.2 电力电子的主要应用形式

1.3 电力电子技术的发展历史 1.3 电力电子技术的发展历史

1.4 电力电子技术的发展方向和前景 1.4 电力电子技术的发展方向和前景

1.1 1.1 电力电子技术的含义电力电子技术的含义第一章电力电子技术的基本概况第一章电力电子技术的基本概况

电能

利用最为普及的能量形式特殊的能

量形式易于转换的能量形式

服务于人们生活中的各个方面

转换为交流电、直流电、电磁辐射、激光束、脉冲、电弧、电磁能

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第一章电力电子技术的基本概况第一章电力电子技术的基本概况

电力电子器件承载的电流大，承受的电压高；模拟电子技术和数字电子技术中的电流、电压等当作信号处理，不考虑转换效率和散热等问题。电力电子技术应用中涉及到高电压、大电流，须优先考虑电能的转换效率。电力电子技术与模拟电子技术或信息电子技术都是基于硅材料应用科学的一个分支，采用的是硅分子渗透技术。

较比

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电能转换功率损耗

约 50%左右由电力电子器件吸收

其余部分由电感、电容、保护电路和电路接口消化。

电力电子器件消耗的功率

使器件的温升增加，如散热条件不好，将损坏电力电子器件，并使整个装置、电网遭到破坏。

电力电子器件的保护是电力电子技术实际应用中的重要部分。

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电力电子技术的前

景

电力电子技术的前

景

大量应用在高压直流输电、灵活交流输电系统、电气传动控制、自动化生产线以及

电能质量控制等方面

传送功率等级从几瓦到数千兆瓦

在电能的发电、传输、配电、及终端用户等环节起着重要的作用

是信息电子技术发展的继续

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是电力电子技术发展一个新的阶段

表示了一体化设计的概念，对于降低成本、损耗、体积和重量都有着

积极的意义减少工程技术人员在应用电力电子技术过程中的设计和制作费用

将器件驱动和器件本身“融合”在一起，减小装置本身的体积，极大地增强集成系统的整体可靠

性

电力电子集成

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电力电子技术的市场取决于它的成本、可靠性，以及它在电力应用中所展示的新技术的有效性。电力电子成本的核心是功率器件的特性，特别是它的导通损耗、关断损耗和开关速度。

电力电子技术

根据电力电子器件的特性、采用一种有效的静态变换和控制方法，将一种电能形式转换为另一种电能形式的技术。

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达到体积小、重量轻、损耗低、效果好的目的，并能实现高效、可靠、实用的控制。

电气和电子器件的有效使用线性与非线性电路的理论分析控制理论的应用成熟设计方法的使用配合使用先进的分析工具研究其控制系统的性能

方法方法

目的目的

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尤其是当这些器件在功率变换电路中作为关键部件接通或者中断电流时要特别注意。

高可靠性不使用像发热电子管以及电解电容器等等这些时限很短的器件。

高实用性避免使用需要周期性维护或替换的旋转器件。

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1.2 1.2 电力电子的主要应用形式电力电子的主要应用形式第一章电力电子技术的基本概况第一章电力电子技术的基本概况

电力电子设备的主要目的

处理电气意义上的功率。

控制交流或直流电源与一个或者多个需要此交流或直流电源负载之间的功率传输。

传输功率的大小由与变流器终端相连的负载大小确定。

功能功能

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电能转换形式的分类电能转换形式的分类

①AC/DC 变换把交流电压变换成固定或可调的直流电压。

整流 AC/DC 变换

整流器把交流电压变换成固定或可调的直流电压的装置。

整流器一般用于如充电、电镀、电解和直流电动机的速度调节等场合。

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②DC/AC 变换把直流电变换成频率可变、电压固定或可调的交流电。

逆变 DC/AC 变换

有源逆变 DC/AC 变换时，交流输出与电网相连。

无源逆变 DC/AC 变换时，交流输出直接与负载相连。

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变频器把直流电变换成频率可变、电压固定或可调的交流电的装置。

无源逆变装置的输出可以是恒频恒压（ CVCF）的电源或不间断供电电源（ UPS），也可是变频输出的电源。

变频器广泛应用于各种变频电源中，如在中频感应加热和交流电动机的变频调速等方面的应用。

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③AC/AC 变换

将一种频率和幅植固定或变化的交流电压转换成另一种频率和幅植可调或固定的交流电压。

变频器 AC/AC 变换电路

周波变流器

AC/AC 变换电路主要用于交流电动机的变频调速。

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③DC/DC 变换

将一种幅植固定或变化的直流电压变换成幅植可调或恒定的另一个电压等级的直流电压。

直流斩波 DC/DC 变换

斩波器将一种幅植固定或变化的直流电压变换成幅植可调或恒定的另一个电压等级的直流电压的装置。

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脉宽调制变流器斩波器

斩波器主要用于直流电压变换、开关电源、电车、地铁、矿车等电力机车上所用的直流电动机的牵引，以及计算机、通信和各类仪器仪表的电源等场合。

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电力电子技术迅速发展，与全球能源、环境等问题息息相关

利用电力电子技术可以有效地节约

能源

1.3 1.3 电力电子技术的发展历史电力电子技术的发展历史

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年份20001990198019701957194719301904

史前期

晶体管诞生

全控型器件迅速发展期

IGBT 出现智能功率模

块

晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代

电子管问世

晶闸管问世

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电力电子技术的开始是以 1957

年第一个晶闸管的诞生为标志

在晶闸管出现之前，电力电子技术已经用于电力变换

硒整流器

电子管

水银整流器

闸流管

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晶体管的发明引发了电子技术的革命锗功率二极管

硅二极管晶闸管

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❋工业技术的迅速发展推动了晶闸管的进步。❋电力电子技术的概念和基础由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而逐渐建立起来。❋在电力系统的无功补偿、以及在中频加热应用中，晶闸管是处理大功率不可缺少的器件。❋晶闸管在高压直流输电中的换流器、静止相控无功补偿器、周波变流器、负载换流逆变器等设备中仍大量使用。

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半导体器件的发展

变流器的拓朴结构

PWM 技术

仿真分析方法

控制和估算技术

计算机数字信号处理

集成芯片

硬件和软件控制电力电子

进步

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快速晶闸管（ FST）逆导晶闸管

（ RCT）

双向晶闸管（ TRIAC）

光控晶闸管（ LTT）

晶闸管的派生器件

推动各种电力变流器在冶金、电化学、电力工业、交通及矿山等行业中的应用，促进了工业技术的进步。

第一代电力电子器件

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阻碍晶闸管发展的原因阻碍晶闸管发展的原因

①关断晶闸管时须采用强迫换流电路。增加的换流电路使电路复杂、体积增大、重量增加、效率降低，从而导致可靠性下降；

晶闸管只能在承受正向电压过程中，通过对门极施加一个触发脉冲才能使其导通，不能通过脉冲的控制使其关断，属于半控型器件。

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②由于晶闸管不能通过控制实现关断，因此它的开关频率难以提高，最高也不会超过 400Hz ，这样大大限制了它的应用范围；

③由于晶闸管相位控制方式对电网及负载产生严重的谐波，这不但会降低电路的功率因数，而且还会对电网造成谐波污染的“公害”。

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门极可关断晶闸管（ GTO）

双极型电力晶体管（ GTR）

电力场效应晶体管（ Po

wer MOSFET）

自关断的全控型器件

通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通，又可使其关断。这些器件的开关速度高于晶闸管，可以用于开关频率较高的场合。

第二代电力电子器件

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GTO 的关断功率损耗较大，须使用开关吸收电路，以减小 dv/dt，在实际应用中受到一定的限制。GTO 的一般容量为 6KV/4KA。实际使用中， GTO 的触发功率很大，关断时要消耗其导通功率的 20%左右，限制了它的开关频率。在 GTO 变流器的吸收和驱动电路设计应考虑其特殊性。

门极可关断晶闸管 (GTO )

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大功率达林顿双极结型晶体管（ BJT），由于它的驱动损耗大，以及可靠性差，现已由大功率场效应晶体管MOSFET（低压范围内）和绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）所取代。

MOSFET 是多数载流子传导器件，它的导通压降较高，开关损耗并不是太大，且电压等级不能做得太高，它一般只应用于低压、高频电路中。

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静电感应式晶体管（ SIT）

静电感应式晶闸管（ SITH）

MOS晶闸管（MCT）

功率半导体器件

这些器件具有很高的开关频率，可以承受更高的电压，并允许更大的导通电流，这种类型的大功率开关器件在构成高频大功率变流器中具有特别的优势。

第三代复合型场控半导体器

件

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绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）

❧IGBT 的开关频率比 BJT 高很多，在正向偏置安全工作区内可以不需要吸收电路，这种模块的额定容量在 20世纪 90年代就已达到了 3500V/1200A ，它的电气特性还在不断完善。 ❧IGBT 在许多中、大功率的变流设备中得到了广泛使用，直到现在，它仍是主要的功率开关器件。

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❧IGBT 的智能模块（ IPM）是将内置门极驱动及热保护等功能集于一体的集成模块，它可以控制和保护几百千瓦的负载，用于中小功率的变流设备中。 ❧具有沟槽栅技术的现代 IGBT 模块比二极管的导通压降稍高一点，但它具有更快的开关速度。❧近期发展起来的新型大功率半导体器件 3.3kV 、 4.

5kV 、 6.5kV 的 IGBT改进了变流电路的设计，在三电平拓扑结构中广泛采用，迅速增加了 PWM型可控电压源变流器所占的市场份额。

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PWM 可控 VCS（电压源型变流器）的优势在于，可以降低线路中的谐波含量，提高功率因数，并有效降低了滤波器的容量和体积，提高了系统的效率，从而降低在冶炼、船舶、采矿、电解和高压直流输电等行业中的能耗。

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MCT

❦MCT 是另一种 MOS门极驱动装置，它的触发电路比起 GTO简单得多，所需的开关能量和 MOSFE

T 或 IGBT差不多，关断时不需要像 GTO那样大的反向门控电流，在相同功率等级的条件下，导通压降比 IGBT 小，其开关速度也比较高。❦但无论是电压等级还是功率等级都不能与 GTO 和IGBT媲美。❦MCT 模块在软开关变流器中应用。

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第一章电力电子技术的基本概况第一章电力电子技术的基本概况 GCT 的主要特点GCT 的主要特点

①阴极关断电流全部从门极流出，关断增益为 1 ，并能在小于 s的时间内均匀流出。

②由于采用很薄的 n+缓冲层结构，使 GCT 器件的通态压降很低，因而通态损耗较小。

③该器件采用 ABB公司的特殊低电感外壳设计，有效减小了门极驱动电路的等效电感，大大提高 diGQ/

dt（约 3kA/s）。该器件的存储时间短，关断均匀，易于串联使用。

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④GCT 的硅片中同时集成了功率二极管，减少了硬件电路的电缆连线，并使设计更为紧凑。

⑤允许较高的开关频率，而且通态和关断损耗均较低。但在 GCT 的使用过程中，其控制功能还不够完善，仍需要较大的驱动功率，开关控制电路的设计较复杂，因而必须另外增加外部触发控制电路。

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集成门换流晶闸管 IGCT

❀IGCT相当于开关特性很硬的 GTO ，但它比 GT

O具有更多的优势。IGCT 的导通压降较低，开关速度更高。IGCT带有旁路二极管的单片集成电路，不需对吸收电路进行特别的设计，甚至可以不用吸收电路。IGCT 容易实现连续运行，连续运行的有效性和元器件的易更换性对工业实际运行非常有利。

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❀IGCT已广泛用于大型电力机车牵引、大功率高压变频器等设备之中。❀在牵引和工业领域中，以 IGCT 或 IGBT 作为开关器件的 PWM型 VSC ，正在迅速取代普通 GTO 作为开关器件的 VSC 和电流源型变流器（ CSC）。❀IGCT 将功率处理模块（ GCT）与控制电路集成在一个封装结构内。

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11 IGCT 可工作在中等电压等级、能关断 10MW

功率的硅材料开关元件。 IGCT 将功率处理单元GCT 和控制电路集成在一个封装内，这样更易于控制，可有效降低开关元件的成本。

22 在相同运行功率的条件下， IGCT 比 GTO

和 IGBT 的开关频率更高，开关损耗更低。在中等电压等级下控制相同的兆瓦级功率，并保证相同效率和可靠性的前提下，它的封装尺寸更小，费用更低。

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33 在高频工作条件下，若采用 IGCT来实现逆变器时，可将逆变器的元件数量减少 50% ，因而可节省约 30% 的能量。这种开关元件的典型电压应用等级有： 2.3, 4.16 和 6.9kV 。这可保证它能直接用于工业电机，电力机车牵引，轮船推进，流水线等大功率应用场合。

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44 IGCT 是对 GTO 和 IGBT 的改进和提高。 G

TO需要复杂的外围电路，以保证可靠的工作，工作频率也低； IGBT 在中等电压等级应用时，损耗增加。在大功率应用时，需要较多的元件组成模块。 IGCT则克服了 GTO 和 IGBT 设计中内在的开关技术缺陷。

55 IGCT 技术是一个高速的技术飞跃，它的开关特性相当于 IGBT ，而导通能力则相当于 GTO ，但 IGCT 减少了成本和外围器件。

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GTO晶闸管高压 IGBT 模块 IGCT 的性能开关技术

①可靠性高②结构紧凑

①高频开关特性②低开关损耗③无需吸收器④集成门驱动

①高频开关特性②低开关和通态损耗③无需吸收器④可用于大多数的电压等级

功率电路

不发生灾难性的事故

①低压时，元件数较少

②低压时，适合并联和级联

①不发生灾难性的事故②可靠性高③集成了二极管和门控单元④适合于并联和级联

器件设计

①对各种电压等级都有效

②低通态损耗

模块设计 ①允许紧凑和模块化设计②减少电缆互连线

表 1.1 典型开关元件的特性归纳

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66 GTO 是将数千个分离开关元件集成在一个硅片上。由于它们可以在交流电流周期中的任意点上进行开关操作，因而在 GTO 的四种工作情况下都会产生损耗。

触发导通导通状态关断过程

关断状态

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在中等电压等级运行时， GTO 的导通功率损耗很低，开关功率损耗还比较合理的。但由于 GTO 的非齐性（顺序的，而不是同时的）开关特性，在关断时，它需要额外增加一个吸收电路，这个吸收电路占用了器件本身一半以上的体积。因而增加了设计的复杂性和设计成本，同时也增加了功率损耗。

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将功率处理模块（ GCT）与控制电路集成在一个封装结构内的 IGCT 特

点

将功率处理模块（ GCT）与控制电路集成在一个封装结构内的 IGCT 特

点

GCT 功率处理器件和控制部分一起，可减少 IGCT 的通态损耗，无需吸收电路，并提供了可

靠的开关单元。

封装好的 GCT 可自由移动，不会出现功能丧失现象。

集成门驱动电路可减少杂散电感，使设计简化。

IGCT 易于进行电气设计和机械设计，出现故障时易于更换。

77

每个 / 所有的 IGCT元件在三个方面对中等电压等级的控制运行

具有改善作用

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88

合适的开关速度。在满额定电流运行的情况下， IGCT 的开关速度可达到 1kHz，几乎为 GTO元件的四倍。紧凑的逆变器设计和高可靠性。在交流电器运行时所需的大部分的二极管都集成在GCT结构中。

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在相同运行功率的条件下， IGCT 比 GTO 和 IGB

T 的开关频率更高，而且开关损耗更低。在中等电压等级下控制相同的兆瓦级功率，并保证相同效率和可靠性的前提下， IGCT 比 GTO 和 I

GBT 的封装尺寸更小，费用更低。IGBT 在中等电压等级应用时，损耗增加。在大功率应用时，需要较多的元件组成模块。

较比

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IGCT 的开关特性相当于 IGBT ，而导通能力则相当于 GTO ，但 IGCT 减少了成本和外围器件。

GTO 将数千个分离开关元件集成在一个硅片上， GTO 在触发导通，导通状态，关断过程，关断状态都会产生损耗。

在中等电压等级运行时， GTO 的导通功率损耗很低，开关功率损耗比较合理。

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关断时， GTO需要额外增加一个吸收电路，增加了设计的复杂性和设计成本和功率损耗。

在满额定电流运行的情况下， IGCT 的开关速度可达到 1kHz，为 GTO元件的四倍。

相控晶闸管、快速晶闸管、门极可关断晶闸管（ GTO）、 IGCT 等都具有擎住结构，其中载流子从阳极和阴极注入。

普通晶闸管不能自行关断。

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双向控制晶闸管（ BCT）是由在一个晶片上的两个反并联晶闸管组成，两个门极相互独立 ,这样能最大限度地保留大功率变流器的钳位、内部构成和设计技术等特性。

光触发晶闸管（ Ligh

t triggered thyristo

r）的发展，极大地简化了门极控制，提高了晶闸管应用在大功率、高电压中的可靠性。

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电力电子器件的前景电力电子器件的前景

近 10多年来，电力电子器件已向模块化、智能化的方向发展，它使得电力电子器件的使用变得更加简单易行，有效地减少了设备的体积、增加了系统运行的可靠性。对终端用户的应用而言，国际上有许多大公司已开发出了 IPM智能功率模块，目前应用最多的仍然是 I

GBT智能模块。

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IPM（ Intelligent Power Module）模块把功率开关器件和驱动电路集成在一起，内藏过电压，过电流和过热等故障检测电路，可将检测信号送到 CPU 。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证 IPM 自身不受损坏。IPM 一般使用 IGBT 作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。

智能功率模块（ IPM ）

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IPM 以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。从配电系统的应用来看，模块的电压一般有 1200V

和 1700V两个等级，额定电流为 50～ 250A 。

肖特基二极管快恢复二极管双扩散二极管

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MOSFET肖特基二极管JBS 二极管PIN 二极管

MCT

P 型N 型

MTO

相控晶闸管高速晶闸管

反向导通型不对称型对称型

GTO

对称型不对称型

反向导通型IGCT

反向导通型不对称型

普通型

NPN

双极结晶体管 BJT

PNP

MOSFET

N- 沟道增强型常规普通型S-FET

Cool-MOS

P- 沟道增强型IGBT

NPT

高速低压降

PT

晶闸管晶体管二极管

碳化硅硅材料

功率电力电子器件

二极管晶体管

市场占有量较小

实验室阶段电力电

子器件的分类及其派生系列

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在高压、高温、高频以及低导通压降场合应用

功率范围大击穿场强高

导热性高

饱和电子漂移速率高

对化学反应或高气压呈高惰性

辐射电阻高

碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅

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碳化硅可以极大地降低通态和开关损耗，结温上升到 600℃时也能运行。碳化硅材料的肖特基和结势垒肖特基（ JBS）二极管的阻断电压已达到 2kV 。 PIN二极管达到 5kV 。碳化硅二极管可以大大减少二极管的关断损耗和

开通损耗。利用碳化硅反向二极管对利用碳化硅反向二极管对 IGBTIGBT 模块进行改进。模块进行改进。

碳化硅的应用前景碳化硅的应用前景

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现代电力电子技术主要特点现代电力电子技术主要特点全控化全控化

集成化集成化

高频化高频化高效率化高效率化

小型化小型化

绿色化绿色化

新型化新型化

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全控化全控化由半控型普通晶闸管发展到各类自关断器件，是电力电子器件在功能上的重大突破。在自关断器件实现全控化后，就可以取消传统电力电子器件的复杂换流电路，使电路大为简化。

集成化集成化与传统电力电子器件的分立方式完全不同，所有的全控型器件都是由许多单元器件并接在一起，并集成在一个基片上。

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指随着器件集成化后的高频化，它能有效提高整体集成器件的工作速度。

高频化高频化

高效率化高效率化体现在器件本身和器件换流技术这两个方面。由于电力电子器件的导通压降不断减少，降低了导通损耗；器件开关的上升和下降过程加快，也将低了开关损耗。器件处于合理的运行状态，提高了运行效率；变流器中采用软开关技术，使得运行效率得到进一步提高。

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小型化小型化指随着器件的高频化和集成化后，控制电路的高度集成化和微型化，使得滤波电路和控制器的体积大大减小。电力电子器件的多单元集成化，减少了主电路的体积。再加上控制器和功率半导体器件等采用微型化的表面粘贴技术，使得变流器的体积得到了进一步的减小。

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绿色化绿色化电力电子技术中广泛采用 PWM 脉宽调制技术、 SPWM正弦波脉宽调制和消除特定的次谐波技术、多重化技术等，使变流器的谐波大为降低，同时也使得变流器的功率因数得到提高，进而使电源绿色化。静止无功发生器（ SVG）、有源电力滤波器等新型电力电子装置，具有优越的无功功率和谐波补偿的性能，因此大大提高电网的供电质量。

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近年来，新型半导体材料的研究正在取得不断的突破，碳化硅、金刚石等材料用于电力电子器件，特别是金刚石器件与硅器件相比，功率可提高 106 个数量级，频率可提高 50倍，导通压降降低一个数量级，最高结温可达 600℃。

新型化新型化

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1.4 1.4 电力电子技术的发展方向电力电子技术的发展方向和前景和前景

①新材料的进一步研究和应用，扩大了器件的频率、功率等级、使用温度范围，减少器件的体积和降低价格。因此，可以大大改进系统性能和降低成本，使它的应用范围越来越广。

②改进器件和封装形式，实现系统集成，以获得更高的集成化和可靠性。

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③使用无需吸收电路且关断延时小的集成门极换流晶闸管（ IGCT），使得电力电子器件在大功率应用可靠性大为增强，并使应用变得越来越容易。

④多电平逆变器在大功率逆变器中的应用。⑤体积小、重量轻、损耗小的变流系统的设计。⑥采用神经网络和模糊控制逻辑芯片的无速度传感器的控制的传动系统。

⑦采用专家系统获得优化的实时性和系统容错控制方面的应用。


⑧自主学习与自适应调节控制器在传动系统中的应用。

⑨改善动力系统的供电质量，柔性交流输电技术将得到越来越广泛的运用。

电力电子技术是目前发展较为迅速的一门学科，是高新技术产业发展的主要基础技术之一，是传统产业改造的重要手段。随着各学科新理论、新技术的发展，电力电子技术的应用具有十分广泛的前景。

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第一章 电力电子技术的基本概况

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第一章电力电子技术的基本概况