電力電子技術(shù)調(diào)查報告

電力電子技術(shù)調(diào)查報告------當前的格局專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：0703姓名：指導(dǎo)老師：電力電子技術(shù)的最新發(fā)展及應(yīng)用情況當今世界能源消耗增長十分迅速。目前，在所有能源中電力能源約占40%，而電力能源中有40%是經(jīng)過電力電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換才到使用者手中。預(yù)計十年后，電力能源中的80%要經(jīng)過電力電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換，電力電子技術(shù)在21世紀將起到更大作用。電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對電能進行控制和轉(zhuǎn)換的學(xué)科。它包括電力電子器件、變流電路和控制電路三個部分，是電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)由于和現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)，已逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科相互滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。電力電子技術(shù)作為一門高技術(shù)學(xué)科，由于其在節(jié)能、減小環(huán)境污染、改善工作條件等方面有著重要的作用，現(xiàn)在已廣泛的應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)（例如：電力、機械、交通、化工、冶金、輕紡等）和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)（例如：航天、現(xiàn)代化通信等）。下面著重討論電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的一些應(yīng)用。在高壓直流輸電（HVDC）方面的應(yīng)用：直流輸電在技術(shù)方面有許多優(yōu)點：（1）不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題，可實現(xiàn)電網(wǎng)的非同期互聯(lián)；

（2）可以限制短路電流；

（3）沒有電容充電電流；

（4）線路有功損耗??；

（5）輸送相同功率時，線路造價低；

（6）調(diào)節(jié)速度快，運行可靠；

（7）適宜于海下輸電。隨著大功率電子器件（如：可關(guān)斷的晶閘管、MOS控制的晶閘管、絕緣門極雙極性三極管等）開斷能力不斷提高，新的大功率電力電子器件的出現(xiàn)和投入應(yīng)用，高壓直流輸電設(shè)備的性能必將進一步得以改善，設(shè)備結(jié)構(gòu)得以簡化，從而減少換流站的占地面積、降低工程造價。在柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）中的應(yīng)用：20世紀80年代中期，美國電力科學(xué)研究院（EPRI）N.G.Hingorani博士首次提出柔性交流輸電技術(shù)的概念。近年來柔性交流輸電技術(shù)在世界上發(fā)展迅速，已被國內(nèi)外一些權(quán)威的輸電工作者預(yù)測確定為“未來輸電系統(tǒng)新時代的三項支持技術(shù)（柔性輸電技術(shù)、先進的控制中心技術(shù)和綜合自動化技術(shù)）之一”?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制理論和通訊技術(shù)的發(fā)展為FACTS的發(fā)展提供了條件。采用IGBT等可關(guān)斷器件組成的FACTS元件可以快速、平滑地調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，從而靈活、迅速地改變系統(tǒng)的潮流分布。在電力諧波治理方面的應(yīng)用：有源濾波是治理日益嚴重的電力系統(tǒng)諧波的最理想方法之一。有源濾波器的概念最早是在20世紀70年代初提出來的，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，從而實現(xiàn)實時補償諧波電流的目的。隨著中國電能質(zhì)量治理工作的深入開展，使用以瞬時無功功率理論為理論基礎(chǔ)的有源濾波器進行諧波治理將會有巨大的市場潛力。在不間斷電源（UPS）中的應(yīng)用：UPS緊急供電系統(tǒng)是電力自動化系統(tǒng)安全可靠運行的根本保證，是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。現(xiàn)代UPS普遍采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,降低了電源的噪聲,提高了效率和可靠性。電力電子技術(shù)已迅速發(fā)展成為一門獨立的技術(shù)、學(xué)科領(lǐng)域。它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國民經(jīng)濟的各個工業(yè)部門。毫無疑問，它將成為新世紀的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。電力電子技術(shù)擁有許多微電子技術(shù)所具有的特征，比如發(fā)展迅速、滲透力強、生命力旺盛，并且能與其它學(xué)科相互融合和相互發(fā)展。電力電子技術(shù)也具有其自身的特色，如高電壓、大容量及控制功率范圍大，因此技術(shù)創(chuàng)新必須跨越高電壓大功率這一關(guān)。當前電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢是：高電壓、大容量化、高頻化，主電路及保護控制電路模塊化、產(chǎn)品小型化、智能化和低成本化。而對于電力電子產(chǎn)品而言，用于電力系統(tǒng)的電能變換設(shè)備、服務(wù)于環(huán)保和人類健康的電源裝置、適合信息社會需要的電源產(chǎn)品、小型電源模塊與裝置以及高效節(jié)能低污染的"綠色"電源產(chǎn)品將是21世紀的主流產(chǎn)品?？梢灶A(yù)見，在未來現(xiàn)有的電力電子器件的性能會得到不斷改進，新的器件和先進的技術(shù)會不斷出現(xiàn)。電力電子器件的發(fā)展水平及參考價格電力電子技術(shù)包括功率半導(dǎo)體器件與IC技術(shù)、功率變換技術(shù)及控制技術(shù)等幾個方面，其中電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)，也是電力電子技術(shù)發(fā)展的“龍頭”。從1958年美國通用電氣（GE）公司研制出世界上第一個工業(yè)用普通晶閘管開始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機組和靜止的離子變流器進入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時代，這標志著電力電子技術(shù)的誕生。

到了70年代，晶閘管開始形成由低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。同時，非對稱晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等晶閘管派生器件相繼問世，

廣泛應(yīng)用于各種變流裝置。由于它們具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、響應(yīng)快等優(yōu)點，其研制及應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。由于普通晶閘管不能自關(guān)斷，屬于半控型器件，因而被稱作第一代電力電子器件。在實際需要的推動下，隨著理論研究和工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量和類型等方面得到了很大發(fā)展，先后出現(xiàn)了GTR、GTO、功率MOSET等自關(guān)斷、全控型器件，被稱為第二代電力電子器件。近年來，電力電子器件正朝著復(fù)合化、模塊化及功率集成的方向發(fā)展，如IGBT、MCT、HVIC等就是這種發(fā)展的產(chǎn)物。普通晶閘管及其派生器件晶閘管誕生后，其結(jié)構(gòu)的改進和工藝的改革，為新器件的不斷出現(xiàn)提供了條件。

1964年，雙向晶閘管在GE公司開發(fā)成功，應(yīng)用于調(diào)光和馬達控制；1965年，小功率光觸發(fā)晶閘管出現(xiàn)，為其后出現(xiàn)的光耦合器打下了基礎(chǔ)；

60年代后期，大功率逆變晶閘管問世，成為當時逆變電路的基本元件；

1974年，逆導(dǎo)晶閘管和非對稱晶閘管研制完成。普通晶閘管廣泛應(yīng)用于交直流調(diào)速、調(diào)光、調(diào)溫等低頻（400Hz以下）領(lǐng)域，運用由它所構(gòu)成的電路對電網(wǎng)進行控制和變換是一種簡便而經(jīng)濟的辦法。不過，這種裝置的運行會產(chǎn)生波形畸變和降低功率因數(shù)、影響電網(wǎng)的質(zhì)量。目前水平為12kV/1kA和6500V/4000A。雙向晶閘管可視為一對反并聯(lián)的普通晶閘管的集成，常用于交流調(diào)壓和調(diào)功電路中。正、負脈沖都可觸發(fā)導(dǎo)通，因而其控制電路比較簡單。其缺點是換向能力差、觸發(fā)靈敏度低、關(guān)斷時間較長，其水平已超過2000V/500A。光控晶閘管是通過光信號控制晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的器件，它具有很強的抗干擾能力、良好的高壓絕緣性能和較高的瞬時過電壓承受能力，因而被應(yīng)用于高壓直流輸電（HVDC）、靜止無功功率補償（SVC）等領(lǐng)域。其研制水平大約為8000V/3600A。逆變晶閘管因具有較短的關(guān)斷時間（10～15s）而主要用于中頻感應(yīng)加熱。在逆變電路中，它已讓位于GTR、GTO、IGBT等新器件。目前，其最大容量介于2500V/1600A/1kHz和800V/50A/20kHz的范圍之內(nèi)。非對稱晶閘管是一種正、反向電壓耐量不對稱的晶閘管。而逆導(dǎo)晶閘管不過是非對稱晶閘管的一種特例，是將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。與普通晶閘管相比，它具有關(guān)斷時間短、正向壓降小、額定結(jié)溫高、高溫特性好等優(yōu)點，主要用于逆變器和整流器中。目前，國內(nèi)有廠家生產(chǎn)3000V/900A的非對稱晶閘管。全控型電力電子器件門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）1964年，美國第一次試制成功了500V/10A的GTO。在此后的近10年內(nèi)，GTO的容量一直停留在較小水平，只在汽車點火裝置和電視機行掃描電路中進行試用。自70年代中期開始，GTO的研制取得突破，相繼出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的產(chǎn)品，目前已達9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。GTO有對稱、非對稱和逆導(dǎo)三種類型。與對稱GTO相比，非對稱GTO通態(tài)壓降小、抗浪涌電流能力強、易于提高耐壓能力（3000Ｖ以上）。逆導(dǎo)型GTO是在同一芯片上將GTO與整流二極管反并聯(lián)制成的集成器件，不能承受反向電壓，主要用于中等容量的牽引驅(qū)動中。在當前各種自關(guān)斷器件中，GTO容量最大、工作頻率最低（1～2kHz）。GTO是電流控制型器件，因而在關(guān)斷時需要很大的反向驅(qū)動電流；

GTO通態(tài)壓降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要龐大的吸收電路。目前，GTO雖然在低于2000V的某些領(lǐng)域內(nèi)已被GTR和IGRT等所替代，但它在大功率電力牽引中有明顯優(yōu)勢；

今后，它也必將在高壓領(lǐng)域占有一席之地。大功率晶體管（GTR）GTR是一種電流控制的雙極雙結(jié)電力電子器件，產(chǎn)生于本世紀70年代，其額定值已達1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具備晶體管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開關(guān)損耗小、開關(guān)時間短，在電源、電機控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛。GTR的缺點是驅(qū)動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開關(guān)電源和UPS內(nèi)，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。功率MOSFET功率MOSFET是一種電壓控制型單極晶體管，它是通過柵極電壓來控制漏極電流的，因而它的一個顯著特點是驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率小；

僅由多數(shù)載流子導(dǎo)電，無少子存儲效應(yīng)，高頻特性好，工作頻率高達100kHz以上，為所有電力電子器件中頻率之最，因而最適合應(yīng)用于開關(guān)電源、高頻感應(yīng)加熱等高頻場合；沒有二次擊穿問題，安全工作區(qū)廣，耐破壞性強。功率MOSFET的缺點是電流容量小、耐壓低、通態(tài)壓降大，不適宜運用于大功率裝置。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。復(fù)合型電力電子器件絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）IGBT是由美國GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，當時容量僅500V/20A，且存在一些技術(shù)問題。經(jīng)過幾年改進，IGBT于1986年開始正式生產(chǎn)并逐漸系列化。至90年代初，IGBT已開發(fā)完成第二代產(chǎn)品。目前，第三代智能IGBT已經(jīng)出現(xiàn)，科學(xué)家們正著手研究第四代溝槽柵結(jié)構(gòu)的IGBT。IGBT可視為雙極型大功率晶體管與功率場效應(yīng)晶體管的復(fù)合。通過施加正向門極電壓形成溝道、提供晶體管基極電流使IGBT導(dǎo)通；

反之，若提供反向門極電壓則可消除溝道、使IGBT因流過反向門極電流而關(guān)斷。IGBT集GTR通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點于一身，因此備受人們青睞。它的研制成功為提高電力電子裝置的性能，特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。

比較而言，IGBT的開關(guān)速度低于功率MOSFET，卻明顯高于GTR；IGBT的通態(tài)壓降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的電流、電壓等級與GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研制水平已達4500V/1000A。由于IGBT具有上述特點，在中等功率容量（600V以上）的UPS、開關(guān)電源及交流電機控制用PWM逆變器中，IGBT已逐步替代GTR成為核心元件。另外，IR公司已設(shè)計出開關(guān)頻率高達150kHz的WARP系列400～600VIGBT，其開關(guān)特性與功率MOSFET接近，而導(dǎo)通損耗卻比功率MOSFET低得多。該系列IGBT有望在高頻150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低開關(guān)損耗。IGBT的發(fā)展方向是提高耐壓能力和開關(guān)頻率、降低損耗以及開發(fā)具有集成保護功能的智能產(chǎn)品。MOS控制晶閘管（MCT）MCT最早由美國GE公司研制，是由MOSFET與晶閘管復(fù)合而成的新型器件。每個MCT器件由成千上萬的MCT元組成，而每個元又是由一個PNPN晶閘管、一個控制MCT導(dǎo)通的MOSFET和一個控制MCT關(guān)斷的MOSFET組成。MCT工作于超掣住狀態(tài)，是一個真正的PNPN器件，這正是其通態(tài)電阻遠低于其它場效應(yīng)器件的最主要原因。MCT既具備功率MOSFET輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快的特性，又兼有晶閘管高電壓、大電流、低壓降的優(yōu)點。其芯片連續(xù)電流密度在各種器件中最高，通態(tài)壓降不過是IGBT或GTR的1/3，而開關(guān)速度則超過GTR。此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面積通斷，故MCT具有很強的導(dǎo)通di/dt和阻斷dV/dt能力，其值高達2000A/

s

和2000V/

s。其工作結(jié)溫亦高達150～200℃。

已研制出阻斷電壓達4000V的MCT，75A/1000VMCT已應(yīng)用于串聯(lián)諧振變換器。

隨著性能價格比的不斷優(yōu)化，MCT將逐漸走入應(yīng)用領(lǐng)域并有可能取代高壓GTO，與IGBT的競爭亦將在中功率領(lǐng)域展開。功率集成電路（PIC）PIC是電力電子器件技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是機電一體化的關(guān)鍵接口元件。將功率器件及其驅(qū)動電路、保護電路、接口電路等外圍電路集成在一個或幾個芯片上，就制成了PIC。一般認為，PIC的額定功率應(yīng)大于1W。功率集成電路還可以分為高壓功率集成電路（HVIC）、智能功率集成電路（SPIC）和智能功率模塊（IPM）。

HVIC是多個高壓器件與低壓模擬器件或邏輯電路在單片上的集成，由于它的功率器件是橫向的、電流容量較小，而控制電路的電流密度較大，故常用于小型電機驅(qū)動、平板顯示驅(qū)動及長途電話通信電路等高電壓、小電流場合。已有110V/13A和550V/0.5A、80V/2A/200kHz以及500V/600mA的HVIC分別用于上述裝置。SPIC是由一個或幾個縱型結(jié)構(gòu)的功率器件與控制和保護電路集成而成，電流容量大而耐壓能力差，適合作為電機驅(qū)動、汽車功率開關(guān)及調(diào)壓器等。IPM除了集成功率器件和驅(qū)動電路以外，還集成了過壓、過流、過熱等故障監(jiān)測電路，并可將監(jiān)測信號傳送至CPU，以保證IPM自身在任何情況下不受損壞。當前，IPM中的功率器件一般由IGBT充當。由于IPM體積小、可靠性高、使用方便，故深受用戶喜愛。IPM主要用于交流電機控制、家用電器等。已有400V/55kW/20kHzIPM面市。自1981年美國試制出第一個PIC以來，PIC技術(shù)獲得了快速發(fā)展；今后，PIC必將朝著高壓化、智能化的方向更快發(fā)展并進入普遍實用階段。電力電子器件的應(yīng)用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各個方面，實際的需要必將極大地推動器件的不斷創(chuàng)新。

微電子學(xué)中的超大規(guī)模集成電路技術(shù)將在電力電子器件的制作中得到更廣泛的應(yīng)用；

具有高載流子遷移率、強的熱電傳導(dǎo)性以及寬帶隙的新型半導(dǎo)體材料，如砷化鎵、碳化硅、人造金剛石等的運用將有助于開發(fā)新一代高結(jié)溫、高頻率、高動態(tài)參數(shù)的器件。從結(jié)構(gòu)看，器件將復(fù)合型、模塊化；

從性能看，發(fā)展方向?qū)⑹翘岣呷萘亢凸ぷ黝l率、降低通態(tài)壓降、減小驅(qū)動功率、改善動態(tài)參數(shù)和多功能化；

從應(yīng)用看，MPS電力整流管、MOSFET、IGBT、MCT是最有發(fā)展前景的器件。今后研制工作的重點將是進一步改善MPS的軟反向恢復(fù)特性，提高IGBT和MCT的開關(guān)頻率和額定容量，研制智能MOSFET和IGBT模塊，發(fā)展功率集成電路以及其它功率器件。GTO將繼續(xù)在超高壓、大功率領(lǐng)域發(fā)揮作用；

功率MOSFET在高頻、低壓、小功率領(lǐng)域具有竟爭優(yōu)勢；

超高壓（8000V以上）、大電流普通晶閘管在高壓直流輸電和靜止無功功率補償裝置中的作用將會得到延續(xù)，而低壓普通晶閘管和GTR則將逐步被功率MOSFET（600V以下）和IGBT（600V以上）所代替；

MCT最具發(fā)展前途?？梢灶A(yù)見，電力電子器件的發(fā)展將會日新月異，電力電子器件的未來將充滿生機。本專業(yè)最近的有價值的就業(yè)招聘信息電裝電氣工程師北京現(xiàn)代汽車有限公司公司規(guī)模：1000人以上公司性質(zhì)：中外合營(合資．合作)公司行業(yè)：汽車·摩托車(制造·維護·配件·銷售·服務(wù)),機械制造·機電·重工職位信息：職位性質(zhì)：全職發(fā)布日期：2009-10-29工作經(jīng)驗：不限學(xué)歷要求：本科以上招聘人數(shù)：若干語言能力：不限職位月薪：3000～3999簡歷語言：中文工作地點：北京職位描述：1.根據(jù)整車技術(shù)規(guī)范,制定電子電氣件的技術(shù)要求等；

2.負責電子電氣件的設(shè)計開發(fā),改進,問題跟蹤解決等；

3.參與供應(yīng)商開發(fā),主要負責技術(shù)評審和技術(shù)溝通；

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4.具備一定的溝通協(xié)調(diào)能力,能至少運用一門外語。聯(lián)系方式：公司網(wǎng)址：/電氣開發(fā)測試工程師東芝電梯（中國）有限公司公司規(guī)模：1000人以上公司性質(zhì)：中外合營(合資．合作)公司行業(yè)：機械制造·機電·重工職位信息：職位性質(zhì)：全職發(fā)布日期：2009-10-30工作經(jīng)驗：不限學(xué)歷要求：本科以上招聘人數(shù)：1人語言能力：不限簡歷語言：中文工作地點：上海職位描述：工作內(nèi)容：電梯控制中心的電氣開發(fā)相關(guān)的測試工作。職位要求：1、電子相關(guān)專業(yè)本科以上學(xué)歷；2、應(yīng)屆生、經(jīng)驗者均歡迎。聯(lián)系方式：地址：上海市寶山區(qū)蕰川路685號郵編：201901公司網(wǎng)址：/電氣品設(shè)計師上海日立家用電器有限公司公司規(guī)模：1000人以上公司性質(zhì)：外商獨資．外企辦事處公司行業(yè)：家電業(yè)職位信息：職位性質(zhì)：全職發(fā)布日期：2009-10-30工作經(jīng)驗：不限學(xué)歷要求：本科以上招聘人數(shù)：若干語言能力：英語/良好,日語/一般簡歷語言：中文工作地點：上海職位描述：適用人員：應(yīng)屆畢業(yè)生或有相關(guān)經(jīng)驗者都可工作內(nèi)容：從事空調(diào)機電氣品部分的結(jié)構(gòu)、電氣控制電路設(shè)計要求學(xué)歷：大學(xué)本科要求專業(yè)：電子自動控制專業(yè)/電子技術(shù)要求經(jīng)驗：應(yīng)屆生或具備制造行業(yè)電氣品設(shè)計經(jīng)驗要求技能：具備SolidWor