變流技術與半導體電力變流器

22變流技術的發(fā)展

變流技術的發(fā)展，已經歷了三個階段。

（1）第一階段

第一階段是基于電子管、離子管（閘流管、汞弧整流器、高壓汞弧閥）的發(fā)展與應用，當時把這一學科稱作工業(yè)電子學（IndustrialElectronics)。這一階段的研究工作，主要是集中在整流、逆變和變頻技術的開發(fā)上。變流技術的應用領域主要是直流傳動，直流牽引，電化、電冶、中頻、高頻淬火、加熱，高壓直流輸電等。由于直流傳動，直流牽引，電化電冶在變流技術應用中占有壓倒的優(yōu)勢，因此，那時將直流傳動、牽引、電化稱作變流行業(yè)的三大支柱。其實從變流技術的分類來看，它屬于整流變換，是變流技術的一小部分。

（2）第二階段

第二階段是基于硅整流管、晶閘管的發(fā)展與應用，主要是晶閘管。在我國始于20世紀60年代初，電力電子學（PowerElectronics）問世，并取代了工業(yè)電子學。由于變流技術的基本理論——整流、逆變、變頻技術的研究，可以說在第一階段已經完成，這已不是第二階段的研究主題。這一階段主要是針對硅整流管、晶閘管取代電子管、離子管以后出現(xiàn)的新問題，（如硅整流管、晶閘管的阻斷電壓不高，通態(tài)電流不大，耐受過電壓、過電流沖擊能力不強，應用中稍有異常狀況出現(xiàn)，便會造成器件永久性損壞）開展的應用研究，諸如：觸發(fā)電路的研究、器件并聯(lián)均流措施的研究、器件串聯(lián)均壓措施的研究、器件換相過程中防止開通過電流、關斷過電壓的緩沖（阻尼）電路的研究、變流裝置過電壓保護、過電流保護、過熱保護的研究，以及器件的熱容量與變流系統(tǒng)故障時系統(tǒng)短路電流及快速熔斷器短路容量的保護配合研究等。隨著器件制造水平的不斷提高，變流裝置保護措施的不斷完善，使得硅整流管、晶閘管在變流裝置中的應用技術日趨成熟。

如同任何新生事務的發(fā)展都是勢不可擋一樣，硅整流管、晶閘管在變流技術中的應用與發(fā)展，亦是勢不可擋。它很快便取代了汞弧整流器在變流技術中的地位，使我國進入了電力電子技術的開發(fā)與應用階段，而我國的汞弧整流器制造業(yè)在完成自己的歷史使命后于1972年正式停產。它不僅在所謂變流技術三大支柱產業(yè)中完全取代了汞弧整流器，并且功率更大，即使在高壓直流輸電領域，世界上第一個高壓晶閘管換流閥于1970年在瑞典哥特蘭島直流輸電工程中投運，宣告了高壓汞弧閥在高壓直流輸電領域中歷史使命的終結。除此而外，它還取代了用于電鍍、蓄電池充電、發(fā)電廠（站）與變電站直流系統(tǒng)的電動機—發(fā)電機組；取代了發(fā)電機的直流勵磁機組。

這一時期，隨著整流管特別是晶閘管制造技術水平的不斷提高，半導體變流技術所涉及的應用領域不斷得到擴展。例如，快速晶閘管的開發(fā)大大促進了中頻感應加熱、熔煉、淬火電源（1kHz～8kHz）的發(fā)展；為國防建設和高科技研究服務的晶閘管低頻電源、400Hz中頻電源、高精度穩(wěn)壓電源與穩(wěn)流電源相繼開發(fā)出來；還有許多應用領域，不再贅述。

以晶閘管應用為核心的這一發(fā)展階段，無論是整流、逆變、變頻，其變換都是通過對晶閘管的門極進行移相控制（α、β）而實現(xiàn)的，即相控型的變換技術。由于晶閘管屬于非自關斷（全控）器件，它又是電流型控制器件，所以在高頻應用領域，它還無法取代閘流管和電子管，只在低頻大功率領域占優(yōu)勢。

在這一階段，關于實現(xiàn)DC/DC變換的斬波技術的研究已經開展，并且率先應用在直流牽引調速中。公交無軌電車上所用的晶閘管調速，即是DC/DC變換應用的實例。只不過由于晶閘管是半控器件，將其用在DC/DC變換中，為了強迫其關斷，主電路、控制電路較為復雜，但是其節(jié)能效果是顯著的。

（3）第三階段

第三階段是基于全控型電力半導體器件的發(fā)展與應用，是半導體電力變流器向高頻化發(fā)展的階段，也是變流裝置的控制方式由移相控制（PhaseshiftControl）向時間比率控制(TimeRatioControl—TRC）發(fā)展的階段。時下將采用上述二種控制方式的變流裝置（電源）簡單地稱作相控電源和開關電源的說法是不確切的，這是因為在半導體電力變流器中，承擔功率變換的電力電子器件就是作為無觸點開關來應用的，無論是相控電源還是時間比率控制電源都是工作在開關狀態(tài)，因此，稱為移相控制電源和時間比率控制電源的比較確切。

TRC一般有三種，即脈沖寬度調制（PulseWidthModuration－PWM），脈沖頻率調制(PulseFrequencyModulation－PFM)，混合調制（PWM＋PFM)。PWM方式因為調制頻率固定，即調制周期T恒定（或基本不變），通過改變控制脈沖的占空比D進行變換電路的調節(jié)，從而使濾波電路的設計比較簡單，所以常用的TRC是PWM方式。

第三階段的發(fā)展是隨著全控型器件的發(fā)展而逐漸展開的。

首先以GTO、GTR等雙極型全控器件的應用為代表，使逆變、變頻、斬波變換電路的結構大為簡化，使變換的頻率可以提高到20kHz左右，為電氣設備的高頻化、小型化、高效、節(jié)能、節(jié)材奠定了基礎。但是由于GTO、GTR是電流型控制器件，控制電路功率大，且變換頻率也不能很高。

隨著變換頻率的不斷提高，PWM電路的缺點便逐漸暴露了出來。由于PWM電路屬硬開關電路，一方面使電路中的變換器件工作時所承受的電壓應力及電流應力大，同時變換過程中高的dv/dt、di/dt又會產生嚴重的電磁干擾，使電氣電子設備電磁兼容的問題突出；另一方面器件開通與關斷損耗的問題逐漸棘手，嚴重制約了變換頻率的進一步提高。于是建立在諧振、準諧振原理之上的軟開關電路，即所謂的零電壓開關（ZVS）與零電流開關（ZCS）電路問世。它是利用諧振進行換相的一種新型變流電路，實現(xiàn)了器件在零電壓下的導通和零電流下的關斷，從而大大降低了器件的開關損耗，這樣一來，TRC技術＋軟開關技術使得變換頻率進一步得到提高。

之后以功率MOSFET、IGBT等電壓型控制的、混合型全控器件的應用為代表，真正實現(xiàn)了高頻化，使變換頻率達到100kHz～500kHz甚至更高，為電氣電子設備更加高頻化、小型化、高效、節(jié)能、節(jié)材創(chuàng)造了條件。

從以上敘述可知，第三階段主要是電力半導體器件向全控型、模塊化、集成化、智能化發(fā)展，半導體變流技術向高頻化發(fā)展的時期，其結果是實現(xiàn)了從傳統(tǒng)的電力電子技術（晶閘管與移相控制）向現(xiàn)代電力電子技術（全控型器件與TRC＋軟開關技術）的跨越，具有劃時代的意義。僅就高頻化帶來的技術進步與節(jié)能、節(jié)材的實效，對于降低單產能耗，提高綜合經濟效益的影響都是巨大的。

時值今日，晶閘管的應用領域，絕大部分已經或即將被功率集成器件所取代，只是在大功率、特大功率的電化、電冶電源以及與電力系統(tǒng)有關的高壓直流輸電（HVDC），靜止式動態(tài)無功功率補償裝置（SVC），串聯(lián)可控電容補償裝置（SCC）等應用領域，晶閘管暫時還不能被取代。

3半導體變流技術與電源技術的關系

將半導體變流技術與電源技術的關系說成是兩個獨立的學科之間的關系是不科學的。實際上電源技術應該屬于電力電子技術的范疇，而且是其一小部分，這是因為：

（1）電源技術所用的半導體功率變換器件屬于電

力半導體器件；

（2）電源技術所要解決的問題仍離不開功率變

換，其理論基礎就是半導體變流技術；

（3）電源技術所涉及的交直流穩(wěn)定電源、UPS等，

皆是半導體電力變流器的內容，至于AC/DC，DC/AC，AC/AC，DC/DC變換技術，也是半導體變流技術早已解決了的題目；

（4）電源技術所應用的化學電源—蓄電池，物理

電源—發(fā)電機、太陽能電池，則各自分屬一個學科、一個行業(yè)，電源技術只是拿來使用它們而已；

（5）電磁兼容的問題，更是一個大題目，屬于無線電技術的范疇，電源技術也是利用信息傳遞過程中的電磁兼容通用技術，主要是用來解決高頻化給電源本身和其它電子設備帶來的電磁干擾問題。

電源技術由于其特定的應用場合，其功率不是很大，屬于中小功率，所以基于時間比率控制＋軟開關技術的高頻變換技術，在電源技術的應用中具有廣闊的發(fā)展前景，完全取代相控變換技術只是時間早晚的問題。

4靜止式固態(tài)斷路器

電力電子器件開通、關斷的可控性，不能不使人們想到用它來作電路開關的可能性。特別是電力電子器件在關斷時不會產生電弧這一特點，更是具有重要的使用價值，這對于解決象含有易燃、易爆氣體和粉塵的環(huán)境的輸配電問題意義重大。

目前，利用電力電子器件的低壓小功率的固態(tài)（體）開關，已經得到了廣泛應用，效果很好。在電力電子器件的正反向阻斷電壓已達到10kV～12kV，通態(tài)電流已達到3kA甚至更高的情況下，隨著器件制造成本的不斷下降，用于電力系統(tǒng)的高壓靜止式固態(tài)斷路器現(xiàn)已處于開發(fā)應用階段。這將是電力電子技術的又一個新的應用領域。