电力电子技术的经典教程电子书免费下载

　　我们现在要开始学习一个新的学科——电力电子技术（ Power Electronics Technology）。它的应用前景是十分广阔的，并且在国民经济的主战场发挥着越来越大的作用。

　　1．电力电子技术的定义

　　电力电子技术结合了电力技术、电子技术和控制技术等三个领域，是一门新兴的很有前途的一门学科。我们可以用一个倒△来表示电力电子技术的集合，这就是Newell 所提出的“倒三角”定义，已为各国所接受，即把电力电子学定义为一门交叉于电气工程三大领域：电力、电子和控制之间的边缘科学，如图1 所示。

　　电力电子技术是以电力电子器件为基础。电力电子器件的功能是将以往传统的机械产业、电力与微电子技术融为一体。极大地推动了传统产业的技术革命，促进了机电一体化的发展。

　　国际电气和电子工程师协会（IEEE）的电力电子学会将电力电子技术表述为：有效地使用电力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术。

　　电力电子技术中包括了电压变换、电流变换、频率变换、波形变换等。因此，早期我国也称电力电子技术为半导体变流技术。

　　2．电力电子学的任务

　　我们知道全国电网提供的是 50HZ 交流电，但好多场合需要直流电；而在航空、航天环境下为了减少应用电源的重量，需要400Hz 的交流电；也有的场合需要频率可调的交流电。电力电子学的任务就是通过应用电力半导体器件的控制作用，实现对电网的供电电源加以变换或控制，从而将不同形式的电源提供给各种不同的应用场合。

　　3．电力电子技术是在器件的基础上发展起来的

　　以开关方式工作的电力半导体器件是现代电力电子技术的基础和核心。电力半导体器件的每一步新发展，都带来电力电子技术的革命、带动变换、电路技术的相应突破。

　　1958 年美国贝尔电报电话公司研制出世界上第一个晶闸管（ Thyristor ），工作电流只有十几安培。但是由于它具有在电流、电压、频率三个方面的自由度的发展潜力，引起世界的重视，发展很快，为电子学进入功率系统开辟了一个新纪元。由此带来电力电子技术的革命。

　　工作于工频（50~60HZ）的普通整流管、晶闸管，开关功率可达 5000V/5000A。器件的发展方向是开发高速器件，尤其是自身兼有开通和关断能力的所谓全控型器件。

　　70 年代后各种高速、全控型器件的先后问世，使电力电子器件在电力电子领域应用越来越广泛。如 GTO（可关断晶闸管）、GTR（大功率晶体管）、PowerFET（功率场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅功率晶体管）、MCT（MOS 控制晶闸管）等等。

　　器件容量的扩大、结构原理的更新使器件的生产更加成熟。如电力电子器件的基本理论从电流模式发展到电荷控制模式，出现了短路阴极理论表面理论，GTO 从一维关断理论发展到二维关断模式，引入了阴极短路、隐埋门极等等新结构；GTR 的达林顿结构形式引伸到各式各样的复合器件，成为 MOS-双极型复合器件的基本结构形式。特别是微电子技术与电力器件制造技术相结合所产生的集成功率器件，使得以往不被重视的电力半导体一跃而成为高科技发展之列。

　　我国的整流二极管和晶闸管的生产水平可由西安电力电子技术研究所生产的 KP 型晶闸管作为代表。在直径77mm硅片上，制造出电流达1600~2500A，电压4400~1800V；1982 年引进美国 GE 公司整流管、晶闸管制造技术和关键工艺设备，2001 年引进 ABB 公司 Φ125mm 2600~3000A/7200~8500V 的 HVDC 生产技术，产品应用于三峡直流输电工程； 2002 年引进西门子公司直径 125mm，3000A/8500V 的光控晶闸管技术生产线，产品应用于三峡直流输电工程；其次是北京整流器厂的生产水平为 1100~2500A，电压 4500 ~5000V。2005 年研制成功国产100mm 直径高压大功率晶闸管。

　　GTR 的生产水平可用北京椿树整流器厂和上海海燕半导体厂为代表，生产水平为 50 ~800A，1200~1600V。 GTO 的生产水平可用北京椿树整流器厂和上海整流器厂的生产线作为代表，600 ~2500A，电压 4500~1800V。

　　功率 MOS 场效应管国内已有2000 多伏的产品。

　　IGBT 和MCT 等国内起步较晚，仍旧以日本等国产品独霸市场。

　　电力电子器件花样繁多，各国都在扬长避短，构思新的复合器件。除了 IGBT、MCT 绪 论 3 外，功率集成电路PIC 就是生产需要的必然产物，它体积小、成本低、可靠性高、功能强。可以具有逻辑判断、控制、自动保护、自动检测、传感、自诊断等能力。

　　在绪论中我们已经了解到，电力电子技术是生产的需要发展起来的。而电力电子技术是依赖电力电子器件的发展而起发展来的。也就是说，电力电子器件既是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的强大动力。可以说没有电子器件，就没有电力电子技术的今天。

　　我们学习电力电子技术，器件是基础，变流是核心。电力电子学是以电子器件为基础，掌握器件的物理特性，工作状态，对电子器件的正确应用是非常重要的。电力电子开关器件是一切电力电子变流装置的基本元素。它可以按设计者规定的方式把输入到负载的电能周期性地接通和关断，使负载获得所需的能量形式。另外还可通过控制接通时间的长短来调节传递到负载的能量大小。

　　下面从应用的角度出发来介绍常用的电力电子器件，同学们分析时要明白器件的导通和关断形式及其控制方法，了解电力电子器件的器件的符号、工作机理、特性、基本参数、驱动方法和保护方法。

　　我们先来对电力电子器件做一个简单的划分。

　　第一代器件：（20 世纪 40 年代~70 年代）

　　不可控器件：功率二极管（包括水银整流器、硅整流块）；

　　半可控器件：晶闸管及其派生器件；

　　第二代器件：（20 世纪 80 年代）

　　全控型器件：可关断晶闸管、功率晶体管、功率场效应管；

　　第三代器件：（20 世纪 90 年代及以后）

　　功率 IC、IGBT（绝缘栅双极晶体管）、MCT（MOSFET 晶闸管）、HVIC （功率高压集成电路）、SMARTPOWERIC（功率智能集成电路）、S-IC（功率专用集成电路）。

　　这些器件中，晶闸管的应用最为广泛，可以说，晶闸管是近代变流技术的核心。近年开发的主要是第二代和第三代产品，但第三代产品仍然受到功率的限制，只能应用在中小功率的场合。器件的发展正在冲破这一限制。电力电子器件具有功耗小、效率高、控制能力强等特点，随着新型器件的广泛应用，其工作频率也在不断提高，这样必然使电力电子装置的体积减小，重量变轻，应用场合进一步扩宽。本章主要介绍功率二极管、晶闸管及其派生器件、可关断器件的 GTO、GTR、 IGBT、SIT、SITH、MCT。而且这些器件正向着高频化、全控化、集成化、多功能化的方向发展，给我们的使用带来了极大的方便。