现代电力电子技术
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2023年3月17日发(作者：岗位承诺书)现代电力电子技术的
发展、现状与未来展
望综述
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课程报告
现代电力电子技术的发展、现状与
未来展望综述
学院：电气工程学院
姓名：*********
学号:14*********
专业：*****************
指导教师：*******老师
0引言
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电力电子技术就是使用电力半导体器件对电能进行变换和控制的技术，它
是综合了电子技术、控制技术和电力技术而发展起来的应用性很强的新兴学
科。随着经济技术水平的不断提高，电能的应用已经普及到社会生产和生活的
方方面面，现代电力电子技术无论对传统工业的改造还是对高新技术产业的发
展都有着至关重要的作用，它涉及的应用领域包括国民经济的各个工业部门。
毫无疑问，电力电子技术将成为21世纪的重要关键技术之一。
1电力电子技术的发展［1］
电力电子技术包含电力电子器件制造技术和变流技术两个分支，电力电子
器件的制造技术是电力电子技术的基础。电力电子器件的发展对电力电子技术
的发展起着决定性的作用，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史
为纲的。
1.1半控型器件（第一代电力电子器件）
上世纪50年代，美国通用电气公司发明了世界上第一只硅晶闸管(SCR)，
标志着电力电子技术的诞生。此后，晶闸管得到了迅速发展，器件容量越来越
大，性能得到不断提高，并产生了各种晶闸管派生器件，如快速晶闸管、逆导
晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。但是，晶闸管作为半控型器件，只能通
过门极控制器开通，不能控制其关断，要关断器件必须通过强迫换相电路，从
而使整个装置体积增加，复杂程度提高，效率降低。另外，晶闸管为双极型器
件，有少子存储效应，所以工作频率低，一般低于400Hz。由于以上这些原
因，使得晶闸管的应用受到很大限制。
1.2全控型器件（第二代电力电气器件）
随着半导体技术的不断突破及实际需求的发展，从上世纪70年代后期开
始，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极晶体管（BJT）和电力场效应晶体
管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通
过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。此外，这些器件
的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。这些优点使电力电
子技术的面貌焕然一新，把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。
1.3电力电子器件的新发展
为了解决MSOFET在高压下存在的导通电阻大的问题，RCA公司和GE公司
于1982年开发出了绝缘栅双极晶体管（IGBT）,并于1986年开始正式生产并逐
渐系列化。IGBT是MOS⁃FET和BJT得复合，它把MOSFET驱动功率小、开关速度
快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，使
之很快成为现代电力电子技术的主导器件。与IGBT相对应，MOS控制晶闸管
(MCT)和集成门极换流晶闸管（IGCT）都是MOSFET和GTO的复合，它们都综合
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了MOSFET和GTO两种器件的特点。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减
小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，给应用带
来了很大的方便。后来，又把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，
构成功率集成电路（PIC）。功率集成电路代表了电力电子技术的一个重要发展
方向。
近年来，在高压硅器件领域，世界各国的研究者关注的重点是利用新结
构、新工艺去突破极限，挖掘潜力，努力推进各类器件性能的进一步改善，包
括在获得合理通态电阻的前提下研制耐压更高的超结器件。比如，ABB公司在
2008年IEEE功率半导体器件及集成电路会议（InternationalSymposiumon
PowerSemicon⁃ductorDevicesandIcs，缩写为ISPSD）上报道了该公司新
研制的逆导型IGBT（RC-IGBT），耐压高达3300V。这种RC-IGBT是在阳极
（或集电极）设置N+短路区，CE反偏时即可将P阱处P-N结的电流引出，构成
与IGBT共享导电体积的反并联二极管。该结构优化了IGBT和内集二极管的性
能，并且使二者通态电压均实现了正温度系数，制成的1cm2芯片的额定电流
为62.5A，模块的额定电流高达2250A。
1.4基于新型材料的电力电子新器件
从晶闸管问世到各种高性能IGBT的出现，电力电子器件经过几十年的发展
基本上都表现为对器件结构原理和制造工艺的改进和创新，在材料的应用上始
终没有突破硅的范围。随着硅材料和硅工艺的日趋完善，各种硅器件的性能逐
步趋于其理论极限。而现代电力电子技术的发展却不断对电力电子器件的性能
提出了更高的要求，尤其是希望器件的功率和频率得到更高程度的兼顾。因
此，越来越多的电力电子器件研究工作转向了对应用新型半导体材料制造新型
电力电子器件的研究。结果表明，就电力电子器件而言，硅材料并不是最理想
的材料，比较理想的材料应当是临界雪崩击穿电场强度、载流子饱和漂移速度
和热导率都比较高的宽禁带半导体材料，这种材料比较典型的有砷化镓
(GaAs)、碳化硅(SiC)等。目前，随着这些材料的制造技术和加工工艺日渐成
熟，使用宽禁带半导体材料制造性能更加优越的电力电子新器件已成为可能
[3]。21世纪初，碳化硅肖特基势垒二极管(SBD)首先揭开了碳化硅器件在电力电
子领域替代硅器件的序幕。随后，高耐温、高耐压的碳化硅场效应器件、碳化
硅IGBT、碳化硅双极型器件纷纷出现，预示着不远的将来集高电压、大电流、
高工作频率等优点于一身的新型器件即将诞生。
2现代电力电子技术的应用
现代电力电子技术是高效节能、节约原材料、实用性极强的高新技术，具
有广阔的应用空间。不仅用于一般工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、
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通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明，空调等家用电器及其他领域
中也有广泛的应用。现就两个重要的应用领域加以阐述。
2.1一般工业
工业中大量应用各种交直流电机，全世界用电量有60%左右是电动机消耗
掉的。直流电动机有良好的调速性能，为其供电的可控整流电源或直流斩波电
源都是电力电子装置。近年来，随着交流变频调速技术的发展，交流调速传动
开始大量应用并占据主导地位。用于交流变频调速的变频器更离不开电力电子
技术。不仅如此，电化学工业中大量使用的直流电源也是由电力电子装置提供
的；冶金工业中的高频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等都要用电
力电子技术。
2.2电力系统
电力电子技术在电力系统中的应用表现在发电、输电、配电、用电的各个
环节。（1）发电环节。电力电子技术在发电环节中的应用，一方面表现在改善
传统发电设备的运行特性上，比如大型发电机的静止励磁采用晶闸管整流并励
方式时具有结构简单、可靠性高及造价低等优点；另一方面表现在风能、太阳
能并网发电等新能源利用上，比如太阳能电池阵列直流电转换为交流电的系统
核心是具有最大功率跟踪功能的逆变器。（2）输电环节。高压直流输电技术在
远距离输电时优越性很多。1970年，世界第一项晶闸管换流阀试验工程在瑞典
建成，标志着电力电子技术正式用于直流输电。其后，随着全控型器件的出现
及PWM控制技术的成熟，新一代HVDC技术应用越发广泛。基于电力电子技术用
于改善电网环境的有源电力滤波器（APF）、静止无功补偿器（SVC）也获得实
际应用[3].技术与现代控制技术结合的柔性交流输电技术（FACTS）对电力系统
电压、参数、相位角、功率潮流的连续调控可大幅降低输电损耗，提高输电能
力和系统稳定水平。近年来，柔性交流输电技术（FACTS）已在美国、日本、瑞
典、巴西等国获得实际应用，国内也有深入研究和发展；（3）配电及用电环
节。用户电力（CustomPower，简写为CP）技术是电力电子技术和现代控制技
术在配用电系统中的应用，它和FACTS技术原理相同，主要用于加强供电可靠
性和提高供电质量。典型的CP产品有动态电压恢复器（DVR）、固态断路器
（SSCB）、故障电流限制器（FCL）、统一电能质量调节器（UPQC）等。
3现代电力电子技术发展趋势及应用前景
电力电子技术从诞生到发展壮大到有今日的辉煌,经历了十分艰难的发展
历程。电力电子技术从本质上讲属于强电电子技术的范畴,但是完成强电变换
的主回路要用弱电来实现智能化、数字化和最优化控制,这样就会不断有各种
层次的问题在工程实践中被发现、被提出,提出的这些问题正是电力电子学理论
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发展和新型器件诞生的强大推动力。电力电子装置的研发必须解决元器件选
择、主电路拓扑设计、控制方案设计及优化、电磁兼容设计、结构布局和传热
设计、可靠性及冗余设计直至工程实施等一系列技术难题。电力电子技术的发
展也离不开相关理论与基础工业的支撑。下面,我们从技术发展的角度,基于对
电力电子技术从诞生到发展的回顾以及目前崭露头角的新苗头,来初步展望电
力电子技术及其应用在今后五至十年内可能出现的新发展。、
3.1新型大功率高耐压半导体器件
功率MOSFET、IGBT(绝缘栅双极性晶体管)、IGCT(集成换流型晶闸
管)、IEGT(注入增强栅晶体管)、IPM(智能IGBT功率模块)等新型器件的开发
使用使得大功率电力电子装置的高频化成为可能。超快恢复功率二极管,
MOSFET的同步整流技术的开发使得大电流低电压(1-3V)输出的高频开关电源
的研制突破了瓶颈。今后功率半导体器件将继续向提高性能、集成化方向发展,
由单片集成向高组装密度的混合集成方向发展,新型整机合一的集成智能模块,
将全面推广应用。此外,新型碳化硅半导体器件亦会出现,并将得到普遍应
用。
3.2软开关技术及应用
软开关技术的诞生、发展和应用使得电力电子装置和电子电源的高效率、
高可靠、高频化和小型轻量化真正成为可能。这一技术给电力电子学和开关电
源带来了一次真正意义的革命。今后,软开关技术将日臻完善,电力电子装置
主电路拓朴的结构、参数和相关控制方案的优化将由更加成熟的仿真技术和计
算机辅助工程来完成,使高频变换器的变换频率、效率和可靠性进一步提高,
一种全新的中转母线配以直接安装在功能插件上的微型VTM功率晶片(电压转
换模块)的供电方案将会在工程中推广应用。
3.3全面控制电气参数的变换,实现电能的波形重组
一切电力电子装置其实质都是为了将输入装置的电气参数,变换成用户所
需的输出电气参数。最基本的电气参数有:电压、电流、频率、相数以及波形
等。随着现代控制理论和控制技术研究的进展,DSP、微处理器和一些超大规模
专用控制芯片已成为许多电力电子变换装置控制环节的核心,再加上半导体技
术的进步,使得电能波形的全面重组和优化成为可能。也使得高效率用电和高
品质用电成为可能。无电磁污染的“绿色”电力电子装置,将会被越来越多地投
入应用。
3.4大容量静止无功发生器(SVG)
SVG是现代柔性交流输电系统中最基础、最重要的装置之一,也将是21
世纪电力系统的三项重大变革之一。SVG是现代电网进行无功调节的主要手段,
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SVG的并网使用将大大提高系统的暂态和动态稳定性,提高电网电压的稳定
性、有效减少电力系统的故障范围,同时还可在不增建新发电厂和不增加输电
通道的条件下增加供电和输电能力,我国±20MVA的SVG已投入使用,±
50MVA的SVG正在研制,±100MVA的SVG已进行可行性论证。
3.5电机节能调速系统
电动机拖动系统要消耗全国用电量的62%左右,既是第一用电大户,也是
节能潜力最大的用户。我国政府在本世纪初提出了电机系统节能计划,在今后
五年内,将投入500亿元,争取年节电达1000亿KWH,这是一项十分艰巨的
任务,特别是作为国民经济各重要行业中所用到的中电压(1-10KV)大功率(400
-2000KW)电机系统,实现调速节能还有许多复杂的问题有待解决。实现大功率
和中小功率电机系统的节能调速,被普遍看好的途经是采用IGBT构建的多电
平、级联式、无污染的变频器。近些年出现的永磁无刷电动机及其“直流变
频”调速系统在电机的调速性能和节能效果等方面都显示出极强的生命力。它
的显著特点是用永磁代替外电激磁(仅此即可节电4-8%),用提取转子的位置
信号来控制的电子换向替代电刷换向,这种拖动系统调速范围宽、低速转矩
大、启动迅速,因而可免去许多场合下使用的齿轮变速箱或皮带传动,大大减
少噪声。因此这种永磁无刷电动机的“直流变频”调速系统已在许多领域取代
交流异步电动机的变频调速系统,在发达国家,已广泛应用于工业、军工以及
家用电器等领域,特别是已成功应用于先进的水中武器-电雷的动力驱动系统之
中,我国在这一领域起步稍晚,但发展势头良好。此外,中小功率的无刷电机
及调速系统的科研、生产以及在工业、家电等领域的应用都非常活跃,前景看
好。
3.6给新型微处理器供电的新一代低电压大电流稳压电源模块(VRM)
随着半导体工业的飞速发展,各种微处理器和超大规模集成电路的集成密
度越来越高,更新换代周期越来越短,这就要求为之供电的稳压电源模块能迅
速适应飞速发展的要求,以满足各种快速微处理器、数据处理系统、服务器、
工作站等等设备的要求。英特尔公司从1989年推出486到1997年推出奔腾
4,平均二年更新一次,给微处理器供电的电压越来越低,所需电流越来越大,
以奔腾4为例,其供电电压为1.6V(在1.1-1.85V间可调),额定工作电流
为60A,据报导,到2010年超大规模集成电路的供电电压将降低到0.5∽
0.9V,而输出电流则增大到100-200A,将给为之供电的VRM提出更高的要
求和挑战。现代VRM的关键技术是采用MOSFET同步整流技术(还期待MOSFET
性能的进一步提高)和多通道BUCK变换技术以及寄生参量的控制、控制策略优
化等等。
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当前,电力电子技术已进入高频化，标准模块化，集成化和智能时代。理论
和实验证明电气产品的体积与质量反比于供电频率的平方根，频率提高对其设
备的制造省材，运行节能和系统性能改善(尤其对航天工业)意义十分深远。电
力电子器件高频化是其创新的主导方向，硬件结构的标准模块是器件发展的必
然趋势。目前先进模块已和包括开关元件和与其反向并联的续流二极管及驱动
保护电路多个单元且均以器件标准化和产品系列化，其一致性与可靠性达到极
高水平。现日本三菱、东芝及美国的国际整流器公司已有成熟的IPM智能化功
率模块产品推出。电力电子技术随着新元器件的研发及现代计算机、控制技术
的迅速发展而应用领域更加广泛，应用性能更加完善可靠，并引起了电力系统
的重大变革，新的大功率电力电子器件的研发和应用将成为21世纪电力研究的
前沿。
3.7非电磁感应电源变换技术
传统的开关电源和大多数电力电子变换装置都要采用电磁感应变压器来完
成能量传递和原付边的电隔离,电磁感应变压器的应用同时会带来电磁噪声的
传递及电磁兼容等问题,非电磁感应开关电源的显著优点是极大地改善了电磁
兼容性能,几乎不产生电磁污染、变换效率高以及利于集成化、小型模块化,
是一项极有前途的电源变换技术。目前,世界各国都在至力于研究并应用所谓
的“非电磁感应电源变换技术”,最近推出的典型产品有美国ASTRODYNE公
司的DRL系列开关电源系列:电源的输入电压范围:85Vac∽265Vac,输出电
压:5V∽48V,输出功率:从25W至320W。
3.8电力电子学领域还将继续面对下列技术问题
如何进一步提高电力电子变换装置和系统的电磁兼容性;为了构造高可靠性
不断电的开关电源供电系统,如何更好地解决多个开关电源间的并联冗余、负
载分配控制、带电拨插、故障隔离报警以及如何减少由于并联冗余运行带来的
附加电压和功率损耗;新型高性能磁性材料和器件的开发以及在电力电子变换系
统中的应用等等。
参考文献
[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.
[2]吴郁.2008年IEEE功率半导体器件及集成电路国际会议评述[J].电力电子，
2009（2）：6-16.
[3]王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京：机械工业
出版社，2005.