電力電子技術(shù)的經(jīng)典教程電子書免費下載

　　我們現(xiàn)在要開始學(xué)習(xí)一個新的學(xué)科——電力電子技術(shù)（ Power Electronics Technology）。它的應(yīng)用前景是十分廣闊的，并且在國民經(jīng)濟的主戰(zhàn)場發(fā)揮著越來越大的作用。

　　1．電力電子技術(shù)的定義

　　電力電子技術(shù)結(jié)合了電力技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)等三個領(lǐng)域，是一門新興的很有前途的一門學(xué)科。我們可以用一個倒△來表示電力電子技術(shù)的集合，這就是Newell 所提出的“倒三角”定義，已為各國所接受，即把電力電子學(xué)定義為一門交叉于電氣工程三大領(lǐng)域：電力、電子和控制之間的邊緣科學(xué)，如圖1 所示。

　　電力電子技術(shù)是以電力電子器件為基礎(chǔ)。電力電子器件的功能是將以往傳統(tǒng)的機械產(chǎn)業(yè)、電力與微電子技術(shù)融為一體。極大地推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革命，促進了機電一體化的發(fā)展。

　　國際電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）的電力電子學(xué)會將電力電子技術(shù)表述為：有效地使用電力半導(dǎo)體器件，應(yīng)用電路和設(shè)計理論以及分析開發(fā)工具，實現(xiàn)對電能的高效能變換和控制的一門技術(shù)。

　　電力電子技術(shù)中包括了電壓變換、電流變換、頻率變換、波形變換等。因此，早期我國也稱電力電子技術(shù)為半導(dǎo)體變流技術(shù)。

　　2．電力電子學(xué)的任務(wù)

　　我們知道全國電網(wǎng)提供的是 50HZ 交流電，但好多場合需要直流電；而在航空、航天環(huán)境下為了減少應(yīng)用電源的重量，需要400Hz 的交流電；也有的場合需要頻率可調(diào)的交流電。電力電子學(xué)的任務(wù)就是通過應(yīng)用電力半導(dǎo)體器件的控制作用，實現(xiàn)對電網(wǎng)的供電電源加以變換或控制，從而將不同形式的電源提供給各種不同的應(yīng)用場合。

　　3．電力電子技術(shù)是在器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的

　　以開關(guān)方式工作的電力半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)和核心。電力半導(dǎo)體器件的每一步新發(fā)展，都帶來電力電子技術(shù)的革命、帶動變換、電路技術(shù)的相應(yīng)突破。

　　1958 年美國貝爾電報電話公司研制出世界上第一個晶閘管（ Thyristor ），工作電流只有十幾安培。但是由于它具有在電流、電壓、頻率三個方面的自由度的發(fā)展?jié)摿?，引起世界的重視，發(fā)展很快，為電子學(xué)進入功率系統(tǒng)開辟了一個新紀(jì)元。由此帶來電力電子技術(shù)的革命。

　　工作于工頻（50~60HZ）的普通整流管、晶閘管，開關(guān)功率可達(dá) 5000V/5000A。器件的發(fā)展方向是開發(fā)高速器件，尤其是自身兼有開通和關(guān)斷能力的所謂全控型器件。

　　70 年代后各種高速、全控型器件的先后問世，使電力電子器件在電力電子領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。如 GTO（可關(guān)斷晶閘管）、GTR（大功率晶體管）、PowerFET（功率場效應(yīng)晶體管）、IGBT（絕緣柵功率晶體管）、MCT（MOS 控制晶閘管）等等。

　　器件容量的擴大、結(jié)構(gòu)原理的更新使器件的生產(chǎn)更加成熟。如電力電子器件的基本理論從電流模式發(fā)展到電荷控制模式，出現(xiàn)了短路陰極理論表面理論，GTO 從一維關(guān)斷理論發(fā)展到二維關(guān)斷模式，引入了陰極短路、隱埋門極等等新結(jié)構(gòu)；GTR 的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)形式引伸到各式各樣的復(fù)合器件，成為 MOS-雙極型復(fù)合器件的基本結(jié)構(gòu)形式。特別是微電子技術(shù)與電力器件制造技術(shù)相結(jié)合所產(chǎn)生的集成功率器件，使得以往不被重視的電力半導(dǎo)體一躍而成為高科技發(fā)展之列。

　　我國的整流二極管和晶閘管的生產(chǎn)水平可由西安電力電子技術(shù)研究所生產(chǎn)的 KP 型晶閘管作為代表。在直徑77mm硅片上，制造出電流達(dá)1600~2500A，電壓4400~1800V；1982 年引進美國 GE 公司整流管、晶閘管制造技術(shù)和關(guān)鍵工藝設(shè)備，2001 年引進 ABB 公司 Φ125mm 2600~3000A/7200~8500V 的 HVDC 生產(chǎn)技術(shù)，產(chǎn)品應(yīng)用于三峽直流輸電工程； 2002 年引進西門子公司直徑 125mm，3000A/8500V 的光控晶閘管技術(shù)生產(chǎn)線，產(chǎn)品應(yīng)用于三峽直流輸電工程；其次是北京整流器廠的生產(chǎn)水平為 1100~2500A，電壓 4500 ~5000V。2005 年研制成功國產(chǎn)100mm 直徑高壓大功率晶閘管。

　　GTR 的生產(chǎn)水平可用北京椿樹整流器廠和上海海燕半導(dǎo)體廠為代表，生產(chǎn)水平為 50 ~800A，1200~1600V。 GTO 的生產(chǎn)水平可用北京椿樹整流器廠和上海整流器廠的生產(chǎn)線作為代表，600 ~2500A，電壓 4500~1800V。

　　功率 MOS 場效應(yīng)管國內(nèi)已有2000 多伏的產(chǎn)品。

　　IGBT 和MCT 等國內(nèi)起步較晚，仍舊以日本等國產(chǎn)品獨霸市場。

　　電力電子器件花樣繁多，各國都在揚長避短，構(gòu)思新的復(fù)合器件。除了 IGBT、MCT 緒 論 3 外，功率集成電路PIC 就是生產(chǎn)需要的必然產(chǎn)物，它體積小、成本低、可靠性高、功能強。可以具有邏輯判斷、控制、自動保護、自動檢測、傳感、自診斷等能力。

　　在緒論中我們已經(jīng)了解到，電力電子技術(shù)是生產(chǎn)的需要發(fā)展起來的。而電力電子技術(shù)是依賴電力電子器件的發(fā)展而起發(fā)展來的。也就是說，電力電子器件既是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，也是電力電子技術(shù)發(fā)展的強大動力。可以說沒有電子器件，就沒有電力電子技術(shù)的今天。

　　我們學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)，器件是基礎(chǔ)，變流是核心。電力電子學(xué)是以電子器件為基礎(chǔ)，掌握器件的物理特性，工作狀態(tài)，對電子器件的正確應(yīng)用是非常重要的。電力電子開關(guān)器件是一切電力電子變流裝置的基本元素。它可以按設(shè)計者規(guī)定的方式把輸入到負(fù)載的電能周期性地接通和關(guān)斷，使負(fù)載獲得所需的能量形式。另外還可通過控制接通時間的長短來調(diào)節(jié)傳遞到負(fù)載的能量大小。

　　下面從應(yīng)用的角度出發(fā)來介紹常用的電力電子器件，同學(xué)們分析時要明白器件的導(dǎo)通和關(guān)斷形式及其控制方法，了解電力電子器件的器件的符號、工作機理、特性、基本參數(shù)、驅(qū)動方法和保護方法。

　　我們先來對電力電子器件做一個簡單的劃分。

　　第一代器件：（20 世紀(jì) 40 年代~70 年代）

　　不可控器件：功率二極管（包括水銀整流器、硅整流塊）；

　　半可控器件：晶閘管及其派生器件；

　　第二代器件：（20 世紀(jì) 80 年代）

　　全控型器件：可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管、功率場效應(yīng)管；

　　第三代器件：（20 世紀(jì) 90 年代及以后）

　　功率 IC、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）、MCT（MOSFET 晶閘管）、HVIC （功率高壓集成電路）、SMARTPOWERIC（功率智能集成電路）、S-IC（功率專用集成電路）。

　　這些器件中，晶閘管的應(yīng)用最為廣泛，可以說，晶閘管是近代變流技術(shù)的核心。近年開發(fā)的主要是第二代和第三代產(chǎn)品，但第三代產(chǎn)品仍然受到功率的限制，只能應(yīng)用在中小功率的場合。器件的發(fā)展正在沖破這一限制。電力電子器件具有功耗小、效率高、控制能力強等特點，隨著新型器件的廣泛應(yīng)用，其工作頻率也在不斷提高，這樣必然使電力電子裝置的體積減小，重量變輕，應(yīng)用場合進一步擴寬。本章主要介紹功率二極管、晶閘管及其派生器件、可關(guān)斷器件的 GTO、GTR、 IGBT、SIT、SITH、MCT。而且這些器件正向著高頻化、全控化、集成化、多功能化的方向發(fā)展，給我們的使用帶來了極大的方便。