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1.2 电力电子技术的发展历史

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,因此,电力电子技术的发展是以电力电子器件的发展为基础的。电力电子技术的发展史如图1-2所示。

一般认为,电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。但在晶闸管出现之前,电力电子技术就已经用于电力变换了。因此,晶闸管出现前的时期称为电力电子技术的史前期或黎明期。

图1-2 电力电子技术的发展史

1876年出现了硒整流器。1904年出现了电子管,它能在真空中对电子流进行控制,并应用于通信和无线电,从而开创了电子技术的先河。1911年出现了金属封装的水银整流器,它把水银封于管内,利用对其蒸汽的点弧可对大电流进行控制,其性能与晶闸管已经非常相似。20世纪30~50年代是水银整流器发展迅速并广泛应用的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所,以及轧钢用直流电动机的传动。然而,水银整流器所用水银对人体有害,水银整流器的电压降落也很高,很不理想。

1947年12月,美国贝尔实验室研制出锗晶体管,引发了电子技术的一场革命。1953年出现了锗功率二极管。1954年出现的硅二极管是最先用于电力领域的半导体器件。1957年诞生了晶闸管,一方面由于其变换能力的突破,另一方面由于实现了弱电对以晶闸管为核心的强电变换电路的控制,使之很快取代了水银整流器和旋转变流机组,进而使电力电子技术步入了功率领域。变流装置由旋转方式变为静止方式,具有提高效率、缩小体积、减轻重量、延长寿命、消除噪声、便于维修等优点。因此,其优越的电气性能和控制性能在工业上引起了一场技术革命。

在之后的20年内,随着晶闸管特性不断提高,晶闸管已经形成了从低电压、小电流到高电压、大电流的系列产品。同时研制出一系列晶闸管的派生器件,如快速晶闸管(Fast Switching Thyristor,FST)、逆导晶闸管(Reverse Conducting Thyristor,RCT)、双向晶闸管、光控晶闸管等,大大地推动了各种电力变换器在冶金、电化学、电力工业、交通及矿山等行业中的应用,促进了工业技术的进步,形成了以晶闸管为核心的第一代电力电子器件,也称为传统电力电子技术阶段。

晶闸管通过对门极的控制可以使其导通,而不能使其关断,因此属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式,简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。晶闸管在额定电流、额定电压这两个方面仍然有一定的发展余地,但以下原因阻碍了它们的继续发展:①由于它是半控器件,要想关断它必须用强迫换相电路,结果使得电路复杂、体积增大、重量增加、效率较低以及可靠性下降;②由于器件的开关频率难以提高,一般低于400Hz,限制了它的应用范围;③由于相位运行方式使电网及负载上产生严重的谐波,不但电路功率因数降低,而且对电网产生公害。随着工业生产的发展,迫切要求新的器件和变流技术出现,以便改进或取代传统的电力电子技术。

20世纪70年代后期,以门极关断(Gate-Turn-Off,GTO)晶闸管、电力双极型晶体管(Giant Transistor,GTR)、电力场效应晶体管(PowerMOSFET)为代表的第二代自关断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,既可以使其导通,又可以使其关断。另外,这些器件的开关速度普遍快于晶闸管,可以用于开关频率较高的电路。这些器件优越的特性使得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。

和晶闸管电路的相位控制方式相对应,采用全控型器件的电路主要控制方式为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)方式。PWM控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的地位。它在逆变、直流斩波、整流、交流变交流控制等电力电子电路中均可应用。PWM使电路的控制性能大大改善,使以前难以实现的功能得以实现,对电力电子技术的发展产生了深远的影响。

20世纪80年代,出现了以绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)为代表的第三代复合型场控半导体器件。它是MOSFET和BJT的复合,将MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT的通态压降小、载流能力大、可承受电压高的优点集于一身,性能十分优越,使之成为现代电力电子技术的主导器件。另外还出现了静电感应晶体管(Static Induction Transistor,SIT)、静电感应式晶闸管(Static Induction Thyristor,SITH)、MOS控制晶闸管(MOS Controlled Thyristor,MCT)和集成门极换流晶闸管(Integrated Gate-Commutated Thyristor,IGCT)等器件。这些器件不仅有很高的开关频率(一般为几十到几百千赫兹),而且有更高的耐压性,电流容量大,可以构成大功率、高频的电力电子电路。

20世纪80年代后期,电力半导体器件的发展趋势是模块化、集成化,按照电力电子电路的各种拓扑结构,将多个相同的电力半导体器件或不同的电力半导体器件封装在一个模块中,这样可以缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。已经出现的第四代电力电子器件,即功率集成半导体器件(Power IC,PIC)将电力电子器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯片上,开辟了电力电子器件智能化的方向,应用前景广阔。目前经常使用的智能功率模块(Intelligent Power Module,IPM),除了功率集成器件和驱动电路以外,还集成了过电压、过电流和过热等故障检测电路,并可将监测信号传送至CPU,以保证IPM自身不受损害。 hmelCuW4+Sa+0d/Bg94EJFE+vkcu6vIV0cTIyWBtE2Etulp9gmq/ZKNkNsIvnS2E

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