《现代电力电子电路》

尽管电力电子技术作为一个学科仅有半个世纪的历史，但由于它对国民经济有明显作用，得到国内外的普遍重视，因而发展非常迅速，以致目前所用的技术，无论在功率器件、电路拓扑、控制方法和装置性能等方面都与初期有明显差别。具体而言有以下几个方面的特点:

一、绝缘栅晶体管(IGBT)的崛起和功率晶体管(GTR)的淡出

早期的功率器件是晶削管(SCR),SCR是一种半控型器件，用它组成的电路简称半控型电路，其基本特点是容量大，但电路结构复杂，开关频率低，功率密度和整机效率不高。GTR的应用，使电力电子电路由半控型转为全控型，并在不同程度上克服了SCR电路存在的缺点，因而在中小功率领域中出现了GTR电路取代SCR电路的局面。和功率场效应晶体管(PowerMOSFET)相比较,GTR具有导通内阻低和阻断电压高的优点，但其输入特性却远逊十Pow.er MOSFET。因为GTR是一种电流控制型器件.其开通增益仅为(5~10),这对大功率器件控制电路的制作工艺和电能消耗都是沉重负担。此外，为了减低噪声.现代电源要求器件以超音频工作.但在硬开关环境中,GTR的典型开关频率仅为kHz.这显然无法满足上述要求;与此相反，MOSFET是一种电压控制型器件，控制功率极低、它同时又是一种高频器件，完全能在超音频硬开关环境中工作。由此看来.GTR和MOSFET的优缺点具有明显的互补性，因此希望研制一种新型器件，其输人特性和开关频率与MOSFET相似;而输出特性和开关容量則与GTR相似，这种器件就是IGBT，实际上它是一种用MOS门控制的品体管。实践证明.用MOS门控概念来发展新型器件系列这一-技术路线是行之有效的。由于IGBT具有GTR 和 Power MOSFET 都无法具备的性能.在短短几年间.IGBT 就完全占据了原来GTR的应用领城并使电力电子电路进入到超音频时代。

二、模块化和功率集成电路(PIC)的出现

就内部结构而言,MOSFET和IGBT 都是功率集成器件(PID),例如一只IGBT是由10个单胞集成而来的;但就这些器件的外部结构而言，早期却都是分立式的，因而在实用时必须为每个器件安置独立的散热器，这自然影响电路功率密度的提高。模块技术的应用解决了这一问题。所谓器件模块化是指将多个PID按电路拓扑安置在一起以构成功率模块(PM)。PM的外光是导热的绝缘体，因而可用一个散热器，这就明显地提高电路的功率密度和可靠性。例如，欧洲某公司生产的在线式不间断电源系统(UPS),对输出容量为30kVA的间一产品，其逆变电路用SCR时.整机功率密度为9.23kVA/m2.用分立式GTR时为20kVA/m2,而用GTR模块则为35.3kVA/m2。

随着集成技术的进步，功率模块逐渐向智能化方向发展，也即模块内部除主电路器件之外、还包含相应的各种接口电路、保护电路(含过流、过压和过热保护)和驱动电路，故也称智能功率模块(IPM)或功率集成电路(PIC)。这是电力电子技术的一大进步，说明集成电路已从信息电子技术领域扩展到功率电子技术领域。尽管目前已有的IPM和PIC在功率等级上还很有限，但已在各个应用领域中显示出明显的优点。

三.脉冲宽度调制(PWM)控制技术的广泛应用

PWM是诸多斩波控制方式中的-种，它维持开关周期恒定并通过功率器件的占空比控制输出量的大小,最初京用于直流交换电路(1C-DC).尔后将这种方式与频率控制相结合、产生「应用于逆变电路(TXC-AC)的PWM控制技术:用改变调制信号频率实现输出电压基波频率的调节;用改变调制信号幅值实现输出电压荔波頓值的调节、与方波逆变电路相比较,PWM逆变电路具有以下优点:

(1)兼民压控和颗控功能:方波逆变电路的输出电压頓偵调节必须藉助于直流电压或桥间相控方式，逆变电路自身无剥压功能。由于PWM逆变电路可通过改变调制信号輪值实现输出电压调节，这样既可简化直流环节，又可提高控制反应速度

(2)减低输出电压的谐波含量:减低输出电压的谱波含量以简化输出滤波环节，提商电路的功率密度和反应速度，一直为各种变换电路所祈望。与方波逆变电路相比，PWM逆变电路

输出电压谐波含業降低，而且载波频率越高，谐波含量便越低，必须指出，在SCR电路时期.PWM技术的上述优点并没有得到充分发挥.这是由于提高载波频率就意味着提高SCR的开关额率.但是由丁关断时间的限制、在硬开关环境中，SCR的频率仅为1kilz左右;面与此相反，IGBT在相同开关环境下.其开关额率可达20kHz(超育频).这就为发挥 PWM优点创造了远优于 SCR 和GTR的客观条件。事实证明.IGBTPWM逆变电路输出电的谐波含量远低干SCR和GTRPWM逆变电路.这就使得 PWM控制方式成为当今逆变电路的主要控制方式。

由于PWM控制方式在DXC-DC和DCAC变换领域中所显示的优点，人们开始尝试将它推广应用到整流电路(AC-DC)和交流变换电路(ACAC)。众所周知,以往的整流电路以SCR构成并采用相位控制方式，是技术嚴成熟、历史最悠久的一种变换电路、但它同时也存在很多问题.如由于采用相控方式.网侧功率因数较低.谐波含量很高，在电力电子装置应用日广的今天.这种情况使公共电网受到严重污染，不仅有害于网间负载，也会对各种信息设备产生干扰。人们为解决这些问題曾做过很多努力，提出很多措施.但都没有彻底解决.原因是依然采用相控方式。相反，如果在整流电路中采用PWM控制方式(相应地主电路改用全控型器件).上述问题便可迎刃而解，因此.PWM整流电路尽管目前还没有普遍应用，但终将会成为整流电路的宅要形式

在以往的ACAC变换中，主要是采用相控和频控相结合的相频控制方式，同样由于电网频率低，存在输出电谐波含量高、控制时滞长、装置噪声大等弱点。在采用PWM控制方式后.这些点会在不同程度上.得到克服，但这种进步是以功率器件改用IGBT或MOSFET等全控型器件为代价，所率的是随着技术的进步和生产规模化，全挖型器件的售价已逐步降低，

四、高频化的趋势和软开关技术的提出

提高器件的开关频率可以使电路获得多方面的好处,例如.超音频电路具有更高的功密和可幕性，低噪声和快速响应能力，因而高频化成为现代电力电子电路的特点。但由于器件的开关损耗与开关额率成正比.频率越高，器件和电路的损耗越大，电路效率也越低;除此之外，开关赖半越高，电路中电量的变率也越高，电路所产生的电磁于扰(EM1)也越强，对环境的污染也越产重，所有这些都是不希望出现的。为了提高电路效率，降低EM1强度，必须设法降低器件的损耗，为此可采取以下两方面措施:

(1)设法缩短器件的开关时间:也即是研制频率特性更为优越的器件。众所周知，器件的开关时间越短，每次开关所花费的能耗便越小，这一措施的难点在于器件各项性能参数间的相互制约，因而开关时间的缩短要受到其他参数的制约。但必须指出，电力电子技术的发展表明，器件性能的改良乃至新器件的出现，对技术的发展起着更为深远的影响.IGBT的表现便是很好的例证。

(2)设法改善器件在电路中的开关环境;电路中器件开关环境(也即是器件在电路中的开关运行条件)的优劣会直接影响到器件开关损耗大小。例如在感性负载下，器件将在满压下开通，又在满载下关断.这种在大电流高电压条件下的开关操作必然产生很大的能耗，现在将这种升关环境称为硬开关方式，具有硬开关环境的PWM控制相应简称为硬PWM控制，

如果能够做到开关过程中器件电流和电压相错位，就有希望将器件损耗降低，例如在零电或零电流条件下开关，器件都不可能产生开关损耗，具有上述条件的开关环境称为软开关环境.具有软开关环境的PWM控制简称为软PWM控制。

对器件所在电路进行改造以实现软开关的技术称为软开关技术，是当今电力电子技术的发展前沿领域之-一，迄今为止，用来实现软开关的主要技术措施有:(1)精助电路控制信号的合理安排以实现软开关，此类电路泛称为控制型软开关电路;(2)在电路中增设缓冲电路以实现软开关.此类电路泛称为缓冲型软开关电路:(3)在育流侧或交流僞设置谐振电路以实现软开关，此类电路泛称谐振型软开关电路可以看出，除了控制型电路之外.其他类型的软开关电路都是在电路中增设附加电路，这自然会增加电路的成本和复杂性，例如.缓冲型软开关电路必须在电路中附加有源或无源缓冲电路，而这些电路在形式上与SCR电路中的有源或无源换流电路十分相似，这就相当于使得全控型电路可省去换流电路的优点完全断送。因此.软升关技术还有许多工作要做.日前的成

就还足很初步的、距离商品化还有相当长道路要走。綜上所述，以目前的电路技术尚未能妥善解决賴率提高所遇到的问題;换言之.在现有电路技术和元器体性能水平下，对产品而言，存在一个合理的上限额率。(1)器件单元:包含第一章Power MOSFET 和第二IGBT和MCT。在材上看重于MOSFET以及由MOS门控概念衍生出米的系列器件,内容着重于电路运行条件(含器件的开关环境)对器件性能的影响。目的在于帮助读者能正确使用器件，并使之在电路中发挥最大效能。

(2)硬PWM电路单元:本单元包含第三章到第六拿，分別介绍硬开关条件下各种PWM变换电路的工作原理。它们是 PWM DC-DC电路.PWM DC-AC电路、PWM AC-AC电路和PWM AC-DXC:电路.在PWM ACDC电路中还闸述当前各式网侧功率因数校正电路(PFC)的

工作原理(3)软PWM电路单元:本单元包含第七章到第十章，分别介绍控制型电路、缓冲型电路和谐振型电路的工作原理。由于这些电路还处在不断完善之中，尽管是本学科的前沿，但稳定性较差。然而从发展趋势看.软PWM电路是现代电力电子电路的重要内容、是国内外关注的前沿，并将在今后得到更好的究实和发展

在本节编写过程中，参考了国内外有关单位和学者的著作和文章，在此谨表衷心谢意。黄敏超和蒋健同志协助插图整理，李桂云和社希武同志对本书初稿进行详细勘审，在此一并致谢本书可作为电力电子技术专业研究生教材，也可作为从事本专业科技工作人员的参考书。由丁电力电子技术发展十分迅速，而作者水平又很有限，书中疏误之处，敬请读者指正。