導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇現代電力電子技術論文，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內容能為您提供靈感和參考。

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1、整流器時代

大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。

2、逆變器時代

七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。

3、變頻器時代

進入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展,為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發展,為用電設備的高效節材節能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。

二、電力電子技術的應用

1、一般工業

工業中大量應用各種交直流電動機。直流電動機有良好的調速性能，給其供電的可控整流電源或直流斬波電源都是電力電子裝置。近年來，由于電力電子變頻技術的迅速發展，使得交流電機的調速性能可與直流電機相媲美，交流調速技術大量應用并占據主導地位。大至數千kW的各種軋鋼機，小到幾百W的數控機床的伺服電機，以及礦山牽引等場合都廣泛采用電力電子交直流調速技術。一些對調速性能要求不高的大型鼓風機等近年來也采用了變頻裝置，以達到節能的目的。還有些不調速的電機為了避免起動時的電流沖擊而采用了軟起動裝置，這種軟起動裝置也是電力電子裝置。電化學工業大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。電力電子技術還大量用于冶金工業中的高頻、中頻感應加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。

2、交通運輸

電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術。電氣機車中的直流機車中采用整流裝置，交流機車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術更是一項關鍵技術。除牽引電機傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術。電動汽車的電機靠電力電子裝置進行電力變換和驅動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠變頻器和斬波器驅動并控制。飛機、船舶需要很多不同要求的電源，因此航空和航海都離不開電力電子技術。如果把電梯也算做交通運輸，那么它也需要電力電子技術。以前的電梯大都采用直流調速系統，而近年來交流變頻調速已成為主流。3、電力系統

電力電子技術在電力系統中有著非常廣泛的應用。據估計，發達國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經過一次以上電力電子變流裝置的處理。電力系統在通向現代化的進程中，電力電子技術是關鍵技術之一。可以毫不夸張地說，如果離開電力電子技術，電力系統的現代化就是不可想象的。直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置。近年發展起來的柔流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實現的。無功補償和諧波抑制對電力系統有重要的意義。晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）都是重要的無功補償裝置。近年來出現的靜止無功發生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等新型電力電子裝置具有更為優越的無功功率和諧波補償的性能。在配電網系統，電力電子裝置還可用于防止電網瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進行電能質量控制，改善供電質量。

在變電所中，給操作系統提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。

4、電子裝置用電源

各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現在已改為采用全控型器件的高頻開關電源。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內部的電源現在也都采用高頻開關電源。在各種電子裝置中，以前大量采用線性穩壓電源供電，由于高頻開關電源體積小、重量輕、效率高，現在已逐漸取代了線性電源。因為各種信息技術裝置都需要電力電子裝置提供電源，所以可以說信息電子技術離不開電力電子技術。

5、家用電器

照明在家用電器中占有十分突出的地位。由于電力電子照明電源體積小、發光效率高、可節省大量能源，通常被稱為“節能燈”，它正在逐步取代傳統的白熾燈和日光燈。變頻空調器是家用電器中應用電力電子技術的典型例子。電視機、音響設備、家用計算機等電子設備的電源部分也都需要電力電子技術。此外，有些洗衣機、電冰箱、微波爐等電器也應用了電力電子技術。電力電子技術廣泛用于家用電器使得它和我們的生活變得十分貼近。

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中圖分類號：TM1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）12-0229-01

現如今的高新技術有很多都是和電網的相位、電壓、電流和頻率等基本參數的轉換與控制相關。現代電力電子技術能實現對這些參數的高效處理與精確控翻，對大功率的電能頻率的變換能夠得到很好的實現，這樣可以支持多項高新技術的發展。

1 現代電力電子技術的內涵

現如今電力電子技術主要是處理的對象時功率，主要是來實現高效率和高品質的用電。電力電子技術主要通過電力半導體器件和自動控制技術、計算機和電磁技術的三者綜合運用來實現獲取、傳輸、變換和利用。在各種高質量、高效和高可靠性的電源中能夠起到非常重要的作用，可以讓當代的電力電子技術得到很充分的運用。功率IGBT和MOSFET是非常具有代表性，其功率半導體復合器件主要具有高頻、高壓和大電流等的特點。這類的特點也意味著傳統的電力電子技術不能夠適應現如今的社會發展，電力電子技術已經進入了一個全新的高速發展的時代。具有功能驅動、節能明顯和先進等特點的IGBT，MOSFET等新型電力電子器件，所以可以在新型家電、感應加熱、通信、計算機電源和電動交通工具等領域中有很好的發展前景。

2 現代電力電子技術的歷史沿革

電子技術和微電子技術在80年代以來在各自的發展滯后得到了有效的結合，也就產生了全新概念的全控型的高頻化電力電子集成器件。可關斷晶體管（GTO）電力晶體管（GTR）以及此類晶體管的模塊也得到了實用化。從此滯后，各種高頻化和全控化的新型器件也相繼出現，例如（功率MOSFET）絕緣門板晶體管（IGT或IGBT）、靜電感應晶體管（SIT）、靜電感應晶閘管（srrH）、MOS晶闡管（MCT），MOS晶體管（MGT）。這也意味著一個具有高頻化和全控型的全新電力電子器件時代的誕生，傳統的電力電子技術即將被淘汰。代電力電子技術大跨步進入高速發展的新時代。新一代電力電子器件的特點主要有多功能化、高頻化、全控化和集成化。新型多功能的器件的出現促進了控制系統和變流電路的技術不斷發展和成熟。現如今電力電子技術主要是由各種PWM電路、高頻斬波電路和脈寬調制雙零諧振電路組成。因此從今天的時代進入變頻器，極大地豐富了電力電子技術的功能，不斷開拓新的應用領域的時代的傳統不斷變化的需求的電力電子技術。

3 現代電力電子技術的發展

電力電子技術的發展自從20世紀90年代以來主要具有兩個方面的特點：電子技術與微電子技術的不斷完善結合和現有的各類新型電力電子技術器件參數的不斷完善和提高。電力電子器件的發展特點使其迅速的想著大容量化和智能化的方向不斷的發展，也預示著一個電力電子技術來到全新的時代。電力電子技術是多技術和多學科的相互滲透和創新結合的技術，在工業領域中對具有很強的滲透性。80年代后期，主要是以各種PWM電路和全控型新器件的現代化電力電子技術為代表。在此時代主要是家用電器等、交流電氣牽引以及交流調速系統等領域運用的比較頻繁。這個時代的發展預示著電力電子技術進入了新的發展階段。在這個時代的電子電力系統當中，大型機組工作狀態的改變和運轉變流裝置起著非常重要的作用。現代主要是給與直流輸電以及系統運行的成熟控制和測試等安全保護提供一些技術手段。超導磁浮鐵道系統主要有機車牽引、輕軌車以及地鐵在電力電子技術應用領域已經非常普及。日本在火車在高速運行時有PWM逆變交流牽引系統取代原來的直流系統的技術是世界第一。先進的國家都非常的關注超導磁浮鐵道系統的研究，其能夠讓火車高達500公里每小時。這樣能夠解除交通壓力和提高運輸能力，對國民經濟的發展有著非常重要的作用。現如今的電力電子技術是傳統產業和信息產業的主要是被控強電、弱電和接口橋梁。此技術的發展能夠提高生產效率、降低消耗和節能。

4 結語

電力電子技術能能夠讓國家的基礎產業得到非常快速的發展，其與國家發展的方針和政策的配合下能夠在21世紀顯得尤為重要。因此，電力技術成為了21世紀可持續發展不可或缺的組成部分，成為高科技產業鏈的關鍵所在，能夠推動我國的工業技術創新。

參考文獻

[1]劉莉宏.現代電力電子技術的發展及其應用[期刊論文]《北京工業職業技術學院學報》，2006年3期.

篇3

傳統的教學模式采用循序漸進的方式，即從功率器件介紹到典型電路及具體應用。但這種教學模式不容易激發學生學習的興趣，也很難培養學生自主學習和研究的能力。為此，在教學一開始就通過大量的圖片向學生展示電力電子技術在工業生產、新能源發電、交通運輸等方面的應用。通過這些生動形象的實例，讓學生明白電力電子技術其實與日常生活是緊密結合的，以此調動學生學習的興趣。

1.2項目教學法的應用

傳統教學方法過多地依賴理論教學，采用以“教師為中心”的注入式教學模式，使學生失去了應有的學習興趣。因此，結合工科學習的特點，將現代電力電子中的知識內容轉化為若干個教學項目，圍繞“做項目”的模式組織和展開教學，使學生直接參與項目全過程，極大地提高系統調控能力。比如，蓄電池充電控制是電力電子變換和控制技術在電源技術中的典型應用。在教學一開始就提出實際問題：如何對蓄電池充電控制？讓學生帶著問題去思考、去學習，教師在此項目執行的過程中可以適當地加以引導。1）交流電網對48V蓄電池進行充電控制，需要用到AC/DC或AC/DC-DC/DC變換器，因此，需要學生掌握典型電路的設計方法，包括開關管、二極管選型，電感、電容參數選取及設計。2）蓄電池的工作方式有恒流充電、恒壓浮充電、均衡充電和放電。常采用恒流和恒壓相結合的快速充電方法，需要采用電流內環、電壓外環的雙閉環控制，即先以恒流充電至預定的電壓值，然后改為恒壓完成剩余的充電。因此，需要將現代電力電子技術與前期所學的模擬電子技術和自動控制原理等課程有機結合，形成一套完整的知識體系。3）電路設計后，可以利用MATLAB、Saber等仿真軟件對所設計電路進行驗證，通過仿真，加強學生對理論知識的理解。4）設計實驗樣機，實現所要求的蓄電池充電控制裝置，培養學生在知識綜合應用、系統設計、工程實踐和創新實踐等多方面的能力。

1.3現代化教學手段的利用

現代電力電子技術涉及的電路和波形圖多且復雜，可以采用多媒體教學，通過動畫演示增強學生對典型電路的感性認識[3]。同時，多媒體授課的信息量大，可以提高教學效率，給學生創造最真實、直接、感性的學習情景。此外，網絡教學可以彌補課內教學學時少的局限，引導學生開展自主性學習[4]。南通大學校Blackboard網絡平臺提供了與課程相關的豐富的資源，包括教學資源（教學大綱、多媒體課件、實驗指導書等文件）、參考資源（學術論文、常用仿真軟件、典型應用案例等信息）、復習思考題（作業講解、自測等系統）。通過此平臺，加強學生與教師（學生）之間的交流討論，創造“教”與“學”互動的網絡教學環境。

2加強實踐教學

現代電力電子技術應用性、實踐性強，因此有必要加強實踐教學，培養學生的動手與創新能力。

2.1課內實驗教學

課內實驗是在課堂教學的基礎上，進一步鞏固理論知識，提高學生的動手能力、解決問題和分析問題的能力。實驗項目遵循“理論分析仿真驗證硬件實驗測試波形數據分析總結”的模式，以此培養學生形成理論聯系實際的科學實驗作風。

2.2開放創新實驗

現代電力電子技術實踐性較強，如果完全依靠課內實驗教學是遠遠不夠的。因此，有必要鼓勵和支持一些優秀大學生多參加大學生實踐創新訓練項目和全國大學生電子設計大賽，不斷提高他們的創新創業精神和實踐能力。大學生實踐創新訓練項目是由學生主持，通過團隊協作完成一個完整的課題項目。從項目選題、文獻搜集、方案制訂、可行性分析、仿真驗證、實驗調試、總結等方面組織學生獨立開展工作，均充分發揮了學生的主動性和積極性。全國大學生電子設計大賽幾乎每年都有與現代電力電子技術相關的題目。因此，通過大賽，可以使學生進一步鞏固所學知識。與此同時，要在有限的競賽時間內取得好成績，學生必須學會“面對問題、分析問題、給出新思路、解決問題”的方法，極大地培養了學生的實踐動手和科研創新能力。

篇4

作者簡介：茅靖峰（1976-），男，浙江寧波人，南通大學電氣工程學院，副教授；顧菊平（1971-），女，江蘇南通人，南通大學電氣工程學院，教授。（江蘇　南通　226019）

基金項目：本文系江蘇省高校“青藍工程”基金項目、南通大學教學研究基金項目（項目編號：2011B50、2010B10）的研究成果。

中圖分類號：G642.0?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）33-0032-02

近20年來，電力電子技術受計算機技術、控制技術與材料科學等關鍵技術的推動，得到了快速發展，其工程應用領域得到了迅猛擴張。由現代電力電子技術支撐的新型產業和對傳統行業的技術改造，如新能源、綠色交通、智能電網、先進伺服驅動、極端環境探索、節能減排等，都取得了巨大的技術經濟效益與社會效益，展現出了良好應用前景。[1，2]

為了適應電氣信息類工程應用學科的發展，保持教學內容的新穎性，跟蹤電力電子技術的最新熱點，自2006年以來，南通大學電氣工程學院開設了“現代電力電子技術”課程，在傳統“電力電子技術”課程學習的基礎上，結合地方經濟發展特色和技術需求，講授現代電力電子技術高級原理、新器件與新型工程應用，以此提高學生理論聯系實際的工作能力，培養市場應用型人才。本文從該課程的教學目標、教學內容、實踐教學和網絡教學等方面，介紹了課程教研組對這門課程的教學改革和實踐情況。

一、傳統教學存在的問題分析

1.裝置與系統級的概念不突出

傳統的“電力電子技術”課程教學，側重于器件級的理論分析，強調基于電力電子器件的電路拓撲解算，即以電力電子器件為核心，在器件基本結構、原理和特性學習的基礎上，針對典型電力電子拓撲原理電路，從電力電子器件的通和斷兩個狀態入手，對電力電子電路換流的物理過程、波形特性、電參數之間的數量關系進行分析和計算。

該教學結構的優點是概念清楚、體系完備、機理分析透徹，但也存在諸多弊端。例如，學生將電力電子學過多地關注在了電力電子器件上，弱化了從裝置級和系統級的角度對電力電子電路進行理解和認知；割裂了電力電子功率電路與基于反饋原理的數模電控制電路、自動控制原理、工程實際應用電路之間的關系；大篇幅的基于晶閘管器件的理論分析和計算，降低了學生學習的興趣；單一和過少的工程應用實例，減少了學生對課程實用性的認同感等等。

2.實踐教學環節薄弱

電力電子技術作為工程技術需要有一定量的實驗和實踐環節才能保障學習效果。但在傳統的“電力電子技術”課程實驗項目中，基礎性和簡單驗證性實驗較多，不能很好地與當前的工程實際應用相聯系，致使許多新技術、新方法無法通過實驗來直觀的體驗。

而且電力電子實驗設備的常用形式為基于掛件結構的實驗臺和實驗箱，基本上與實驗內容相關的重要元器件、電路和系統都被封閉于內。實驗過程中，學生們無法看到功率元器件、配件及電子儀表的外觀和關鍵連線。學生依照原理圖機械地連接主電路、記錄實驗數據和波形，即使不了解電路的工作原理，也能較順利地完成實驗。因此，無法發揮學生的主觀能動性，沒有探索學習的動力，鍛煉創新思維和動手能力的教學內容和平臺也不足。

二、課程教學改革措施

1.以服務地方經濟發展為導向，確立教改思路和目標

作為地方綜合性高校，南通大學的電氣工程及其自動化專業的定位是培養應用型工程技術人才，為區域經濟發展提供智力支撐和人才支持。因此，本課程作為電氣工程及其自動化專業的主干專業課程之一，其教學目標的確立需結合本區域的產業分布與發展特點，同時又緊緊圍繞本專業的學科方向。

形成了以幫助學生從裝置和系統角度理解和掌握電力電子技術，培養理論與實踐能力兼具的創新型電力電子應用技術人才為目的，以新能源、運動控制、電源技術、柔流輸配電等應用領域為背景，以講授電力電子技術在實際工程應用中所需要處理的相關問題為主要內容的課程教學思路和培養目標。

2.整合教學內容，突出應用能力培養

根據培養目標，在學院學科特色和現有教學資源的基礎上，對課程體系和內容進行了合理調整。舍棄了傳統的以大篇幅晶閘管半控器件分析為主線的教學內容體系，建立了“以基于全控器件的實際應用為主線，以電力電子主拓撲電路結合系統級的自動控制原理及其實現電路分析為主要技術內容，培養學生從整體的角度認識和設計電力電子電路的能力”的課程教學體系。

整合后的教學內容由三部分組成：功率器件、典型電路、應用及其系統。功率器件是基礎，重點講授開關全控器件及其驅動電路；典型電路是主體，重點講授基于全控器件的直直、逆變和整流三種變換電路及其控制機理；應用及其系統是提升，重點講授電力電子在新能源發電、運動控制、電源和柔流輸配電技術中的應用原理及其典型系統設計案例。三者層次明晰，但學時又有所側重。即前兩部分作為前續“電力電子技術”課程內容的回顧與拓展，講授學時占總理論學時的近一半，第三部分作為工程應用與系統提升的重要部分，需著重講授，以逐次勾勒出一個電力電子技術及其工程應用的整體全貌。

在教學內容的組織與講授中，凝煉理論教學的內容，在原理的講授中注意培養學生面向工程的意識和思維，并及時動態地將教學團隊獲得的最新科研成果以及科研項目的最新進展融合到相關的課程內容中去，讓學生接受到來自科研和工程研發第一線的新知識、新技術。

另外，針對基于電力電子技術應用的電氣工程及其自動化專業發展的趨勢和前沿內容，以及課程中被壓縮掉或被取消的專業知識，設置為系列課外專題講座，聘請對專題內容有深入研究和獨特造詣的教師及企業的科技人員講授，以開拓學生的知識面、培養學生理論聯系實際的思維及能力。

3.加強課內實驗環節教學，注重理論聯系實際

課內實驗是在課堂教學的基礎上，鞏固理論知識，培養動手能力和初步設計技能，增強解決問題和分析問題的能力的必要教學一環。為了突出課程的工程實用性，采取了優選驗證性實驗，增加了設計型和綜合型實驗項目的課內實驗設置方法。

注重電路的工作機理分析與工程實際問題是驗證性實驗項目的選擇標準。優選的該類實驗項目包括：常用PWM控制器件及特性、不控整流的諧波與抑制、SPWM/SVPWM/方波PWM逆變策略的實現電路及特性等。

注重工程實用性是設計型和綜合型實驗項目的選擇標準。我們要求學生們對該類型的實驗項目遵循“理論設計計算—>計算機仿真驗證—>硬件實驗電路測試—>波形數據分析總結”的順序開展路線，以強化學生對知識點的掌握和實驗內容的理解，并促進學生形成理論聯系實際的科學實驗作風。

增設的實驗項目包括：各型升/降壓直直變換器設計、有源功率因數校正器設計、諧振軟開關設計、三相高頻PWM整流器設計，以及他們的復合系統設計等。

課內實驗項目設置為必修和開放式的選修兩類，以彌補實驗授課學時不足的矛盾，同時采取“案例講解法”、“實物演示法”等不同的教學方法，在實驗課上認真講解實驗內容、步驟和注意事項，以激發學生興趣，調動其積極性。

此外，應改革課內實驗成績的評定方式，突出對實驗過程的考核，鼓勵探索性的設計型實驗。具體措施包括增加課內實驗在課程總成績中的權重，增加實驗預習報告、實驗操作測評、實驗過程問辯三方面的成績考核項等，通過確立科學合理的考核方法，調動學生自主學習的積極性，形成務實的學習風氣。

4.優化課程設計環節，培養工程設計能力

課程設計是對學生工程設計和應用能力、創新意識和創新精神培養的重要環節，其課時安排在全部理論課程講授完畢后進行。

該實踐環節依托于以現代電力電子技術與運動控制實驗室為主體，以工程訓練中心、控制電機、虛擬儀器、風力發電動模實驗室等其他專業實驗室為輔助的課程設計開放式創新訓練實驗平臺。[3，4]課程設計內容以學生熟悉并感興趣的熱點工程為背景，從南通大學電氣工程學院專業與學科特色以及科研項目中，提煉出其中典型的技術問題，設計出合理的課程設計項目。可選的背景包括：風力發電、光伏發電、精密電機伺服驅動、電力無功與諧波控制、磁懸浮控制、特種電源等。其中的典型技術問題包括：整流、正弦逆變、直直變換、Delta逆變、閉環自動控制、檢測技術等。

針對少部分優秀學生采用“導師制”的課程設計教學方法，通過細致的指導，緊密的設計過程跟蹤，來進一步提高課程設計質量，并促進這部分學生研究性論文、專利、小制作等方面成果的形成。

針對大部分學生采用“項目驅動教學法”的課程設計教學方法。學生以小組為單位，在選題庫中自由選題，利用書刊、網絡查找相關資料，自主形成完成項目的各種設計思路，以培養學生獨立思考問題、解決問題的能力。

通過課程設計的鍛煉，使學生將書本上的理論知識和實踐經驗真正融入了自己的知識鏈，提高了其綜合能力以及自主創新和團隊協作能力。

5.注重網絡教學資源建設，提高自主性學習能力

網絡教學是彌補課堂教學學時局限，開拓課程學習的知識面，引導學生開展自主性學習，提高人才培養質量的重要途徑。課程組以校Blackboard網絡教學平臺為基礎，通過長期投入、持續積累、動態跟蹤的建設方式，建立了課程的網絡輔助教學平臺。

網站的教學材料提供了與課程相關的豐富的資源，內容包括教學資源庫（課程教學大綱、多媒體課件、實驗指導書、數值仿真實驗例程、實驗設備操作視頻等文件）、參考資源庫（經典學術論文、典型芯片和模塊的使用手冊、常用仿真軟件說明、典型應用設計案例、產業趨勢和研究熱點等信息）、復習思考題庫等版面區。

此外，課程組充分利用Blackboard網絡平臺的交互功能，完成諸如教學信息、在線電子試卷測試、遠程答疑和討論等教學工作，提高了教學的效率和效果。

三、結語

通過上述教學改革措施，同學們在課程學習的主動性、系統級的分析設計能力、實踐動手能力以及理論聯系實際的工程應用能力等方面均得到了提高，培養的學生在近年來的挑戰杯、機器人和電子設計大賽等學科競賽中均取得了良好成績。

顯然，基于應用型人才培養的課程改革是一項持續而動態的工作，課程教學中需依據卓越工程師教育培養思想，以實現人才培養需求與區域經濟社會發展需求的無縫對接為導向，明確樹立學生的主體觀，合理安排理論和實踐教學內容，運用合理的教學方法和手段以及科學的評價體系，以切實提高教學效果和人才培養質量。

參考文獻：

[1]陳堅，康勇.電力電子學：電力電子變換和控制技術[M].第三版.北京：高等教育出版社，2011.

篇5

1.電力電子技術的發展

現代電力電子技術的發展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。

1.1整流器時代

大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。

1.2逆變器時代

七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。

1.3變頻器時代

進入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展,為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發展,為用電設備的高效節材節能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。

2.現代電力電子的應用領域

2.1計算機高效率綠色電源

高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。

計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

2.2通信用高頻開關電源

通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。

因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。

2.3直流-直流(DC/DC)變換器

DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。

通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

2.4不間斷電源(UPS)

不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。

現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。

目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。

2.5變頻器電源

變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。

國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發展方向。

2.6高頻逆變式整流焊機電源

高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。

逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。

由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。

國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍5~300A,重量29kg。

2.7大功率開關型高壓直流電源

大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。

自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進一步減小。

國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。

2.8電力有源濾波器

傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。

電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。

2.9分布式開關電源供電系統

分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。

八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。

分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。

3.高頻開關電源的發展趨勢

在電力電子技術的應用及各種電源系統中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。

3.1高頻化

理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統“整流行業”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為“開關變換類電源”,其主要材料可以節約90%或更高,還可節電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。

3.2模塊化

模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯的續流二極管,實質上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。另外,大功率的開關電源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮,一般采用多個獨立的模塊單元并聯工作,采用均流技術,所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時間。

3.3數字化

在傳統功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。

3.4綠色化

篇6

1. 電力電子技術的發展

現代電力電子技術的發展方向，是從以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學，向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。

1.1 整流器時代

大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供，但是大約20%的電能是以直流形式消費的，其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮，目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。

1.2 逆變器時代

七十年代出現了世界范圍的能源危機，交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代，隨著變頻調速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出，靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在中低頻范圍內。

1.3 變頻器時代

進入八十年代，大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展，為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合，出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世，導致了中小功率電源向高頻化發展，而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現，又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計，到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現代電子技術不斷向高頻化發展，為用電設備的高效節材節能，實現小型輕量化，機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。

2. 現代電力電子的應用領域

2.1 計算機高效率綠色電源

高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會，同時也促進了電源技術的迅速發展。八十年代，計算機全面采用了開關電源，率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。

計算機技術的發展，提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源，根據美國環境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規定，桌上型個人電腦或相關的外圍設備，在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦，就符合綠色電腦的要求，提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言，電源自身要消耗50瓦的能源。

2.2 通信用高頻開關電源

通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中，通常將整流器稱為一次電源，而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中，傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代，高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作，開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內，實現高效率和小型化。近幾年，開關整流器的功率容量不斷擴大，單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。

因通信設備中所用集成電路的種類繁多，其電源電壓也各不相同，在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊，從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓，這樣可大大減小損耗、方便維護，且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上，對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加，通信電源容量也將不斷增加。

2.3 直流-直流(DC/DC)變換器

DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能，并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源)， 同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。

通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化，模塊采用高頻PWM技術，開關頻率在500kHz左右，功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展，要求電源模塊實現小型化，因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構，目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊，功率密度有較大幅度的提高。

2.4 不間斷電源(UPS)

不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流，一部分能量給蓄電池組充電，另一部分能量經逆變器變成交流，經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量，另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。

現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件，電源的噪聲得以降低，而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入，可以實現對UPS的智能化管理，進行遠程維護和遠程診斷。

目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速，已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。

2.5 變頻器電源

變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速，其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要，已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓，然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器， 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出，電源輸出波形近似于正弦波，用于驅動交流異步電動機實現無級調速。

國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期，日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年，其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調，96年引進生產線生產變頻空調器，逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外，還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略，精選功能組件，是空調變頻電源研制的進一步發展方向。

2.6 高頻逆變式整流焊機電源

高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源，代表了當今焊機電源的發展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化，這種電源更有著廣闊的應用前景。

逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流，IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波，經高頻變壓器耦合， 整流濾波后成為穩定的直流，供電弧使用。

由于焊機電源的工作條件惡劣，頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中，因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題，也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器，通過對多參數、多信息的提取與分析，達到預知系統各種工作狀態的目的，進而提前對系統做出調整和處理，解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。

國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A，負載持續率60%，全載電壓60~75V，電流調節范圍5~300A，重量29kg。

2.7 大功率開關型高壓直流電源

大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV，電流達到0.5A以上，功率可達100kW。

自從70年代開始，日本的一些公司開始采用逆變技術，將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻，然后升壓。進入80年代，高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件，將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源，取消了高壓變壓器油箱，使變壓器系統的體積進一步減小。

國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制，市電經整流變為直流，采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓，然后由高頻變壓器升壓，最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下，輸出直流電壓達到55kV，電流達到15mA，工作頻率為25.6kHz。

2.8 電力有源濾波器

傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時，將向電網注入大量的諧波電流，引起諧波損耗和干擾，同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象，即所謂“電力公害”，例如，不可控整流加電容濾波時，網側三次諧波含量可達(70~80)%，網側功率因數僅有0.5~0.6。

電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置，能克服傳統LC濾波器的不足，是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流; (2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。

2.9 分布式開關電源供電系統

分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規模控制集成電路作基本部件，利用最新理論和技術成果，組成積木式、智能化的大功率供電電源，從而使強電與弱電緊密結合，降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力，提高生產效率。

八十年代初期，對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期，隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現，結合大規模集成電路和功率元器件技術，使中小功率裝置的集成成為可能，從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代后期開始，這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點，論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。

分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納，也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合，如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。

3. 高頻開關電源的發展趨勢

在電力電子技術的應用及各種電源系統中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源，傳統的電路非常龐大而笨重，如果采用高頓開關電源技術，其體積和重量都會大幅度下降，而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中，更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率，從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術，更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。

3.1 高頻化

理論分析和實踐經驗表明，電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍的話，用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的 5~l0%。無論是逆變式整流焊機，還是通訊電源用的開關式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統“整流行業”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合 閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造， 成為“開關變換類電源”，其主要材料可以節約90%或更高，還可節電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統高頻設備固態化，帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益，更可體現技術含量的價值。

3.2 模塊化

模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關器件和與之反并聯的續流二極管，實質上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年，有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去，構成了“智能化”功率模塊(IPM)，不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性，有些制造商開發了“用戶專用”功率模塊(ASPM)，它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統的引線連接，這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、 機械方面的設計，達到優化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片，再把整個模塊固定在相應的散熱器上，就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統連線，把寄生參數降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統的可靠性。另外，大功率的開關電源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯工作，采用均流技術，所有模塊共同分擔負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔負載電流。這樣，不但提高了功率容量， 在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求， 而且通過增加相對整個系統來說功率很小的冗余電源模塊，極大的提高系統可靠性，即使萬一出現單模塊故障，也不會影響系統的正常工作，而且為修復提供充分的時間。

3.3 數字化

在傳統功率電子技術中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是，現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要，數字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調，也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以，在八、九十年代，對于各類電路和系統的設計來說，模擬技術還是有用的，特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC) 問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決，離不開模擬技術的知識，但是對于智能化的開關電源，需要用計算機控制時，數字化技術就離不開了。

3.4 綠色化

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中圖分類號：TM711 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2012）10-0097-02

電力電子技術就是應用于電力領域的電子技術，是電力、電子和控制三大領域的邊緣學科，以電力變換為主要研究內容。對電能進行變換和控制的目的是為了更方便、更為有效的使用電能，使電能更好的為人們服務。

電力電子技術在電力系統中有著非常廣泛的應用。據統計，發達國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能經過一次以上電力電子變流裝置的處理。離開電力電子技術，電力系統的現代化是不可想象的。直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大優勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置。柔流輸電亦依靠電力電子裝置才得以實現。無功補償和諧波抑制對電力系統有重要意義，晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）都是重要的無功補償裝置。靜止同步補償器（STATCOM）、有源電力濾波器（APF）等新型電力電子裝置具有更為優越的無功補償和諧波補償的性能。直流電源和不間斷電源（UPS）還用作發電廠和變電所的保護電源、事故電源和備用電源。電力電子裝置在電力系統中隨處可見。

1、電力電子技術的發展

電力電子技術分為器件的制造技術和電力電子電路的應用電路（變流技術）。電力電子器件經歷了半控型（第一代電力電子器件）、全控型（第二代電力電子器件）和復合型（第三代電力電子器件）的發展過程，把驅動、控制、保護電路和功率器件集成在一起，構成功率集成電路（PIC），目前其功率較小，但其代表了電力電子技術發展的一個重要方向。

整流電路在電力電子電路中應用最廣，20世紀80年代后逆變電路的應用日益廣泛，但整流電路仍占重要地位。隨著自關斷器件的普遍應用，電力電子電路向高頻化反向發展，一些新的電路拓撲形式比如諧振型逆變電路、矩陣式逆變電路等不斷涌現。PWM控制對推動電力電子技術的發展起了歷史性作用，其它控制方式比如應用靜止/旋轉坐標變換的矢量控制、瞬時無功功率控制、自適應控制、采用狀態觀測器的控制、模糊控制、神經元控制等，這使得電力電子系統的控制技術發展到一個嶄新的階段。目前應用越來越廣的基于微處理器的數字控制技術在很多方面取代了模擬控制，是控制技術的一個新的發展方向。

2、靜止無功補償裝置

靜止型動態無功補償裝置廣泛應用于提高輸電系統的穩定性、改善電能質量、對沖擊性負荷的無功補償和閃變抑制等領域。FACTS技術（靈活交流輸電系統）從根本上改變了交流電網過去基本上只依靠緩慢、間接以及不精確設備進行機械控制的局面，對提高輸電系統的輸送功率和潮流控制能力以及改善電力系統穩定性、控制系統振蕩等具有明顯作用。常見的FACTS裝置包括靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）、可控串聯補償器（TCSC）、晶閘管控制移相器（TCPST）、統一潮流控制器（UPFC）、動態電壓調節器（DVR）、超導儲能系統（SMES）、不間斷電源（UPS）、統一電能質量控制器（UPQC）等。

無功功率補償可提高供用電系統及負載的功率因數，降低設備容量，減少功率損耗，穩定受電端和電網的電壓，提高供電質量，在電氣化鐵道中平衡三相的有功及無功負載。靜止無功補償裝置包括晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、可控串聯補償裝置（TCSC）等。SVC可作為系統補償和負荷補償，還廣泛應用于高壓直流輸電換流站的無功補償和抑制電弧爐等大型沖擊負荷造成的電壓閃變和電壓波動。

TCR的單相基本結構是兩個反并聯的晶閘管與一個電抗器相串聯，通過改變晶閘管的觸發延遲角，可以改變電抗器電流的大小，即可以達到連續調整電抗器的基波無功功率的目的。TCR通常采用支路控制三角形聯結三相交流調壓電路的形式，如圖1.所示

TSC具有無機磨損、響應速度快、平滑投切以及良好的綜合補償效果等優點。圖2.為其單相結構簡圖，其中的小電感用來抑制電容器投入電網時可能造成的沖擊電流。

靜止同步補償器專指由自換相的電力半導體橋式變流器進行動態無功補償的裝置，與SVC相比，其調節速度更快，運行范圍寬，而且在采取多重化、多電平或PWM技術等措施后可大大減少補償電流中諧波的含量。其基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器并聯在電網上，適當的調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，使該電路吸收或發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償。圖3.是其電路基本結構。

可控串聯補償裝置（TCSC）由電容器與晶閘管控制的電抗器并聯組成。調節晶閘管的導通角可以改變通過電抗器的電流，使補償裝置的基頻等效電抗在一定范圍內聯系變化。其不僅可以進行參數補償，控制系統還引入附加阻尼控制環節，改善系統的阻尼狀況，有利于抑制低頻振蕩，提高系統的靜態穩定性和暫態穩定性。

3、高壓直流輸電技術

高壓直流輸電是將發電廠發出的交流電通過換流器整流為直流電，通過輸電線路把直流電送入受電端，再把直流電逆變為交流電供用戶使用。高壓直流輸電具有傳輸功率大、線路造價低、控制性能好等優點，是目前解決高電壓大容量、長距離輸電和異步聯網的重要手段。直流輸電架空線路的造價低、損耗小，不存在交流輸電的穩定性問題，可以實現額定頻率不同的電網的互聯，易于實現地下或海底電纜輸電，易于進行潮流控制，便于分級分期建設和增容擴建。

直流輸電工程按照直流聯絡線可分為單級聯絡線、雙極聯絡線、同極聯絡線和背靠背直流輸電系統。雙極HVDC系統圖如圖4所示。

換流器完成交—直或直—交轉換，由閥橋和帶載抽頭切換器的整流變壓器構成，閥橋為高壓閥構成的6脈波或12脈波的整流器或逆變器。濾波器用于濾除換流器產生的諧波。平波電抗器可以降低直流線路中的諧波電壓和電流，限制直流線路短路期間的峰值電流，防止逆變器換相失敗和負荷電流不連續。換流閥是換流器的基本單元設備，目前絕大多數直流輸電采用晶閘管閥，此外還有GTO閥、IGBT閥等。換流器有6脈動和12脈動兩種。

4、在電機中的應用

水力發電機所能發出的電量取決于水力壓力和流量，所以機組的發電量將會發生很大變化；風力發電機所能發出的電量與風速的三次方成正比。因此機組是變速運行的，如果調整轉子勵磁電流的頻率，使其與轉子轉速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定，就能夠獲得最大有效功率。電力電子裝置在水力、風力發電機的變速恒頻勵磁中起到了非常重要的作用。

采用半導體晶閘管整流和并勵性能構成的靜止勵磁系統，具有技術結構簡易、穩定性高及材料價格低廉的優勢，在電力系統中已廣泛應用。其省略了勵磁機的中間慣性環節，可達到快速調節。

5、有源電力濾波器

有源電力濾波器的基本思想是從補償對象中檢測出諧波電流等分量，由補償裝置產生一個與該分量大小相等而極性相反的補償電流分量，抵消諧波電流分量從而是流入電網的電流只含基波分量，其理論基礎是瞬時無功功率理論。具有動態響應速度快、補償功能多樣化、補償特性不受電網阻抗影響等特點，是抑制諧波的一個重要發展方向。圖5.為其構成原理。

有源電力濾波器包含指令電流運算電路和補償電流發生電路兩個部分，前者用來檢測出補償對象中的諧波和無功電流等分量，后者根據檢測電路所得出的補償電流指令信號，產生實際的補償電流。

其電路形式主要采用PWM變流器，圖6為三相電壓型PWM變流器。

6、結語

電力電子技術可用來調節輸配電網的潮流分配，保證可再生能源發電的大規模、分布式接入和遠距離送出，治理電網電能質量等，是建設智能電網的重要基礎和手段。隨著電網的發展，電力電子技術也將獲得長足的發展，從而為電網長遠發展打下基礎。

參考文獻

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[2]張文亮，湯廣福，查鯤鵬，賀之淵.先進電力電子技術在智能電網中的應用[J].中國電機工程學報，2010，30（4）：1-7.

[3]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償.北京：機械工業出版社，2004.

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[5]劉志剛.電力電子學.北京：清華大學出版社；北京交通大學出版社，2004.

[6]周洪亮.有源電力濾波控制技術的研究及應用.浙江大學博士學位論文，2002.

篇8

1.1整流器時代

大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。

1.2逆變器時代

七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。

1.3變頻器時代

進入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展,為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發展,為用電設備的高效節材節能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。

2.現代電力電子的應用領域

2.1計算機高效率綠色電源

高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。

計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

2.2通信用高頻開關電源

通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。

因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。

2.3直流-直流(DC/DC)變換器

DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。

通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

2.4不間斷電源(UPS)

不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。

現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。

目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。

2.5變頻器電源

變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。

國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發展方向。

2.6高頻逆變式整流焊機電源

高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。

逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。

由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。

國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍5~300A,重量29kg。

2.7大功率開關型高壓直流電源

大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。

自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進一步減小。

國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。

2.8電力有源濾波器

傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。

電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。

2.9分布式開關電源供電系統

分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。

八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。

分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。

3.高頻開關電源的發展趨勢

在電力電子技術的應用及各種電源系統中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。

3.1高頻化

理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統"整流行業"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為"開關變換類電源",其主要材料可以節約90%或更高,還可節電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。

3.2模塊化

模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯的續流二極管,實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時間。

3.3數字化

在傳統功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。

3.4綠色化

電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著節電,這意味著發電容量的節約,而發電是造成環境污染的重要原因,所以節電就可以減少對環境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。

總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業的發展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動,并將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發。

參考文獻：

[1]林渭勛:淺談半導體高頻電力電子技術,電力電子技術選編,浙江大學,384-390,1992。

[2]季幼章:迎接知識經濟時代,發展電源技術應用,電源技術應用,N0.2,l998。

篇9

“電力電子技術”是自動化及其相關專業的一門重要的專業基礎課，內容繁雜抽象，實踐性很強，其教學內容主要研究各類電力電子裝置中的電磁過程，工作原理及控制技術，并通過各種電路的波形分析和相位分析掌握這些裝置的原理及應用。伴隨著現代信息的快速發展，對于其相關產業的電力電子技術的要求越發嚴苛，需要其在滿足使用需求的同時，能夠更輕，更小，更高效。為此，電力電子技術也正經歷著翻天覆地的變化，新型的電路拓撲及新技術的研發成為了如今電力電子的技術發展大方向。信息化腳步的加快也使電力電子人才培養刻不容緩。

一、電子電力技術教學改革

目前，世界各地在電力電子教學上花費大量的心思，推陳出新。隨著科技的日新月異，教師深入研究電力電子課程內容，總結歸納教學經驗，發展新的更適宜學生學習的教學模式。甚至有不少學校開展網絡電力電子課程，寓教于樂，讓教學變得更有趣味。

例如歐洲的大學，導師教學以學生為主題。讓學生按照個人興趣組成小組，自我設定課題，完成課程的研究。通過學生的自主學習，更易激發學生對于學習的熱情。在課程研究過程中，自己發現問題，解決問題。這不僅能提高學生自主學習能力，在與組員的溝通中，也是一種人際交往能力的提升。這一形式的教學模式不僅發展了學生，更為企業培養了真正的實用型人才。

網上的教學脫離了呆板的課堂黑板手寫的模式，使學生對所學的知識有更直觀的認識。教師與學生之間也能通過互聯網達到一種更好的溝通。國內的一些大學就在開展此類課程，收到了不錯的反響。教師通過特定的軟件，以動畫等形式展示電路在不同形態下的開關狀態及與之對應的電量、對應的波形圖等。此舉大大提高了學生學習的主動性，同時也提高了電力電子教學的效率。

二、新電力電子教學舉措

近年來，電力電子技術在新能源、航天信息等領域得到廣泛應用。據統計，在電力系統，用戶使用的電能60%以上至少需經過電力電子變流裝置處理。其中直流輸電系統送電端的整流閥和受電端的逆變閥均為晶閘管變流裝置；晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器是重要的無功功率補償裝置；近年來出現的靜止無功發生器、有源電力濾波器等新型電力電子器件具有更為優越的無功補償和諧波補償性能；在配電系統中，電力電子裝置可用于防止電網瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等。

本文針對電力電子技術的不斷改革出新，探討新的電力電子教學內容方案，以全控器件作為主要的學習對象，圍繞全控器件的應用組織課程內容。

1.控制電路的工作原理

一般來說，正常運行的電力電子設備由其主電路按一定方式控制主電路的開關元件，組成一個閉環變換器的系統。其主要有電流控制和電壓控制兩種基本方式，在電力電子技術教學時，以這兩種方式為主要學習對象。學生主要學習的內容有：典型控制技術、PWM控制芯片、頻域測試技術、電力電子閉環分析等。教師在授課時，可以將理論知識結合圖例，使教學內容變得生動。如在談及攝像機系統控制電路時可配以一些圖例加深印象。

2.全控器件為主導，壓縮半控器件

（1）電力電子器件。電力電子器件主要用作功率開關，利用不同的控制技術與開關配合，達到向電機提供不同電壓、不同頻率、不同相序供電電壓的目的，以控制電機的起停、轉向和轉速。該類器件通常具有良好的靜態特性，快速的動態特性，安全的極限參數與工作區。

電力電子器件按其特性分兩類：半控型和全控型器件。電力電子教學的內容以全控型器件為主，按其結構與工作機理分為雙極型、單極型和混合型。對于全控型器件的講述主要可按照以下分類作具體描述。

GTO的特性：GTO 是可關斷晶閘管，為PNPN 四層結構的器件，具有普通晶閘管的全部優點，同時又具有關斷能力。GTR 靜態特性的阻斷區僅有極小的反向漏電流存在，而承受全部高電壓，類似于開關處于斷開狀態，在飽和區，即非線性區電流增益和導通電壓都很小，類似于開關處于接通狀態。

MOSFET的特性：MOSFET的靜態特性、動態特性與GTR相似，但它不存在存儲電荷問題，而有極間電容放電問題。

IGBT的特性：IGBT是一種復合型器件，它相當于一個由MO SFET驅動的厚基區GTR，具有輸入阻抗高、工作速度快、通態電壓低、耐壓高和承受大電流等優點。IGBT的伏安特性與GTR不同的是控制參數是門源電壓，而不是基極電流。 轉貼于

除了以上全控型主要原件特性闡述外，可按由淺入深的教學模式，進一步對其外形特征、適用領域、應用背景等進行描述。以各類原件參數為例，要求學生通過其性能比對，重點掌握每個元件的主要特點、適用場合及其特性。

此外，對于電力電子器件的驅動保護電路也是一個學習重點，驅動電路是低電平的邏輯控制信號與高壓大電流的電力電子器件之間的放大緩沖單元，要求學生掌握一些典型驅動電路及芯片。如GTR 的驅動，正向基極驅動電流在驅動初期，不但要有陡峭的前沿并要有一定時間的過驅動電流，以便強迫其開通，開通之后，在正常導通階段的基極驅動電流則應該使GTR 恰好維持在飽和狀態，以便縮短存儲時間t。這樣能加快開通過程、降低開通損耗。而MO SFET器件的輸入端為容性負載，也需要過沖的驅動前沿。典型驅動電路有貝克嵌位電路和推拉式電路以及門極驅動電路。

（2）主電路。對于電力電子主電路的講述主要集中于其四種基本電力電子變換器的工作原理。在分析時可遵循如下規律：先理想電路后實際電路、先仿真分析后理論分析、先模仿設計后創新設計、先典型后一般。主電路主要研究內容為：理想DC/DC、DC/AC、AC/DC和AC/AC變換器的工作原理和靜態特性以及器件的選擇原則；介紹小功率的典型電路，如PFC電路、整流電路、反激/正激變換器；主電路的仿真技術（應用Pspice通用電路仿真軟件）；功率磁性元件的設計與選擇；與主電路相配合的控制電路的框圖。

三、加強實驗環節，打造應用型人才

在完成了課堂教學內容后，可適當進行實驗內容，使教學內容聯系實際運用，加深學生對所學知識的理解應用。根據教學內容的調整，建議保留原有晶閘管整流、逆變的驗證性實驗，使學生對本課程的應用有一個初步認識。在器件研究上則以全控器件研究為主，對直流斬波、交—交變換及PWM控制技術部分的內容，開設設計型實驗。實驗安排可由易至難，鼓勵學生自主完成實驗的設計，實驗，數據記錄研究等步驟。此外，增加信號的調制，SPWM信號的產生與實現、電力電子電路閉環動態特性觀察及超調量抑制、DC/AC SPWM單相全橋逆變電路設計等綜合性實驗。

四、結束語

電力電子行業正迎來良好的發展機遇，而自主創新是電力電子行業發展的持久動力。只有通過自主創新，用創新精神引領企業，掌握核心技術，才能提高企業的競爭力，進一步發展和壯大企業，才能盡快縮短與發達國家的差距，促進電力電子行業的高速發展。

在電力電子發展創新的大環境下，本文針對電力電子技術教學提出新的教學方向。提倡展開全控型器件的教學，重點圍繞全控型器件及由其構成的主電路，通過分析一些典型的電力電子裝置，使學生掌握實用分析法，強調學生自主學習能力，鼓勵學生自主開展課題研究或進行實驗探索，激發學生學習熱情，培養學生全面發展。

參考文獻

[1]楊志民.適用于集成電路的大時間常數積分器的研究[J].西北師范大學學報(自然科學版)，2000，(1).

[2]關曉菡，張衛平，張東彥.國內外高校電力電子技術教育現狀綜述[J].電氣電子教學學報，2006，28(2):438.

篇10

“大功率電力電子技術”課題組依托于武漢大學電氣工程學院，主要從事配電系統內適用于節能和電能質量控制的大功率電力電子裝置的開發和應用研究。該課題組在查曉明教授的帶領下，幾年如一日地在大功率電力電子技術領域辛勤耕耘，至今已發展成為一個擁有1名副教授、3名講師、1名在站博士后、10名博士研究生、10名碩士研究生的優秀科研團隊。

課題組成立以來始終堅守“基礎理論研究與工程應用實踐并重”的原則，行走在電力科技領域的前沿，充分發揮自身的優勢，依靠武漢大學豐富的科研與教學資源，與國內多家企業以及電力公司保持良好和持久的合作往來，在大功率電力電子變換裝置及其應用系統等領域取得了良好的成績。在大功率電力電子系統的控制理論上，他們建立了以多電平PWM電力電子變流器功率變換器控制為基礎的大功率電力電子系統控制理論和方法。該方法把電力電子技術中的功率變換控制特點與系統應用要求進行有效結合，實現了大功率電力電子系統的并網有功和無功電流控制、電能質量控制以及并聯或串聯逆變器拓撲結構中的直流側電壓的穩壓和均衡控制，并成功地在有源電力濾波器、STATCOM等裝置中得到應用。而從該系統的控制技術角度出發，他們又建立了以DSP與FPGA相結合的數字控制硬件平臺，開展了各種電力電子系統的數字控制算法的應用研究，并在該硬件平臺上充分利用了FPGA近似布線邏輯的并行計算和高可靠性的特點，克服了單獨DSP系統程序控制易受干擾中斷問題，進而將兩者結合并對有關控制算法進行分解，實現了串行和并行計算的結合，形成了一種具有高可靠性的控制算法實現方法。目前，基于該硬件平臺的有源濾波器控制算法、STATCOM控制算法、逆變電源控制算法以及高壓變頻器的V／f控制算法均可在其中實現。

其次，就大功率電力電子器件IGBT的驅動技術而言，課題組以M57962模塊為核心，自行研制的高電磁兼容能力的輔助開關電源為IGBT驅動電源，不僅實現了可靠和完善的過流保護、可靠的IGBT通斷檢測功能，而且還可以輔助抗瞬態電壓沖擊電路，具有可編程功能，提供了有效的光纖接口。此外在大功率電力電子裝置的設計和試驗技術上課題組有其專攻之道，基于頻域能量變換模型的電力電子設計理論和方法也正在發展之中，逆變器專用高頻大電流電抗器設計與制作、電力電子系統實時仿真等方面都有其獨到之處。

通過對大功率電力電子電路的拓撲結構研究，課題組完成了基于功率單元級聯的多電平拓撲結構及其在STATCOM和高壓變頻器中的應用，并在混合式有源電力濾波器、多臺逆變器并聯的有源電力濾波器、四象限運行的PWM變流器、程控交流調壓電源逆變器以及具有綜合節能特點的工業企業新型配電電源系統中形成了獨具特色的理論研究。“基于α－β坐標變換的有源電力濾波器和STATCOM技術”、“低能耗的逆變器試驗平臺”、“通用電力電子試驗平臺及試驗方法”等已獲專利授權，“先進的電能質量試驗電源技術”也正在專利申請之中。

在實踐的過程中，他們不僅積累了豐富的工程經驗，而且形成了一套獨特的科研方法和理念。談及自己的課題組，查曉明教授頗為自豪地介紹“多年來，我們主要在大功率電力電子系統的控制理論和技術研究、大功率電力電子器件IGBT的驅動技術、大功率電力電子電路的拓撲結構研究以及大功率電力電子裝置的設計和試驗技術上做了一系列的工作，較好地解決了復雜大功率電力電子系統及其應用的可靠性和性能方面存在的問題。這些成果都取得了良好的經濟效益和社會聲譽。目前，高壓變頻器已經成功產業化，直接產生了數億元的經濟效益，有源電力濾波器，STATCOM等產品逐步在工業電力系統中得到推廣應用。”

學術靈魂：拓新求真，攜手并進

作為“大功率電力電子技術”課題組的“靈魂人物”，查曉明教授有著豐富的求學經歷：他分別于1989年，1992年，2001年取得武漢大學應用電子技術專業工學學士、電力電子技術專業碩士，電力系統及其自動化專業博士學位：2001年10月至2003年6月，他遠赴加拿大的University of Alberta做博士后研究。一直以來，他主要從事電力電子與電力傳動學科的教學與科研工作，主要研究方向為電力電子系統的分析與綜合理論，大功率電力電子裝置及其在電能質量控制，高壓電機驅動、柔性輸電、新能源及微電網技術中的應用，并取得了驕人的成績。如今，年僅42歲的他，身上已是圍繞著多重的“光環”――武漢大學電氣工程學院教授，博士生導師，電力電子技術研究所所長，IEEE會員，武漢電源學會副理事長，從教學到科研、從行政到學術，無不顯示出他的忙碌與充實。在科研上，他碩果累累，先后在國內外重要會議和期刊上40多篇，其中三大檢索收錄20篇：他主持和參加了國防“973”項目專題、武漢市科技攻關項目、國家電力公司青年科技促進費項目，武漢市青年晨光計劃項目、國家自然科學基金以及多項企業產品開發項目，在電能質量控制、新能源并網控制以及電氣節能等方面取得多項高新技術產品與成果，并獲發明專利4項、實用新型專利3項。