电力电子器件与变换器优化方案

人类有效地利用电能可以追溯到19世纪。在19世纪后半叶法拉第等人发现电磁感应现象，并由麦克斯韦等人总结分析得到电磁场理论，从而奠定了近代电磁学和电工技术的基础。自此之后的百年时间，人类基于电磁场理论发展出了两大工业分支：以电机和输配电为代表的电力工业与以电话和无线电为代表的电信产业。这两大分支在20世纪上半叶极大地改变了人类社会的面貌。

自20世纪中叶以来，半导体技术得到了飞速的发展，将过去一百年间连续的、线性的电工理论推广到离散的、非线性的领域。在此基础上电力工业和电信产业两大工业分支也发生了深刻的变化。在电信产业领域，大量的电子元器件开始得到应用，继而产生了电子计算机、集成电路和人工智能等高新技术。毫不夸张地说，现代社会被半导体技术推到了“零和一”的时代。半导体技术在电信领域的巨大推动力，是由于半导体电子器件强大的信息处理能力。而对于电力工业，处理的对象是能量而非信息，因此半导体技术在电力工业的影响要滞后于电信领域若干年。但是最近几十年电力工业在半导体技术的推动下也发生了深刻的变化，这就是电力电子技术的发展。

电力工业过去几十年的发展依赖于电机和变压器等设备，实现电能与机械能或者电能与电能的转换，这样的转换是连续的、线性的。半导体器件开始在电能变换中的应用始于功率二极管器件的使用。功率二极管的基本物理原理与基于PN结的普通二极管是一致的，能够正向导通电流，反向阻断电流。功率二极管可以用于将交流转换为直流的整流变换，但是只应用功率二极管的电路是不控型的电路，只能实现简单的功能。1957年，美国通用电气（GE）公司发明了晶闸管（Thyristor），第一次改变了传统电能变换的特性。晶闸管是一种固态开关器件，基于半导体硅材料，在物理结构上是P-N-P-N的四层结构。它可以实现较小的导通电阻和较大的阻断电阻，并且可以通过门极控制导通。因此晶闸管可以用于可控型的整流电路，实现交流-直流变换，故晶闸管俗称为可控硅（SCR）。在此之后，晶闸管陆续被应用于直流-交流变换（逆变）、交流-交流变换（变频、调压）以及直流-直流变换（斩波）等领域。由于晶闸管的门极可控性，它可以更加灵活地应用于电能变换，并实现主动的控制。正是这个时候开始，电力电子技术这一学科开始出现，并得到了发展。

晶闸管作为第一代电力电子开关器件，在数十年内主导了电力电子技术。但是它有一个明显的问题：门极可以通过外部控制信号触发开通，但是无法通过门极的外部信号触发关断。晶闸管要通过主电路加反向电压使电流下降为零才能关断。因此，晶闸管是一个半控的主动开关器件。为了有效地关断晶闸管，需要外接辅助换相电路，这也是早期的电力电子变换技术的一个主要研究内容。为了解决这个问题，电力半导体研究人员在普通晶闸管结构上进行了改进，发展出了门极关断晶闸管（GTO）。它不仅可以通过门极触发电流导通，还可以通过门极触发电流关断，真正实现了开关全控。GTO器件是一种具备主动开关能力的高压大电流电力电子器件，在20世纪后期广泛地应用在轨道牵引和工业变频上。

GTO器件的主要问题是门极驱动通过电流触发开关，门极驱动较为困难，开关速度受到限制。在GTO结构的基础上，最近二十年通过集成门极驱动，发展出了发射极关断晶闸管（ETO）和集成门极换流可关断晶闸管（IGCT）等器件。它们的核心还是晶闸管结构，但是其门极以低电感模式集成了驱动电路，对用户来说，驱动更加简单方便，开关速度也能显著提高。近些年来IGCT开始应用在各类高压大容量的电能变换场合，显示出了优越的性能。

以上的器件（普通晶闸管，GTO，IGCT，ETO）核心都是基于P-N-P-N的晶闸管结构，与晶闸管同时期出现的另一种电力半导体器件是晶体管。晶体管主要包括双极结型晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）两种。双极结型晶体管是由两个PN结结合在一起形成的PNP型或者NPN型半导体器件，通过外部输入基极电流改变其导电特性来控制外电路电流。场效应晶体管是通过外部施加控制电压产生电场，利用电场效应改变导电特性，从而控制外电路电流。目前应用最广泛的场效应晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS-FET）。另外，由于工艺的原因，新型的宽禁带电力电子器件中，结型场效应晶体管（JFET）也是主流器件之一。

用于电力变换的BJT器件是一种全控型功率器件，通过基极电流控制开关，耐压与通流能力强。但是其主要问题是驱动需要功率大，开关速度不够快。功率MOSFET器件也是一种全控型功率器件，通过栅极电压控制开关，开关所需功率小，开关速度快，但是MOSFET的缺点是通态压降大，难以制作成高压大电流器件。结合两种器件的特点，20世纪80年代发展起来的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）成为新一代的全控型电压驱动的电力电子器件。IGBT等效于一个MOSFET驱动门极的双极型晶体管器件，兼具MOSFET的开关速度快和BJT高压大电流的优点。最近几十年，IGBT广泛应用于各类电能变换，包括电机控制器、可再生能源转换、并网变换器以及电力系统中。

与此同时，电力电子器件的材料也在过去20年间得到了新的发展。取代传统硅材料的新型宽禁带半导体材料，包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）以及金刚石材料开始应用在电力半导体器件上。宽禁带半导体材料具备更高的导带-价带能级差，宽禁带电力电子器件在导通电阻、耐压能力、开关速度和耐高温能力上优于传统的硅器件。21世纪以来，世界主流半导体厂商都投入了对SiC电力电子器件的研发和生产，且专业研发SiC电力电子器件的初创企业，如美国的CREE和United Silicon Carbide公司等都取得了一定的成功。1200V级别的SiC器件在2015年前后已经广泛出现在市场上。器件材料的革新对电力电子技术也起到了有力的推动作用。

本书的核心思路是在全控型快速开关下的电力电子器件基础上，研究电力电子变换器的一个核心技术：脉宽调制策略。电力电子器件是研究的物理基础，由于电力电子器件本身的特性，脉宽调制策略才有了研究的内容。本书主要采用IGBT和功率二极管电力电子器件作为研究对象。实际上，对于其他全控型的电力电子器件，本书讲述的内容同样能够适用。

由电力电子器件与其他辅助元器件以及无源器件与负载搭建出的电力电子变换器就可以实现电能的可控转换。

按照电力电子器件的承压和通流能力，将电力电子变换器中的开关组合成两种方式，如图1-1所示。图1-1a所示是一个主动开关和二极管的反并联结构，在这种结构中，正向（A-B）电流可以通过控制开关门极导通，反向（B-A）电流可以通过二极管导通。在门极关闭的情况下，这种开关可以承受正向（A-B）的电压，但是无法承受反向（B-A）的电压。因此在电压-电流平面上，这种开关的有效区域如图1-2a中的阴影部分所示。图1-1b所示是电压双向开关，是主动开关和二极管的串联。在这种开关中，正向（A-B）的电压可以通过关断开关管承受，反向（B-A）的电压可以通过二极管承受，因此它是一种双向承受电压的开关。但是因为二极管串联在开关中，它只能正向（A-B）导通电流，因此它的有效区域如图1-2b中的阴影部分所示。

图1-1 电力电子变换器中的两种典型开关

a）电流双向开关 b）电压双向开关

图1-2 两种典型开关下的电压-电流平面

a）电流双向开关 b）电压双向开关

除了开关，在电力电子变换器中另一个重要的元件是无源元件。在经典电路理论中，无源元件主要包括电阻、电感和电容三种。电阻是最简单的无源元件，满足电压-电流瞬时线性关系。电容和电感则是在电压-电流关系中存在微分和积分关系的。图1-3所示是这两种无源元件的符号。在电感中，能量存储在磁场中，电感的电流变化率与电感两端的电压成正比，电感的电流是不可突变的量，可以作为系统中的一个状态变量。电容的能量存储在电场中，电容电压的变化率与流入电容的电流成正比，电容的电压是不可突变的量，也可以作为系统中的一个状态变量。(www.xing528.com)

用这两种开关模式和无源元件，可以搭建对应的电力电子变换器。以最简单的直流-直流变换器为例，两种典型的拓扑结构如图1-4所示。图1-4a所示是降压（Buck）变换器，其中负载电压是电容上的状态变量。开关S的连续开关改变电感上的电压降，电感电流在稳定值附近有连续的纹波。由于开关S的导通关断，使负载电压通过开关的占空比得到降压。图1-4b所示是升压（Boost）变换器，负载电压也是电容上的状态变量。开关S的连续开关改变电感上的电压降，使电感电流处于给负载充电和续流两种状态。负载电压通过开关S的占空比从电源电压得到升压。

图1-4所示的直流-直流变换器是最基本的拓扑结构，主要的电力电子变换器的拓扑结构都可以由最基本的结构得到。由于直流-直流变换器中的控制变量是直流量，不需要电压或者电流的双向性，因此开关单元是简单的开关或者二极管。但是如果应用在包含交流量（电压或者电流）的电力电子变换器中，电压或者电流将在器件上呈双向性，那么就必须使用图1-1所示的电流双向或者电压双向开关。图1-5所示是最典型的单相直流-交流变换器（逆变器）与交流负载连接的拓扑结构。输入侧是电压源性质，因此也称为电压型逆变器。负载电感使负载呈现电流源特性，即交流的连续电流。由于此时流过器件的电流呈双向性质，因此需要采用图1-1的双向电流开关，即开关管与二极管反并联的结构。这样持续地通过调整占空比开关器件，就能实现输出的交流特性。这种拓扑推广到最常用的三相情况下，如图1-6所示。由三个桥臂组成电压型逆变器的主电路，每个桥臂包括两个电流双向开关。

图1-3 两种典型的无源元件

a）电感 b）电容

图1-4 两种典型的直流-直流变换器拓扑

a）降压（Buck）变换器 b）升压（Boost）变换器

图1-5 单相电压型逆变器拓扑结构

图1-6 三相电压型逆变器拓扑结构

与电压型逆变器相对应的是电流型逆变器。逆变器中，直流输入是电流源特性的变换器，也就是电流型逆变器。图1-7所示是三相电流型逆变器的结构。直流输入侧通过电感改变为电流源特性，即直流侧是恒定电流输入。此时负载侧需要是电压源特性，因此负载侧通过电容连接到逆变器端口。由于直流输入单向的电流，而负载是交变的电压，因此开关器件属于如图1-1b所示电压双向型器件，即一个开关管与一个二极管的串联结构。在三相电流型逆变器中有三个桥臂，每个桥臂由两个电压双向型器件组成。

图1-7 三相电流型逆变器结构

图1-6和图1-7所示都是最基本的三相逆变器结构。实际上，对于图1-6的电压型逆变器，当负载与电源反过来的时候，同样的拓扑结构可以用于交流-直流变换，即整流器。而对于图1-7的电流型逆变器，开关反向后能量由交流侧流向直流侧，成为电流型整流器。目前主要的三相电力电子拓扑结构，不论是整流还是逆变，主要采用图1-6和图1-7这两种拓扑结构。在三相实际应用中，电压型三相电力电子变换器（逆变器、整流器）是使用最广泛的拓扑结构，也是本书的主要研究对象。在部分应用中，电流型三相电力电子变换器也有一定的优势，因此，它将作为一部分补充内容在本书中介绍。