电力电子技术课程报告
电力电子学（Power Electronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的W.Newell 用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。
电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。
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的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO ），电力双极型晶体管（BJT ），电力场效应管（Power-MOSFET ）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT 可看作MOSFET 和BJT 的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，在流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC ）。目前PIC 的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向
一、电力电子技术新发展
1．高压大功率和低压大电流变换技术
电力电子技术的主要任务为实现电能的转换，它的主要研究目标是节能，努力挖掘一切潜在的提高效率的途径，来节省有限的能源，保护人类生存的环境。功率变换技术正是实现这一目标的重要手段，所以它始终是电力电子学的核心技术。经过三十多年，特别是近十多年的发展，功率变换技术已比较成熟，近年来的发展动向主要集中在软开关、高压、大功率和低压、
大电流变换技术方面。这里主要介绍高压、大功率和低压、大电流变换技术的最新发展。
近年来，多电平功率变流器在大功率应用中得到普遍重视，它们适用于高电压、大功率、低EMI 及低谐波污染，在电力系统及大功率电气传动中具有十分广阔的应用前景。多电平功率变流器主要有二极管箝位多电平逆变器、浮动电容器多电平逆变器、组合型多电平逆变器等几种。表1列出了不同电平数的二极管箝位多电平逆变器系统的主要性能对比。
近年来，变换器技术的另一发展动向是低压、大电流变换技术。现代微处理器和一些超高速的超大规模集成电路芯片，如Intel Pentium Pro等，要求运行在低电压（2.4～3.3V ）、大电流（＞13A ）状态，而直流母线电压通常为5～12V 。这样，就对其供电电源（电压调整模块VRM ）提出了新的挑战：要求VRM 具有非常快速的负载电流动态响应，在保证足够小的体积的同时，具有高的效率。表2给出了现代微处理器对VRM 的要求。
为了使VRM 具有快速的负载电流动态响应，传统的解决办法是在VRM 的输出端并联很多容量很大、等效串联电阻很小的退耦电容器。显然，该方法存在如下问题：
（1）退耦电容器的体积很大，而现代微处理器对VRM 的体积有严格的要求。
（2）退耦电容器仅能改善动态响应的最初阶段，对后阶段及总的动态响应时间没有作用。
为此，一种交错叠加型准方波抵消纹波的变换拓扑结构被首次提出。表3比较了该方案与传统采用大容量退耦电容器方案的结果。结果表明，该结构在保证要求输出纹波的前提下，不但可以大大减小输出滤波电容器的容量，而且能大大减小VRM 的输出滤波电感的电感量。
除此以外，为了提高VRM 的动态响应，还必须力求减小供电母线的引线电感。最有效的办法是将VRM 做成“装在印刷板上”的形式，直接装在负载附近，而不采取集中电源供电的形式。另一方面，还要求VRM 本身具有十分小的引线电感。为了保证VRM 具有足够高的效率，必须采用同步整流器和漏感很小的超薄型的变压器。
2．谐波抑制和电磁兼容
随着各种电子电路和电力电子技术在家庭、工业、交通、国防日益广泛的应用，电磁干扰(electromagnetic interference-EMI)、电磁敏感度(electromagnetic susceptibility-EMS)和谐波干扰已成为现代电气工程设计和研究人员在设计过程中必须考虑的问题。一方面这是因为当前电子技术正朝着高频、高速、高灵敏度、高可靠性、多功能、小型化方向发展，导致了现代电子设备产生和接受电磁干扰的几率大大增加; 另一方面，随着电力电子装置本身功率容量和功率密度的不断增大，电网及其周围的电磁环境
遭受的污染（包括谐波干扰）也日益严重，所以EMI 和谐波干扰已成为许多电子设备与系统能否在应用现场正常可靠运行的主要障碍之一。为此，世界各国对电气设备的电磁兼容性（electromagnetic compatibility-EMC）和允许注入电网的谐波均制定了相应的标准。特别在西欧，从1996年1月起，已强制严格执行其相应标准; 规定凡不符合欧洲EMC 标准和谐波标准的电气产品，一律不准进入欧洲市场。因此，今天对EMC 和谐波抑制的研究已经或正在迅速地扩展到与电子技术应用相关的工业民用的各个领域。
治理谐波的方法有主动型和被动型两大类。所谓主动型即设法使接入电网的电子装置不产生谐波; 而所谓被动型即设法采用补偿的方法使网侧电流为正弦波。
主动型治理谐波的方法很多，例如，在大功率电力电子装置中有多脉整流、多电平变换器等，在中小功率电力电子装置中，最典型的例子是有源功率因数校正（PFC ）。前者已在前面讨论过，这里主要介绍有源功率因数校正技术发展动态。
1. 单和功率因数校正电路
单相PFC 的研究起步较早，目前它主要应用于小功率的开关电源等电力电子设备。恒频、连续工作状态（CFCM ）的Boost 电路拓扑已被公认为最合适的单相功率因数校正电路，由于Boost 电感电流主要为输入电流，所以可以利用电流控制方法改善输入电流波形，减小差模电磁干扰，据此一些集成控制电路已上市。因为对单相功率因数校正电路研究的时间较长，电路本身也不是十分复杂，所以单相PFC 无论在功率拓扑或控制技术方面都巳相对比较成熟，理论亦相对比较完善，功率因数校正效果也比较令人满意。所以，目前在这方面的研究工作已转移到单相PFC 的优化上。比如：将软开关技术和单相PFC 相结合，提高PFC 的效率，降低EMI; 控制技术的优化和单级高功率因数变换拓扑。例如Elmore 将一种用闭环小信号控制技术将
CM/DMPFCBoost变换器并联的技术成功地用到CMPFCBoost 变换器，实验样机的输出功率为1800W ，开关频率184kHz ，满载功率因数达99％，效率达94％，功率密度达16W/in3。
2. 三相功率因数校正电路
和单相PFC 恰恰相反，有关三相PFC 的研究起步较晚，这是因为它的电路比较复杂，电路参量间的相互牵制关系较多。到目前为止，有关三相PFC 的研究依然处于一种初级阶段，其中还存在许多基本问题有待解决。有关研究成果无论在理论的系统性或实际应用方面都存在一定的欠缺和局限性。当前有关三相PFC 的研究主要包含以下4个方面：（1）三相PFC 的功率拓扑；（2）三相PFC 的控制技术; （3）软开关三相PFC 技术; （4）具有PFC 功能的单级变换技术。三相功率因数校正电路的主要困难在于：为了使某一
相的输人电流仅由该相电压决定并与其同相，就必须对这三个通过不控整流桥相互耦合的相电压进行解耦，使三相电压对整流桥乃至其后级变换电路相互独立，互不影响。只有这样才能使各相输入电流的谐波含量极小，输入功率因数才可能接近或等于1。
三相PFC 的功率拓扑若按某一相的输入电流与其他两相输入电压的耦合程度来分类的话，可分为完全解耦、部分解耦和零解耦三种情况。用全控型功率器件的PWM 三相PFC 整流器属于完全解耦型，众所周知，在三相功率因数校正变换器中，通常采用PWM 桥式结构，若采用电压型变换器，则要求6个全控型器件，若采用电流型还要再另外加6个快恢复二极管。因而，常规的PWM 桥式电路与常规的用二极管的不控整流相比，不但固有成本高而且效率低，电路比较复杂; 为了解决这一问题，近年来，许多适合于三相PFC 变流器的，较简单的拓扑分别被提出。提出的简化的整流器均是基于将1个三相二极管整流桥与1个或2个Boost 变换器组合而成。这种电路属于零解耦型，电路比较简单，但是具有其固有的弱点：三相不平衡度及负载变化均会影响功率因数校正效果。Ohtsu 等制成了三相200V （AC ）输入，输出48V 、100A 带零电压开关，三相PFC 电路的一次遍信电源，其开关频率为40kHz,PFC 级的效率为97.6％，电源总效率为96.1％，电源体积
22.5x103cm3，功率密度为0.28W/cm3。最近，Xu 首次提出了一种部分解耦的三相PFC 拓扑，即它的三相输入电压在工频周波内的某一些区间段内被解耦，而在其它区间段内的三相输入电压通过整流桥依然相互耦合，部分解耦三相PFC 是完全解耦PFC 和零解耦PFC 的折衷，与之对偶，其控制策略亦可以是完全解耦PFC 和零解耦PFC 控制策略的综合。比如在耦合的区间内引用零解耦拓扑的控制方法; 在解耦区间内引用完全解耦拓扑的控制方法。在本论文中就提出了一个将临界DCM 电流模式控制应用到部分解耦的三相PFC 拓扑的方案，并得到了令人十分满意的效果。
被动型治理谐波的方法主要是滤波（无源滤波器）和补偿（有源滤波器）或两者的混合（混合有源滤波器），这方面的理论和技术都比较成熟，主要是工程化的问题。
3. 电磁兼容
电力电子系统中的电磁兼容问题具有它本身的特殊性。通常，它涉及到装置（系统）主电路中的大功率开关过程高的di/dt和dv/dt引起的强大的传导型电磁干扰，有些高频大功率装置还会引起强的电磁场（通常是近场）的辐射。它们不但会严重污染周围的电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，而且可能会危及附近操作人员的安全。同时，这些装置（系统）内部的控制电路也必须能承受其主电路及工业应用现场电磁噪声的干扰。由于上述这些特殊性和对大功率电力电子装置进行EMC 测量上的具体困难，因此，专门针对电力电子系统电磁兼容的研究工作，目前还处于初级阶段。
二、应用领域
电力电子应用广泛，下面是部分应用
1 计算机高效率绿色电源
高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会, 同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代, 计算机全面采用了开关电源, 率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。
计算机技术的发展, 提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源, 根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星" 计划规定, 桌上型个人电脑或相关的外围设备, 在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦, 就符合 绿色电脑的要求, 提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言, 电源自身要消耗50瓦的能源。 2 通信用高频开关电源
通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中, 通常将整流器称为一次电源, 而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V 的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中, 传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代, 高频开关电源(也称为开关型整流器SMR) 通过MOSFET 或IGBT 的高频工作, 开关频率一般控制在50-100kHz 范围内, 实现高效率和小型化。近几年, 开关整流器的功率容量不断扩大, 单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。
因通信设备中所用集成电路的种类繁多, 其电源电压也各不相同, 在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC 隔离电源模块, 从中间母线电压(一般为48V 直流) 变换成所需的各种直流电压, 这样可大大减小损耗、方便维护, 且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上, 对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加, 通信电源容量也将不断增加。 3 直流-直流(DC/DC)变换器
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压, 这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制, 同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能, 并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化, 模块采用高频PWM 技术, 开关频率在500kHz 左右, 功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展, 要求电源模块实现小型化, 因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓
扑结构, 目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块, 功率密度有较大幅度的提高。
4 不间断电源(UPS)
不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流, 一部分能量给蓄电池组充电, 另一部分能量经逆变器变成交流, 经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量, 另一路备用电源通过电源转换开关来实现。
现代UPS 普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET 、IGBT 等现代电力电子器件, 电源的噪声得以降低, 而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入, 可以实现对UPS 的智能化管理, 进行远程维护和远程诊断。
目前在线式UPS 的最大容量已可作到600kVA 。超小型UPS 发展也很迅速, 已经有0.5kVA 、lkVA 、2kVA 、3kVA 等多种规格的产品。
5 变频器电源
变频器电源主要用于交流电机的变频调速, 其在电气传动系统中占据的地位日趋重要, 已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压, 然后由大功率晶体管或IGBT 组成的PWM 高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出, 电源输出波形近似于正弦波, 用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
国际上400kVA 以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期, 日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年, 其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器, 逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外, 还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略, 精选功能组件, 是空调变频电源研制的进一步发展方向。
6 高频逆变式整流焊机电源
高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源, 代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT 大容量模块的商用化, 这种电源更有着广阔的应用前景。
逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz 交流电经全桥整流变成直流,IGBT 组成的PWM 高频变换部分将直流电逆变成20kHz 的高频矩形波, 经高频变压器耦合, 整流滤波后成为稳定的直流, 供电弧使用。
由于焊机电源的工作条件恶劣, 频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中, 因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题, 也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,
通过对多参数、多信息的提取与分析, 达到预知系统各种工作状态的目的, 进而提前对系统做出调整和处理, 解决了目前大功率IGBT 逆变电源可靠性。
国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A, 负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg 。
7 大功率开关型高压直流电源
大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X 光机和CT 机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A 以上, 功率可达100kW 。
自从70年代开始, 日本的一些公司开始采用逆变技术, 将市电整流后逆变为3kHz 左右的中频, 然后升压。进入80年代, 高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件, 将电源的开关频率提高到20kHz 以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源, 取消了高压变压器油箱, 使变压器系统的体积进一步减小。国内对静电除尘高压直流电源进行了研制, 市电经整流变为直流, 采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压, 然后由高频变压器升压, 最后整流为直流高压。在电阻负载条件下, 输出直流电压达到55kV, 电流达到15mA, 工作频率为25.6kHz 。
8 电力有源滤波器
传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时, 将向电网注入大量的谐波电流, 引起谐波损耗和干扰, 同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象, 即所谓“电力公害”,例如, 不可控整流加电容滤波时, 网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。
电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置, 能克服传统LC 滤波器的不足, 是一种很有发展前途的谐波抑制手段。
三、电力电子器件发展
众所周知，一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断状态能承受高电压; 在导通状态具有高的电流密度和低的导通压降; 在开关状态，转换时具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和dv/dt，并具有全控功能。
自从50年代硅晶闸管问世以后的20多年来，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈的努力，并已取得了世人瞩目的成就。60年代后期，可关断晶闸管GTO 实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到lkHz 以上。70年代中期，高功率晶体管和功率MOSFET 问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。80年代，绝缘栅门控双极型晶体管（IGBT ）问世，它综合了功率MOSFET 和双极型功率晶体管两者的功能。IGBT 的迅速发展，又激励了入们对综合功率MOSFET 和晶闸管两者功能的新型功率器件——MOSFET 门控晶闸管的研究。
SCR 问世似来，其功率容量已提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产φ100mm ，8000V/4000A的晶闸管。日本现在已能稳定生产
8000V/4000A和6000V/6000A的光触发晶闸管（LTT ）。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC 、静止无功补偿（SVC ）、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍然占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。
1982年，日本日立公司首先研制成功2500v 、1000A 的GTO 。许多生产商可提供额定开关功率36MVA （6000V ，6000A ）用的高压大电流GTO 。为了折衷它的导通、开通和关断特性，传统GTO 的典型关断增量仅为3～5。GTO 关断期闻的不均匀性引起的“挤流效应”使GTO 关断期间dv/dt必须限制在500～1000V/μs 。为此，人们不得不使用体积大、笨重、昂贵的吸收电路。它的其他缺点是门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管这些突出的优点，仍使人们对GTO 感兴趣。到目前为止，传统的GTO 是在高压（VBR ＞3300V ）、大功率（0.5～20MVA ）牵引、工业和电力逆变器中应用最为普遍的门控功率半导体器件。目前，GTO 的最高研究水平为6in 、6000V/6000A以及9000V/10000A。这种GTO 采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术折衷了GTO 导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。由于GTO 具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步取代SCR 。为了满足电力系统对lGVA 以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有可能开发出10000A 、12000V 的GTO ，并有可能解决30多个高压GTO 串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统中的应用再上一个台阶。当前已有两种上述常规GTO 的替代品问世：一是高功率的IGBT 模块（包括IEGT-Injection Enhanced Gate Transistor:）; 另一是门极换流晶闸管IGCT 、，这是一种改进型GTO 和集成门极驱动器组成的新型GTO 组件。
4.5kV （用于1.9kV/2.7kV直流链）及5.5kV （用于3.3kV 直流链）、
275A
IGCT 可以较低的成本，紧凑、可靠、高效率地用于0.3～10MVA 变流器，而不需要串联或并联。如用串联，逆变器功率可扩展到100MVA 而用于电力设备。虽然高功率IGBT 模块具有一些优良的特性，如能实现di/dt和dv/dt的有源控制、有源箝位，易于实现短路电流保护和有源保护等，但是，高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，使高功率IGBT 模块在高功率低频变流器中的实际应用
受到限制。因此我们可以认为，在大功率MCT 问世以前，IGCT 将成为高功率高电压低频变流器，特别是在电力工业应用领域中的优选大功率器件。
MOS 控制晶闸管（MCT ）充分利用晶闸管良好的通态特性及MOS 管的开通和关断特性，可望具有优良的自关断动态特性和非常低的通态电压降，并易于得到高的耐压，成为将来在电力装置和电力系统中最有发展前途的大功率器件。目前世界上虽有十几家公司在积极开展对MCT 的研究，但是仍然处于研制阶段，其中只有美国HARRIS 公司可生产100A 、1000V 的MCT ，离实际应用尚有相当大的距离。大功率MCT 的真正问世可能还需要相当长的时间。
至今，硅材料功率器件已发展得相当成熟。为了进一步实现人们对理想功率器件特性的追求，越来越多的功率器件研究工作转向了对用新型半导材料制作新型半导体功率器件的探求。研究表明，砷化家FET 和肖特基整流器可以获得十分优越的技术性能。Collinsetal 用GaAsVFETs 制成了10MH ：PWM 变流器，其功率密度高达500W/in3。
在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅（SiC ）功率器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级。碳化硅与其它半导体材料相比，具有下列优异的物理特点：高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数，以及高的热导率。上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合下是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流水平下，SiC 器件的漂移区电阻仅为硅器件的1/200，即使高耐压的SiC 场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且，SiC 器件的开关时间可达10ns 量级，并具有十分优越的FBSOA 。
SiC 可以用来制造射频和微波功率器件、各种高频整流器、MESFETs 、MOSFETs 和JFETs 等。SiC 高频功率器件已在Motorola 开发成功，并应用于微波和射频装置。GE 公司正在开发SiC 功率器件和高温器件（包括用于喷气式引擎的传感器）。西屋公司已经制造出了在26GHz 频率下工作的甚高频的MESFET 。ABB 公司正在研制高功率、高电压的SiC 整流器和其它SiC 低频功率器件，用于工业和电力系统。
理论分析表明，SiC 功率器件非常接近于理想的功率器件。可以预见，各种SiC 器件的研究与开发，必将成为功率器件研究领域的主要潮流之一。可是，SiC 材料和功率器件的机理、理论、制造工艺均有大量问题需要解决，它们要真正给电力电子技术领域带来又一次革命，估计还需要至少10年左右的时间。
四、我国电力电子发展
电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对新建高技术产业（航天、激光、通信、机器人等）和高效利用能源均至关重要。而电力、机械、冶金、石油、化工、交通运输是传统
产业的重要支柱，这些产业技术水平的高低直接关系到我国工业基础的强弱。毫无疑问，电力电子技术是提高这些产业技术水平的重要手段，它是对我国传统产业实现技术改造、建立自动化工业体系的关键应用技术。下面就电力电子技术在国民经济各部门的应用进行简要讨论。
概括起来说，电力电子技术主要应用于电机调速传动、工业供电电源、电力输配电和照明四大方面。
电机调速传动分工艺调速传动和节能调速传动两大类。工艺调速传动指工艺要求必须调速的传动，例如轧机、机床、造纸、矿井卷扬、铁道、工矿牵引等传统地用直流电动机驱动的机械传动场合，以及化工、炼油工艺流程中传统地用机械阀门控制物料流量的场合。节能调速则是指一般采用风机、泵、压缩机的场合，采用调速装置来调节风量和流量，可以取得明显的节能效果。众所周知，风机，水泵，压缩机等泵类机械在国民经济各部门中占有重要地位，广泛用于冶金、化工、纺织、石油、煤炭、电力、轻工、建材和农业各生产部门，应用面广量大。据80年代末国家统计，风泵耗电量占全国工业用电量的31％，而运行效率比国外低10～30％。据一些重点企业和经济地区统计，风机水泵是全国耗电最大的工业装备，它们采用调速装置以后，总节电潜力可达300～400亿kW-h 。
电力电子技术在电力系统中的应用是电力电子应用技术具有潜在市场的又一大领域。其典型应用有高压直流输电HVDC ，灵活交流输电系统FACTS （包括静止电压补偿器、静止相位补偿器、功率流控制器等）有源电力滤波器，蓄能电站用交流励磁系统等。我国正处于经济蓬勃发展阶段，电力工业的发展始终放在我国国民经济发展的重要位置。“九五”期间，至2000年计划总发电量和总装机容量拟分别达到15000亿kW-h 和3亿kW ，平均每年要新增2100万kW 装机容量和1000亿kW-h 的发电量。进入21世纪，我国电力建设规模更为巨大，根据经济研究单位的预测，我国在21世纪开始10年的电力建设发展速度约为7.4～8.0％，若按7.5％的速度安排电力建设，并考虑技术进步和加强节电及需求侧负荷管理，电力弹性系数按0.80～0.85来考虑，到2010年全国电力装机仍要求达到5.4～5.5亿kW 以上，也就是说要求10年内平均每年要新增电力装机容量达2400～2500万kW ，这一建设规模是十分巨大的。即使这样仍远远满足不了我国国民经济迅速发展的需要，为此我国电力部已明确指出“我国在很长一段时期内必须采用开发与节约并重的总方针，在大规模进行电力建设的同时，还要大力推进以科技进步为中心的节能、节电、提高效益的电力技术改造工作。”从用电角度来说，利用电力电子技术进行节能技术改造，提高用电效率; 从发、配电角度来说，必须利用电力电子技术提高发电效率和提高输配电质量。现代电力系统的控制必须包括下列两个方面的要求：（1）维持电源电压和频率的稳定，满足负荷的要求。特别要求系统具有良好的高峰/低谷调节能力，并能满足对电能质量的要求，即稳定的电压、频率，三相对称，低的谐波分量等。
（2）在系统发生故障时，系统应具有自动防止故障扩大和消除故障的能力，以保护系统免于崩溃。近十几年来，随着电力电子器件和变流技术的飞速发展，高压大功率电力电子装置的诸多优良特性决定了它在电力系统应用中具有强大的生命力。与其它应用领域相比，上述这些应用要求电力电子装置具有更高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性。
照明是电力电子技术应用的另一个重要方面。随着社会的发展，照明用电占总发电量的比率与日俱增。据资料统计，美国1994年仅用于9600万户家庭照明的耗电约为1500亿kW-h ，价值100亿美元，这些发电量若用火力发电将产生1.4亿吨二氧化碳。我国照明用电这几年也呈迅速上升趋势。1992年照明用电量为700亿kW-h ，而到了1995年为1000亿kW-h ，占总发电量的10％，预计到2000年照明用电将达1500亿kW-h 。照明用电的迅速增加不但要增加大量的电力投资，而且还会产生大量污染。照明在能源及其环境污染上的严重问题引起了人们的共识。为此工业发达国家纷纷制定了绿色照明工程计划。如美国环境保护署在1992年启动了绿色照明工程。绿色照明工程就是在保证照明质量的前提下，节约照明用电，减小因照明用电量增加而给环境带来的危害，政府制定相应的鼓励和倾斜政策, 甚至立法强制维护。我国也在1996年正式启动了绿色照明工程，其目的就是制定一系列经济与政策措施，扶持重点企业发展节能光源、节能电器和节能灯具，实施节能照明。
此外，现代航空航天、舰艇船舶及未来的汽车工业中，前述电机调速传动、工业供电电源、电力输配电和照明涉及的各种电力电子技术均得到全面和广泛的应用，在飞机、舰艇船舶和现代汽车中用到各类电力电子装置和系统，但是它们又具有各自的特殊性。
航空航天电气系统及其部件通常在极为恶劣和苛刻的条件下工作，如十分宽的温度和湿度变化范围，盐雾、霉菌及核辐射等侵蚀性的特殊工作环境，极为复杂的高空电磁环境，强的振动、冲击和加速度等，同时还要求航空航天器电气设备具有高的可靠性、好的维护性（甚至不需要修理而能长期正常工作）、体积小、重量轻等。现代舰艇与船舶电气化程度很高，用电量很大，舰艇和船舶中的基础电源既可能是柴油发电机组或蒸汽透平发电机组输出的三相50Hz 或60Hz 交流电源，也可能是220V （电压幅度175～320V ）或440V （电压幅度350～640V ）的蓄电池组。舰艇和船舶上的电力负载有各类辅助机械和特种机械的电力传动系统，风机和泵类电动机，驱动舰船螺旋桨推进舰船航行的电力推进系统，舰船武器和防卫装备，通讯导航设备，电热、制冷、照明和其他生活用电设备，这些不同类型的用电设备需要不同形态的电源供应；照明灯具和恒速运行的电动机要有恒定直流或恒压工频交流电源，有的需要恒频标准正统波，通讯导航设备、舰船指挥仪、声纳、雷达中，有些部分设备甚至还要求有高频脉冲电源的供电，至于UPS 则是各类舰船都必需的。但由于舰船空间有限，设备密集，环境条件恶劣，对电源变换
装置重量体积要求又较严格，此外单个用电设备或电力变换装置的容量与总的基础电源的容量相比并不小很多，相互影响往往很大，因此舰船电力变换装置要求高可靠、可维护性和高效率，低的发热温升，良好的工作特性以及电磁兼容性。加之舰船用的电力变换装置需求的批量不大，研制、试用、改进、定型的周期都比较长，因此投资大成本高。这些因素在很大程度上推迟了舰船电力电子技术的发展，制约了电力电子技术在舰船上的推广应用。世界各国舰船电力变换装置的技术发展都比较缓慢，新型电力电子装置在舰船上的应用往往要比陆上工作应用晚5~10年。众所周知，电力电子技术是电动汽车的核心技术之一，而现代汽车也将越来越普遍地采用电子控制技术，如燃油喷射、无触点点火、发动机怠速转速控制、电子自动变速器、电子动力转向和防抱死控制等。电机驱动系统的控制器、辅助电源、转向控制、充电系统等都为电力电子控制装置等。
不容置疑，我国国民经济的发展对电力电子应用技术具有十分巨大的需求。为了迅速改变我国电力电子技术的落后状况，适应国际市场严峻的竞争形势，我国政府也下了很大的决心和采取了很多措施大力发展电力电子技术，电力电子技术已被列入国家“九五”科技发展规划和国家关键新技术发展计划。到90年代，我国在某些现代电力电子技术，如软开关、功率因数校正、IGBT 的应用、并联均流、智能控制、谐波治理、计算机仿真等的开发和应用方面取得了一些成就，有些研究成果已在产业部门中得到推广和应用。但是，总的说来我国电力电子技术的水平还远远落后于国际先进水平，远跟不上我国国民经济发展的需要，特别是还面临着国外产品严重冲击的严峻形势。国产功率器件目前主要还限于不控或半控器件（整流管和可控硅）。大功率结型全控器件（GTO ，GTR ）虽有引进，但因市场和质量等原因，至今未能形成批量生产能力; 场控器件（功率MOS 、IGBT 等和智能功率模块IPM ）全靠进口。目前国产的电力电子装置还主要局限于利用大功率整流管和硅晶闸管生产的整流电源、直流调速和可控硅静止变频装置，而反映当代电力电子装置发展方向的高技术产品在我国目前尚处于研制开发阶段。这样一来，急需电力电子设备的一些大型企业就干脆直接从国外进口，而一般企业则因财力和企业技术水平所限，只得采用落后的技术和设备，这就严重地影响了我国电力电子技术的迅速发展和推广。
五、电力电子技术相关课题
课题一 新型电力电子器件及电力电子集成技术
（一）研究目标
研究和掌握IGBT （绝缘栅双极型晶体管）、FRD （快恢复二极管）和全套设计技术、生产制造工艺技术、封装技术、试验和检测技术, 可靠性和失效分析技术等，为我国电力电子装置提供有自主知识产权的IGBT 系列器件。
研究和掌握标准化和通用化的电力电子组件(PEBB)的设计和制造工艺技术、集成化的电力电子变流器和PEBB 标准单元的设计和制造技术。
（二）研究内容
1. IGBT芯片。研制出75A/1200～1700V IGBT，研制出100A/1200～1700V IGBT。
2. FRD芯片。研制出75A/1200～1700V FRD，研制出100A/1200～1700V FRD。
3. IGBT单管。研制出75A ～100A1200V IGBT单管。
4. FRD单管。研制出75A ～100A1200V FRD单管。
5. IGBT模块。研制出100A/1200～1700V IGBT模块，研制出
400A/1200V IGBT 模块。
6. 标准化和通用化的电力电子组件(PEBB) 系列。1～500kW 系列
PEBB ，5个规格。
课题二 中高压、百MVA 级链式及多电平变流器与静止补偿器研制
（一）研究目标
研制出用于电力系统的基于35kV/1700A链式结构高压大容量变流器及其构成的35kV 100MVA 新型静止补偿器；
研制出用于冲击性负荷补偿的基于多开关器件（IGCT 或IGBT ）串联的35kV/400A 三电平高压大容量变流器及其构成的35kV 20MVA 新型静止补偿器。
（二）研究内容
研究掌握适用于链式结构连接的高压大容量变流器（输出电压1.5kV ，电流大于1700A ）技术，该变流器具有晶闸管旁路电路、直流侧接高压大容量脉冲电容器，具有简单的低损耗缓冲电路，及直流侧电压平衡调节电路，全部采用光纤输入；研究掌握多链节（20个以上）串联连接技术，使链式变流器能输出35kV 电压，可以不经变压器直接接入35kV 电网；研究掌握20个以上串联链节脉冲分配及控制技术，使得变流器的工作损耗低、输出电压谐波小，能够确保各链节直流侧电压与平均电压在静态与动态过程中均保持在允许的范围之内；研制完成基于35kV/1700A 链式变流器的新型静止补偿器产品，研究掌握其控制与保护技术；研究掌握等效测试技术，可以对高压
大功率模块进行有效的测试同时保证测试成本低；研究掌握10个以上的IGBT/IGCT器件串联均压及驱动技术。研究掌握35kV 20MVA三电平或多电平无缓冲或简易缓冲电路变流器的结构设计制造技术与脉冲控制技术；研制完成基于35kV 20MVA 三电平或多电平变流器的静止补偿器产品，研究并掌握其控制与保护技术；研究解决链式变流器及三电平变流器的散热问题。完成编制6～35kV ，几MVA ～百MVA 变流器技术的行业标准建议。
课题三 电能质量复合控制技术及装置
（一）研究目标
研制2MVA 可控电压质量扰动发生装置及其对应的复合电压质量调节装置样机，研制1MVA 可控负荷用电品质扰动发生装置及其对应的复合电流质量调节装置样机，为电网电能质量的测量、分析、评估和控制建立基础平台，并提供能有效解决电能质量问题的设备基础。其中，复合电压质量调节装置能实现动态电压恢复（DVR ）、有源滤波（APF ）、短路电流限制
（FCL ）及负荷电压调整的多目标控制，大幅度改善敏感负荷的电压质量；复合电流质量调节装置能实现快速补偿负荷的波动有功功率、无功功率和谐波，使系统侧只需向负荷提供单位功率因数、电流波形正弦、没有冲击的有功功率, 以有效改善负荷品质，提高电能质量。
（二）研究内容
研究大容量可控电压质量扰动发生装置及复合电压质量调节装置，大容量可控负荷用电品质扰动发生装置及复合电流质量调节装置的总体设计技术，包括：电路拓扑设计、装置中电力电子器件的全工况应力计算和分析；大容量换流器的模块化技术；分部件接口技术；冷却与保护技术；器件和模块失效冗余技术；装置控制策略和高效调制算法；装置在复杂系统条件下的适应性设计。
编制大功率复合电压质量调节装置和复合电流质量调节装置的技术规范，形成指导企业的生产性技术文件。
课题四：分布式供能系统高压变流器及软开关技术
（一）研究目标
优先采用我国自主研发的大功率IGCT 器件，研制分布式供能系统
3MW/6kV高压IGCT 并网变流器；掌握高压并网变流器产业化关键技术，形成相应的技术规范和标准建议，实现高压IGCT 并网变流器的完全自主知识产权；根据分布式供能系统的特点，研制1.5MW 功率等级软开关变流器，掌握大功率并网变流器软开关关键核心技术，并在实际系统中完成运行考核。
（二）研究内容
研究掌握分布式供能系统3MW/6kV高压IGCT 并网变流器技术及高压发电机技术；研究掌握3MW/6kV分布式供能系统高压并网变流器试验平台技
术；研究掌握大功率IGCT 组件技术和应用技术；研究掌握分布式供能系统
1.5MW 软开关变流器技术和实验技术。
课题五 电气化铁路同相供电装置
（一）研究目标
研制基于当代电力电子集成与控制技术的10～20MVA 同相供电装置样机，为铁路新型牵引供电系统提供设备基础。
（二）研究内容
研究适用于同相牵引供电系统的牵引变压器接线方式，实现与同相供电装置的最佳配合；研究掌握同相供电系统功率潮流控制技术，使同相供电装置损耗降低、输出谐波小，能够确保输出电压在各种负荷情况下均保持在允许的范围之内，满足IEC 相关标准和国标；研究掌握以满足实际需要为约束条件的同相供电系统功率潮流控制器的容量设置优化技术；研究掌握同相供电系统同比常规牵引供电系统的技术经济性评估方法；研究掌握10～20MVA 同相供电装置制造技术
课题六 高速货运机车牵引变流器研制
（一）研究目标
完成用于高速(120km/h)货运电力机车的3×1600kw 通用牵引变流器与控制(含辅助变流器) 产业关键技术开发和装置研制，为我国高速重载轨道货物运输装备及相关行业提供主流机型。
（二）研究内容
研究掌握牵引变流器(脉冲整流器和牵引逆变器) 主电路最佳拓扑结构、冷却方式、设计与制造技术以及结构设计准则与EMC 技术；研究掌握传动控制策略、控制算法，控制器的硬、软件实现技术。
课题七：城市轨道交通能馈式牵引供电系统及牵引传动系统研制
（一）研究目标
完成2MW 能馈式牵引供电系统样机的研制；完成2×180kW 地铁动车用交流牵引传动系统及辅助变流系统样机的研制。总体技术达到国际先进水平，并形成独立设计规范和技术标准。
（二）研究内容
研究地铁动车用牵引传动系统（牵引逆变器）的主电路拓扑结构及数学模型仿真；研究掌握牵引传动系统的控制策略、电磁兼容性技术、集成化技术、保护技术、冷却技术和可靠性技术；研究掌握牵引传动系统状态参数监测、故障诊断、传感器网络、防空转防滑行智能控制技术及安全控制技术；
电力电子技术课程报告
电力电子学（Power Electronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的W.Newell 用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。
电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。
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的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO ），电力双极型晶体管（BJT ），电力场效应管（Power-MOSFET ）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT 可看作MOSFET 和BJT 的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，在流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC ）。目前PIC 的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向
一、电力电子技术新发展
1．高压大功率和低压大电流变换技术
电力电子技术的主要任务为实现电能的转换，它的主要研究目标是节能，努力挖掘一切潜在的提高效率的途径，来节省有限的能源，保护人类生存的环境。功率变换技术正是实现这一目标的重要手段，所以它始终是电力电子学的核心技术。经过三十多年，特别是近十多年的发展，功率变换技术已比较成熟，近年来的发展动向主要集中在软开关、高压、大功率和低压、
大电流变换技术方面。这里主要介绍高压、大功率和低压、大电流变换技术的最新发展。
近年来，多电平功率变流器在大功率应用中得到普遍重视，它们适用于高电压、大功率、低EMI 及低谐波污染，在电力系统及大功率电气传动中具有十分广阔的应用前景。多电平功率变流器主要有二极管箝位多电平逆变器、浮动电容器多电平逆变器、组合型多电平逆变器等几种。表1列出了不同电平数的二极管箝位多电平逆变器系统的主要性能对比。
近年来，变换器技术的另一发展动向是低压、大电流变换技术。现代微处理器和一些超高速的超大规模集成电路芯片，如Intel Pentium Pro等，要求运行在低电压（2.4～3.3V ）、大电流（＞13A ）状态，而直流母线电压通常为5～12V 。这样，就对其供电电源（电压调整模块VRM ）提出了新的挑战：要求VRM 具有非常快速的负载电流动态响应，在保证足够小的体积的同时，具有高的效率。表2给出了现代微处理器对VRM 的要求。
为了使VRM 具有快速的负载电流动态响应，传统的解决办法是在VRM 的输出端并联很多容量很大、等效串联电阻很小的退耦电容器。显然，该方法存在如下问题：
（1）退耦电容器的体积很大，而现代微处理器对VRM 的体积有严格的要求。
（2）退耦电容器仅能改善动态响应的最初阶段，对后阶段及总的动态响应时间没有作用。
为此，一种交错叠加型准方波抵消纹波的变换拓扑结构被首次提出。表3比较了该方案与传统采用大容量退耦电容器方案的结果。结果表明，该结构在保证要求输出纹波的前提下，不但可以大大减小输出滤波电容器的容量，而且能大大减小VRM 的输出滤波电感的电感量。
除此以外，为了提高VRM 的动态响应，还必须力求减小供电母线的引线电感。最有效的办法是将VRM 做成“装在印刷板上”的形式，直接装在负载附近，而不采取集中电源供电的形式。另一方面，还要求VRM 本身具有十分小的引线电感。为了保证VRM 具有足够高的效率，必须采用同步整流器和漏感很小的超薄型的变压器。
2．谐波抑制和电磁兼容
随着各种电子电路和电力电子技术在家庭、工业、交通、国防日益广泛的应用，电磁干扰(electromagnetic interference-EMI)、电磁敏感度(electromagnetic susceptibility-EMS)和谐波干扰已成为现代电气工程设计和研究人员在设计过程中必须考虑的问题。一方面这是因为当前电子技术正朝着高频、高速、高灵敏度、高可靠性、多功能、小型化方向发展，导致了现代电子设备产生和接受电磁干扰的几率大大增加; 另一方面，随着电力电子装置本身功率容量和功率密度的不断增大，电网及其周围的电磁环境
遭受的污染（包括谐波干扰）也日益严重，所以EMI 和谐波干扰已成为许多电子设备与系统能否在应用现场正常可靠运行的主要障碍之一。为此，世界各国对电气设备的电磁兼容性（electromagnetic compatibility-EMC）和允许注入电网的谐波均制定了相应的标准。特别在西欧，从1996年1月起，已强制严格执行其相应标准; 规定凡不符合欧洲EMC 标准和谐波标准的电气产品，一律不准进入欧洲市场。因此，今天对EMC 和谐波抑制的研究已经或正在迅速地扩展到与电子技术应用相关的工业民用的各个领域。
治理谐波的方法有主动型和被动型两大类。所谓主动型即设法使接入电网的电子装置不产生谐波; 而所谓被动型即设法采用补偿的方法使网侧电流为正弦波。
主动型治理谐波的方法很多，例如，在大功率电力电子装置中有多脉整流、多电平变换器等，在中小功率电力电子装置中，最典型的例子是有源功率因数校正（PFC ）。前者已在前面讨论过，这里主要介绍有源功率因数校正技术发展动态。
1. 单和功率因数校正电路
单相PFC 的研究起步较早，目前它主要应用于小功率的开关电源等电力电子设备。恒频、连续工作状态（CFCM ）的Boost 电路拓扑已被公认为最合适的单相功率因数校正电路，由于Boost 电感电流主要为输入电流，所以可以利用电流控制方法改善输入电流波形，减小差模电磁干扰，据此一些集成控制电路已上市。因为对单相功率因数校正电路研究的时间较长，电路本身也不是十分复杂，所以单相PFC 无论在功率拓扑或控制技术方面都巳相对比较成熟，理论亦相对比较完善，功率因数校正效果也比较令人满意。所以，目前在这方面的研究工作已转移到单相PFC 的优化上。比如：将软开关技术和单相PFC 相结合，提高PFC 的效率，降低EMI; 控制技术的优化和单级高功率因数变换拓扑。例如Elmore 将一种用闭环小信号控制技术将
CM/DMPFCBoost变换器并联的技术成功地用到CMPFCBoost 变换器，实验样机的输出功率为1800W ，开关频率184kHz ，满载功率因数达99％，效率达94％，功率密度达16W/in3。
2. 三相功率因数校正电路
和单相PFC 恰恰相反，有关三相PFC 的研究起步较晚，这是因为它的电路比较复杂，电路参量间的相互牵制关系较多。到目前为止，有关三相PFC 的研究依然处于一种初级阶段，其中还存在许多基本问题有待解决。有关研究成果无论在理论的系统性或实际应用方面都存在一定的欠缺和局限性。当前有关三相PFC 的研究主要包含以下4个方面：（1）三相PFC 的功率拓扑；（2）三相PFC 的控制技术; （3）软开关三相PFC 技术; （4）具有PFC 功能的单级变换技术。三相功率因数校正电路的主要困难在于：为了使某一
相的输人电流仅由该相电压决定并与其同相，就必须对这三个通过不控整流桥相互耦合的相电压进行解耦，使三相电压对整流桥乃至其后级变换电路相互独立，互不影响。只有这样才能使各相输入电流的谐波含量极小，输入功率因数才可能接近或等于1。
三相PFC 的功率拓扑若按某一相的输入电流与其他两相输入电压的耦合程度来分类的话，可分为完全解耦、部分解耦和零解耦三种情况。用全控型功率器件的PWM 三相PFC 整流器属于完全解耦型，众所周知，在三相功率因数校正变换器中，通常采用PWM 桥式结构，若采用电压型变换器，则要求6个全控型器件，若采用电流型还要再另外加6个快恢复二极管。因而，常规的PWM 桥式电路与常规的用二极管的不控整流相比，不但固有成本高而且效率低，电路比较复杂; 为了解决这一问题，近年来，许多适合于三相PFC 变流器的，较简单的拓扑分别被提出。提出的简化的整流器均是基于将1个三相二极管整流桥与1个或2个Boost 变换器组合而成。这种电路属于零解耦型，电路比较简单，但是具有其固有的弱点：三相不平衡度及负载变化均会影响功率因数校正效果。Ohtsu 等制成了三相200V （AC ）输入，输出48V 、100A 带零电压开关，三相PFC 电路的一次遍信电源，其开关频率为40kHz,PFC 级的效率为97.6％，电源总效率为96.1％，电源体积
22.5x103cm3，功率密度为0.28W/cm3。最近，Xu 首次提出了一种部分解耦的三相PFC 拓扑，即它的三相输入电压在工频周波内的某一些区间段内被解耦，而在其它区间段内的三相输入电压通过整流桥依然相互耦合，部分解耦三相PFC 是完全解耦PFC 和零解耦PFC 的折衷，与之对偶，其控制策略亦可以是完全解耦PFC 和零解耦PFC 控制策略的综合。比如在耦合的区间内引用零解耦拓扑的控制方法; 在解耦区间内引用完全解耦拓扑的控制方法。在本论文中就提出了一个将临界DCM 电流模式控制应用到部分解耦的三相PFC 拓扑的方案，并得到了令人十分满意的效果。
被动型治理谐波的方法主要是滤波（无源滤波器）和补偿（有源滤波器）或两者的混合（混合有源滤波器），这方面的理论和技术都比较成熟，主要是工程化的问题。
3. 电磁兼容
电力电子系统中的电磁兼容问题具有它本身的特殊性。通常，它涉及到装置（系统）主电路中的大功率开关过程高的di/dt和dv/dt引起的强大的传导型电磁干扰，有些高频大功率装置还会引起强的电磁场（通常是近场）的辐射。它们不但会严重污染周围的电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，而且可能会危及附近操作人员的安全。同时，这些装置（系统）内部的控制电路也必须能承受其主电路及工业应用现场电磁噪声的干扰。由于上述这些特殊性和对大功率电力电子装置进行EMC 测量上的具体困难，因此，专门针对电力电子系统电磁兼容的研究工作，目前还处于初级阶段。
二、应用领域
电力电子应用广泛，下面是部分应用
1 计算机高效率绿色电源
高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会, 同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代, 计算机全面采用了开关电源, 率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。
计算机技术的发展, 提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源, 根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星" 计划规定, 桌上型个人电脑或相关的外围设备, 在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦, 就符合 绿色电脑的要求, 提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言, 电源自身要消耗50瓦的能源。 2 通信用高频开关电源
通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中, 通常将整流器称为一次电源, 而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V 的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中, 传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代, 高频开关电源(也称为开关型整流器SMR) 通过MOSFET 或IGBT 的高频工作, 开关频率一般控制在50-100kHz 范围内, 实现高效率和小型化。近几年, 开关整流器的功率容量不断扩大, 单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。
因通信设备中所用集成电路的种类繁多, 其电源电压也各不相同, 在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC 隔离电源模块, 从中间母线电压(一般为48V 直流) 变换成所需的各种直流电压, 这样可大大减小损耗、方便维护, 且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上, 对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加, 通信电源容量也将不断增加。 3 直流-直流(DC/DC)变换器
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压, 这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制, 同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能, 并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化, 模块采用高频PWM 技术, 开关频率在500kHz 左右, 功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展, 要求电源模块实现小型化, 因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓
扑结构, 目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块, 功率密度有较大幅度的提高。
4 不间断电源(UPS)
不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流, 一部分能量给蓄电池组充电, 另一部分能量经逆变器变成交流, 经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量, 另一路备用电源通过电源转换开关来实现。
现代UPS 普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET 、IGBT 等现代电力电子器件, 电源的噪声得以降低, 而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入, 可以实现对UPS 的智能化管理, 进行远程维护和远程诊断。
目前在线式UPS 的最大容量已可作到600kVA 。超小型UPS 发展也很迅速, 已经有0.5kVA 、lkVA 、2kVA 、3kVA 等多种规格的产品。
5 变频器电源
变频器电源主要用于交流电机的变频调速, 其在电气传动系统中占据的地位日趋重要, 已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压, 然后由大功率晶体管或IGBT 组成的PWM 高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出, 电源输出波形近似于正弦波, 用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
国际上400kVA 以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期, 日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年, 其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器, 逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外, 还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略, 精选功能组件, 是空调变频电源研制的进一步发展方向。
6 高频逆变式整流焊机电源
高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源, 代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT 大容量模块的商用化, 这种电源更有着广阔的应用前景。
逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz 交流电经全桥整流变成直流,IGBT 组成的PWM 高频变换部分将直流电逆变成20kHz 的高频矩形波, 经高频变压器耦合, 整流滤波后成为稳定的直流, 供电弧使用。
由于焊机电源的工作条件恶劣, 频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中, 因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题, 也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,
通过对多参数、多信息的提取与分析, 达到预知系统各种工作状态的目的, 进而提前对系统做出调整和处理, 解决了目前大功率IGBT 逆变电源可靠性。
国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A, 负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg 。
7 大功率开关型高压直流电源
大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X 光机和CT 机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A 以上, 功率可达100kW 。
自从70年代开始, 日本的一些公司开始采用逆变技术, 将市电整流后逆变为3kHz 左右的中频, 然后升压。进入80年代, 高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件, 将电源的开关频率提高到20kHz 以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源, 取消了高压变压器油箱, 使变压器系统的体积进一步减小。国内对静电除尘高压直流电源进行了研制, 市电经整流变为直流, 采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压, 然后由高频变压器升压, 最后整流为直流高压。在电阻负载条件下, 输出直流电压达到55kV, 电流达到15mA, 工作频率为25.6kHz 。
8 电力有源滤波器
传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时, 将向电网注入大量的谐波电流, 引起谐波损耗和干扰, 同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象, 即所谓“电力公害”,例如, 不可控整流加电容滤波时, 网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。
电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置, 能克服传统LC 滤波器的不足, 是一种很有发展前途的谐波抑制手段。
三、电力电子器件发展
众所周知，一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断状态能承受高电压; 在导通状态具有高的电流密度和低的导通压降; 在开关状态，转换时具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和dv/dt，并具有全控功能。
自从50年代硅晶闸管问世以后的20多年来，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈的努力，并已取得了世人瞩目的成就。60年代后期，可关断晶闸管GTO 实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到lkHz 以上。70年代中期，高功率晶体管和功率MOSFET 问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。80年代，绝缘栅门控双极型晶体管（IGBT ）问世，它综合了功率MOSFET 和双极型功率晶体管两者的功能。IGBT 的迅速发展，又激励了入们对综合功率MOSFET 和晶闸管两者功能的新型功率器件——MOSFET 门控晶闸管的研究。
SCR 问世似来，其功率容量已提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产φ100mm ，8000V/4000A的晶闸管。日本现在已能稳定生产
8000V/4000A和6000V/6000A的光触发晶闸管（LTT ）。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC 、静止无功补偿（SVC ）、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍然占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。
1982年，日本日立公司首先研制成功2500v 、1000A 的GTO 。许多生产商可提供额定开关功率36MVA （6000V ，6000A ）用的高压大电流GTO 。为了折衷它的导通、开通和关断特性，传统GTO 的典型关断增量仅为3～5。GTO 关断期闻的不均匀性引起的“挤流效应”使GTO 关断期间dv/dt必须限制在500～1000V/μs 。为此，人们不得不使用体积大、笨重、昂贵的吸收电路。它的其他缺点是门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管这些突出的优点，仍使人们对GTO 感兴趣。到目前为止，传统的GTO 是在高压（VBR ＞3300V ）、大功率（0.5～20MVA ）牵引、工业和电力逆变器中应用最为普遍的门控功率半导体器件。目前，GTO 的最高研究水平为6in 、6000V/6000A以及9000V/10000A。这种GTO 采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术折衷了GTO 导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。由于GTO 具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步取代SCR 。为了满足电力系统对lGVA 以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有可能开发出10000A 、12000V 的GTO ，并有可能解决30多个高压GTO 串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统中的应用再上一个台阶。当前已有两种上述常规GTO 的替代品问世：一是高功率的IGBT 模块（包括IEGT-Injection Enhanced Gate Transistor:）; 另一是门极换流晶闸管IGCT 、，这是一种改进型GTO 和集成门极驱动器组成的新型GTO 组件。
4.5kV （用于1.9kV/2.7kV直流链）及5.5kV （用于3.3kV 直流链）、
275A
IGCT 可以较低的成本，紧凑、可靠、高效率地用于0.3～10MVA 变流器，而不需要串联或并联。如用串联，逆变器功率可扩展到100MVA 而用于电力设备。虽然高功率IGBT 模块具有一些优良的特性，如能实现di/dt和dv/dt的有源控制、有源箝位，易于实现短路电流保护和有源保护等，但是，高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，使高功率IGBT 模块在高功率低频变流器中的实际应用
受到限制。因此我们可以认为，在大功率MCT 问世以前，IGCT 将成为高功率高电压低频变流器，特别是在电力工业应用领域中的优选大功率器件。
MOS 控制晶闸管（MCT ）充分利用晶闸管良好的通态特性及MOS 管的开通和关断特性，可望具有优良的自关断动态特性和非常低的通态电压降，并易于得到高的耐压，成为将来在电力装置和电力系统中最有发展前途的大功率器件。目前世界上虽有十几家公司在积极开展对MCT 的研究，但是仍然处于研制阶段，其中只有美国HARRIS 公司可生产100A 、1000V 的MCT ，离实际应用尚有相当大的距离。大功率MCT 的真正问世可能还需要相当长的时间。
至今，硅材料功率器件已发展得相当成熟。为了进一步实现人们对理想功率器件特性的追求，越来越多的功率器件研究工作转向了对用新型半导材料制作新型半导体功率器件的探求。研究表明，砷化家FET 和肖特基整流器可以获得十分优越的技术性能。Collinsetal 用GaAsVFETs 制成了10MH ：PWM 变流器，其功率密度高达500W/in3。
在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅（SiC ）功率器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级。碳化硅与其它半导体材料相比，具有下列优异的物理特点：高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数，以及高的热导率。上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合下是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流水平下，SiC 器件的漂移区电阻仅为硅器件的1/200，即使高耐压的SiC 场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且，SiC 器件的开关时间可达10ns 量级，并具有十分优越的FBSOA 。
SiC 可以用来制造射频和微波功率器件、各种高频整流器、MESFETs 、MOSFETs 和JFETs 等。SiC 高频功率器件已在Motorola 开发成功，并应用于微波和射频装置。GE 公司正在开发SiC 功率器件和高温器件（包括用于喷气式引擎的传感器）。西屋公司已经制造出了在26GHz 频率下工作的甚高频的MESFET 。ABB 公司正在研制高功率、高电压的SiC 整流器和其它SiC 低频功率器件，用于工业和电力系统。
理论分析表明，SiC 功率器件非常接近于理想的功率器件。可以预见，各种SiC 器件的研究与开发，必将成为功率器件研究领域的主要潮流之一。可是，SiC 材料和功率器件的机理、理论、制造工艺均有大量问题需要解决，它们要真正给电力电子技术领域带来又一次革命，估计还需要至少10年左右的时间。
四、我国电力电子发展
电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对新建高技术产业（航天、激光、通信、机器人等）和高效利用能源均至关重要。而电力、机械、冶金、石油、化工、交通运输是传统
产业的重要支柱，这些产业技术水平的高低直接关系到我国工业基础的强弱。毫无疑问，电力电子技术是提高这些产业技术水平的重要手段，它是对我国传统产业实现技术改造、建立自动化工业体系的关键应用技术。下面就电力电子技术在国民经济各部门的应用进行简要讨论。
概括起来说，电力电子技术主要应用于电机调速传动、工业供电电源、电力输配电和照明四大方面。
电机调速传动分工艺调速传动和节能调速传动两大类。工艺调速传动指工艺要求必须调速的传动，例如轧机、机床、造纸、矿井卷扬、铁道、工矿牵引等传统地用直流电动机驱动的机械传动场合，以及化工、炼油工艺流程中传统地用机械阀门控制物料流量的场合。节能调速则是指一般采用风机、泵、压缩机的场合，采用调速装置来调节风量和流量，可以取得明显的节能效果。众所周知，风机，水泵，压缩机等泵类机械在国民经济各部门中占有重要地位，广泛用于冶金、化工、纺织、石油、煤炭、电力、轻工、建材和农业各生产部门，应用面广量大。据80年代末国家统计，风泵耗电量占全国工业用电量的31％，而运行效率比国外低10～30％。据一些重点企业和经济地区统计，风机水泵是全国耗电最大的工业装备，它们采用调速装置以后，总节电潜力可达300～400亿kW-h 。
电力电子技术在电力系统中的应用是电力电子应用技术具有潜在市场的又一大领域。其典型应用有高压直流输电HVDC ，灵活交流输电系统FACTS （包括静止电压补偿器、静止相位补偿器、功率流控制器等）有源电力滤波器，蓄能电站用交流励磁系统等。我国正处于经济蓬勃发展阶段，电力工业的发展始终放在我国国民经济发展的重要位置。“九五”期间，至2000年计划总发电量和总装机容量拟分别达到15000亿kW-h 和3亿kW ，平均每年要新增2100万kW 装机容量和1000亿kW-h 的发电量。进入21世纪，我国电力建设规模更为巨大，根据经济研究单位的预测，我国在21世纪开始10年的电力建设发展速度约为7.4～8.0％，若按7.5％的速度安排电力建设，并考虑技术进步和加强节电及需求侧负荷管理，电力弹性系数按0.80～0.85来考虑，到2010年全国电力装机仍要求达到5.4～5.5亿kW 以上，也就是说要求10年内平均每年要新增电力装机容量达2400～2500万kW ，这一建设规模是十分巨大的。即使这样仍远远满足不了我国国民经济迅速发展的需要，为此我国电力部已明确指出“我国在很长一段时期内必须采用开发与节约并重的总方针，在大规模进行电力建设的同时，还要大力推进以科技进步为中心的节能、节电、提高效益的电力技术改造工作。”从用电角度来说，利用电力电子技术进行节能技术改造，提高用电效率; 从发、配电角度来说，必须利用电力电子技术提高发电效率和提高输配电质量。现代电力系统的控制必须包括下列两个方面的要求：（1）维持电源电压和频率的稳定，满足负荷的要求。特别要求系统具有良好的高峰/低谷调节能力，并能满足对电能质量的要求，即稳定的电压、频率，三相对称，低的谐波分量等。
（2）在系统发生故障时，系统应具有自动防止故障扩大和消除故障的能力，以保护系统免于崩溃。近十几年来，随着电力电子器件和变流技术的飞速发展，高压大功率电力电子装置的诸多优良特性决定了它在电力系统应用中具有强大的生命力。与其它应用领域相比，上述这些应用要求电力电子装置具有更高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性。
照明是电力电子技术应用的另一个重要方面。随着社会的发展，照明用电占总发电量的比率与日俱增。据资料统计，美国1994年仅用于9600万户家庭照明的耗电约为1500亿kW-h ，价值100亿美元，这些发电量若用火力发电将产生1.4亿吨二氧化碳。我国照明用电这几年也呈迅速上升趋势。1992年照明用电量为700亿kW-h ，而到了1995年为1000亿kW-h ，占总发电量的10％，预计到2000年照明用电将达1500亿kW-h 。照明用电的迅速增加不但要增加大量的电力投资，而且还会产生大量污染。照明在能源及其环境污染上的严重问题引起了人们的共识。为此工业发达国家纷纷制定了绿色照明工程计划。如美国环境保护署在1992年启动了绿色照明工程。绿色照明工程就是在保证照明质量的前提下，节约照明用电，减小因照明用电量增加而给环境带来的危害，政府制定相应的鼓励和倾斜政策, 甚至立法强制维护。我国也在1996年正式启动了绿色照明工程，其目的就是制定一系列经济与政策措施，扶持重点企业发展节能光源、节能电器和节能灯具，实施节能照明。
此外，现代航空航天、舰艇船舶及未来的汽车工业中，前述电机调速传动、工业供电电源、电力输配电和照明涉及的各种电力电子技术均得到全面和广泛的应用，在飞机、舰艇船舶和现代汽车中用到各类电力电子装置和系统，但是它们又具有各自的特殊性。
航空航天电气系统及其部件通常在极为恶劣和苛刻的条件下工作，如十分宽的温度和湿度变化范围，盐雾、霉菌及核辐射等侵蚀性的特殊工作环境，极为复杂的高空电磁环境，强的振动、冲击和加速度等，同时还要求航空航天器电气设备具有高的可靠性、好的维护性（甚至不需要修理而能长期正常工作）、体积小、重量轻等。现代舰艇与船舶电气化程度很高，用电量很大，舰艇和船舶中的基础电源既可能是柴油发电机组或蒸汽透平发电机组输出的三相50Hz 或60Hz 交流电源，也可能是220V （电压幅度175～320V ）或440V （电压幅度350～640V ）的蓄电池组。舰艇和船舶上的电力负载有各类辅助机械和特种机械的电力传动系统，风机和泵类电动机，驱动舰船螺旋桨推进舰船航行的电力推进系统，舰船武器和防卫装备，通讯导航设备，电热、制冷、照明和其他生活用电设备，这些不同类型的用电设备需要不同形态的电源供应；照明灯具和恒速运行的电动机要有恒定直流或恒压工频交流电源，有的需要恒频标准正统波，通讯导航设备、舰船指挥仪、声纳、雷达中，有些部分设备甚至还要求有高频脉冲电源的供电，至于UPS 则是各类舰船都必需的。但由于舰船空间有限，设备密集，环境条件恶劣，对电源变换
装置重量体积要求又较严格，此外单个用电设备或电力变换装置的容量与总的基础电源的容量相比并不小很多，相互影响往往很大，因此舰船电力变换装置要求高可靠、可维护性和高效率，低的发热温升，良好的工作特性以及电磁兼容性。加之舰船用的电力变换装置需求的批量不大，研制、试用、改进、定型的周期都比较长，因此投资大成本高。这些因素在很大程度上推迟了舰船电力电子技术的发展，制约了电力电子技术在舰船上的推广应用。世界各国舰船电力变换装置的技术发展都比较缓慢，新型电力电子装置在舰船上的应用往往要比陆上工作应用晚5~10年。众所周知，电力电子技术是电动汽车的核心技术之一，而现代汽车也将越来越普遍地采用电子控制技术，如燃油喷射、无触点点火、发动机怠速转速控制、电子自动变速器、电子动力转向和防抱死控制等。电机驱动系统的控制器、辅助电源、转向控制、充电系统等都为电力电子控制装置等。
不容置疑，我国国民经济的发展对电力电子应用技术具有十分巨大的需求。为了迅速改变我国电力电子技术的落后状况，适应国际市场严峻的竞争形势，我国政府也下了很大的决心和采取了很多措施大力发展电力电子技术，电力电子技术已被列入国家“九五”科技发展规划和国家关键新技术发展计划。到90年代，我国在某些现代电力电子技术，如软开关、功率因数校正、IGBT 的应用、并联均流、智能控制、谐波治理、计算机仿真等的开发和应用方面取得了一些成就，有些研究成果已在产业部门中得到推广和应用。但是，总的说来我国电力电子技术的水平还远远落后于国际先进水平，远跟不上我国国民经济发展的需要，特别是还面临着国外产品严重冲击的严峻形势。国产功率器件目前主要还限于不控或半控器件（整流管和可控硅）。大功率结型全控器件（GTO ，GTR ）虽有引进，但因市场和质量等原因，至今未能形成批量生产能力; 场控器件（功率MOS 、IGBT 等和智能功率模块IPM ）全靠进口。目前国产的电力电子装置还主要局限于利用大功率整流管和硅晶闸管生产的整流电源、直流调速和可控硅静止变频装置，而反映当代电力电子装置发展方向的高技术产品在我国目前尚处于研制开发阶段。这样一来，急需电力电子设备的一些大型企业就干脆直接从国外进口，而一般企业则因财力和企业技术水平所限，只得采用落后的技术和设备，这就严重地影响了我国电力电子技术的迅速发展和推广。
五、电力电子技术相关课题
课题一 新型电力电子器件及电力电子集成技术
（一）研究目标
研究和掌握IGBT （绝缘栅双极型晶体管）、FRD （快恢复二极管）和全套设计技术、生产制造工艺技术、封装技术、试验和检测技术, 可靠性和失效分析技术等，为我国电力电子装置提供有自主知识产权的IGBT 系列器件。
研究和掌握标准化和通用化的电力电子组件(PEBB)的设计和制造工艺技术、集成化的电力电子变流器和PEBB 标准单元的设计和制造技术。
（二）研究内容
1. IGBT芯片。研制出75A/1200～1700V IGBT，研制出100A/1200～1700V IGBT。
2. FRD芯片。研制出75A/1200～1700V FRD，研制出100A/1200～1700V FRD。
3. IGBT单管。研制出75A ～100A1200V IGBT单管。
4. FRD单管。研制出75A ～100A1200V FRD单管。
5. IGBT模块。研制出100A/1200～1700V IGBT模块，研制出
400A/1200V IGBT 模块。
6. 标准化和通用化的电力电子组件(PEBB) 系列。1～500kW 系列
PEBB ，5个规格。
课题二 中高压、百MVA 级链式及多电平变流器与静止补偿器研制
（一）研究目标
研制出用于电力系统的基于35kV/1700A链式结构高压大容量变流器及其构成的35kV 100MVA 新型静止补偿器；
研制出用于冲击性负荷补偿的基于多开关器件（IGCT 或IGBT ）串联的35kV/400A 三电平高压大容量变流器及其构成的35kV 20MVA 新型静止补偿器。
（二）研究内容
研究掌握适用于链式结构连接的高压大容量变流器（输出电压1.5kV ，电流大于1700A ）技术，该变流器具有晶闸管旁路电路、直流侧接高压大容量脉冲电容器，具有简单的低损耗缓冲电路，及直流侧电压平衡调节电路，全部采用光纤输入；研究掌握多链节（20个以上）串联连接技术，使链式变流器能输出35kV 电压，可以不经变压器直接接入35kV 电网；研究掌握20个以上串联链节脉冲分配及控制技术，使得变流器的工作损耗低、输出电压谐波小，能够确保各链节直流侧电压与平均电压在静态与动态过程中均保持在允许的范围之内；研制完成基于35kV/1700A 链式变流器的新型静止补偿器产品，研究掌握其控制与保护技术；研究掌握等效测试技术，可以对高压
大功率模块进行有效的测试同时保证测试成本低；研究掌握10个以上的IGBT/IGCT器件串联均压及驱动技术。研究掌握35kV 20MVA三电平或多电平无缓冲或简易缓冲电路变流器的结构设计制造技术与脉冲控制技术；研制完成基于35kV 20MVA 三电平或多电平变流器的静止补偿器产品，研究并掌握其控制与保护技术；研究解决链式变流器及三电平变流器的散热问题。完成编制6～35kV ，几MVA ～百MVA 变流器技术的行业标准建议。
课题三 电能质量复合控制技术及装置
（一）研究目标
研制2MVA 可控电压质量扰动发生装置及其对应的复合电压质量调节装置样机，研制1MVA 可控负荷用电品质扰动发生装置及其对应的复合电流质量调节装置样机，为电网电能质量的测量、分析、评估和控制建立基础平台，并提供能有效解决电能质量问题的设备基础。其中，复合电压质量调节装置能实现动态电压恢复（DVR ）、有源滤波（APF ）、短路电流限制
（FCL ）及负荷电压调整的多目标控制，大幅度改善敏感负荷的电压质量；复合电流质量调节装置能实现快速补偿负荷的波动有功功率、无功功率和谐波，使系统侧只需向负荷提供单位功率因数、电流波形正弦、没有冲击的有功功率, 以有效改善负荷品质，提高电能质量。
（二）研究内容
研究大容量可控电压质量扰动发生装置及复合电压质量调节装置，大容量可控负荷用电品质扰动发生装置及复合电流质量调节装置的总体设计技术，包括：电路拓扑设计、装置中电力电子器件的全工况应力计算和分析；大容量换流器的模块化技术；分部件接口技术；冷却与保护技术；器件和模块失效冗余技术；装置控制策略和高效调制算法；装置在复杂系统条件下的适应性设计。
编制大功率复合电压质量调节装置和复合电流质量调节装置的技术规范，形成指导企业的生产性技术文件。
课题四：分布式供能系统高压变流器及软开关技术
（一）研究目标
优先采用我国自主研发的大功率IGCT 器件，研制分布式供能系统
3MW/6kV高压IGCT 并网变流器；掌握高压并网变流器产业化关键技术，形成相应的技术规范和标准建议，实现高压IGCT 并网变流器的完全自主知识产权；根据分布式供能系统的特点，研制1.5MW 功率等级软开关变流器，掌握大功率并网变流器软开关关键核心技术，并在实际系统中完成运行考核。
（二）研究内容
研究掌握分布式供能系统3MW/6kV高压IGCT 并网变流器技术及高压发电机技术；研究掌握3MW/6kV分布式供能系统高压并网变流器试验平台技
术；研究掌握大功率IGCT 组件技术和应用技术；研究掌握分布式供能系统
1.5MW 软开关变流器技术和实验技术。
课题五 电气化铁路同相供电装置
（一）研究目标
研制基于当代电力电子集成与控制技术的10～20MVA 同相供电装置样机，为铁路新型牵引供电系统提供设备基础。
（二）研究内容
研究适用于同相牵引供电系统的牵引变压器接线方式，实现与同相供电装置的最佳配合；研究掌握同相供电系统功率潮流控制技术，使同相供电装置损耗降低、输出谐波小，能够确保输出电压在各种负荷情况下均保持在允许的范围之内，满足IEC 相关标准和国标；研究掌握以满足实际需要为约束条件的同相供电系统功率潮流控制器的容量设置优化技术；研究掌握同相供电系统同比常规牵引供电系统的技术经济性评估方法；研究掌握10～20MVA 同相供电装置制造技术
课题六 高速货运机车牵引变流器研制
（一）研究目标
完成用于高速(120km/h)货运电力机车的3×1600kw 通用牵引变流器与控制(含辅助变流器) 产业关键技术开发和装置研制，为我国高速重载轨道货物运输装备及相关行业提供主流机型。
（二）研究内容
研究掌握牵引变流器(脉冲整流器和牵引逆变器) 主电路最佳拓扑结构、冷却方式、设计与制造技术以及结构设计准则与EMC 技术；研究掌握传动控制策略、控制算法，控制器的硬、软件实现技术。
课题七：城市轨道交通能馈式牵引供电系统及牵引传动系统研制
（一）研究目标
完成2MW 能馈式牵引供电系统样机的研制；完成2×180kW 地铁动车用交流牵引传动系统及辅助变流系统样机的研制。总体技术达到国际先进水平，并形成独立设计规范和技术标准。
（二）研究内容
研究地铁动车用牵引传动系统（牵引逆变器）的主电路拓扑结构及数学模型仿真；研究掌握牵引传动系统的控制策略、电磁兼容性技术、集成化技术、保护技术、冷却技术和可靠性技术；研究掌握牵引传动系统状态参数监测、故障诊断、传感器网络、防空转防滑行智能控制技术及安全控制技术；