近代电力电子电力传动的进步与前景
摘要—电力电子技术在过去的四十年里经历了动态演变。最近由于成本的减少，大小和性能的改进，它的应用在工业、住宅、交通、公用事业、航天和军事环境领域迅速扩张。在第二十一世纪全球工业自动化，节约能源，和环境污染控制的发展趋势，电力电子技术的广泛影响是不可取代的。看来，在未来电力电子技术的作用就像今天信息技术对我们的社会一样重要和普遍。在本文中，先对电力电力技术的历史作一个简要的介绍然后讨论电力电子技术的重要性。然后是功率半导体器件，转换器，交流变频驱动器的最新进展，以及先进的控制和估计技术将简要评估。不同于传统的技术调查文件，本文内一些数字被刻意保持小于文本约束长度。不同地区的预报将尽可能根据作者自己的知识和经验被突出。总结和展望未来，电力电子和电力传动将沿着一些可能的研究和发展领域的趋势被突出。 关键词——控制，变频器，电机，电力电子。 1.前言
在模式功率半导体开关器件的帮助下，电力电子技术可以处理在毫瓦到千兆瓦广阔范围内电力电子转换和控制。电力电子的应用可能包括直流和交流电源、无间断电源(UPS)系统、电化学过程(如电镀、电解、氧化和金属精炼)、取暖和照明控制、电子焊接、电力线路静态无功补偿器(静态无功补偿、静态无功发生器或静态同步补偿器(STATCOM)),有源谐波滤波器,高压直流(HVDC)系统、光伏(PV)和燃料电池(FC)能量转化,固态直流和交流断路器,高频加热、电机驱动器。电机驱动器区域可能包括应用程序在计算机和外围设备,固态初学者对汽车运输(电动/混合动力电动汽车(EV /HEV)、地铁等)、家用电器、纸和纺织厂,风力发电系统, 空调和热泵、滚动和水泥工厂、机床和机器人，泵和压缩机、船舶推进等。除了应用在能源系统和工业自动化，在全球节能形式下电力电子正在扮演一个间接帮助的环境污染控制重要的角色,即解决全球变暖问题。
让我们先回头看看电力电子的历史演进,如图1所示。官网认为，,电力电子诞生于1901年由美国的彼得·库珀休伊特发明的灯泡汞弧整流器。然后,它经历了1930年代气体管电子时代在和1940年代的饱和铁芯磁放大器。目前固态电力电子的时代已经开始介绍晶闸管或者可控硅(SCR)。1956年美国贝尔实验室发表的历史论文pnpn型触发晶体管,然后,在1958年通用电气商业介绍了晶闸管。从那时起,有一个巨大的扩张在不同方向的技术研究和开发辐射如图所示。
在功率半导体器件，研发继续在不同的半导体材料，加工，制造和包装技术，设备的建模与仿真，表征，和现代智能功率模块（IPM）中发展。结果表明，在更高的额定功率和特性改进下出现许多新设备的。从原始的二极管和晶闸管相控转换器作为新设备的出现，随着先进的脉宽调制（PWM）技术，许多新的转换器拓扑结构已经被介绍，和分析与仿真理论。许多新的仿真软件和计算机辅助设计技术有助于这些研究。出现了先进的控制和信号评估技术，特别是用于交流电机驱动。这些技术包括矢量或磁场定向控制，直接转矩和磁通控制（DTC）控制，滑模或变结构控制，最优控制，无传感器控制，基于人工智能（AI）技术，如专家系统，模糊逻辑（FL），人工神经网络现代化智能控制，和遗传算法。先进的DSP和指定应用集成电路（ASIC）芯片，随着现代软件工具，允许实现复杂的电力电子系统的控制和估计。功能强大的个人电脑的出现在进化中也发挥了重要的作用。
在电力电子和电机驱动器的历史中有许多发明和里程碑，只有一些显著的事件如图所示.2。有趣的是要注意，“电力电子技术”名称的引入系统是从20世纪70年代开始。在进化的早期阶段，它被列为 “工业电子学”一个部分。 2.为什么电力电子技术在今天是如此重要的？ 提到电力电子的应用之前，可能表现出电力电子技术足够的重要性。固态电力电子设备可以被看成一个高效率开关模式功率放大器，那里的效率可能接近高达98％至99％。此外，该设备是静态的，无音频噪声，并具有成本低，体积小，可靠性高，寿命长相比之前用于类似功能的传统设备。在现代自动化工业环境中，基于电力电子的运动控制和计算机紧密合作增加了工业生产力，提高产品质量。从广义的角度来看，电力电子技术可以帮助一个国家，提供改善生活质量的产业竞争力。这也难怪，电力电子正在迅速蔓延从工业发达的国家到世界的发展中国家。
电力电子器件的另一个重要作用。21世纪它在节能和环境污染控制的趋势下发挥着越来越重要的作用,如前所述。在全球范围内, 为了改善我们的生活标准，电能消费急剧增加。这是美国，那里的能源需求是贪婪的，尤其如此。世界上大部分的电力产于化石燃料和核电厂。燃烧化石燃料会对环境造成污染，其中包括新一代全球变暖的温室气体，而核电厂有安全和废物处理的问题。电力电子通过提高利用效率有助于节约能源本质。根据电力研究院美国的（EPRI）的估计，在美国电网中大约60％至65％的能量被消耗在电动机，以及它们的75％是泵，风扇和压缩机型电动机。多数泵与风机是用在工业环境中的流体流动的控制。据悉，目前大约97％的中高功率驱动器在流量控制操作以固定的速度通过机械方法，如节流控制，阻尼器，或流量控制阀这样的应用程序，从而导致了大量能量损失。在轻负载只有3%的这些驱动器工作在节流阀完全打开变频调速，效率可以提高到达30%。同样，在轻负载和降低速度由机器通量编程的一个可变频率驱动器，转换器的效率可以得到改善。在基于电力电子负载比例速度控制空调可以比传统的恒温控制节省多达30％的能源。电力电子技术的额外的成本在一个时期可以通过取决于电的成本节约能源回收。例如，在日本电力成本较高。因为这个原因，大多数的日本家庭使用变速空调节能。近年来电力电子技术的一个流行的应用是柴油电力推进船舶变频传动，相对于传统的柴油机推进可节省大量的燃料，。据估计，在美国大约24%的能源消耗照明。基于电力电子的高频紧凑型荧光灯（节能灯），除了提供更长的使用寿命，还比传统的白炽灯的效率高出四倍。节能灯的调光控制，可进一步提高能源利用效率。该节能灯在不久的将来有望完全取代白炽灯。固态LED灯具有更高的效率和更长的寿命将指日可待。高频电磁炉和微波炉相比传统的表面安装烤箱也节省能源。根据电力科学研究院估计，电网能量的15％普遍能够通过电力电子应用程序容易地（但经济的）保存。节约能源不仅提供了直接的经济利益，而且有助于保护我们日益减少的化石燃料和核燃料储备。间接的有助于减轻对环境的污染，如全球变暖问题。未来，随着资源成本的进一步增加，在电力电子技术的帮助下节约能源将被视为极为重要的。事实上，节能减排的这些方法可以让国家强制性的的制定能源政策。
目前，对于利用我们庞大的风能和太阳能资源，这是可再生的，清洁环保，安全的发展趋势。同时使用严重依赖电力电子的这些资源。欧洲风能协会估计，估计可利用全球的风能约10％可以提供所有全球电力需求[7][29]。同样，功率半导体发展一直密切关注微电子的发展。 在微电子研究人员不懈地努力，半导体加工，设备制造和包装得到提高，这些努力促成了当今许多先进的功率器件的成功演变。
晶闸管（可控硅整流器或）和三端双向可控硅实质上是现代功率器件的先行者，他们主导第一代的固态电力电子[20]（1958年至1975年）。这些设备主要是操作上的实用系统，并有助于电能质量和滞后位移功率因数（DPF）的问题的改进。今天，晶闸管是必不可少的处理高功率低频率的应用，如高压直流转换器，相控SVC时，周波变换器和负载改判逆变器（LCI）驱动器。在不久的将来，大功率晶闸管处理的主导地位至少不会受到挑战。但是，由于固有的缺点的，相位控制装置最终将通过在PWM或阶梯波模式操作自主控制装置代替。大功率门极可关断晶闸管（GTOs）的出现，主要由日本企业[22]，这种强迫换流晶闸管变流器已经被赶尽杀绝了。该设备（最大6千伏，6千安）仍然是非常流行的多兆瓦电压反馈（与前瞻性闭塞装置）和电流反馈（带反向阻断器）转换器应用。该装置的缓慢的切换需要大的吸收电路会引起大的开关损耗，因此，在低开关频率（几百赫兹）限制了它的应用。能源回收或再生吸收回路中的门极可关断晶闸管脉宽调制转换器通常用于以提高转换效率。功率场效应管与大多数其他器件都是多数载流子器件，并且因此，在高电压等级其导通压降高，而且由于快速开关开关损耗低。在“沟槽栅”器件现已与低压降导通。近日，高电压（高达800 V）的CoolMOS器件已经介绍了基于超级结的设计英飞凌科技[23]，导通损耗一直与正常设备比较减少很多。CoolMOS已经提出了用SiC肖特基二极管操作以绕过主设备的慢速体二极管。预计功率MOSFET将在未来仍然受到质疑低电压高频率的应用。不幸的是，大型双极结型晶体管（BJT），曾经那么流行的设备在20世纪70年代，现在已经过时。对于电源的低端，双极结型晶体管已被替换功率场效应管，而在高端，他们已经绝缘栅双极晶体管（IGBT）被取代了。IGBT的发明已经是功率半导体器件[24]历史上一个重要里程碑。现代的IGBT可与沟槽栅穿通技术的低压降导通 [25]。这种自我控制的混合装置结合了功率场效应管和双极型晶体管。它的额定功率的优势不断增加（目前为6.5千伏，700 A和10千伏设备正在测试）以及电气特性的改善。IGBT IPMs可与内置栅极驱动器控制和保护高达几百匹马力交流电机驱动器。目前看来，在未来的绝缘栅器件（功率MOSFET和IGBT）将继续在电力电子应用领域占据主导地位。大功率（6.5千伏，4千安）集成门极换流晶闸管（IGCTs）（orGCT）在最近几年，被引入正向和反向阻断功能。现在大功率IGBT和IGCT是多兆瓦转换器严重的竞争对手。在高额定功率，IGBT和IGCT具有相当的开关频率，允许无缓冲器操作。但是，在更高的额定电压，IGBT趋于抵消绝缘栅极驱动和自我保护的优势更大导通压降。GTOs目前在低压被IGBT的取代，在高压被IGCT取代。静电感应晶体管是一种结型场效应晶体管（JFET），通常在设备上有大型导通压降，本质上是一种真空三极管。它可以被应用在大功率的高频转换器上。还有一些还没有投入生产其他的设备，诸如场效应管控制的晶闸管，静电感应晶闸管，注入增强栅晶体管，场效应可关断晶闸管等。此外，也有一些在改进[24]的设备，[26]。
Although silicon has been the basic raw material for the current devices, large bandgap materials, such as SiC (3.0 eV) and diamond (in synthetic thin-film form) (5.5 eV), show tremendous promise for the future [27], [28].
