第1章 绪论

电能作为一种广泛使用的二次能源，支撑着现代人类活动的各个方面，照明、电子产品、医疗仪器、国防装备、现代交通等均离不开电能。电能的推广普及，与其容易转换、易于传输、清洁环保等特点息息相关。随着人们对电能利用水平的不断提高，使用电能替代其他能量形式是能源生产清洁化、能源利用高效化的必然选择。例如，使用电力驱动的火车替代燃气轮机驱动的火车、电力传动替代机械传动等。

1747年，美国的本杰明·富兰克林提出电荷守恒定律，定义了正电和负电。自此，人类对电的认识更加准确。1800年，意大利的伏打用锌片与铜片夹以盐水浸湿的纸片叠成电堆，被称为伏打电堆，可以产生直流电流。1831年，法拉第发现了电磁感应定律，并找到了产生交流电的方法。不久后，法拉第和皮克西等人发明了世界上第一台能连续产生交流电的发电机，揭开了人类将机械能转化为电能并进行应用的序幕。20世纪是电气化的时代，基于电衍生的各类应用技术和发明层出不穷，出现了诸如电话、电视机等颠覆人类生产和生活方式的伟大发明。在21世纪的上半叶，电能作为资源配置、改善环境的重要载体必将得到更加广泛的应用，也必将更加细致地渗透到生产生活的各个方面。由此可见，电的发现和应用极大地促进了人类的生产力发展。

电有直流和交流两种形式：直流电（Direct Current，DC）可定义为方向不随时间变化的电；交流电（Alternating Current，AC）可定义为方向、大小随时间周期变化的电。然而，正因为电存在直流和交流两种形式，问题出现了。

问题1：直流和交流哪种形式更好？

问题2：直流和交流两种形式之间是否需要转换？

问题3：如果需要转换，怎样转换？

下面将逐一剖析这三个问题，并引入电力电子技术。

历史上，推广使用直流电还是交流电确实存在着主导权之争。哪种形式更好实际上与社会发展水平和其他行业的经济技术水平密切相关，是人们权衡经济性、可靠性、便捷性等多种因素做出的选择。例如，对一个区域供电，是选择建很多小电厂分散供电还是选择建几个大电厂集中供电？这实际是在一定技术约束下如何做出最优选择的问题。在电力系统发展早期阶段，高电压技术不成熟，电无法远距离传输，否则线路压降过大、能量损耗严重，建小电厂分散供电是不得已的选择，此时不论是使用直流还是交流都可以在低电压水平下对局部区域供电。但随着高电压技术的发展，交流电可以通过变压器灵活地升压、降压，具备了大范围输电的技术基础，建设大电厂集中供电性价比更高；而直流电在同期缺少相应的技术方案，交流电最终在发电、输电、配电，甚至用电领域占据了主导地位。然而，20世纪中期以来，随着远距离输电需求的凸显，以及电力电子技术的发展，直流电在远距离输电领域占据了主导地位。可见，使用直流电还是交流电需依据技术发展水平及实际应用需求来定。

在实际应用中，电源和负载的形式多样。既有可以按照固定频率输出的交流电源如同步发电机，也有直流电源如电池、光伏等；同时也有不同电压规格、不同频率规格的各类负载，如LED照明、洗衣机、计算机、高铁等。当电源的输出电压和负载的电压并不完全匹配时，是否需要针对每一种负载电压都建立相应的发电、供电电压等级？假设如此，后果将是灾难性的，会对社会资源造成极大的浪费，这也是为什么电网仅有固定的几种电压等级。但是如要充分利用各种类型的电源和负载，就必须对电能进行变换，使其电压幅值和频率符合互联互通的要求。直流与交流之间、不同频率的交流与交流之间的变换就显得越发重要，因为这些变换可以实现各类电源和负载的更广泛接入，显著提高人们利用电能的水平。对电能的利用越灵活、越高效，就越能提升社会生产力。

如何实现电能的变换正是本书的重点。我们可以使用变压器改变交流电的幅值，但是如要改变交流电的频率，或者在直流和交流之间进行变换，又或者在不同的直流电压等级之间进行变换，就需要用到本书讲解的电力电子技术。

电力电子技术被认为是一种通过在特定的电路结构中，周期性地改变电路中功率半导体器件的导通、关断状态，从而改变电能形式的科学工程技术。电力电子技术是电能变换的基础，发电、输电、用电均已离不开它。电力电子技术的发展将持续提升人类对电能的利用能力：大到国防军事、电气化交通，小到家用电器、电子设备，均受益于电力电子技术的发展。据国家能源局统计：2020年电能占终端能源消费比重达到27%左右，而其中约75%的电能需要经过电力电子设备的变换才能使用。未来这两个比重会越来越高，毫不夸张地说，电力电子技术是未来能源革命的主战场之一，也是实现“碳达峰、碳中和”战略目标的关键科学技术之一。

因为电力电子技术的进步，发电、输电、配电、用电领域正在发生根本性的变化。其中，我国已在众多领域走到了世界前列，包括但不限于：

1.直流输电

我国直流输电技术领先世界。在整个直流输电系统中，直流输电线路的造价低于交流输电线路，但换流站造价却比交流变电站高许多。一般认为架空线路超过600～800km，电缆线路超过40～60km，直流输电较交流输电更经济。但随着电力电子技术的发展，换流设备造价逐渐降低，等价距离缩短，使直流输电竞争力显著增强，近年来在远距离输电、海上风电汇集输送等领域快速发展。特别值得一提的是直流输电在我国“西电东送”工程中发挥了重要作用，我国已是世界上直流输电电压等级最高、输电距离最远、输送容量最大的国家。

2.风力发电

风力发电把风能转换为电能，为捕获更多的风能，风机叶片越做越大，风机叶片的旋转频率远低于电网频率。为使风机能够并网发电，传统风机需加装大变比的变速齿轮箱，增大发电机转速，使风力发电机的转速能够适配电网频率。这种工作模式下，风机的适用风速范围窄。为增强风机捕获风能的能力，使其在宽风速范围内都可以正常工作，用电力电子装备部分或全部替代齿轮箱已成为主流模式，衍生出了双馈和直驱两种主流风机。我国在风力发电领域相较于欧美国家，虽起步晚，但发展迅速，目前已是世界上风电装机规模最大的国家。

3.光伏发电

光伏发电是基于光生伏打效应将光能转换为电能的技术。光伏电池的原材料是高纯度的硅，硅晶体虽然在自然界中极少单独存在，但地球上硅元素的含量很高，仅次于氧元素。通过不断改进硅晶体提取技术并提高光电转换效率，光伏发电系统的单位成本快速下降，竞争力显著增强，未来极有可能成为主导电源。光伏电池产生直流电，其电压、电流的大小既与光照强度、温度等环境因素有关，也与自身工作点密切相关。最大化地利用光伏电能离不开电力电子装备和技术，例如光伏逆变器将直流电变换为交流电再接入电网或用户。在光伏发电领域，我国后来居上，在光伏发电产业链的多个环节占据主导地位，技术水平和产业规模世界领先，且已是世界上光伏装机规模最大的国家。

4.电动汽车

目前，我国是世界上电动汽车保有量最多的国家。电动汽车的能量核心是电池，电池端电压随其工作状态的变化而改变，但变动幅度不大，难以直接驱动负载工作。在电动汽车的使用过程中，电池的充电和放电都离不开电力电子装备，无论是车载充电机还是直流充电桩都是将电网的交流电变换为直流电再对电池充电。其他车载电力电子装备将电池的直流电变换为其他电压等级的直流电或交流电并为控制系统和驱动电机供电。

5.电气化轨道交通

我国的高铁闻名世界，已经成为国人出行的重要运载工具。高铁从电网的单相线路取电，经电力电子装备变换为多相电，并驱动电机带动列车运行。电网电压频率固定，与电机的转速不匹配，电力电子装备连接电网与电机，为高铁的平稳运行提供保障。受限于安装条件，高铁对电力电子装备的体积、效率，亦即功率密度，要求极高。此外，电力电子装备在地铁系统里也得到了广泛应用，包括地铁制动能量回馈设备、改善波形质量的有源滤波器等。

电力电子技术和装备的典型应用还有很多，本章不再一一列举。

既然电能分为直流电和交流电，电能变换的形式就可以简单地分为四类，分别是：交流/直流变换（整流）、直流/直流变换、直流/交流变换（逆变）、交流/交流变换。四类变换的典型应用举例见表1.1。

电能变换如此重要，它是怎样实现的呢？定义要变换得到的电压为输出电压、被变换的电源电压为输入电压。电能变换的目的是使输出电压不等于输入电压，根据电路知识，两个电压不一样的电源不允许直接相连，否则产生过电流，损坏设备。因此在原理上，执行变换功能的电力电子装备首先要避免输入电源和输出电源直连；其次电力电子装备将输入电源连续的电能形式（直流/交流）进行连续或离散化处理，并重构成另一种连续的电能形式（直流/交流），以实现电能变换功能，其基本过程示意如图1.1所示。

在实现上，电力电子装备需使用开关器件剪切输入电压执行变换功能，使用电容、电感等储能器件防止电压、电流突变，起到缓冲、滤波作用。具体而言，电力电子装备由有源器件和无源元件组合而成。有源器件自身消耗能量，除输入信号外，还必须有外加电源才可以正常工作，包括三极管、场效应晶体管、晶闸管等开关器件，以及各类模拟集成电路器件和数字集成电路器件等。无源元件自身也消耗电能，或把电能转变为不同形式的其他能量，且只需输入信号，不需要外加电源就能正常工作，包括电阻、电容、电感、按键、继电器、变压器、扬声器、开关、连接器、电线电缆、光纤、插座等。电力电子装备使用的典型有源器件和无源元件见表1.2。

不难发现，各类元器件对电力电子装备至关重要，尤其是承担电能剪切任务的开关器件。相对于集成电路，电力电子装备功率大、电压高，所需开关器件属于功率半导体器件。按照开关功能分类，功率半导体器件可分为不控型器件（如电力二极管）、半控型器件（如晶闸管）、全控型器件（如绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET））。电力电子装备对电能变换的控制能力受功率半导体器件的开关能力制约，研制并推广应用性能更优的功率半导体开关器件一直是电力电子装备和技术的主要发展方向之一。

电力电子功率器件具有多年的发展历史。1904年出现的电子管和1930年左右出现的汞整流器（Mercury Vapor Rectifier，MVR）具备了电力电子开关器件的特征，在晶体管诞生之前已应用于电能变换领域，这个时期被称为电力电子技术的史前期或黎明期。1947年肖克利、巴丁、布拉顿发明的晶体管开启了电子技术时代，同时也为电力电子技术的发展奠定了器件的原理基础。肖克利、巴丁、布拉顿因发明晶体管获得了1956年的诺贝尔物理学奖。1957年半控型晶闸管问世，开启了晶闸管主导的电力电子技术时代，电力电子技术得到快速发展。1975年发明的MOSFET和1980年发明的IGBT是成熟的全控型器件，带领电力电子进入了飞速发展期。目前，全控型器件已在大部分电力电子应用领域占据主导地位。电力电子功率器件发展历史如图1.2所示。

从优化电力电子装备性能的角度，功率半导体器件的另一个演化方向是改变自身的基础材料，通过材料本身固有的优异特性提高器件的各项性能指标。传统的功率半导体器件是以硅为基础的，可被称为硅基器件。相比于硅，碳化硅、氮化镓等材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的导热率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。使用碳化硅、氮化镓制成的半导体器件被称为第三代半导体器件或宽禁带半导体器件，相比于硅基器件，其导通损耗小、耐压等级高，相同规格等级下可以减小电力电子装备的损耗和体积。第三代半导体器件目前正处于发展期，随着制造成本的大幅下降，其应用潜力将会被完全释放，未来极有可能完全替代硅基功率半导体器件。当然，材料科学的发展无止境，在未来，性能更优的材料替代宽禁带材料是完全可能发生的，哪个国家掌握了先进的材料制造工艺，哪个国家就将处于激烈的科技竞争前沿。我国在半导体材料领域的起步晚于欧美国家，目前正处于追赶期，但未来可期。

具备了有源和无源元器件，如何使用它们实现电能变换功能？这就涉及了各类元器件的连接布局问题，也就是电力电子装备的拓扑结构应该如何设计。一个好的拓扑结构不应该仅实现电能形式的变换，同时还要满足各类性能指标要求，比如效率、成本、可靠性等。一般来说，结构越简单的拓扑越受欢迎，模块化程度越高的拓扑越受欢迎，因为它们能够降低制造成本和运维成本；同时结构简单、元器件数量少也会减小装备的损耗和体积。当然也有例外，在一些对可靠性要求高的场合，拓扑的容错能力是非常重要的考量因素，拓扑需要具有高冗余度，拓扑结构就会变得复杂。实现不同的电能变换功能需要使用不同的拓扑，电能变换拓扑的种类繁多，本书将只讲解典型的拓扑结构，从中可以通晓电能变换的基本运行原理。

更进一步，针对特定的拓扑结构，开关器件的通/断状态进行怎样的切换才能够合成理想的输出电压，是学习电力电子技术需要关注的第三个方面。实际上，电力电子装备中开关器件的工作状态序列模拟了通信系统常用的调制解调技术。通过开关器件的导通、关断将输入电压离散为一系列方波信号。这些方波信号既包含了期望的输出电压成分（基波），也包含了不需要的谐波成分。再利用电容、电感的滤波特性对方波信号进行滤波就可以得到期望的输出电压波形，这一过程类似于信号解调。然而理论上可以有很多种不同的调制方波序列包含相同的基波信号但含有不同的谐波成分。可见，不同的调制方波序列对电容、电感滤波器的要求不同，而且半导体功率器件的每一次开关动作都要消耗能量，所以控制开关器件产生什么样的开关状态序列就显得格外重要。

如果所有的器件都是理想器件，亦即器件的开关动作、导通运行不损失能量，电力电子装备将能够通过上述“调制-解调”运行方式得到稳定的期望输出电压。但是理想器件是不存在的，仅通过开环方式运行的电力电子装备难以应对干扰、负载突变等，无法实现准确的输出控制，对电力电子装备实施闭环控制是非常有必要的。电力电子装备是典型的混杂系统（Hybrid System），具有周期时变性、分段线性、连续离散混合等特征。其闭环控制方法有很多种类，不同的控制方法可得到不同的控制效果，包括稳态误差、响应速度和暂态性能等。此外，不同的应用场景有不同的特点和需求，相应地，控制器需根据应用需求来设计。

在设计一款电力电子装备的时候，通常需要执行如下步骤：

1）选择合适类型的变换器。

2）电源电路的设计与组装：选择半导体器件，组装变换器及其保护电路。

3）设计控制电路、隔离电路和驱动电路。

4）设计输入输出滤波器。

5）设计传感器电路和信号放大转换电路。

6）设计控制环路。

7）组装整个系统。

要实现最优的电能变换还要结合与系统集成密切相关的散热技术、通信技术和保护技术等，因此电力电子是一门多学科交叉的学科。早在1973年William E.Newell博士定义电力电子名称的时候就将其界定为一门由电力、电子、控制学科交叉而成的学科，并构建了著名的倒三角图形来表征电力电子学科的属性和特点，如图1.3所示。

随着电力电子和其他学科的发展，电力电子技术的内涵早已超出了图1.3所定义的范畴。电、磁、热都已被纳入了电力电子装备设计和运行的全过程，用以指导电磁干扰、可靠性设计与运行优化。电力电子集成技术也在减小寄生参数、提高功率密度等方面发挥了重要作用。而且，电力电子学科与材料学科已紧密结合，无论是半导体材料还是器件封装材料、储能材料等都对电力电子装备的性能产生了根本性影响。此外，电力电子装备的数量极为庞大，未来与人工智能、物联网技术的学科交叉将必不可少，具备产生颠覆性应用的潜力。

本书将聚焦于电力电子技术的基础知识，按照“器件—电路—控制—应用”的学习流程展开本书的具体内容，如图1.4所示。