淺談電氣自動化技術探析

全控型電力電子開關逐步取代半控型晶閘管

50年代末出現的晶閘管標志著運動控制的新紀元。它是第一代電子電力器件，在我國至今仍廣泛用于直流和交流傳動控制系統。隨著交流變頻技術的興起，相繼出現了全控式器件——GTR、GTO、P-MOSFET等。這是第二代電力電子器件。由于目前所能生產的電流/電壓定額和開關時間的不同，各種器件各有其應用范圍。

GTR的二次擊穿現象以及其安全工作區受各項參數影響而變化和熱容量小、過流能力低等問題，使得人們把主要精力放在根據不同的特性設計出合適的保護電路和驅動電路上，這也使得電路比較復雜，難以掌握。

GTO是一種用門極可關斷的高壓器件，它的主要缺點是關斷增益低，一般為4～5，這就需要一個十分龐大的關斷驅動電路，且它的通態壓降比普通晶閘管高，約為 2V ～ 4.5V ， 開通 di /dt 和關斷 dv / dt 也是限制 GTO推廣運用的另一原因，前者約為 500A /€%es ，后者約為 500V /€%es ，這就需要一個龐大的吸收電路。

由于GTR、GTO等雙極性全控性器件必須要有較大的控制電流，因而使門極控制電路非常龐大，從而促進廠新一代具有高輸入阻抗的MOS 結構電力半導體器件的一切。P-MOSFET是一種電壓驅動器件，基本上不要求穩定的驅動電流，驅動電路只需要在器件開通時提供容性充電電流，而關斷時提供放電電流即可，因此驅動電路很簡單。它的開關時間很快，安全工作區十分穩定，但是P-MOSFET的通態電壓降隨著額定電壓的增加而成倍增大，這就給制造高壓P-MOSFET造成了很大困難。

IGBT是P-MOSFET工藝技術基礎上的產物，它兼有MOSFET高輸入阻抗、高速特性和GTR大電流密度特性的混合器件。其開關速度比P-MOSFET低，但比GTR快；其通態電壓降與GTR相擬，約為1.5V ～ 3.5V，比P-MOSFET小得多，其關斷存儲時間和電流下降時間為別為0.2€%es～0.4€%es和 0.2€%es～1.5€%es，因而有較高的工作頻率，它具有寬而穩定的安個工作區，較高的效率，驅動電路簡單等優點。

MOS控制晶閘管（MCT）是一種在它的單胞內集成了MOSFET的品閘管，利用MOS門來控制品閘管的開通和關斷，具有晶閘管的低通態電壓降，但其工作電流密度遠高IGBT和 GTR，在理論上可制成幾千伏的阻斷電壓和幾十千赫的開關頻率，且其關斷增益極高。

IGBT和MCT這一類復合型電力電子器件可以稱為第三代器件。在器件的復合化的同時，模塊即把變換器的雙臂、半橋乃至全橋組合在一起大規模生產的器件也已進入實用。在模塊化和復合化思路的基礎下，其發展便是功率集成電路PIC （Power Integrated Circuit），在PIC，不僅主回路的器件，而且驅動電路、過壓過流保護、電流檢測甚至溫度自動控制等作用都集成到一起，形成一個整體，這可以算作第四代電力電子器件。

變換器電路從低頻向高頻方向發展

隨著電力電子器件的更新，由它組成的變換器電路也必然要換代。應用普通晶閘管時，直流傳功的變換器主要是相控整流，而交流變頻船動則是交一直一交變頻器。當電力電子器件進入第二代后，更多是采用PWM變換器了。采用PWM方式后，提高了功率因數，減少了高次諧波對電網的影響，解決了電動機在低頻區的轉矩脈動問題。

但是PWM逆變器中的電壓、電流的諧波分量產生的轉矩脈動作用在定轉子上，使電機繞組產生振動而發出噪聲。為了解決這個問題，一種方法是提高開關頻率，使之超過人耳所能感受的范圍，但是電力電子器件在高電壓大電流的情況下導通或關斷，開關損耗很大。開關損耗的存在限制了逆變器工作頻率的提高。

1986 年美國威斯康星大學 Divan 教授提出諧振式直流環逆變器。傳統的逆變器是掛在穩定的直流母線上，電力電子器件是在高電壓下進行轉換的“硬開關”，其開關損耗較大，限制了開關在頻率上的提高。而諧振式直流環逆變器是把逆變器掛在高頻振蕩過零的諧振路上，使電力電子器件在零電壓或零電流下轉換，即工作在所謂的“軟開關”狀態下，從而使開關損耗降低到零。這樣，可以使逆變器尺寸減少，降低成本，還可能在較高功率下使逆變器集成化。因此，諧振式直流逆變器電路極有發展前途。

結束語

眾所周知，電氣自動化技術是當今世界最活躍、最充滿生機、最富有開發前景的綜合性學科與眾多高新技術的合成。其應用范圍十分廣泛，幾乎滲透到國民經濟各個部門，隨著我國科學技術的發展，電氣自動化技術也隨之提高。

（作者單位：長江大學電子信息學院）