电力电子基础全套

电力电子基础IEEE（国际电气和电子工程师协会）对电力电子技术(或电力电子学)的表述为：①有效地使用电力半导体器件，②应用电路和设计理论以及分析开发工具，③实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，④它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。从1957年美国通用电气公司(GE)开发出第一只晶闸管产品开始，近50年来由于电力电子器件的飞速发展，加上现代控制理论与微处理器技术的进步，可以说电力电子技术已将我们带入一个更加节能、更加环保的绿色时代。一、电力电子器件的发展关于电力电子器件的发展分类方法有很多，从1957年世界上第一只晶闸管在美国诞生，到现在，功率半导体器件的发展已形成了四代产品：1．第一代产品。以晶闸管及其各种派生器件为代表，由普通晶闸管衍生出快速晶闸管、逆导晶闸管(RCT)、双向晶闸管(TRIAC)、不对称晶闸管(ASCR)等，形成一个SCR家族。特点为：不具备自关断能力；由于这一原因，需要在主回路上采取措施（主要是要加入电感与电容，构成复杂的辅助换流关断电路）强迫关断，这样造成装置的体积过大，目前这类器件在大功率的变流装置中仍有应用。其最大电流定额可达到8000A以上，电压额定可达到12kV。现在研制的光控晶闸管，其额定值可达8kV，4000A。国外发达国家除大容量的晶闸管和特殊品种外，一般产品已停止生产。2．第二代产品。以具备自关断能力为代表，主要代表器件有：①门极可判断晶闸管（GTO）。1964年，美国第一次试制成功了参数为500V/10A的GTO，但在此后的近10年内，GTO的容量一直停留在较小水平，只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。自70年代中期开始，GTO的研制取得突破是七十年代中期发展起来的，它使半导体电力电子技术进入了自关断阶段，前几年国外产品已达到6kV/6000A/1kHz水平。GTO具有高导通电流密度，高耐压及高阻断、较高dv/dt与di/dt耐量等特点，因而在大容量变流器中得到广泛的应用。由于它的门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率，以及需要一个庞大的吸收电路，又限制了其应用范围。在超大功率应用场合，门极可关断晶闸管（GTO）现在已经发展为逆阻断型晶闸管（GCT）或集成门极换流晶闸管（IGCT）。与GTO比较，IGCT的优点为：关断电流分布均匀、容许瞬态损耗大、可省略吸收电路、通断延迟时间仅为GTO的1/10，因而可提高开关频率、延迟时间的分散性小，容易串并联、总损耗为GTO的一半、关断门极电荷仅为1/2等。这两种用来制造电压源PWM逆变器和电流源PWM逆变器的器件目前都可以在市场上找到，目前火车电力机车的牵引变流器已开始采用IGCT器件。②巨型晶体管（GTR）。出现于七十年代，现有产品的水平为1800V/800A/2kHz、1400V/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它在开关电源、电机驱动、通用逆变器等中等频率和中等功率容量的电路中广泛应用。其缺点是存在二次击穿、安全区易受各种参数影响、过流能力低等问题。它的开关速度比GTO提高了一个数量级，80年代未出现的通用变频调速器，其功率器件大多采用GTR，变频调速器的出现，给不少行业带来了革命性的影响→节能降耗，稳定工艺等，充分体现了科学技术是第一生产力的论断。③功率MOSFET场效应晶体管（MOSFET）。是多子导电的功率MOSFET，其结构较复杂。该器件显著减小了开关时间，很容易达到100kHz的开关频率，冲破了电力电子装置中20kHz的长期障碍，目前的产品已达到60V/200A/2MHz和500V/50A/100kHz。功率MOSFET是低电压(<100V)范围内最好的功率开关器件，但在高电压时其最大缺点是导通电阻随耐压的2.5次方急剧上升，给高功率应用带来很大的困难。八十年代开发出VVMOS(V型槽结构)、VDMOS(垂直双扩散结构)、DMOS(双扩散结构)，才使其从中小功率向大功率扩展，各大公司相继投产高耐压、大电流、开关速度快的高功率MOSFET，一举打破了双极型功率器件独占市场的局面。九十年代末期功率MOSFET产业界纷纷将开发能力转向采用1μm工艺的沟槽栅(Trenchgate)MOSFET研制，不断推出新产品扩大市场。1998年国际整流器公司宣布用于开关电源的功率MOSFET，其结构采用CooMOS工艺技术，其晶体管性能比当时现有的器件高5倍。沟槽结构功率FET缩小了器件元胞体积，增强了器件的雪崩击穿能力，有效地减小了导通电阻，降低了驱动电压。这类器件现在广泛应用于各种移动信息终端和电源电路中。现在沟槽结构功率MOSFET的产品型号规格超过100种，漏源额定电压为25、55、100、150、200V，其低导通电阻最小分别为3、5.5、8、9、20、40mΩ。生产该种产品的厂家包括：飞利浦、英特西尔、TEMIC半导体、硅电子器件、快捷半导体、通用半导体、三菱电机、日立、APT、国际整流器公司、IR公司、摩托罗拉等。MOSFET还有一主要优点，它的导通电阻RON具有正温度系数，具有自动均流能力，因些它的并联问题比其它功率器件的并联问题要简单一些。④静电感应晶闸管SITH或静电感应晶体管SIT。SITH是80年代初期在隐埋栅静电感应晶体管的基础上发展起来的。它是在SIT的漏极层上增加一层与漏极层导电类型相异的发射极层而形成的，又被称为场控二极管。与SIT相似，SITH也是常开型器件。但是，由于存在P型层少数载流子的电导调制效应，SITH的通态压降远比SIT低。SITH具有与GTO相似的关断特性，但关断增益远比GTO小，通态压降也比GTO大。不过，由于SITH，的导通和关断是在整个芯片上均匀进行的，其di/dt耐量大，加之它的dV/dt耐量亦只比GTO高一个数量级，故大大简化了吸收电路。此外，SITH的开关速度也比GTO高得多。STIH主要用于高频感应加热、高频斩波器及无噪声PWM逆变器。SIT是70年代初期在普通结型场效应晶体管基础上发展起来的一种新型大功率结型场效应晶体管，其原理是通过改变栅极电压及漏极电压以改变沟道势垒高度来调节沟道电流，具有类似真空三极管的非饱和伏安特性。SIT属短沟道单极型多子(电子)导电器件，没有少子存储效应，因而工作频率高、开关速度快，易于做成高频SIT和微波SIT。SIT采用多沟道并联结构，沟道电阻率高，因而具有较高的电压、电流容量(比功率MOSFET大)。此外，SIT在负载情况下电压放大倍数基本不变，失真小，适用于需要进行线性功率放大的电路。SIT属常开型器件，只有在栅极加负偏压时才能关断，使用起来不太方便，从而限制了它的应用。此外，由于沟道电阻大，它的通态压降比其它器件要大一些。目前SIT截止频率可达50kHz以上，电流300A、电压3000V以上。SIT，的应用限于大功率中频广播发射机、高频感应加热设备等方面。据报道，国内已研制出频率高达400MHz的50V/40WSIT。第二代器件是按少数载流子或多数载流子导电的单机工作的，不可能同时满足各项高性能的要求，因此电力电子器件的发展方向是多子导电与少子导电相结合形成双机理的器件，第三代器件，以复合型器件为标志。3．第三代器件。主要代表有：①绝缘栅晶体管（IGBT）。是目前主流的功率器件。自1985年绝缘门极双极型晶体管（IGBT）进入实际应用以来，IGBT已经涵盖了600V～6.5kV的电压范围和1～3500A的电流范围，并且表现出在更高和更低的电压和电流、更高的频率和更低的功率损耗方面具有进一步发展的诸多潜质。IGBT在低功耗、高可控性方面取得的巨大进步，使得10MW级的IGBT功率变流器已进入商品化，100MW级的逆变器同样也有商品问世。日本东芝公司提出了一种新的加强型IGBT（也叫IEGT），在关断损耗和导通电压上均取得了很好的折衷。在中小功率应用场合，日本三菱公司最近提出了基于薄晶片LPT技术的反向导通型IGBT（RC-IGBT）和反向阻断型IGBT（RB-IGBT）具有良好的应用前景，尤其是RB-IGBT，由于其反向阻断能力，特别适合矩阵变换器等需要双向开关的应用场合。在最近几年来，有关IGBT的研究工作已经开始出现减缓的迹象，因为目前IGBT的性能已经达到了一个很高的水平，如果在器件材料上没有新的突破，很难在不久的将来期望IGBT在性能上有更大的突破。GBT是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，当时容量仅500V/20A，且存在一些技术问题。经过几年改进，IGBT于1986年开始正式生产并逐渐系列化。至90年代初，IGBT已开发完成第二代产品，目前，第三代智能IGBT已经出现，科学家们正着手研究第四代沟槽栅结构的IGBT。IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断。IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，却明显高于GTR；IGBT的通态压降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT；的电流、电压等级与GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研制水平已达4500V/1000A或更高。由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量(600V以上)的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTR成为核心元件。另外，IR公司已设计出开关频率高达150kHz的WARP系列400～600VIGBT，其开关特性与功率MOSFET接近，而导通损耗却比功率MOSFET低得多。该系列IGBT有望在高频150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低开关损耗。IGBT的发展方向是提高耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发具有集成保护功能的智能产品。②MOSFET控制的双极晶体管MCT或晶闸管MCTH。MCT最早由美国GE公司研制，是由MOSFET与晶闸管复合而成的新型器件。每个MCT器件由成千上万的MCT元组成，而每个元又是由一个PNPN晶闸管、一个控制MCT导通的MOSFET和一个控制MCT关断的MOSFET组成。MCT工作于超掣住状态，是一个真正的PNPN器件，这正是其通态电阻远低于其它场效应器件的最主要原因。MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是IGBT或GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面积通断，故MCT具有很强的导通di/dt和阻断dV/dt能力，其值高达2000A/μs和2000V/μs。其工作结温亦可高达150～200℃。目前已研制出阻断电压达4000V的MCT，75A/1000VMCT已应用于串联谐振变换器。随着性能价格比的不断优化，MCT将逐渐走入应用领域并有可能取代高压GTO，与IGBT的竟争亦将在中功率领域展开。4．第四代产品。PowerIC或SmartPower，或称"聪明器件"，主要特点为将功率模块、保护、控制及驱动集成在一个模块上，使其使用更简单。PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键接口元件。将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，就制成了PIC。一般认为，PIC的额定功率应大于1W。功率集成电路还可以分为高压功率集成电路(HVIC)、智能功率集成电路(SPIC)和智能功率模块(IPM)。HVIC是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成，由于它的功率器件是横向的、电流容量较小，而控制电路的电流密度较大，故常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。已有110V/1.3A和550V/0.5A、80V/2A/200kHz以及500V/600mA的HVIC分别用于上述装置。SPIC是由一个或几个纵型结构的功率器件与控制和保护电路集成而成，电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等。IPM除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至CPU，以保证IPM自身在任何情况下不受损坏。当前，IPM中的功率器件一般由IGBT充当。由于IPM体积小、可靠性高、使用方便，故深受用户喜爱。IPM主要用于交流电机控制、家用电器等。已有400V/55kW/20kHzIPM面市。自1981年美国试制出第一个PIC以来，PIC技术获得了快速发展；今后，PIC必将朝着高压化、智能化的方向更快发展并进入普遍实用阶段。5．国内半导体电力电子器件发展概况。近年来，国内半导体电力电子器件发展有一定进展，但与国外相比差距仍很大。市场上国内产品仍以晶闸管和GTR为主，第三代电力电子器件如IGBT和功率MOSFET产品还处于起步阶段。在IGBT和功率MOSFET开发方面，国内一些高等院校和科研院所做了不少的工作，取得了成绩。成都电子科技大学在功率MOSFET研究方面取得突出成果，他们打破了传统功率MOSFET理论极限，提出CooMOS新型功率MOSFET理论，受到国际上重视。一些科研院所设计定型数种功率MOSFET和IGBT产品。这都将为今后国内生产这些器件打下基础。6．新材料对电力电子器件发展。以上所述各种电力电子器件一般都是由硅(Si)半导体材料作成的。除此之外，近年来还出现了很多性能优良的新型化合物半导体材料，如砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、磷化铟(InP)以及锗化硅(SiGe)等。由它们作为基础材料制成的电力电子器件正不断涌现。砷化镓材料GaAs是一种很有发展前景的半导体材料。与Si相比，GaAs有两个独特的优点：①禁带宽度能量为114eV，较Si的111eV要高。正因如此，GaAs整流元件可在350℃的高温下工作(Si整流元件只能达200℃)，具有很好的耐高温特性，有利于模块小型化；②GaAs材料的电子迁移率为8000cm2/V·s，是Si材料的5倍，因而同容量的器件几何尺寸更小，从而可减小寄生电容，提高开关频率(1MHz以上)。当然，由于GaAs材料禁带宽度大，也带来正向压降比较大的不利因素，不过其电子迁移率可在一定程度上补偿这种影响。GaAs整流元件在Motorola公司的一些老用户中间，广泛用于制作各种输出电压(12V、24V、36V、48V)的DC电源，用于通信设备和计算机中。预计，随着200V耐压GaAs整流器件生产工艺技术的改进，器件将获得优化，应用领域将会不断扩大。600V耐压的GaAs整流器件，现已达到实用化水平，不久将大量上市。碳化硅材料SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，作为Si和GaAs的重要补充，可制作出性能更加优异的高温(300～500℃)、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。SiC高功率、高压器件对于公电输运和电动汽车的节能具有重要意义。已用SiC材料制作出普通晶闸管、双极晶体管(BJT)、IGBT、功率MOSFET(175V/2A、600V/118A)、SIT(600MHz/225W/200V/fmax=4GHz)、PN结二极管(300K温度下耐压达415kV)和肖特基势垒二极管(300K温度下耐压达1kV)，广泛运用于火车机头、有轨电车、工业发电机和高压输变电装置中。磷化铟材料InP是一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，是继Si和GaAs之后的新一代电子功能材料。它具有更高的击穿电场、更高的热导率、高场下更高的电子平均速度，且表面复合速率比GaAs低几乎3个数量级，使得InPHBT可在低电流下工作，可作为高速、高频微波器件的材料，频率可达340GHz。在1998年5月举行的第10届IEEE磷化铟及相关材料国际研讨会上，美国的M/A-COM公司、AXT公司以及日本的能源公司都展示了3～4英寸InP晶片样品。锗化硅材料据文献报道，德国TenicTelefunkenMicroelectronic公司计划于1998年一季度开始批量生产无线应用的SiGe芯片，其截止频率为50GHz～110GHz。这标志着SiGe器件正式进入应用领域。电力电子技术在家电产品中的应用近十年来由于功率器件制造成本的下降与微控制器的普及，电力电子技术在家电产品中得到了广泛的应用，给家电产品带来了新的变革，主要体现有：①变频空调的广泛使用。变频空调是空调发展的大趋势，与普通空调相比，变频空调在舒适性、静音、恒温以及高效运转、延长使用寿命等方面有显著优势。当提高频率时，压缩机便高速旋转，输出功率增大。反之，降低频率时，压缩机的输出功率减少。因此，变频空调可根据不同的室内环境状况，以最合适的输出功率进行运转。而传统的定速机种，则依靠其不断地"开、停"来调整室内湿度，其一开一停之间容易造成室温或冷或热，并消耗较多能量。变频空调则依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，因而室温波动小，电能消耗少，其舒适度大大提高。而运用变频控制技术的变频空调，可根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿运转方式，使居室在短时间内迅速达到所需要的温度并在低转速、低能耗下以较小的温差波动，实现快速、节能和舒适的控温效果。据了解，日本作为变频空调的强国，从80年代初就开始将VVVF变频调速技术用于压缩机电机的控制，目前，变频空调已占其市场的90％左右。与此同时，变频空调在我国发展相当快，用了近10年的时间，就达到与日本先进水平同步。如我国的海尔集团从1993年开始生产变频空调，从最初的单转子变频压缩机技术发展到今天的运用直流变频加PAM技术，将我国的变频技术带到了一个更高的发展层次，带动了我国变频技术的全面提升。目前，海尔变频空调已经有了8个系列968种产品，是目前我国变频空调规模最大的生产基地。我国的变频空调几乎100％采用IPM方式，IPM模块基本都是从日本进口的。目前市场上的变频空调分为交流型与完全直流型两种，前一者价格较便宜，后一种价格较贵，但节能效果更好，控温精度更高。（一般交流型变频空调与定速空调相比，节能30%，直流型变频空调节能可达到50%；定速空调控温精度为±2℃，变频空调可达到±0.5℃）目前国内市场上青岛海信占有率达60%左右。②变频冰箱的初步普及。变频冰箱主要是通过变频技术来调节压缩机的转速，它通过提取冰箱各间室温度与设定温度的差值，作为连续控制信号输入到变频器中，从而实现自动改变输出交流电频率的目的。这样，在维持冰箱于设定温度稳定运转过程中，压缩机基本维持着连续的低速运转，与传统依靠通断调节的定速机种相比，可明显延长压缩机的使用寿命，从而达到节能、省电的目的，使冰箱处于最佳效率状态下运行。如东芝公司生产的GR－356M12变频冰箱，采用PWM变频器，整个系统在工频电源起动之后，通过变频器快速运转，然后进行工频电源运转或者变频器运转。压缩机由3个传感器和过载继电器保护；可以防止过流，还可以防止温度异常或连续变频运转引起的工质蒸发不充分而产生的低效率液体压缩现象。美国Danfoss公司开发的TLV型可调速压缩机，其内置的电机控制装置可将压缩机的转速从4500r/min降到2000r/min，节能40％，并可降5dB(A)。2000年4月，科龙首推变频冰箱，改写了被业内人士誉为"最成熟、最稳定"的冰箱业市场格局。目前220升容积左右的变频冰箱日均耗能可降到0.38~0.48KW，普通冰箱水平为1.2KW左右。③变频洗衣机。变频波轮式洗衣机于90年代初最先由日本三菱公司推出，随后新西兰公司也推出了变频搅拌式洗衣机。目前欧洲和日本正在研制变频滚筒式洗衣机。变频洗衣机具有三大特点：一是提高洗衣效果。由于采用直接驱动式变频电机，其洗涤、脱水速度可调，可以针对不同衣物的质地确定不同的洗涤脱水速度。同时，在洗涤桶和波轮低速转动时也能产生大转矩。采用电磁制动器，可实现反向高速转动。同时可根据洗涤物的种类、数量、脏污程度，选择水流，使衣物的洗净率和磨损率达到最佳效果。二是节能。变频洗衣机效率高，过去的洗衣机电机的效率仅为40％－50％，而直流变频洗衣机的效率可达到80％以上，从而实现节约能源。三是噪声低、振动小。这是因为直流变频电机的电磁噪声要小于单相感应电机，同时改机械传动为直接传动，使齿轮、皮带、电磁噪声还脱水振动得到有效控制。如日本夏普公司开发的ES－A80E型变频洗衣机。其洗涤噪声为28dB。脱水噪声为40dB，脱水振动减少一半，与近十年前该公司的ES－B55机型相比，现在的ES－A80E机型的耗电约为老机型的三分之一。无锡小天鹅公司是我国最早开发变频洗衣机的厂家。该公司前几面市的"洗衣机"，采用先进的无刷直流变频电机进行无级调速以及PWM变频控制技术，洗涤转速和节拍可同时改变，速度控制灵活，可洗涤不同质地的所有衣物，根据衣物质地选择不同脱水转速，从而达到高洗净、低磨损、免缠绕的效果。其低噪声和高效节能表现在平均脱水噪声在59dB（A）以下。比普通洗衣机下降10dB（A）。特设的静音程序，噪声在55dB（A）以下。直流变频电机寿命比传统的感应电机延长200％，而能耗降低50％。④变频微波炉。变频微波炉代表了世界微波炉的发展方面，具有很高的技术含量。变频微波炉是以变频器代替了传统的微波炉内变压器，变频器通过变频电路可以将50Hz的电源频率任意地转换成2000－4500Hz的高频率，通过改变频率来得到不同的输出功率，解决了传统微波炉通过对恒定输出功率反复开／关进行火力调控而使食物加热不均匀的弊端，实现了真正意义上的均匀火力调控，经烹饪的食物不仅口感好，而且营养保存更多。除此以外，与传统微波炉相比，变频微波炉还具有机身轻巧、噪声小、烹饪速度快、用电省等优点。如日本松下新近推出的NN－V691JFS微波炉，由于采用了变频电源系统，烹饪时间缩短了近50％，同样由于变频技术的采用，缩小了变压器的体积，使机身重量减轻了30％，而有效空间增大了20％以上。此外，变频技术在自动真空吸尘器、剃须刀、电饭锅、电磁灶、彩电、电动自行车等家电产品也获得了重要的应用。⑤绿色照明技术。调光台灯是电力电子技术最早在照明技术中的应用，使用的是电力电子技术中的交流调压原理。近5年来，护眼灯大量地涌现在市场上，它使用的原理是将50Hz的交流电变换成高频的交流电，用三基色荧光粉，使人眼感受不到频闪不适。照明用电随着社会的发展已占总发电量的10%左右。美国1994年仅用于9600万户家庭照明的耗电约1500亿kWh，价值100亿美元，这些发电量要产生114亿吨原始温室气体—CO2。照明用电的迅速增加，不但要增加大量的电力投资，而且还会对环境和电网产生污染.据专家计算，每100亿kWh电需标煤500万吨，按除尘率94%计，还要向大气排放烟尘515万吨、SO2718万吨，产生严重的酸雨，因而绿色照明应运而生。绿色照明是20世纪90年代初国际上对采用节约电能，保护环境的照明系统的形象化说法，它是一项集照明节电，环境保护，改善照明质量和发展电器工业于一体的跨世纪工程，实施绿色照明不仅能够节省电力，更重要的是减少环境污染和能源消耗，提高能源的利用效率.实现绿色照明的方法：一是改造光源，二是改进电路，荧光灯用电子镇流器和霓虹灯专用电子变压器是新型照明电路的典型代表。目前还有一个方向值得注意，大功率LED照明驱动电路的研究与应用。目前市面上已能见到单个功率达5W的高亮度白光LED器件，LED是一种固体光源，当它两端加上正向电压，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出的过剩能量将引起光子发射。采用不同的材料，可制成不同颜色的发光二极管。作为一种新的光源，近年来各大公司和研究机构对LED的研究方兴未艾，使其光效得以大大提高，飞利浦与Agilent的合资公司目前已研发并生产出光效达到171m/W的白色LED。和白炽灯的相比较，LED在性能上具有很多优点。高性能的LED驱动主要是恒流驱动技术。１、效率高：按照通常的光效定义，LED的发光效率并不高（一般10-30lm/W，但目前已有达50lm/w的白光LED），但由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，效率可以达到80-90%，而光效差不多的白炽灯其可见光效率仅为10-20%。２、光线质量高：由于光谱中没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，LED属于典型的绿色照明光源。３、光色纯：与白炽灯全频段光谱不同，典型的LED光谱狭窄，发出的光线很纯。４、能耗小：单体LED的功率一般在0.05-1W，普通LED手电用管，单只工作电压2。7伏，电流20毫安，一瓦LED手电用管，单只工作电压3。3伏，电流330毫安，光效30lm/W。我们普通手电用灯珠，工作电压3。7伏，电流400毫安，光效只有几个流明。５、寿命长：光通量衰减到70%的标称寿命10万小时。实际上机会几乎无限。６、可靠耐用：没有钨丝、玻壳等等容易损坏的部件，非正常报废的可能性很小，维护费用极为低廉。7、绿色环保：废弃物可回收，没有污染；不像荧光灯含有汞成分是受价格因素的限制。目前白光LED照明主要用在高性能的户外手电上，亮度可达到数百流明，普通两节5号电池的使用时间视亮度情况，最长可达到近100个小时。可以预见，在近3~5年内，白光LED必将进入普通用户。电力电子技术在电源中的应用电能是目前人类生产和生活中最重要的一种能源形式。合理、高效、精确和方便地利用电能仍然是人类所面临的重大问题。采用电力电子技术的电源装置给电能的利用带来了革命。在世界范围内，用电总量中经过电力电子装置变换和调节的比例已经成为衡量用电水平的重要指标，目前，全球范围内该指标的平均数为40%，据美国国家电力科学研究院预测，到2010年将达到80%。这就对电源技术提出了新的挑战。总的来说，对各种各样的电源装置提出的技术要求中，除了稳定性、可靠性、精确性、高效率等方面的要求外，小型化和轻量化也是十分迫切的需求。目前解决的主要手段有高频化、元器件和结构的小型化。上世纪80年代，提出了电源制造中电力电子集成概念，明确了集成化是电力电子技术未来发展的方向，是解决电力电子技术发展面临障碍的最有希望的出路。同时，现代社会对环境造成了严重污染，限制温室气体的排放，电源技术要为环保和人类健康服务。电力电子集成的基本思想是通过封装手段，将主电路的部分元件和驱动、保护、控制甚至人机界面和通讯接口电路都集成到一个或几个模块内，实现电源装置的全面集成化。电源装置的集成可以分为三个不同层次和形式：①单片集成将电力电子电路中的功率器件、驱动、控制和保护电路都采用半导体集成电路的加工方法，制作在铜－硅片上，体现了系统芯片(SOC)的概念。这种集成方式集成度最高，适合大批量、自动化制造，可以有效的降低成本、减小体积和重量，但面临高压、大电流的主电路元件和其他低压、小电流电路元件的制造工艺差别较大，还有高压隔离的传热问题。故单片集成难度很大，目前仅在小功率范围有所应用。如美国PowerIntegrations公司的TopSwitch等。②混合集成采用封装的技术手段，将把包括功率器件、驱动、保护的控制电路等多个硅片封入同一模块中，形成具有部分或完整功能的、相对独立的单元。这种集成方法可以较好地解决不同工艺的电路间的组合和高电压隔离等问题，具有较高的集成度，也可以有效的减小体积和重量，但目前还存在分布参数、电磁兼容、传热等具有较高难度的技术问题，并且还不能有效地降低成本，不能达到较高的可靠性，因此，目前仍以中等功率应用为主，并正向大功率发展。混合集成的典型例子是IPM(集成功率模块)。③系统集成将多个电路或装置有机地组合成具有完整功能的电力电子系统，如通信电源系统等。系统集成是功能的集成，具有低的集成度和技术难度，容易实现。但由于集成度低，与独立的装置和电路相比，体积和重量都无法显著降低，而且其构成仍以分立的元器件为主，设计、制造都较复杂，不能明显的体现集成的优势。目前，系统集成技术都用于功率很大、结构和功能复杂的系统。国家自然科学基金委员会已经批准了"电力电子系统集成的理论和关键技术研究"项目，标志着我国电力电子集成技术研究的正式起动。电力电子技术在充电电源中的应用。手机充电器，电动自行车充电器，充电电池的充电器，神光II与神光III电源的充电机等。电力电子技术在电力系统中的应用①动态无功补偿技术的应用。由于电力系统中无功功率的有害性，人们很早就对各种补偿技术有所认识。在电力系统中，控制无功功率的方法很多，包括采用同步发电机、同步电动机、同步调相机、并联电容器和静止无功补偿装置等。由于其技术的成熟性及经济上的原因，这些装置仍在广泛的使用中，尤其在我国等发展中国家。考虑到无功功率是由于系统中各种电容和电感所产生，人们最初使用了无源形式的补偿方法。该方法是将一定容量的电容器或电抗器以并联或串联连接的方式安装在系统的母线中。例如，并联电容器在高峰负荷下可接入系统以防止电压降低。在轻载时，电容器和电抗器的存在，对故障后系统的动态性能也有影响。通常，在干扰期间，它们都不会投入或切除。这些补偿措施对系统发生影响是由于它们改变了网络参数，特别是改变了波阻抗、电器长度和系统母线上的输入阻抗。一般来说，如果要它们纠正短时(0.5S)电压升高和电压下降，则必须把它们迅速地投入和切除，在某些场合下，这种操作要反复进行，使用传统的机械开关装置，实际上是做不到这一点的。同步调相机又称同步补偿器，是作为并联补偿设计的一种同步机，它属于有源补偿器。同步调相机同电容器相比，该装置的优点是：在系统电压下降时，靠维持或提高本身的出力，可以给系统提供紧急的电压支持。从功能上讲，同步调相机只不过是一个被拖动到某一转速并与电力系统同步运行的同步机。当电机同步运行后，根据需要，人们控制其磁场，使之产生无功功率，或从系统吸收无功功率。同步调相机具有调相的优点，但动态响应速度慢，发出单位无功功率的有功损耗大，运行维护复杂，不适应各类非线性负载的快速变化。由晶闸管控制电抗器(ThyristorControlledReactor—TCR)，晶闸管投切电容器(ThyristorSwitchedCapacitor—TSC)和以及二者的混合装置(TCR+TSC)等主要形式组成的静止补偿器(StaticVarCompensator——SVC)实际上可看作一个可调节的并联电源，其性能比固定并联电容器要好得多。而所谓静止是指没有运动部件，这和同步调相机不一样。静止补偿器最重要的性质是它能维持其端电压实际上不发生变化，所以它要连续调节与电力系统变换功率，其第二个重要性质是响应速度。传统静止补偿器对电力系统状况的调整和暂态性能的改善起到了重要的作用，且其控制技术也比较成型，在实际电力系统中也得到了不少的有效应用。但是它们都是利用可控硅晶闸管进行换相控制，在无功变动时容易发生逆变现象，并且都需要大电感或大电容来产生感性和容性无功，因而人们期待有新的补偿方式改善上述缺陷。国外情况静止无功补偿装置(StaticCompensator)或称SVC-静止无功系统是相对于调相机而言的一种利用电容器和各种类型的电抗器进行无功补偿(可提供可变动的容性或感性无功)的装置，简称静补装置(静补)或静止补偿器。1967年，第一批静补装置在英国制成以后，受到世界各国的广泛重视，西德、美国、瑞士、瑞典、比利时、前苏联等国竟先研制，大力推广，使得静止补偿装置比调相机具有更大的竞争力，广泛用于电力、冶金、化工、铁道、科研等部门，成为补偿无功、电压调整、提高功率因数、限制系统过电压，改善运行条件经济而有效的设备。国际上几个大的电气公司如瑞士的勃朗-鲍威利公司(BBC)，瑞典通用电气公司，美国的通用电气公司(GE)及西屋公司，日本的富士公司等均发展了不同类型的静补技术。根据提供无功的性质和方式而言，静补装置又分为六种组合方式，固定电容、固定感性、可变容性、可变感性、固定容性+可变感性、可变容性+可变感性，通常所指的静补装置是指后两种方式。对可变感性又可分为直流励磁饱和电抗器(DCMSR)。相控阀调节电抗器(TCR)(或相控阀高阻抗变压器)及自饱和电抗器(SR)。高压可控硅元件问世以来，逐步取代了有触点开关，为实现感性或容性无功的连续可控调节提供了简便、可靠、灵活的技术。目前国际上几个主要的产品形式有FC-TCR(固定容性+可变感性)，电感的调节也有用可控高阻抗变压器、自饱和电抗器、直流偏磁电抗器的。另一种TSC-TCR是八十年代初发展起来的一种新技术，oASEA首先将其应用于电力系统的无功补偿。在国外，系统的无功补偿主要用静补装置和电容器，并积累了广泛的运行经验，取得了良好的效果。国内情况。70年代初武汉钢铁公司1.7m轧机工程进口了比利时的直流励磁饱和电抗器和日本的电容器组成的静补装置后，国内才对可变无功的补偿问题引起了注意。在国内，补偿无功用的最多的办法是并联电容器。在低压(10kv以下)供电网络中大量地和在中压(60kv、35kv)配电网络中少量地装设并联电容器组，以满足调压要求，70年代初有人提出用大负荷调压变压器改变并联电容器组端电压，以调节无功出力的设想，终因调压变压器的操作开关寿命不能保证而未能实现。可变无功的补偿问题越来越受到有关部门的重视，电力部有关科研、设计、试验单位对静补装置在电力系统中的作用进行了不少试验研究工作。从国外引进的静态补偿为枢纽变电站或大型企业所用的大容量静态补偿，对于中小型中低压电网或中小型企业所需的无功，多采用并联电容器组的办法。这同时也产生了许多新的问题，首先其不能迅速连续地进行无功功率的调节，其次许多电容器在夜间产生了过量的无功，使发电机换相运行，并影响系统经济稳定运行，因此，中小企业的功率因数调节也越采越引起重视。对于偏离规定功率因数较大的企业，电力部门会对其征收惩罚性的累加电费，在城市夜间、节假日期间会有大量剩余无功功率，引起电网电压升高，危害用户。功率因数低，损耗大，系统不稳定，效益低等问题日益突出，所以把连续可调的无功补偿装置应用到在中小型中低压电网或中小型企业是十分必要的。采用电容器进行无功补偿属于静态补偿。在上述静态无功补偿装置中，由于容抗是固定的，因而无功补偿容量也是固定不变的，它不能跟随供电系统中感性负荷的变化而变化，所以不能实现无功功率的动态补偿。随着电力系统的发展，对无功功率动态补偿的需求越来越迫切。使用晶闸管对电抗器进行实时投切，构成晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)，可以根据电网中无功功率的状况进行无功补偿。1977年GE公司首次在电网中进行了试验，1978年西屋公司的产品投入实际运行，1980年以来，我国已开始研制和投用晶闸管控制的静止无功补偿装置SVC。但在实际应用中，SVC离不开具有时滞特性的大容量储能元件，不能做到瞬时无功控制。随着电力电子技术的进一步发展，近年来出现了采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，通常称为静止无功发生器(StaticVarGenerator—SVG)或高级静止无功补偿器(AdvancedStaticVarCompensator—ASVC)，也叫静止调相机(StaticCondenser—STATCON)。与传统的以TCR为代表的SVC装置相比，SVG的调节速度更快，运行范围更宽，而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后可减少补偿电流中谐波的含量。更重要的是，SVG使用的电抗器和电容元件远比SVC中使用的电抗器和电容元件要小，这将大大缩小装置的体积和成本。SVG是基于瞬时无功功率的概念和补偿原理，采用全控型开关器件(如GTO晶闸管、IGBT等)组成自换相交流器，辅之以小容量储能元件所构成的瞬时无功功率补偿。其基本原理就是将自换相桥式电路并联在网上(或者通过电抗器与电网并联)，通过调节桥式电路交流侧输出电压的相位、幅值或者直接调节其交流侧电流，都可以使桥式电路吸收或发出符合要求的无功功率，从而达到动态无功补偿的目的。因为SVG比SVC的调节速度更快、运行范围更宽，所用电抗器的容量也大为降低，所以SVG是动态无功补偿装置发展的重要方向。②有源电力滤波器与电能质量控制。配电网中整流器、变频调速装置、工业电源以及各种以开关方式工作的电力电子装置不断增加，这些负荷的非线性、冲突性和不平衡性的用电特性，使电力系统的电压、电流发生畸变，对供电质量造成严重污染。补偿电力系统的谐波，改善电能质量成为急需解决的技术问题。传统的补偿无功和谐波的主要手段是用LC滤波器，它结构简单，成本低，技术成熟，但它也有缺点：1）它的补偿特性受电网阻抗的影响，即依赖于电网和负载的参数；2）可能发生电网与滤波器间的串、并联谐振，使滤波器和电网侧的谐波较之负载的电流谐波有所增加；3）不能对谐波和无功实现动态补偿；4）有金属效材料消耗多，体积大等缺点。随着电力电子技术的飞速发展，出现了电力有源滤波器（APF），它是目前电力电子技术领域研究热点课题之一。与传统的LC滤波器相比，有源滤波器优点如下：1）实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行迅速的动态跟踪补偿。2）滤波器特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。3）补偿无功功率时不需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量不大。4）可同时对谐波和无功进行补偿，且补偿无功的大小可做到连续调节，既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿，性价比较高。随着现代科学技术的发展，一方面，造成电能质量问题的因素不断增长，如以电力电子装置为代表的非线性负荷的使用、各种大型用电设备的启停等；另一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高。上述问题的矛盾越来越突出，这使得电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成的损失也越来越大，电能质量直接关系到国民经济