第1章 電力電子變換器與脈寬調制技術基礎

過去數十年，微電子技術和電力電子技術都得到了快速的發展。微電子技術將現代社會帶入了信息時代，而與之相對應的電力電子技術對人類文明的影響則仍然有相當大的潛力。通過電力半導體器件的開關實現電能的可控轉換是電力電子技術的本質，而實現電能變換的主要渠道就是脈寬調制（PWM）技術。本章作為全書的第一章，將介紹電力電子技術的背景以及PWM技術的發展歷程和電力電子技術的機遇與挑戰。

1.1 電力電子器件和電力電子變換器

人類有效地利用電能可以追溯到19世紀。在19世紀后半葉法拉第等人發現電磁感應現象，并由麥克斯韋等人總結分析得到電磁場理論，從而奠定了近代電磁學和電工技術的基礎。自此之后的百年時間，人類基于電磁場理論發展出了兩大工業分支：以電機和輸配電為代表的電力工業與以電話和無線電為代表的電信產業。這兩大分支在20世紀上半葉極大地改變了人類社會的面貌。

自20世紀中葉以來，半導體技術得到了飛速的發展，將過去一百年間連續的、線性的電工理論推廣到離散的、非線性的領域。在此基礎上電力工業和電信產業兩大工業分支也發生了深刻的變化。在電信產業領域，大量的電子元器件開始得到應用，繼而產生了電子計算機、集成電路和人工智能等高新技術。毫不夸張地說，現代社會被半導體技術推到了“零和一”的時代。半導體技術在電信領域的巨大推動力，是由于半導體電子器件強大的信息處理能力。而對于電力工業，處理的對象是能量而非信息，因此半導體技術在電力工業的影響要滯后于電信領域若干年。但是最近幾十年電力工業在半導體技術的推動下也發生了深刻的變化，這就是電力電子技術的發展。

電力工業過去幾十年的發展依賴于電機和變壓器等設備，實現電能與機械能或者電能與電能的轉換，這樣的轉換是連續的、線性的。半導體器件開始在電能變換中的應用始于功率二極管器件的使用。功率二極管的基本物理原理與基于PN結的普通二極管是一致的，能夠正向導通電流，反向阻斷電流。功率二極管可以用于將交流轉換為直流的整流變換，但是只應用功率二極管的電路是不控型的電路，只能實現簡單的功能。1957年，美國通用電氣（GE）公司發明了晶閘管（Thyristor），第一次改變了傳統電能變換的特性。晶閘管是一種固態開關器件，基于半導體硅材料，在物理結構上是P-N-P-N的四層結構。它可以實現較小的導通電阻和較大的阻斷電阻，并且可以通過門極控制導通。因此晶閘管可以用于可控型的整流電路，實現交流-直流變換，故晶閘管俗稱為可控硅（SCR）。在此之后，晶閘管陸續被應用于直流-交流變換（逆變）、交流-交流變換（變頻、調壓）以及直流-直流變換（斬波）等領域。由于晶閘管的門極可控性，它可以更加靈活地應用于電能變換，并實現主動的控制。正是這個時候開始，電力電子技術這一學科開始出現，并得到了發展。

晶閘管作為第一代電力電子開關器件，在數十年內主導了電力電子技術。但是它有一個明顯的問題：門極可以通過外部控制信號觸發開通，但是無法通過門極的外部信號觸發關斷。晶閘管要通過主電路加反向電壓使電流下降為零才能關斷。因此，晶閘管是一個半控的主動開關器件。為了有效地關斷晶閘管，需要外接輔助換相電路，這也是早期的電力電子變換技術的一個主要研究內容。為了解決這個問題，電力半導體研究人員在普通晶閘管結構上進行了改進，發展出了門極關斷晶閘管（GTO）。它不僅可以通過門極觸發電流導通，還可以通過門極觸發電流關斷，真正實現了開關全控。GTO器件是一種具備主動開關能力的高壓大電流電力電子器件，在20世紀后期廣泛地應用在軌道牽引和工業變頻上。

GTO器件的主要問題是門極驅動通過電流觸發開關，門極驅動較為困難，開關速度受到限制。在GTO結構的基礎上，最近二十年通過集成門極驅動，發展出了發射極關斷晶閘管（ETO）和集成門極換流可關斷晶閘管（IGCT）等器件。它們的核心還是晶閘管結構，但是其門極以低電感模式集成了驅動電路，對用戶來說，驅動更加簡單方便，開關速度也能顯著提高。近些年來IGCT開始應用在各類高壓大容量的電能變換場合，顯示出了優越的性能。

以上的器件（普通晶閘管，GTO，IGCT，ETO）核心都是基于P-N-P-N的晶閘管結構，與晶閘管同時期出現的另一種電力半導體器件是晶體管。晶體管主要包括雙極結型晶體管（BJT）和場效應晶體管（FET）兩種。雙極結型晶體管是由兩個PN結結合在一起形成的PNP型或者NPN型半導體器件，通過外部輸入基極電流改變其導電特性來控制外電路電流。場效應晶體管是通過外部施加控制電壓產生電場，利用電場效應改變導電特性，從而控制外電路電流。目前應用最廣泛的場效應晶體管是金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOS-FET）。另外，由于工藝的原因，新型的寬禁帶電力電子器件中，結型場效應晶體管（JFET）也是主流器件之一。

用于電力變換的BJT器件是一種全控型功率器件，通過基極電流控制開關，耐壓與通流能力強。但是其主要問題是驅動需要功率大，開關速度不夠快。功率MOSFET器件也是一種全控型功率器件，通過柵極電壓控制開關，開關所需功率小，開關速度快，但是MOSFET的缺點是通態壓降大，難以制作成高壓大電流器件。結合兩種器件的特點，20世紀80年代發展起來的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）成為新一代的全控型電壓驅動的電力電子器件。IGBT等效于一個MOSFET驅動門極的雙極型晶體管器件，兼具MOSFET的開關速度快和BJT高壓大電流的優點。最近幾十年，IGBT廣泛應用于各類電能變換，包括電機控制器、可再生能源轉換、并網變換器以及電力系統中。

與此同時，電力電子器件的材料也在過去20年間得到了新的發展。取代傳統硅材料的新型寬禁帶半導體材料，包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）以及金剛石材料開始應用在電力半導體器件上。寬禁帶半導體材料具備更高的導帶-價帶能級差，寬禁帶電力電子器件在導通電阻、耐壓能力、開關速度和耐高溫能力上優于傳統的硅器件。21世紀以來，世界主流半導體廠商都投入了對SiC電力電子器件的研發和生產，且專業研發SiC電力電子器件的初創企業，如美國的CREE和United Silicon Carbide公司等都取得了一定的成功。1200V級別的SiC器件在2015年前后已經廣泛出現在市場上。器件材料的革新對電力電子技術也起到了有力的推動作用。

本書的核心思路是在全控型快速開關下的電力電子器件基礎上，研究電力電子變換器的一個核心技術：脈寬調制策略。電力電子器件是研究的物理基礎，由于電力電子器件本身的特性，脈寬調制策略才有了研究的內容。本書主要采用IGBT和功率二極管電力電子器件作為研究對象。實際上，對于其他全控型的電力電子器件，本書講述的內容同樣能夠適用。

由電力電子器件與其他輔助元器件以及無源器件與負載搭建出的電力電子變換器就可以實現電能的可控轉換。

按照電力電子器件的承壓和通流能力，將電力電子變換器中的開關組合成兩種方式，如圖1-1所示。圖1-1a所示是一個主動開關和二極管的反并聯結構，在這種結構中，正向（A-B）電流可以通過控制開關門極導通，反向（B-A）電流可以通過二極管導通。在門極關閉的情況下，這種開關可以承受正向（A-B）的電壓，但是無法承受反向（B-A）的電壓。因此在電壓-電流平面上，這種開關的有效區域如圖1-2a中的陰影部分所示。圖1-1b所示是電壓雙向開關，是主動開關和二極管的串聯。在這種開關中，正向（A-B）的電壓可以通過關斷開關管承受，反向（B-A）的電壓可以通過二極管承受，因此它是一種雙向承受電壓的開關。但是因為二極管串聯在開關中，它只能正向（A-B）導通電流，因此它的有效區域如圖1-2b中的陰影部分所示。

圖1-1 電力電子變換器中的兩種典型開關

a）電流雙向開關 b）電壓雙向開關

圖1-2 兩種典型開關下的電壓-電流平面

a）電流雙向開關 b）電壓雙向開關

除了開關，在電力電子變換器中另一個重要的元件是無源元件。在經典電路理論中，無源元件主要包括電阻、電感和電容三種。電阻是最簡單的無源元件，滿足電壓-電流瞬時線性關系。電容和電感則是在電壓-電流關系中存在微分和積分關系的。圖1-3所示是這兩種無源元件的符號。在電感中，能量存儲在磁場中，電感的電流變化率與電感兩端的電壓成正比，電感的電流是不可突變的量，可以作為系統中的一個狀態變量。電容的能量存儲在電場中，電容電壓的變化率與流入電容的電流成正比，電容的電壓是不可突變的量，也可以作為系統中的一個狀態變量。

用這兩種開關模式和無源元件，可以搭建對應的電力電子變換器。以最簡單的直流-直流變換器為例，兩種典型的拓撲結構如圖1-4所示。圖1-4a所示是降壓（Buck）變換器，其中負載電壓是電容上的狀態變量。開關S的連續開關改變電感上的電壓降，電感電流在穩定值附近有連續的紋波。由于開關S的導通關斷，使負載電壓通過開關的占空比得到降壓。圖1-4b所示是升壓（Boost）變換器，負載電壓也是電容上的狀態變量。開關S的連續開關改變電感上的電壓降，使電感電流處于給負載充電和續流兩種狀態。負載電壓通過開關S的占空比從電源電壓得到升壓。

圖1-4所示的直流-直流變換器是最基本的拓撲結構，主要的電力電子變換器的拓撲結構都可以由最基本的結構得到。由于直流-直流變換器中的控制變量是直流量，不需要電壓或者電流的雙向性，因此開關單元是簡單的開關或者二極管。但是如果應用在包含交流量（電壓或者電流）的電力電子變換器中，電壓或者電流將在器件上呈雙向性，那么就必須使用圖1-1所示的電流雙向或者電壓雙向開關。圖1-5所示是最典型的單相直流-交流變換器（逆變器）與交流負載連接的拓撲結構。輸入側是電壓源性質，因此也稱為電壓型逆變器。負載電感使負載呈現電流源特性，即交流的連續電流。由于此時流過器件的電流呈雙向性質，因此需要采用圖1-1的雙向電流開關，即開關管與二極管反并聯的結構。這樣持續地通過調整占空比開關器件，就能實現輸出的交流特性。這種拓撲推廣到最常用的三相情況下，如圖1-6所示。由三個橋臂組成電壓型逆變器的主電路，每個橋臂包括兩個電流雙向開關。

圖1-3 兩種典型的無源元件

a）電感 b）電容

圖1-4 兩種典型的直流-直流變換器拓撲

a）降壓（Buck）變換器 b）升壓（Boost）變換器

圖1-5 單相電壓型逆變器拓撲結構

圖1-6 三相電壓型逆變器拓撲結構

與電壓型逆變器相對應的是電流型逆變器。逆變器中，直流輸入是電流源特性的變換器，也就是電流型逆變器。圖1-7所示是三相電流型逆變器的結構。直流輸入側通過電感改變為電流源特性，即直流側是恒定電流輸入。此時負載側需要是電壓源特性，因此負載側通過電容連接到逆變器端口。由于直流輸入單向的電流，而負載是交變的電壓，因此開關器件屬于如圖1-1b所示電壓雙向型器件，即一個開關管與一個二極管的串聯結構。在三相電流型逆變器中有三個橋臂，每個橋臂由兩個電壓雙向型器件組成。

圖1-7 三相電流型逆變器結構

圖1-6和圖1-7所示都是最基本的三相逆變器結構。實際上，對于圖1-6的電壓型逆變器，當負載與電源反過來的時候，同樣的拓撲結構可以用于交流-直流變換，即整流器。而對于圖1-7的電流型逆變器，開關反向后能量由交流側流向直流側，成為電流型整流器。目前主要的三相電力電子拓撲結構，不論是整流還是逆變，主要采用圖1-6和圖1-7這兩種拓撲結構。在三相實際應用中，電壓型三相電力電子變換器（逆變器、整流器）是使用最廣泛的拓撲結構，也是本書的主要研究對象。在部分應用中，電流型三相電力電子變換器也有一定的優勢，因此，它將作為一部分補充內容在本書中介紹。

1.2 脈寬調制技術簡介

在介紹了電力電子器件和電力電子變換器拓撲結構后，下一步需要了解的是電力電子變換器的控制技術。圖1-8所示是一個典型的控制系統框圖?？刂颇繕耍簠⒖贾蹬c傳感器送回的反饋值相減后得到誤差，通過控制器產生參考執行量，此時必須通過執行器將參考執行量轉換為物理執行量加載在控制對象上才能控制輸出。沒有執行器，控制系統只能是數學模型而不會存在實際控制能力。在電力電子變換器中，脈寬調制技術就是將參考執行量轉換為物理執行量的執行器。

圖1-8 一個典型的控制系統框圖

文獻[6]和[7]給出了中大功率電力電子變換器系統的分層控制結構圖，并作為IEEE的標準發布，如圖1-9所示。在電力電子變換器系統中，控制分為五層：首先是系統級的控制，此級與頂層應用相關，時間尺度在10 ms以上，比如電動汽車的運行模式等；在系統級控制下的是應用控制，即為了滿足系統級控制的需要而執行的控制，時間尺度在1～10 ms之間，比如電動汽車上為了滿足車輛運行而執行的電機速度控制等；再下一層是電力電子變換器的控制，即為了滿足應用控制而對電力電子變換器實施的控制，時間尺度在10 μs～1ms之間，比如電動汽車上電機驅動電路的電流控制等；再下一層就是開關控制，是通過選擇開關組合模式等滿足電力電子變換器的控制，以脈寬調制為代表，時間尺度在1～10 μs之間；最下一層是硬件控制，即在開關控制之下，還有一個將數字開關邏輯轉換為電力電子器件開關的過程，比如電力電子器件的門極驅動等，是全部控制的最底層，時間尺度在1 μs以下。

從圖1-9可以看出，電力電子變換器的控制分層自上而下，不同層的功能不同，時間尺度也不一樣。本書的核心就是針對第四層即開關控制而展開的介紹和研究。開關控制的本質是通過控制開關組合和作用時間，將第三層傳達的控制參考值以脈沖序列的方式實現，并傳達到第五層的硬件控制上。以電壓型電力電子變換器為例，為了控制其輸出電流，控制器輸出參考電壓，這個參考電壓是連續的模擬值，但是電壓型電力電子變換器是無法輸出連續電壓的，必須用脈沖輸出電壓來實現等效，因此用脈沖電壓組合來等效參考輸出電壓的過程就是第四層的開關控制。脈寬調制技術就是實現開關控制的最典型方法。

脈寬調制技術的英文叫Pulse-Width-Modulation，簡稱PWM。顧名思義，就是通過調制脈沖的寬度實現輸出。PWM最早出現于通信領域，是無線電調制的一種，后來被引入電力電子領域。

圖1-9 電力電子系統的分層控制圖[6，7]

圖1-10用單橋臂展示了脈寬調制的基本原理。對于電壓型電力電子變換器，直流母線電壓為V_dc，以直流母線中點為參考，橋臂輸出端電壓V_x在正負直流母線電壓的一半之間切換，通過參考電壓V_ref與載波在每個開關周期T_s中的比較實現。當參考電壓大于載波（三角波）時，上管導通，輸出正電壓；當參考電壓小于或等于載波（三角波）時，下管導通，輸出負電壓。由于相似三角形的關系，橋臂輸出負電壓（-V_dc/2）的時間T₀滿足T₀/T_s=（V_dc/2-V_ref）/V_dc。這樣，通過計算一個開關周期T_s內脈沖電壓V_x的平均值，得到式（1-1）表達的結果，即電力電子變換器橋臂輸出端在一個開關周期內的平均電壓等于參考電壓。通過這個關系，就可以通過PWM的方式實現對參考電壓的等效實現。

圖1-10 電壓型電力電子變換器橋臂通過PWM實現參考電壓逼近的方法

V_x=1/T_s[（1-T₀）V_dc/2+T₀（-V_dc/2）]=V_ref （1-1）

對于固定的參考電壓，這樣的載波比較方法可以得到逼近。如果參考電壓呈交流變化，那么占空比也會隨著參考電壓的變化而變化。圖1-11所示是交流參考電壓v^ref_a與幅值為V_car的載波比較得到PWM輸出的原理圖。這樣得到的脈沖序列v_a在每個開關周期內的平均值都等于連續參考電壓對應位置的值。如果開關頻率足夠高，濾除高頻分量得到的v_a就基本等效于v^ref_a。

圖1-11 交流參考電壓下的載波比較PWM原理

除了載波比較的方法逼近參考值，另一種實現PWM的等效原理的方法是空間矢量合成的方法。空間矢量PWM不是以某一個電壓值為逼近對象，而是以若干相電壓組成的參考電壓矢量為合成目標。以三相電壓型電力電子變換器為例，某相橋臂開關連接正母線標記為1，連接負母線標記為0，這樣對于三相變換器一共有2³=8種組合方式，記為8個開關電壓矢量。這8個電壓矢量中有兩個零矢量（000和111）不產生有效輸出電壓，另外6個開關矢量在空間上組成正六邊形，每個標準矢量對應電壓長度為V_c，將電壓空間矢量平面分為6個扇區，如圖1-12所示。參考電壓矢量V_ref落在任何一個扇區內，都可以由所在扇區的相鄰兩個開關電壓矢量來合成。在一個開關周期T_s內，兩個矢量作用時間t₁和t₂可以根據相似三角形的關系得到，如式（1-2）所示。在整個開關周期內除去t₁和t₂的時間由零矢量時間t₀補充，從而實現整個開關周期內的伏秒平衡。對三相交流參考電壓，在空間矢量平面上將保持旋轉。每個開關周期進行矢量合成和時間分配，三相電力電子變換器就能通過PWM的方式輸出參考電壓。

對于電流型電力電子變換器，合成的參考值是電流（或者電流矢量），開關組合的效果也有所不同。對應的載波比較方法或者空間矢量方法也會有所不同。

有關三相電壓型和電流型電力電子變換器的基本脈寬調制理論，本章只做如上簡單介紹，詳細內容會在第2章中展開分析。

圖1-12 三相電壓型電力電子變換器空間矢量PWM

1.3 電力電子技術的發展與挑戰

電力電子技術自20世紀中后期開始發展，到今天已經超過半個世紀。國內外高校自20世紀后期開始陸續開設電力電子技術的專業和課程。電力電子技術是電力技術、電子技術與控制技術三者的交叉學科，其本質是利用電力半導體器件的開關，實現電能的高效可控轉換。在過去幾十年間，電力電子技術已經在如下領域有力地推動了生產力的發展。

1）工業和家用電機驅動與控制領域：人類生產的電能中一半以上由電機消耗，傳統的恒頻供電電機存在效率低下的問題，電力電子技術推動了電機變頻調速技術的發展，節省了大量的能耗，不僅應用在工業企業風機、水泵的場合，在家用電器中也得到了廣泛應用。

2）電氣照明領域：新型的電力電子鎮流器對熒光燈的供電，以及可控電源對新型LED節能照明設備的應用，大大改善了照明用電的效率。

3）電力系統的應用領域：快速開關的電力電子設備應用在傳統電力系統中，能夠有效地起到改善系統穩定性、諧波治理和改善電能質量等作用。電力電子技術直接推動了高壓直流輸電和柔性輸電技術的誕生。

4）電氣化交通領域：電力電子技術應用于電氣化鐵道、電動和混合動力汽車、多電飛機以及綜合電推進的船舶中，改變了傳統交通的面貌。

5）新能源的應用：太陽能、風電以及其他可再生能源存在輸出不穩定和分布不均衡的問題，應用電力電子技術才能將其穩定、可靠地轉換為能被人利用的電能。

6）信息產業中的應用：現代信息產業中，小到手機和計算機的電源，大到巨型計算機和數據中心的高效可靠供電，都是通過電力電子技術實現的。

在電力電子技術的理論中，存在六個基本的函數[8]。

1）電力電子器件的開關函數：控制電磁能量的流動。

2）傳導函數：指導電磁能量在電力電子變換器中的流動。

3）電磁能量存儲函數：在開關函數的擾動下能維持能量的持續性。

4）信息函數：作為核心“大腦”，保證以上三個函數協調運行。

5）熱交換函數：使電力電子變換器維持熱學平衡。

6）機械/結構函數：保證變換器的物理穩定性。

這六個基本函數決定了電力電子變換器系統的運行是一個多物理場下的綜合運行問題。這六個函數在實際應用中對應以下九大技術領域。

1）電力電子器件技術：包括器件、門極驅動、緩沖吸收以及保護等。

2）電力電子開關網絡技術：包括以軟開關和硬開關為代表的開關控制以及變換器拓撲等。

3）無源元件技術：包括磁體、電容和傳導元件等。

4）封裝技術：包括材料科學與技術、連接技術、布局技術和機械組合技術等。

5）電磁環境技術：包括諧波和網絡干擾、電磁干擾和電磁兼容等。

6）物理環境技術：包括聲學干擾和環境污染等。

7）冷卻技術：包括流體冷卻、循環、熱傳導和熱交換等。

8）制造技術。

9）變換器的傳感器和控制技術。

這些技術互相緊密地聯系在一起，影響著電力電子變換器系統復雜的設計、構造和運行的物理問題。其中，脈寬調制技術既包含在電力電子器件的開關函數內，也是開關網絡技術的核心。而它影響了其他物理量的運行，其科學問題也是本書的核心內容。

電力電子技術的推進主要來自兩個推動力：第一個是電力電子本身，尤其是器件的發展；第二個是應用的要求。

電力電子技術是由電力電子器件技術推進的。早期只有晶閘管的時候，產生了以相控整流技術和輔助換流技術實現變流的第一代電力電子技術，開關頻率與基波基本同步；后來全控型大功率電力電子器件如BJT和GTO的出現，又誕生了中壓變頻和交流電機閉環控制為代表的第二代電力電子技術，開關頻率達到了幾百甚至上千赫茲，同時在低壓小功率領域由于MOSFET器件的應用，產生了開關電源、諧振變換器和功率因數校正整流等技術，在低壓小功率應用上達到幾十甚至上百千赫茲的開關頻率；而IGBT技術自20世紀80年代發展以來，在電力電子技術領域產生了革命性的影響，由于IGBT兼具BJT高壓大電流和MOSFET快速開關的優點，使高壓大容量電能變換中出現更高的開關頻率成為可能，產生了基于電壓型電力電子變換器的直流輸電和微電網技術、高性能交流電機控制技術、新能源并網技術和復雜拓撲結構的電力電子變換器等新領域，IGBT的廣泛應用為電力電子技術帶來了黃金時代。

而最近20年，新一代電力電子器件——寬禁帶電力半導體器件的發展，正在為電力電子技術帶來又一次新的革命，與傳統的硅器件相比，寬禁帶半導體器件由于具備更寬的導帶-價帶能量差，在耐壓能力、通態電阻、開關損耗以及高溫特性上具備更好的性能。近年來隨著工藝的不斷進步，以碳化硅（SiC）器件為代表的寬禁帶電力半導體器件已經出現并在成本上開始逐漸接近基于硅半導體的商用器件。面對新型器件的發展，應用中很多關鍵基礎問題尚待解決。

另一個推動電力電子技術發展的力量就是應用的要求。最早的電力電子技術應用是由于航空航天以及軍工等高端應用中對控制自動化的要求而發展的，如航天電源技術等。這些應用不計成本，難以進入普通用戶。在20世紀八九十年代，信息技術的需求推動了開關電源技術的發展，電力電子技術進入普通民用領域，而工業自動化的需求，同時又推動了變頻調速技術的發展。進入世紀之交，交通電氣化、電力系統的靈活控制等需求，推動了高性能電機控制技術和大容量電力變換技術等的發展。

近年來，電氣化交通和電力系統對電力電子技術仍然保持強盛的需求，而可再生能源的利用、電能無線傳輸等需求又不斷為電力電子技術發展開拓出新的方向，成為電力電子技術在新世紀的重要推動力。

正是由于這兩大推進力，進入21世紀以來，在傳統電力電子技術日趨成熟并產業化的同時，新一代電力電子技術也在逐漸形成。新一代電力電子技術相對傳統電力電子技術的主要特征包括：

1）更加集成化。電力電子器件與微電子元件及封裝的一體化，主電路與控制電路的一體化，電源、變換器和負載的一體化，無源器件和有源器件的一體化等，使系統的集成度、模塊化以及功率密度進一步提高。

2）開關速度進一步提高。開關時間尺度從百納秒向十納秒級別推進，開關頻率也向兆赫茲推進，無源元件的體積進一步減小。

3）智能化進一步提高。智能控制理論將得到廣泛的應用，系統的動、靜態的控制效果更加優越，電力電子器件和變換器本身作為傳感器成為系統網絡的組成部分。

而這些新的特征，帶來的不僅是機遇，也有新的挑戰。電力電子集成化對更加狹小空間內的熱管理和電磁兼容提出更加苛刻的要求；開關速度提高也使電力變換在頻域內被推到更寬的范圍；智能化需要電力電子技術更好地與信息技術相結合。

1.4 小結

作為本書的背景，本章介紹了電力電子技術的發展歷程、現狀和前景。電力電子器件是電力電子技術的基礎。電力電子器件從最開始的功率二極管到半控型的晶閘管，到全控器件BJT和MOSFET，再到IGBT的出現和發展，奠定了幾代電力電子技術的基礎，正是由于快速開關的IGBT等器件，才讓脈寬調制技術有了應用基礎，也是因為開關器件本身非理想的特性，才讓脈寬調制技術有了改善的空間和目標。電力電子器件可以搭建電力電子變換器，實現電能變換。本章介紹了兩種典型的電力電子變換器：電壓型電力電子變換器和電流型電力電子變換器，在此基礎上，本章以電壓型電力電子變換器為例簡單介紹了脈寬調制技術的基本原理，最后通過介紹電力電子技術的發展歷程和問題分類，指出電力電子技術的兩大推動力：電力電子器件的發展和應用的需求。在這兩大推動力的作用下，新一代電力電子技術正在涌現，給電力電子行業的發展帶來了巨大的機遇和挑戰。

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