现代电力电子技术论文大全11篇

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0 前言

现代电力电子技术的发展经历了几个不同的阶段，整流器时代、逆变器时代和变频器时代，现代电力电子技术属于变频器时代，同时又与微电子技术有效地进行了结合，这不仅使其应用范围十分广泛，而且在国民经济中的地位也变得越来越重要。

1 现代电力电子技术的发展趋势

在当前科学技术快速发展的新形势下，随着电力电子技术的不断革新，其发展达到了一个较高的水平。现代电力电子技术主要是对电源技术进行开发和应用，可以说电源技术的发展是当前电力电子技术发展的主要方向。

1.1 现代电力电子技术向模块化和集成化转变

电源单元和功率器件作为现代电力电子技术的重要组成部分，是电子器件智能化的核心所在，其组成器件具有微小性，因此电力电子器件结构也更为紧凑，体积较小，但其能够与其他不同器件的优点进行有效综合，所以其具有显著的优势。也加快了现代电力电子技术向模块化和集成化转变的进程，为电力系统使用性能的提升奠定了良好的基础。

1.2 现代电力电子技术从低频向高频化转变

变压器供电频率与变压器的电容体积、电感呈现反比的关系，在电力电子器件体积不断缩小的情况下，现代电力电子技术必然会加快向高频化方向转化。可控制关断型电力电子器件的出现即是现代电力电子技术向高频转化的重要标志。而且随着科学技术发展速度的加快，电力电子技术也必然会向着更高频的方向发展。

1.3 现代电力电子技术向全控化和数字化转变

传统的电力电子器件在使用过程中存在着一些限制，而且关断电器时还会产生一些危险，自关断的全控型器件在市场上出现后，有效地弥补了这些限制和避免了危险的发生，这也是现代电力电子技术变革的重要体现，表明现代电力电子技术加快了数字化发展的进程。

1.4 现代电力电子技术向绿色化转变

现代电力电子技术向绿色化转变主要表现在节能和电子产品两个方面。相比于传统的电力电子技术来讲，现代电力电子技术的节能性更好，这也实现了发电容量的有效节约，对环境保护带来了较好的效果。一直以来一些电子设备会将严重的高次谐波电流入到电网中，给电网带来较大的污染，导致电网总功率质量下降，电网电压出现不同程序的畸变。到了上世纪末期，各种有源滤波器和补偿器的面世，实现了对功率参数的修正，从而为现代电力电子技术的绿色化发展奠定了良好的基础。

2 现代电力电子技术的应用

现代电力电子技术的功能具有多样性的特点，其在多个领域都有着广泛的应用，这也决定了现代电力电子技术在国民经济发展中占据非常重要的地位，有着不可替代的作用。

2.1 电源方面

（1）一般电源。现代电力电子技术在开关电源和供电电源方面都取得了较大的进展，交流电直接由整流器转变为直流电，这部分直流电一部分由逆变器转换为交流，然后经由转换开关到达负载，而另一部分则直接对蓄电池组进行充电。一旦逆变器发生故障，蓄电池组则作为备用电源开始直接向负载提供能量。在现在的电力电子器件中普遍采用MOSFET和IGBT作为电源，不仅具有较好的降噪性，而且电源的效率和可靠性也能够得到有效的保障。

（2）专用电源。高频逆变式焊机电源和大功率开关型高压直流电源是比较典型的两种应用现代电力电子技术的专用电源。高频逆变式焊机电源是一种高性能的电源，由于大容量模块IGBT的普遍使用，使得这种电源有着更加广阔的应用前景，逆变式焊机电源基本采用的都是交流-直流-交流-直流的转换方法，由于焊机工作的环境条件恶劣，所以燃弧、短路等就成为了司空见惯的问题，而采用IGBT组成的PWM相关控制器，能够提取和分析参数和信息，进而预先对系统做出处理和调整。大功率开关型高压直流电源主要应用CT机、静电除尘等比较大型的设备上，因为这类设备电压比较高，甚至达到了50 ～ 159kV，将市电经过整流器整流变为直流，然后与谐振逆变电路串联，逆变为高频电压，再升压，最后整流成为直流高压。

2.2 传动控制及牵引

这主要应用在无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制等等方面，通过将一个固定的直流电压转换为一个可以变化的直流电压，这样就能够使控制更加的平稳和快速，而且还可以节能。

2.3 在电力系统中的应用

在发电系统中现代电力电子技术的应用更是广泛，比如说水力风力发电、用电系统、配电、输电等等都和现代电力电子技术有着密切的联系。目前的风力电力机组已经结合了机械制造、空气动力学、计算机控制技术、电力电子技术等等，而现代电力电子技术就是发电系统中不可或缺的重要技术，它对于电能的转换、机组的控制和改善电能质量等都很重要。

2.4 在节能和改造传统行业中的应用

现代工作的开展离不开电能的支持，电能是现代工业的重要动力和能量源头。随着我国工业用电量不断增加，用电的不合理及浪费现象也日益显现出来。这就需要有效地降低能源的消耗，提高电能的利用效率，以便于能够对当前能源紧缺的局面起到一定的缓解作用。因此需要充分的发挥现代电力电子技术的性能优势，有效地提高现代电力电子技术的效率，应用现代电力电子技术，通过工业控制有效地将电能转换为劳动力，建成现代化的智能车库，从而降低工人的劳动强度，实现人力资源的节约，确保劳动生产力的提高，以便于推动传统行业的改造进程。

2.5 在家用电器方面的应用

现代电力电子技术在我们日常生活中应用也较为广泛，当前家用电器普遍应用现代电力电子技术，给我们的日常生活带来了较大的便利。许多电器都只需要按下按钮就能进行工作，而不需要人们亲自动手。

3 应用展望

在今后现代电力电子技术应用过程中，需要重视以下几个方面的问题：首先，需要对节能和环保给予充分的重视，通过完善控制设备和设计专用的电机来有效地提高电机系统的使用性能和效率；其次，为了实现节能和环保，则需要使用中高压直流转电系统，使其实现低能耗及低污染；最后，需要加快解决电力系统中储电装置的设置问题，需要电力系统设计者从控制技术等方面来制定切实可行的解决方案，从而对电能储备中存在问题进行有效解决，更好地推动电力系统的持续、稳定发展。

4 结语

现代电力电子技术在多个领域都得到了广泛的应用，特别是对电网的控制和转换上发挥着非常重要的作用。通过现代电力电子技术的应用，使大功率电能成为其他高新技术的重要基础，这也决定了现代电力电子技术在国民经济发展中的重要地位具有不可替代性，对推动经济和社会的发展发挥着非常重要的作用。

参考文献：

[1] 刘增金.电力电子技术的发展及应用探究[J].电子世界，2011（9）：19+25.

[2] 冷海滨.现代电力电子技术的发展趋势探析[J].电子技术与软件工程，2014（1）：156-157.

[3] 韦和平.现代电力电子及电源技术的发展[J].现代电子技术，2005（18）：102-105.

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传统的教学模式采用循序渐进的方式，即从功率器件介绍到典型电路及具体应用。但这种教学模式不容易激发学生学习的兴趣，也很难培养学生自主学习和研究的能力。为此，在教学一开始就通过大量的图片向学生展示电力电子技术在工业生产、新能源发电、交通运输等方面的应用。通过这些生动形象的实例，让学生明白电力电子技术其实与日常生活是紧密结合的，以此调动学生学习的兴趣。

1.2项目教学法的应用

传统教学方法过多地依赖理论教学，采用以“教师为中心”的注入式教学模式，使学生失去了应有的学习兴趣。因此，结合工科学习的特点，将现代电力电子中的知识内容转化为若干个教学项目，围绕“做项目”的模式组织和展开教学，使学生直接参与项目全过程，极大地提高系统调控能力。比如，蓄电池充电控制是电力电子变换和控制技术在电源技术中的典型应用。在教学一开始就提出实际问题：如何对蓄电池充电控制？让学生带着问题去思考、去学习，教师在此项目执行的过程中可以适当地加以引导。1）交流电网对48V蓄电池进行充电控制，需要用到AC/DC或AC/DC-DC/DC变换器，因此，需要学生掌握典型电路的设计方法，包括开关管、二极管选型，电感、电容参数选取及设计。2）蓄电池的工作方式有恒流充电、恒压浮充电、均衡充电和放电。常采用恒流和恒压相结合的快速充电方法，需要采用电流内环、电压外环的双闭环控制，即先以恒流充电至预定的电压值，然后改为恒压完成剩余的充电。因此，需要将现代电力电子技术与前期所学的模拟电子技术和自动控制原理等课程有机结合，形成一套完整的知识体系。3）电路设计后，可以利用MATLAB、Saber等仿真软件对所设计电路进行验证，通过仿真，加强学生对理论知识的理解。4）设计实验样机，实现所要求的蓄电池充电控制装置，培养学生在知识综合应用、系统设计、工程实践和创新实践等多方面的能力。

1.3现代化教学手段的利用

现代电力电子技术涉及的电路和波形图多且复杂，可以采用多媒体教学，通过动画演示增强学生对典型电路的感性认识[3]。同时，多媒体授课的信息量大，可以提高教学效率，给学生创造最真实、直接、感性的学习情景。此外，网络教学可以弥补课内教学学时少的局限，引导学生开展自主性学习[4]。南通大学校Blackboard网络平台提供了与课程相关的丰富的资源，包括教学资源（教学大纲、多媒体课件、实验指导书等文件）、参考资源（学术论文、常用仿真软件、典型应用案例等信息）、复习思考题（作业讲解、自测等系统）。通过此平台，加强学生与教师（学生）之间的交流讨论，创造“教”与“学”互动的网络教学环境。

2加强实践教学

现代电力电子技术应用性、实践性强，因此有必要加强实践教学，培养学生的动手与创新能力。

2.1课内实验教学

课内实验是在课堂教学的基础上，进一步巩固理论知识，提高学生的动手能力、解决问题和分析问题的能力。实验项目遵循“理论分析仿真验证硬件实验测试波形数据分析总结”的模式，以此培养学生形成理论联系实际的科学实验作风。

2.2开放创新实验

现代电力电子技术实践性较强，如果完全依靠课内实验教学是远远不够的。因此，有必要鼓励和支持一些优秀大学生多参加大学生实践创新训练项目和全国大学生电子设计大赛，不断提高他们的创新创业精神和实践能力。大学生实践创新训练项目是由学生主持，通过团队协作完成一个完整的课题项目。从项目选题、文献搜集、方案制订、可行性分析、仿真验证、实验调试、总结等方面组织学生独立开展工作，均充分发挥了学生的主动性和积极性。全国大学生电子设计大赛几乎每年都有与现代电力电子技术相关的题目。因此，通过大赛，可以使学生进一步巩固所学知识。与此同时，要在有限的竞赛时间内取得好成绩，学生必须学会“面对问题、分析问题、给出新思路、解决问题”的方法，极大地培养了学生的实践动手和科研创新能力。

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作者简介：屈克庆（1970-），男，河南洛阳人，上海电力学院电气工程学院，副教授。（上海 200090）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0077-02

“电力电子分析与设计”课程是上海电力学院（以下简称“我院”）本科生教育中为电力电子与风力发电专业方向开设的一门专业选修课，也是必选课程。这门课程着重教授现代电力电子技术内容，要求理论课程与实践紧密结合，以激发学生的学习兴趣，培养学生的理论知识和实践能力为目的，能为本科毕业设计和今后工作奠定良好的基础，以期满足当今社会急剧增长的对电力电子技术的知识和人才需求。

一、教学现状和分析

电力电子技术是一门关于电能变换与利用的学科，涉及到发电、输电、配用电、传动等各个环节。随着当今社会迅速发展，广泛应用于工业企业、交通运输、生活医疗、新能源发电等各个方面，这些都与实践内容密切相关。

电力电子技术是在时展要求下产生的节能与发电技术，是高校电气专业的一门重要课程，其理论性和工程实践性都很强，是学生既感兴趣，又普遍感觉较难的一门课程。结合多年的教学实践总结，探讨了这其中的主要原因，大概可分为以下三个方面：

1.电力电子技术内容繁多，并且知识点分布广泛

根据应用的场合和要求不同，电力电子电路形式和内容纷繁多样。

从应用场合上划分主要有基本四种变换形式：直流-直流、直流-交流、交流-直流、交流-交流；每种变换形式从电源种类上看包括有单相、三相、多重化、多电平电路，从负载方面上看包括有电阻负载、阻感负载、阻容负载；从电力电子元件上看主要包括有二极管、晶体管、晶闸管、门极可关断晶闸管GTO、场效应管MOSFET、绝缘栅型场晶体管IGBT；采用不同的元件、电路和负载都会产生不同的效果。

从应用目的上包括有幅值的变化（如电压的升高与降低）、频率的改变（如变频调速）、相位的移动（如无功补偿）、相数的改变（如三相到多相）、功率或转矩的变化（如电机传动）、谐波的治理（如电力滤波）。

从不同形式的电力电子电路和不同的负载特性上，都可以得到不同的工作波形，对于波形的把握与理解，也是电力电子技术区别于其他学科的显著特点之一。这需要在理解电力电子器件的特性上掌握电路的功能和结构特点，建立电路的数学模型，并进行多种电路的对比总结，才能具备分析主电路功能的基本能力。

2.电力电子技术涵盖涉及学科众多，并且理论内容广泛

既涵盖到电气基础的课程有：电路、电子技术、电机学、电磁场，又涉及到电气专业的课程有：控制理论、微机原理、电力系统分析、运动控制系统等。

电力电子技术是一门弱电控制强电的技术，也是所谓将“粗电”变换为“精电”过程，学科跨度和综合性非常广。实际的电力电子装置既包括由电力电子器件等构成的主电路，又包括由DSP等微处理器构成的控制电路。

首先在主电路设计中，根据以电路、电机和电力系统为主的应用对象，进行原理分析和推证，实施具体的功能要求和性能指标。

其次在控制电路设计中，要根据装置要求和特点，不仅要实现各种功能要求，而且考虑谐波及电磁干扰问题，很多装置也需要DSP等微处理器来进行算法实现。最后还要进行整体结构设计和测试EMI影响。

大学三年级本科生已具备了电路、电机的基础知识，讲授电力电子技术课程是以主电路作为内容。由于在初步学习各专业课阶段，尚未形成多学科知识交叉汇总的全面思维模式。虽然能掌握主电路基本原理，对于涉及控制电路和应用对象，常感到困惑并难以理解。如何培养学生形成对电学各学科的整体意识，而不能“只见树木，不见森林”，是这项教学课程所要探讨的主要内容和目的之一。

3.电力电子技术的理论内容发展迅速，并且实践应用范围广泛多样

电力电子技术自身的理论体系处于迅速发展阶段。其中：电力电子器件的发展起决定性作用，从二极管、三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT、IGCT等的发展，推动了主电路结构的本质变化；根据本质不同的器件形成纷繁多样的主电路拓扑形式，又因不同的实际要求而形成众多独立不同的控制方式，其中形成了具有突破性的控制理论，比如PWM技术、软开关技术、空间矢量等。

如何将电力电子器件、主电路结构、控制方法和理论相结合，培养学生从电力电子技术的发展来全面理解和掌握知识，懂得从发展历史上进行思考和总结，也是需要探讨的内容之一。

电力电子技术的实践性非常强，这种实践性体现在对电力电子装置的设计、调试和操作等诸多方面。在实践中，需要对电路功能和各项指标进行综合验证，不仅要求懂得硬件设计和调试，涉及到主电路、元器件、印刷电路板、布线和布局；也要求懂得软件设计和配合，包括有汇编、C语言、DSP、FPGA等。电力电子器件对环境和用法要求较高，在使用之前需要对电路非常熟悉，即便是工作经验丰富的人员，也还有预料不到的情况发生，导致器件和电路损坏。

对于大三学生而言，仅仅具备了有限的初步认识，实践能力欠缺，体现在实验教学当中，电力电子器件的损坏现象最为普遍。这当中自然有主观的因素，但是如何降低损耗，增强学生实践意识，提高学生动手能力，也是教学改革面临的难点和重点之一。

二、教学目的和特点

从本科教学计划上看，大学本科生在第三学年学习了“电力电子技术”，这门课程内容丰富，但因2～3学分课时有限，主要是讲授以晶闸管为主的整流和逆变电路，让学生掌握传统的相控式电路及应用。此外，也着重讲授直流变换电路中的升压及降压基本工作原理，初步介绍MOSFET和IGBT为主的斩控式逆变和整流电路。通过对这门课程的教授，使学生掌握四种基本变换的主电路拓扑结构和特点，对电力电子技术有了基本认识，奠定了学生的基本电力电子知识体系。

结合前述情况的分析可知，现有的课程内容不完全适应我院新开辟的“电力电子与风力发电”专业方向的教学需要，除此之外，近十多年间电力电子技术在节能、传动、新能源、电力系统等行业迅猛发展，因此有必要在课程内容中增加这方面知识的比重，以及通过增设“电力电子分析与设计”专业选修课的方式拓展学生的知识面。

这门课程介绍由IGBT和MOSFET为主要电力电子器件所构成的现代电力电子电路，重点要求掌握直流-直流斩波器、直流-交流逆变器这两种应用最普遍系统的分析与设计方法。内容包括主电路的选择、功率器件的选择、控制电路的设计、驱动和保护电路的设计、变压器设计及元件参数的技术、仿真实践等。该课程注重将理论分析和实际应用相结合，使学生掌握新型电力电子电路的分析方法，具备初步的设计能力。

三、课程内容

现代电力电子技术主要是围绕PWM技术展开的，其中DC/DC和DC/AC变换是基本的两种电源变换方式，也是实践生产中最为普遍的应用方式，不仅涉及到基本的变换电路及参数，而且涵盖了基本的变换理论和技术。

课程内容结合了多年的实践和教学总结，是从电力电子装置的角度来传授相关理论、知识和经验，培养学生对电力电子的系统知识，树立整体观念。教学形式以理论教学和仿真实践相结合，各占一半课时。这两部分内容交叉进行，如单周进行理论教学，双周进行实践教学。其中：第一部分理论教学内容安排如下表1所示。在理论教学的同时，配合进行以MATLAB的实践教学，仿真实践内容安排如下列表2所示。

四、教学效果总结

经过2学期的教学工作，笔者总结了一下教学效果。同学们普遍认为在学习这门课程以后，能够全面理解和掌握以DC/DC斩波变换，以及DC/AC逆变的基本原理和基本控制方法，学会了应用Matlab仿真软件对电力电子电路进行分析方法，设计控制电路参数和调试控制参数。在后期的本科毕业设计中，学生能够轻松上手，对复杂的毕业设计如新能源发电，领悟和掌握较快，较多同学的毕业论文被评为优秀本科毕业设计论文。不足之处在于，由于受制于课时和实践条件有限，只是通过仿真实践来掌握学习。如果能进一步联系实验教学，更能提高学生的感性认识，提高动手实践能力。

在今后的教学实践中，仍然面临提高本科学习兴趣、全面提高学生理论知识水平和动手实践能力等问题，这些都是值得深入分析和探讨，不断改进完善的重要课题。

参考文献：

[1]钟炎平.电力电子电路设计[M].武汉：华中科技大学出版社，

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1.电力电子技术的发展

现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

1.1整流器时代

大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

1.2逆变器时代

七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。

1.3变频器时代

进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

2.现代电力电子的应用领域

2.1计算机高效率绿色电源

高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。

计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。

2.2通信用高频开关电源

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。

2.3直流-直流(DC/DC)变换器

DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。

2.4不间断电源(UPS)

不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。

现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。

目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

2.5变频器电源

变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。

国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。

2.6高频逆变式整流焊机电源

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。

逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。

2.7大功率开关型高压直流电源

大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。

自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。

国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。

2.8电力有源滤波器

传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。

电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。

2.9分布式开关电源供电系统

分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。

八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。

分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。

3.高频开关电源的发展趋势

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

3.1高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。

3.2模块化

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。

3.3数字化

在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。

3.4绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。

篇（5）

1. 电力电子技术的发展

现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

1.1 整流器时代

大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮，目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

1.2 逆变器时代

七十年代出现了世界范围的能源危机，交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出，静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低频范围内。

1.3 变频器时代

进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世，是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计，到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化，机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

2. 现代电力电子的应用领域

2.1 计算机高效率绿色电源

高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会，同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代，计算机全面采用了开关电源，率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。

计算机技术的发展，提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源，根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星"计划规定，桌上型个人电脑或相关的外围设备，在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦，就符合绿色电脑的要求，提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言，电源自身要消耗50瓦的能源。

2.2 通信用高频开关电源

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中，通常将整流器称为一次电源，而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中，传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代，高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作，开关频率一般控制在50-100kHz范围内，实现高效率和小型化。近几年，开关整流器的功率容量不断扩大，单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

因通信设备中所用集成电路的种类繁多，其电源电压也各不相同，在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块，从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压，这样可大大减小损耗、方便维护，且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上，对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加，通信电源容量也将不断增加。

2.3 直流-直流(DC/DC)变换器

DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源)， 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化，模块采用高频PWM技术，开关频率在500kHz左右，功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构，目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块，功率密度有较大幅度的提高。

2.4 不间断电源(UPS)

不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流，一部分能量给蓄电池组充电，另一部分能量经逆变器变成交流，经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量，另一路备用电源通过电源转换开关来实现。

现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件，电源的噪声得以降低，而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入，可以实现对UPS的智能化管理，进行远程维护和远程诊断。

目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速，已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

2.5 变频器电源

变频器电源主要用于交流电机的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压，然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器， 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正弦波，用于驱动交流异步电动机实现无级调速。

国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期，日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年，其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调，96年引进生产线生产变频空调器，逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成。变频空调除了变频电源外，还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略，精选功能组件，是空调变频电源研制的进一步发展方向。

2.6 高频逆变式整流焊机电源

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源，代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化，这种电源更有着广阔的应用前景。

逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流，IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波，经高频变压器耦合， 整流滤波后成为稳定的直流，供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中，因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题，也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器，通过对多参数、多信息的提取与分析，达到预知系统各种工作状态的目的，进而提前对系统做出调整和处理，解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A，负载持续率60%，全载电压60~75V，电流调节范围5~300A，重量29kg。

2.7 大功率开关型高压直流电源

大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV，电流达到0.5A以上，功率可达100kW。

自从70年代开始，日本的一些公司开始采用逆变技术，将市电整流后逆变为3kHz左右的中频，然后升压。进入80年代，高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小。

国内对静电除尘高压直流电源进行了研制，市电经整流变为直流，采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压，然后由高频变压器升压，最后整流为直流高压。在电阻负载条件下，输出直流电压达到55kV，电流达到15mA，工作频率为25.6kHz。

2.8 电力有源滤波器

传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时，将向电网注入大量的谐波电流，引起谐波损耗和干扰，同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象，即所谓“电力公害”，例如，不可控整流加电容滤波时，网侧三次谐波含量可达(70~80)%，网侧功率因数仅有0.5~0.6。

电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置，能克服传统LC滤波器的不足，是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压，还反馈输入平均电流; (2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。

2.9 分布式开关电源供电系统

分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件，利用最新理论和技术成果，组成积木式、智能化的大功率供电电源，从而使强电与弱电紧密结合，降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力，提高生产效率。

八十年代初期，对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期，随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现，结合大规模集成电路和功率元器件技术，使中小功率装置的集成成为可能，从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始，这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点，论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。

分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳，也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合，如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。

3. 高频开关电源的发展趋势

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源，传统的电路非常庞大而笨重，如果采用高顿开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术，更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

3.1 高频化

理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5~l0%。无论是逆变式整流焊机，还是通讯电源用的开关式整流器，都是基于这一原理。同样，传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合 闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造， 成为“开关变换类电源”，其主要材料可以节约90%或更高，还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益，更可体现技术含量的价值。

3.2 模块化

模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块(IPM)，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM)，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接，这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计，达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就构成一台新型的开关电源装置。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。另外，大功率的开关电源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块单元并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再平均分担负载电流。这样，不但提高了功率容量， 在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求， 而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为修复提供充分的时间。

3.3 数字化

在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。所以，在八、九十年代，对于各类电路和系统的设计来说，模拟技术还是有用的，特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC) 问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决，离不开模拟技术的知识，但是对于智能化的开关电源，需要用计算机控制时，数字化技术就离不开了。

3.4 绿色化

篇（6）

1. 电力电子技术的发展

现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

1.1 整流器时代

大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

1.2 逆变器时代

七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显着而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。

1.3 变频器时代

进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

2. 现代电力电子的应用领域

2.1 计算机高效率绿色电源

高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。

计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品,绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。

2.2 通信用高频开关电源

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。

2.3 直流-直流(DC/DC)变换器

DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。

2.4 不间断电源(UPS)

不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,

另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。 现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。

目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

2.5 变频器电源

变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。

国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。

2.6 高频逆变式整流焊机电源

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。

逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合, 整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。

2.7 大功率开关型高压直流电源

大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。

自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。

国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。

2.8 电力有源滤波器

传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。

电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流; (2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。

2.9 分布式开关电源供电系统

分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。

八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展,各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加,应用领域不断扩大。

分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。

3. 高频开关电源的发展趋势

在电力电子技术的应用及各种电源系统中,开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术,通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

3.1 高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合 闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造, 成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显着节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。

3.2 模块化

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块,它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微

电子中的用户专用集成电路。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量, 在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求, 而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。 3.3 数字化

在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC) 问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。

3.4 绿色化

篇（7）

1.1整流器时代

大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

1.2逆变器时代

七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。

1.3变频器时代

进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

2.现代电力电子的应用领域

2.1计算机高效率绿色电源

高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。

计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。

2.2通信用高频开关电源

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。

2.3直流-直流(DC/DC)变换器

DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。

2.4不间断电源(UPS)

不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。

现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。

目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

2.5变频器电源

变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。

国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。

2.6高频逆变式整流焊机电源

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。

逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。

2.7大功率开关型高压直流电源

大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。

自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。

国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。

2.8电力有源滤波器

传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。

电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。

2.9分布式开关电源供电系统

分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。

八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。

分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。

3.高频开关电源的发展趋势

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

3.1高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。

3.2模块化

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。

3.3数字化

在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。

3.4绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。

现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。

总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。

参考文献

(l)林渭勋:浅谈半导体高频电力电子技术,电力电子技术选编,浙江大学,384-390,1992

(2)季幼章:迎接知识经济时代,发展电源技术应用,电源技术应用,N0.2,l998

(3)叶治正,叶靖国:开关稳压电源。高等教育出版社,1998

篇（8）

“电力电子技术”是自动化及其相关专业的一门重要的专业基础课，内容繁杂抽象，实践性很强，其教学内容主要研究各类电力电子装置中的电磁过程，工作原理及控制技术，并通过各种电路的波形分析和相位分析掌握这些装置的原理及应用。伴随着现代信息的快速发展，对于其相关产业的电力电子技术的要求越发严苛，需要其在满足使用需求的同时，能够更轻，更小，更高效。为此，电力电子技术也正经历着翻天覆地的变化，新型的电路拓扑及新技术的研发成为了如今电力电子的技术发展大方向。信息化脚步的加快也使电力电子人才培养刻不容缓。

一、电子电力技术教学改革

目前，世界各地在电力电子教学上花费大量的心思，推陈出新。随着科技的日新月异，教师深入研究电力电子课程内容，总结归纳教学经验，发展新的更适宜学生学习的教学模式。甚至有不少学校开展网络电力电子课程，寓教于乐，让教学变得更有趣味。

例如欧洲的大学，导师教学以学生为主题。让学生按照个人兴趣组成小组，自我设定课题，完成课程的研究。通过学生的自主学习，更易激发学生对于学习的热情。在课程研究过程中，自己发现问题，解决问题。这不仅能提高学生自主学习能力，在与组员的沟通中，也是一种人际交往能力的提升。这一形式的教学模式不仅发展了学生，更为企业培养了真正的实用型人才。

网上的教学脱离了呆板的课堂黑板手写的模式，使学生对所学的知识有更直观的认识。教师与学生之间也能通过互联网达到一种更好的沟通。国内的一些大学就在开展此类课程，收到了不错的反响。教师通过特定的软件，以动画等形式展示电路在不同形态下的开关状态及与之对应的电量、对应的波形图等。此举大大提高了学生学习的主动性，同时也提高了电力电子教学的效率。

二、新电力电子教学举措

近年来，电力电子技术在新能源、航天信息等领域得到广泛应用。据统计，在电力系统，用户使用的电能60%以上至少需经过电力电子变流装置处理。其中直流输电系统送电端的整流阀和受电端的逆变阀均为晶闸管变流装置；晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器是重要的无功功率补偿装置；近年来出现的静止无功发生器、有源电力滤波器等新型电力电子器件具有更为优越的无功补偿和谐波补偿性能；在配电系统中，电力电子装置可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等。

本文针对电力电子技术的不断改革出新，探讨新的电力电子教学内容方案，以全控器件作为主要的学习对象，围绕全控器件的应用组织课程内容。

1.控制电路的工作原理

一般来说，正常运行的电力电子设备由其主电路按一定方式控制主电路的开关元件，组成一个闭环变换器的系统。其主要有电流控制和电压控制两种基本方式，在电力电子技术教学时，以这两种方式为主要学习对象。学生主要学习的内容有：典型控制技术、PWM控制芯片、频域测试技术、电力电子闭环分析等。教师在授课时，可以将理论知识结合图例，使教学内容变得生动。如在谈及摄像机系统控制电路时可配以一些图例加深印象。

2.全控器件为主导，压缩半控器件

（1）电力电子器件。电力电子器件主要用作功率开关，利用不同的控制技术与开关配合，达到向电机提供不同电压、不同频率、不同相序供电电压的目的，以控制电机的起停、转向和转速。该类器件通常具有良好的静态特性，快速的动态特性，安全的极限参数与工作区。

电力电子器件按其特性分两类：半控型和全控型器件。电力电子教学的内容以全控型器件为主，按其结构与工作机理分为双极型、单极型和混合型。对于全控型器件的讲述主要可按照以下分类作具体描述。

GTO的特性：GTO 是可关断晶闸管，为PNPN 四层结构的器件，具有普通晶闸管的全部优点，同时又具有关断能力。GTR 静态特性的阻断区仅有极小的反向漏电流存在，而承受全部高电压，类似于开关处于断开状态，在饱和区，即非线性区电流增益和导通电压都很小，类似于开关处于接通状态。

MOSFET的特性：MOSFET的静态特性、动态特性与GTR相似，但它不存在存储电荷问题，而有极间电容放电问题。

IGBT的特性：IGBT是一种复合型器件，它相当于一个由MO SFET驱动的厚基区GTR，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、耐压高和承受大电流等优点。IGBT的伏安特性与GTR不同的是控制参数是门源电压，而不是基极电流。 转贴于

除了以上全控型主要原件特性阐述外，可按由浅入深的教学模式，进一步对其外形特征、适用领域、应用背景等进行描述。以各类原件参数为例，要求学生通过其性能比对，重点掌握每个元件的主要特点、适用场合及其特性。

此外，对于电力电子器件的驱动保护电路也是一个学习重点，驱动电路是低电平的逻辑控制信号与高压大电流的电力电子器件之间的放大缓冲单元，要求学生掌握一些典型驱动电路及芯片。如GTR 的驱动，正向基极驱动电流在驱动初期，不但要有陡峭的前沿并要有一定时间的过驱动电流，以便强迫其开通，开通之后，在正常导通阶段的基极驱动电流则应该使GTR 恰好维持在饱和状态，以便缩短存储时间t。这样能加快开通过程、降低开通损耗。而MO SFET器件的输入端为容性负载，也需要过冲的驱动前沿。典型驱动电路有贝克嵌位电路和推拉式电路以及门极驱动电路。

（2）主电路。对于电力电子主电路的讲述主要集中于其四种基本电力电子变换器的工作原理。在分析时可遵循如下规律：先理想电路后实际电路、先仿真分析后理论分析、先模仿设计后创新设计、先典型后一般。主电路主要研究内容为：理想DC/DC、DC/AC、AC/DC和AC/AC变换器的工作原理和静态特性以及器件的选择原则；介绍小功率的典型电路，如PFC电路、整流电路、反激/正激变换器；主电路的仿真技术（应用Pspice通用电路仿真软件）；功率磁性元件的设计与选择；与主电路相配合的控制电路的框图。

三、加强实验环节，打造应用型人才

在完成了课堂教学内容后，可适当进行实验内容，使教学内容联系实际运用，加深学生对所学知识的理解应用。根据教学内容的调整，建议保留原有晶闸管整流、逆变的验证性实验，使学生对本课程的应用有一个初步认识。在器件研究上则以全控器件研究为主，对直流斩波、交—交变换及PWM控制技术部分的内容，开设设计型实验。实验安排可由易至难，鼓励学生自主完成实验的设计，实验，数据记录研究等步骤。此外，增加信号的调制，SPWM信号的产生与实现、电力电子电路闭环动态特性观察及超调量抑制、DC/AC SPWM单相全桥逆变电路设计等综合性实验。

四、结束语

电力电子行业正迎来良好的发展机遇，而自主创新是电力电子行业发展的持久动力。只有通过自主创新，用创新精神引领企业，掌握核心技术，才能提高企业的竞争力，进一步发展和壮大企业，才能尽快缩短与发达国家的差距，促进电力电子行业的高速发展。

在电力电子发展创新的大环境下，本文针对电力电子技术教学提出新的教学方向。提倡展开全控型器件的教学，重点围绕全控型器件及由其构成的主电路，通过分析一些典型的电力电子装置，使学生掌握实用分析法，强调学生自主学习能力，鼓励学生自主开展课题研究或进行实验探索，激发学生学习热情，培养学生全面发展。

参考文献

[1]杨志民.适用于集成电路的大时间常数积分器的研究[J].西北师范大学学报(自然科学版)，2000，(1).

[2]关晓菡，张卫平，张东彦.国内外高校电力电子技术教育现状综述[J].电气电子教学学报，2006，28(2):438.

篇（9）

1．1引入仿真实验教学的必要性

电力电子技术课程理论教学中，十分注重对电路的波形与相位分析，电力电子系统中出现的电压、电流等波形分析，以方便理解电力电子器件在电路中导通与截止的开关过程，从而加深对整流、逆变、交流变换、PWM控制技术等知识的理解。大量的波形分析内容，如果在黑板上手工画，是一个比较困难的事情，并且学生不易理解。通过在仿真实验教学环节中完成，同时回馈到多媒体教学，会取得更好的教学效果，所以，引入仿真教学是对理论课教学的必要补充［7］。另外，一些较为复杂的电力电子电路创新和综合性实验，无法通过模拟实验完成实践课教学，通过引入仿真教学，扩大实验教学的维度，扩大了实践教学的可操作性。电力电子技术是电力技术、电子技术和控制技术交叉学科，学生仅通过理论教学很难理解学科交叉性，对电力电子技术的认识也不够全面，通过引入仿真教学，既能加强学生对主电路的认识，也能加强学生对控制电路的认识，为后续课程，如“现代电力电子技术”、“电力拖动自动控制系统”等课程打下坚实的基础［8］。在结合当今产业发展的重点研究领域，如新能源发电、电动汽车、变频调速、柔流输电、高压直流输电等，具有一定的前瞻性和创新性，然而受到实验设备的局限性无法完成，引入仿真教学，可以进行对新技术的研究，拓展学生的工程意识［9］。仿真实验教学的引入，很好地解决了上述问题，同时提高了调试和设计的灵活性，可以最大限度地实现创新思维的发挥，开阔学生视野。

1．2创新思维培养与拓展

创新思维就是带有创见性的思维，更具体地说，是指学生在学习过程中善于独立思索和分析，不因循守旧，能主动探索、积极创新的思维因素［10］。从创新思维的角度来看，创新教育就是要培养学生的辩证思维能力、隐喻联想思维能力、发散思维能力以及有助于创新思维的非智力因素。对知识的“开垦性”越高，知识的系统性越强，减缩性越大，迁移性越灵活，则创造性就越突出［11］。创新人才培养是教育者及全社会共同关注的热点话题，更是推动我国尽快走上创新驱动发展轨道的现实的迫切需要。电力电子技术实验教学的目的是培养宽口径、厚基础、强能力的创新型人才，实验教学作为培养大学生基本技能、实践能力、创新意识的关键教学环节，应该把培养人才的综合素质和能力作为出发点和归宿，学生在校期间创新思维的培养显得尤为重要［12］。电力电子技术实践教学中，虽然有一些产学研结合和科技创新方面的课题，学生也有参与热情，但对于这种创新的课题，学生感觉高不可攀，遥不可及，然而，软件仿真实验调试和设计灵活，可最大限度地实现创新思维的发挥，同时也能解决人才缺乏和行业需求的矛盾，开阔学生视野，增强就业竞争力［13］。

2仿真教学开展实例分析

直流—直流变换（斩波电路）是电力电子技术教学的重点内容，其中，升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路及Zeta斩波电路结构不同，但其输入输出关系完全相同，此处通过应用PLECS软件，加强学生对电力电子控制技术的分析，通过开展仿真教学，提高学生创新能力。

2．1理论教学与电路工作原理分析

升降压斩波电路、Cuk斩波电路和Sepic斩波电路如图1（a）、（b）、（c）所示，可见电路拓扑结构不同，升降压斩波电路的工作原理为：当V处于通态时，电源E经过开关管V向电感供电储能；V处于断态时，电感中储存的能量向负载释放［14］。Cuk斩波电路当V处于通态时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流。V处于断态时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流，负载电压极性与电源电压极性相反，为反极性斩波电路。Sepic斩波当V处于通态时，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导通，L1和L2同时储能。V处于断态时，E—L1—C1—VD—负载回路及L2—VD—负载回路同时导通，此阶段E和L1既向负载充电，同时也向C1充电，C1储存的能量在V处于通态时向L2转移。

2．2电路的PLECS仿真分析

在传统升降压斩波电路分析中，只注重主电路分析，而关于全控器件如何控制以及系统开闭环形式等内容，往往忽略了讲解和分析，此外，导出电路的输入输出关系后，对不同电路结构下，为什么具有相同的输入输出关系不作明确解释，各个电路的特点和利弊不作分析，从而使得学生在开关电源设计等方面具有很大的困惑，同时，学生的学习过程变为被动的知识传教，也无法引起学生的学习兴趣，更谈不上创新思维的开发［15］。此处，引入PLECS仿真软件，构建3种电路的仿真系统，分别如图2（a）、（b）、（c）所示，系统中电路仿真参数按图示进行选取，此处输入电压选为10V，占空比设为α＝0．6，进行系统的仿真，仿真结果分别如图3（a）、（b）、（c）所示。通过PLECS仿真软件引入，辅助了对斩波电路的分析，学生可以充分理解在主电路背后，由于电路拓扑结构不同，其电路的运行效果不同，如：Cuk斩波电路与升降压斩波电路相比，其输入电源电流和负载电路都连续，脉动小，有利于输入、输出进行滤波。Sepic斩波电路为正极性斩波电路，而其他2种为反极性斩波电路。如此，结论和总结都可以通过仿真结果得到更清晰的认识。另外，学生可以借助仿真手段，灵活地修改参数，分析不同参数下电路的输入、输出关系，还可借助于其他的控制方式，研究在不同的控制方式下对系统的控制效果，从而为以后设计开关电源构造闭环系统打下基础，对电力电子技术是电力学、电子学和控制理论交叉学科有更清晰的认识。

篇（10）

教学内容和教学体系的改革是“电力电子技术”课程改革中最重要的环节，直接关系到教学质量的提高，关系到应用型人才培养的要求。我校按照电力电子器件—电力电子变换电路—电力电子电路的微机控制技术—电力电子技术应用的思路，以电力电子器件为电路服务，电路为电力电子系统服务，系统为电力电子应用服务的理念作为教学内容设置的主导思想，以应用能力和工程素质培养为核心，精选理论内容，强化技术应用，及时而恰当地引入电力电子技术的新知识、新技术、新工艺。

2.调整教学内容

在教学设计上理论与实践相结合，知识传授与应用能力培养相结合，课内与课外相结合，讲授与研讨相结合。将电力电子器件、变换电路作为传统内容，将电力电子技术应用作为实用内容，将最先进的自动控制生产线作为新技术，对典型电力电子及电气传动系统分析作为讨论内容，将科研课题引入课堂作为启发内容，通过典型案例分析，将理论与实际结合，培养学生解决实际问题的能力，并通过渗透行业规范、安全操作规程、文明生产等知识培养学生的工程素质。课程的讲授以电力电子器件的工作原理、特性、参数、选择、驱动与保护电路为基础，以AC/DC、DC/AC、DC/DC、AC/AC变换电路结构、工作原理、波形分析和参数计算及电路设计为核心，以微机控制的脉宽调制技术（PWM）和各种软开关技术作为新的控制方法和新技术，把电力电子学科的发展方向引入课堂。以电力电子器件的应用电路为教学的重点，解决实际工程问题，使学生能充分认识现代电力电子技术对交、直流电路的控制和变换能力，并掌握各种变换原理和方法，为后续课程“运动控制系统”深入学习及毕业设计打下坚实的基础。

二、强化实践教学，提高学生实践能力和创新能力

1.完善实践教学条件

“电力电子技术”课程具有很强的工程性和实用性，而实验是培养学生理论联系实际、动手能力、严谨的态度和科学研究方法的重要手段。因此，以营造真实的、先进的工程环境为目标，紧密结合工程实际应用，投入100多万元建设和完善了电力电子技术实验室。现实验室拥有实验设备24台套，开发了电力电子技术仿真研究平台，构建了电力电子技术实践教学体系（包括课内实验、课外实验、课程设计、生产实习和毕业设计等），编制相关的教学文件。实验室向学生全面开放，学生以团队的形式开展自主性实验和学科竞赛培训，并为学生提供实际工程技术资料、仿真实训教学软件，培养工程实践应用能力。

2.精心设计实验内容

课程组精心设计了实验教学项目和内容，引导学生从问题出发，逐步由基础实验走向设计性和综合性实验，再过渡到创新性实验。开设了晶闸管整流、逆变的验证性实验，使学生对本课程的应用有初步认识；对直流斩波、交交变换以及PWM控制技术部分的实验，则由教师给出电路参数要求，由学生自行设计主电路、驱动电路等，完成设计性实验，培养学生分析问题，解决问题的能力；软开关技术的实现等具有较高实用价值的实验项目，密切联系着当今电力电子技术发展的最前沿技术，并且在国民经济发展中起着重要作用。通过实验学生了解了电力电子新技术的发展动态，同时对本课程的应用领域、可以解决的问题有了更直观感性的认识。实验项目与科研、工程、社会应用实践密切联系，形成良性互动，实现基础与前沿、经典与现代的有机结合，有利于学生创新能力的培养和自主训练。3.增设课程设计与调试环节开设了1周“电力电子技术”课程设计与调试实践环节，以完整的电力电子系统为载体，将电力电子器件选择以及电力电子主电路、驱动电路、保护电路、检测电路、控制电路等内容有机地结合起来，使学生通过设计、组装、实验和调试“四位一体”的训练，培养学生的实践能力和创新能力。同时，在教学中使用计算机仿真软件Matlab/Simulink搭建各种常用电力电子电路，且可方便地调整电路的参数进行仿真，培养学生应用计算机处理复杂电力电子电路的能力，也为日后从事工程设计和科学研究打下良好的基础。

三、改进教学方法与手段，调动学生学习主动性和积极性

在实际教学实践中，笔者始终坚持以学生为主体、教师为主导、能力为主线的教育理念，根据课程内容合理采用不同的教学方法组织课堂教学，将“理论+实践+应用能力”的教学模式贯穿在整个教学活动中，由传统的教师满堂灌唱独角戏变成了教师学生共同参与的互动学习，教与学融为一体。教师有所教，学生有所学，极大地调动了学生的学习积极性，加深了学生的理解，加快了学习步伐。通过启发教学法、案例教学法、任务驱动教学方法等，增强学生主观能动性，活跃课堂气氛，挖掘学生潜力，增强专业素养，逐渐让学生由“学会”变成“会学”，由被动变主动汲取知识。为了分析电力电子器件和电路的工作状态，使学生弄清电路中能量的变换和传递，笔者制作了本课程比较完善的多媒体教学课件。利用多媒体技术将实际应用中的电路和电力电子装置做成影音资料带到课堂上，结合典型工程实例，并把电力电子前沿的研究状况、最新的研究成果以图表、图片等方式充实到教学课件中，提高学生的感性认识，激发学生学习的兴趣，不断提高教学效果及教学质量。同时，建设了本课程的教学网站，网站资料丰富，包括教学资料和典型工程实例等，学生可以在网上学习，教师可以在网上进行答疑，激发了学生学习的兴趣，提高了教学效果。

四、改革考核方式，提高学生对知识的综合运用能力

1.考试过程全程化

教师根据“电力电子技术”课程性质和不同阶段的教学要求，通过课堂提问、讨论、平时作业、单元测验、实际操作、撰写报告或论文等方式加强形成性考试评价，并安排阶段性考试以强化学生平时对课程教学内容的学习和掌握，弱化期末终结性考核。

2.考核内容能力化

考核内容围绕应用能力和工程素质培养为核心这个目标设置，结合新的“电力电子技术”教学内容体系，加大电力电子器件特性分析、实际电路分析、应用案例分析、实践技能的比例，侧重考查学生对知识的综合运用、解决问题的能力。

3.考核方式多元化

根据不同阶段的教学要求，考核采取口试、笔试（开卷、闭卷）、开发设计相结合的形式，变单一形式的考核为多种形式的考核。

五、组织课外科技创新活动，探索课内与课外培养的有效机制

按照课内培养与课外培养相结合的原则，把培养学生实践创新能力固化在教学任务中，成立了课外科技活动小组，注意引导和鼓励学生积极参加各种科技竞赛活动。依托电力电子实验室的硬件设施，积极组织学生参加全国大学生电子设计大赛和“挑战杯”竞赛，以培养和提高学生的自学能力、实践能力和创新意识。在运行中，加强课外实践活动的组织和管理，制订《大学生课外科技创新实践活动运行管理办法》和《实验室开放运行管理办法》，对大学生第二课堂教育的条件保障、激励政策、管理办法、评价办法等做了明确规定，形成了有效的大学生科技创新实践活动保障体系。

六、加强青年教师培养，提高课程组教师整体水平

师资队伍建设是课程建设的关键，课程组教师的理论教学水平、工程实践能力、科研水平直接关乎“电力电子技术”课程建设水平。按照校内培养与校外培养相结合、教学培养和科研培养相结合的原则，通过建立青年教师“导师制”、定期开展教学研讨和教学观摩、实行青年教师实验室坐班制、深入工业企业生产实际、选派教师参加新技术培训等措施，不断提高青年教师教学水平、学术水平和实践能力。

篇（11）

电力电子技术作为工程技术需要有一定量的实验和实践环节才能保障学习效果。但在传统的“电力电子技术”课程实验项目中，基础性和简单验证性实验较多，不能很好地与当前的工程实际应用相联系，致使许多新技术、新方法无法通过实验来直观的体验。而且电力电子实验设备的常用形式为基于挂件结构的实验台和实验箱，基本上与实验内容相关的重要元器件、电路和系统都被封闭于内。实验过程中，学生们无法看到功率元器件、配件及电子仪表的外观和关键连线。学生依照原理图机械地连接主电路、记录实验数据和波形，即使不了解电路的工作原理，也能较顺利地完成实验。因此，无法发挥学生的主观能动性，没有探索学习的动力，锻炼创新思维和动手能力的教学内容和平台也不足。

课程教学改革措施

作为地方综合性高校，南通大学的电气工程及其自动化专业的定位是培养应用型工程技术人才，为区域经济发展提供智力支撑和人才支持。因此，本课程作为电气工程及其自动化专业的主干专业课程之一，其教学目标的确立需结合本区域的产业分布与发展特点，同时又紧紧围绕本专业的学科方向。形成了以帮助学生从装置和系统角度理解和掌握电力电子技术，培养理论与实践能力兼具的创新型电力电子应用技术人才为目的，以新能源、运动控制、电源技术、柔流输配电等应用领域为背景，以讲授电力电子技术在实际工程应用中所需要处理的相关问题为主要内容的课程教学思路和培养目标。

根据培养目标，在学院学科特色和现有教学资源的基础上，对课程体系和内容进行了合理调整。舍弃了传统的以大篇幅晶闸管半控器件分析为主线的教学内容体系，建立了“以基于全控器件的实际应用为主线，以电力电子主拓扑电路结合系统级的自动控制原理及其实现电路分析为主要技术内容，培养学生从整体的角度认识和设计电力电子电路的能力”的课程教学体系。整合后的教学内容由三部分组成：功率器件、典型电路、应用及其系统。功率器件是基础，重点讲授开关全控器件及其驱动电路；典型电路是主体，重点讲授基于全控器件的直直、逆变和整流三种变换电路及其控制机理；应用及其系统是提升，重点讲授电力电子在新能源发电、运动控制、电源和柔流输配电技术中的应用原理及其典型系统设计案例。三者层次明晰，但学时又有所侧重。即前两部分作为前续“电力电子技术”课程内容的回顾与拓展，讲授学时占总理论学时的近一半，第三部分作为工程应用与系统提升的重要部分，需着重讲授，以逐次勾勒出一个电力电子技术及其工程应用的整体全貌。在教学内容的组织与讲授中，凝炼理论教学的内容，在原理的讲授中注意培养学生面向工程的意识和思维，并及时动态地将教学团队获得的最新科研成果以及科研项目的最新进展融合到相关的课程内容中去，让学生接受到来自科研和工程研发第一线的新知识、新技术。另外，针对基于电力电子技术应用的电气工程及其自动化专业发展的趋势和前沿内容，以及课程中被压缩掉或被取消的专业知识，设置为系列课外专题讲座，聘请对专题内容有深入研究和独特造诣的教师及企业的科技人员讲授，以开拓学生的知识面、培养学生理论联系实际的思维及能力。

课内实验是在课堂教学的基础上，巩固理论知识，培养动手能力和初步设计技能，增强解决问题和分析问题的能力的必要教学一环。为了突出课程的工程实用性，采取了优选验证性实验，增加了设计型和综合型实验项目的课内实验设置方法。注重电路的工作机理分析与工程实际问题是验证性实验项目的选择标准。优选的该类实验项目包括：常用PWM控制器件及特性、不控整流的谐波与抑制、SPWM/SVPWM/方波PWM逆变策略的实现电路及特性等。注重工程实用性是设计型和综合型实验项目的选择标准。我们要求学生们对该类型的实验项目遵循“理论设计计算—>计算机仿真验证—>硬件实验电路测试—>波形数据分析总结”的顺序开展路线，以强化学生对知识点的掌握和实验内容的理解，并促进学生形成理论联系实际的科学实验作风。增设的实验项目包括：各型升/降压直直变换器设计、有源功率因数校正器设计、谐振软开关设计、三相高频PWM整流器设计，以及他们的复合系统设计等。课内实验项目设置为必修和开放式的选修两类，以弥补实验授课学时不足的矛盾，同时采取“案例讲解法”、“实物演示法”等不同的教学方法，在实验课上认真讲解实验内容、步骤和注意事项，以激发学生兴趣，调动其积极性。此外，应改革课内实验成绩的评定方式，突出对实验过程的考核，鼓励探索性的设计型实验。具体措施包括增加课内实验在课程总成绩中的权重，增加实验预习报告、实验操作测评、实验过程问辩三方面的成绩考核项等，通过确立科学合理的考核方法，调动学生自主学习的积极性，形成务实的学习风气。

课程设计是对学生工程设计和应用能力、创新意识和创新精神培养的重要环节，其课时安排在全部理论课程讲授完毕后进行。该实践环节依托于以现代电力电子技术与运动控制实验室为主体，以工程训练中心、控制电机、虚拟仪器、风力发电动模实验室等其他专业实验室为辅助的课程设计开放式创新训练实验平台。[3，4]课程设计内容以学生熟悉并感兴趣的热点工程为背景，从南通大学电气工程学院专业与学科特色以及科研项目中，提炼出其中典型的技术问题，设计出合理的课程设计项目。可选的背景包括：风力发电、光伏发电、精密电机伺服驱动、电力无功与谐波控制、磁悬浮控制、特种电源等。其中的典型技术问题包括：整流、正弦逆变、直直变换、Delta逆变、闭环自动控制、检测技术等。针对少部分优秀学生采用“导师制”的课程设计教学方法，通过细致的指导，紧密的设计过程跟踪，来进一步提高课程设计质量，并促进这部分学生研究性论文、专利、小制作等方面成果的形成。针对大部分学生采用“项目驱动教学法”的课程设计教学方法。学生以小组为单位，在选题库中自由选题，利用书刊、网络查找相关资料，自主形成完成项目的各种设计思路，以培养学生独立思考问题、解决问题的能力。通过课程设计的锻炼，使学生将书本上的理论知识和实践经验真正融入了自己的知识链，提高了其综合能力以及自主创新和团队协作能力。#p#分页标题#e#