第一章 緒論

1.1 研究背景和意義

隨著半導體技術的發展、數字信號處理技術以及控制技術的發展，電力電子技術正在向著高頻化、數字化、模塊化、綠色能源化發展[1-3]。電力電子設備的體積、智能程度、效率、諧波、功率因數等指標也在不斷得到改善。不間斷電源作為電力電子技術的一個重要分支，在電力電子的發展中扮演著重要角色。隨著我國大力推廣互聯網加政策，互聯網產業快速發展，對于不間斷電源的需求也越來越大。目前，國內的不間斷電源提供商主要為國外三大品牌：伊頓、施耐德、艾默生，本土 UPS 廠商只占有少數市場份額。在各種功率等級的不間斷電源產品中，小功率不間斷電源占有絕大多數市場份額。根據賽迪顧問對 2014 年 7 月中國不間斷電源的市場分析報告，功率大于等于 3k VA 小于10k VA 的不間斷電源占總銷量的 33.6%，銷售額占比 19.2%，銷量和銷售額在所有功率等級中均為第一，功率小于 3k VA 的不間斷電源占總銷量的 66.7%，銷售額占比 15.5%，銷量在所有功率等級中排名第一。

從以上數據可以看出，中小功率不間斷電源競爭異常激烈，要想突破國外廠商的壟斷，必須在中小功率不間斷電源上下功夫。基于此種背景，本人所在的實驗室受企業委托為企業研制一臺 5k VA 以 IGBT 為功率器件的不間斷電源。本人負責不間斷電源整流模塊的研究，并在 IGBT 不間斷電源整流模塊研究的基礎上對Si C MOSFET 不間斷電源整流模塊進行初步研究。 本文將基于 IGBT 模塊研制一臺不間斷電源整流模塊樣機，驗證本文提出的改進型PI 控制策略的正確性和有效性以及本文提出的交流電感選型方法的正確性。在完成此實驗的基礎上，對 Si C MOSFET 整流模塊進行初步的研究，以便下一步對 Si C MOSFET 整流模塊進行全面研究。Si C 半導體相對于傳統的 Si 半導體具有耐壓高、導通電阻低、熱穩定性好、開關頻率高、開關損耗低等諸多優點[4-6]。可以預見，隨著價格的降低以及技術的成熟，基于 Si C MOSFET 的不間斷電源整流模塊的市場份額將會逐漸擴大。

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1.2 整流模塊的研究現狀

整流模塊，也可以稱之為整流器，其性能受到開關器件、拓撲以及控制策略等多種因素的綜合影響。下文將從器件、拓撲、控制策略三個方面闡述整流模塊的研究現狀。自從 20 世紀 50 年代初期電力二極管應用于電力領域以來，電力電子器件經歷了從不可控到可控的變遷，先后出現了晶閘管、MOSFET、IGBT 等典型電力電子器件[7]。電力二極管既不能控制其開通也不能控制其關斷，屬于不可控器件，只能利用器件外部條件使其開通或者關斷。

由于電力二極管結構簡單、工作穩定，因此得到了廣泛的應用。在全控型器件組成的拓撲中，多伴有電力二極管。可以說，電力二極管在電力電子的發展史中具有不可替代的作用。但是由于電力二極管的不可控特性，在對性能指標要求較高的場所，電力二極管往往不能滿足要求，通常作為輔助性器件存在。電力二極管種類繁多，如普通二極管、快恢復二極管、肖特基二極管等等。

1956 年，半控型器件——晶閘管在美國貝爾實驗室誕生，標志著電力電子技術的產生。晶閘管屬于半控型器件，通過對門極觸發可以使晶閘管開通，但是不能通過對門極的控制使其關斷。晶閘管的半導體結構特性決定晶閘管在低頻率高電壓大電流應用場合中有著不可替代的作用[8]，在中小功率應用場合已不常見。根據應用場合的不同，晶閘管的種類也有不同，如快速晶閘管、逆導晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等等。

20 世紀 80 年代以來，隨著電力電子技術與信息電子技術的交叉融合，誕生了一系列全控型電力電子器件，如門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管和絕緣柵雙極晶體管。與信息電子技術中的場效應晶體管對應，電力電子技術中的場效應晶體管也分為結型和絕緣柵型，但應用較多的是電力 MOSFET(Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。

電力 MOSFET 屬于電壓控制型全控型電力電子器件，可以通過驅動電路控制其開通和關斷，且驅動電路簡單，驅動功率小。由于其半導體結構特性，電力 MOSFET 可以工作在高達 MHz 的頻率下，但是基于 Si 材料的電力 MOSFET 在高壓下導通電阻大，具有耐壓低、電流容量小的缺點，多應用于高頻小功率的場合。為了解決電力 MOSFET 導通電阻大的問題，RCA 公司和 GE 公司于 1892 年開發了一種復合型全控型電力電子器件—絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。

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