电力电子技术的作用与发展简史

电力电子技术的作用

我国载人航天飞船"神舟十号"和"天宫一号"空间站在太空中遨游，通过太阳能电池板获取电源，但太阳能电池的电源要经过变换才能被航天飞船使用;世界首次商业运营的上海磁悬浮列车时速高达 430 km/h，通过电力网获取 20 kV的三相交流电源，但这一电源也要经过变换才能驱动磁悬浮列车运行;家家户户使用的电都是从墙上插座获取220 V 的单相交流电源，但现在家中的电源也要经过变换才能被电视机、冰箱、洗衣机、计算机、视频播放机等正常使用。因为现代家用电器使用的电压很少能直接使用频率为 50 Hz 的220 V单相交流电，需要使用经过变换的有特殊要求的15V、12 V、5V、3.3V、1.5V等直流电源或者频率和幅值可变的交流电源。无论航天飞船、磁悬浮列车，还是现代家电，都需要把能够得到的电源变换为可以使用的电源。这种对电源进行变换的技术就不得不借助于电力电子技术。

例如，手机电池都是可充电电池，电压为3.7V等。不仅手机的充电器需使用电力电子技术，而且手机本身也需使用电力电子技术，否则手机就不能工作。随着科学技术的发展，新问世的电器对电源质量的要求越来越高。可以说，现在需要用电的场合就需要电力电子技术，换句话说，电力电子技术无所不在。图4-1所示是使用了电力电子技术的系统与设备。

当今世界电力能源的使用约占总能源的40%。而电能中有40% 需要经过电力电子设备的变换才能被使用。大约62%的电能用于电机和电机控制方面，10%~12%用于照明方面，8%~10%用于电化工和金属冶炼方面。在这三类主要应用领域中，电力电子技术能发挥很大的作用。利用电力电子技术对电能变换后再使用，人类最少可节省近 1/3的能源。据国家发展和改革委员会统计，到 2012年底我国发电总装机容量已达到11.4亿千瓦，其中煤炭火力发电占78%左右。如果少建火电厂，还可以大大减少因烧煤而排放的二氧化碳和硫化物。

二氧化碳和硫化物等物质的排放，造成了温室效应和酸雨、厄尔尼诺等现象。为了环境保护和解决能源危机，进行可持续发展，开发绿色可再生能源已经成为各国十分重要的能源政策。风能、太阳能、波能、地热能和生物质能以及各种水力资源发电方兴未艾。日本的煤炭发电已经下降到总发电量的15% 以下，丹麦的风力发电已经占到总发电量的30%以上。风力发电在全世界以年均32%的速度发展。到2012年底，全世界风电装机容量为238 000 MW，年发电量约为1008亿千瓦时。中国在新能源领域的进步最大，2012年中国新增装机容量占全球的 35%。太阳能发电目前成本还相对较高，但到 2012年底，全世界的太阳能电池直接发电的装机容量也达到了67000 MW。

不管是风能、太阳能，还是其他可再生能源，所有产生的电能都必须经过电力电子技术的变换才能被有效地使用。由此可以看出，电力电子技术不仅与节约能源密切相关，还与环境保护密切相关。为了合理高效地利用电能，现在发达国家 75% 的电能要经过这种变换后使用。而我国经过变换后使用的电能不到 45%.55% 以上的电能仍采用传统的传输方式据美国预测，到2010年，电能中的 80%要经过电力电子设备的变换才能使用。

2003年8月14日.由于美国俄亥俄州北部地区一条过热的电线下垂到一棵树上，引发了一系列激烈的连锁反应，导致了包括纽约市在内的北美有史以来最大规模的停电，29 h 的故障停电造成的直接经济损失就达60多亿美元。如果当时这一地区有几条采用电力电子技术实现的直流输电线路，起到故障隔离墙的作用，发生事故的范围就可大大缩小，这一大面积的停电事故就可能避免。电力电子技术用于电力系统交流输电中，还能提高电力系统的输电能力和输电质量。

利用电力电子技术既可以进行电能变换，还可以节约能源和保护环境，又可以提高电力系统的输电能力、避免电力事故，那么，什么是电力电子技术呢?

简单地说.电力电子技术就是以电子器件为开关.把能得到的电源（如220V/50 Hz交流、48V直流等）变换为所需要的电源（如 15V直流.110V/60 Hz交流等）的一门科学应用技术。它是电子工程、电力工程和控制工程相结合的一门技术，以控制理论为基础、以微电子器件或微计算机为工具、以电子开关器件为执行机构实现对电能的有效变换。

2000年，IEEE（电气电子工程师协会，国际）终身会士、美国电力电子学会前主席 Thomas CWilson 总结了电力申子技术半个多世纪的发展.给出了—个事贴切的定义.电力电子技术是通过酱止的手段对电能进行有效的转换、控制和调节，从而把能得到的输入电源形式变成所希望得到的输出电源形式的科学应用技术（Power electronics is the technology associated with the effcient conversion,control and conditioning of electric power by static means from its available input form into the desired electrical output form)。

概括起来说，电力电子技术就是变换电源的技术。它借助于数学、软件等各种分析工具. 通过合理选择使用电气电子元器件和相关拓扑变换电路，应用各种控制理论和专门设计技术，高效、实用、可靠地把能得到的电源变为所需要的电源，以满足不同的负载要求.同时以追求电源变换装置的体积小、重量轻和成本低为目标。电力电子技术的基本工作框图如图4-2所示。

电力电子技术的萌芽

各种产品设备对电源的不同要求，催生了电力电子技术;电力电子器件的不断涌现.又发展了电力电子技术。早在1900年，美国纽约地铁为了从交流电网中获取直流电源为地铁列车供电，就开始采用机械整流器的方法。由于机械整流器是旋转的，目整流用的电接触部分是相对运动的，因而存在高损耗、大维修量等诸多问题，促使人们研究其他更好的技术来实现电源的变换，特别是以1948年发明晶体管为代表的半导体技术。

1831年 Michael Faradax发现电磁感应以后，最初的电动机和发电机是直流的，电力的用途主要是照明和电机传动。当变压器和交流发电机分别于1883年和1885年实用化后，于 1891年在德奥地区建成了世界上第一个三相交流输电系统的水电站。由于交流输电效率当时就达到了 80%，因此交流发电和输电得到蓬勃发展。

由于先有直流用电后有交流发电，因此当时的电气设备大都是直流的。为了使发出来的交流电能供给直流电气设备使用，需要把交流电整流成直流电。

在 1940年发明PN结之前，科学家就尝试了很多种整流的措施。1876年发现了硒的整流特性;1884年发现了Edison效应，即热阴极电子发射整流效应，但该整流效应到1901年才由 O.W. Richardson 给出解释;1902 年 Cooper Hewitt由汞蒸气灯的制造开始探索汞蒸气的单向导电性，发明了双阳极全波汞弧整流器;到了1904年，J.A.Fleming利用热阴极电子发射整流效应发明了热阴极电子二极管，并应用于收音机无线信号的接收中;1907年 Lee DeForest发明了热阴极电子三极管;1925年E.Presser 发明了干盘式硒整流器;1926年L.0. Grondahl发明了干盘式氧化铜整流器。

Cooper Hewitt 于1902年发明汞蒸气整流器后，汞整流器在功率整流中受到青睐，但它还是不可控的。1903年，Cooper Hewitt 认为，通过在阳极和阴极之间的栅极上施加电压，来控制汞蒸气的放电是可能的。在这种预见之下，I.Langmuir 和 D.C.Prince于1928年发明了闸流管（Thyratron）——可控三极充气整流器;J.Slepian和L.R.Ludwig 于1933年发明了引燃管（lgnitron）——可控汞弧整流器。闸流管是具有热阴极的气体三极管，它通过触发脉冲的方式减少栅极负偏压来控制阳极电流的导通;引燃管是具有尖端点火极的汞腔阴极器件，它通过触发引弧极，在阳极和汞腔里的阴极之间起动汞弧来导通电流。

1928年发明了实用化的闸流管后.整流器直流输出端的电压可以保持稳定不随交流输入电压的波动而变化。因此。随后闸流管和引燃管整流器的应用受到很大重视。到了1935年，高压直流（High Voltage DC，HVDC）输电在美国纽约得以实现。

在 20世纪整个30年代直到40年代后期，这两种器件大量应用于高功率变换领域。为有别于通信领域的应用，前者被称为"工业电子学"。"工业电子学"这一名词被广泛采用，沿用至今。现在 IEEE的一个分会及其学术刊物名称就叫工业电子学。电力电子技术的很多研究进展和成果应用都在IEEE 工业电子学的年会上和刊物上发表。

1948年硅晶体管发明之后，引发了电子学的第一次革命。以硅半导体材料制作的电子器件逐步主宰了整个世界。至今为止.无论是低电压小电流的逻辑器件集成芯片，还是高压大电流的电力电子器件芯片，绝大多数都是以硅材料制作的。

在能承受相同的反向电压时，硅晶体管 PN 结的正向导通电压降比闸流管和引燃管等要低得多，而反向漏电流比锗材料制作的器件要小得多。也就是说使用硅半导体器件后，整流器的损耗会大大降低。

因此1948年硅晶体管发明以后，把硅材料用于整流器的努力一直在进行。继1953年研制出100 A 的锗功率一极管后.1954年研制出了硅材料的功率一极管到了20世纪 50年代的末期，采用硅材料的功率二极管已大量应用于大功率的交直流变换系统中。由于硅二极管的低损耗、高可靠性，以至于在大功率的电力牵引领域，直流传动重新盛行起来，出现了"直流牵引"时代。硅功率二极管在其他领域的应用更是比比皆是。

电力电子器件的发展

1957年美国通用电气公司（General Electric，GE）发明了可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR），后被国际电工学会正式命名为晶闸管（Thyristor）。晶闸管于1960年正式供应市场。由干晶闸管是 PNPN结构，具有更低的导通压降，又是可控的器件，因此它的发明被称为电子学的第二次革命。从现代角度来理解电力电子技术的内涵，晶闸管可以说是第一种电力电子半导体器件，它开启了电力电子技术的新纪元。

由于晶闸管在电源变换中的突出作用和众多优点，它自发明以来得到迅速发展。图 4-4 所示是Powerex公司开发的12 kV/1.5 kA的晶闸管。到1980年，已经开发出采用光触发的大功率晶闸管，容量达到 4000 V/1 500 A。

晶闸管加上正向电压后，通过触发极可选择任何时刻控制其开通;一旦导通后，触发极便失去作用.只有当流过晶阐管的电流为零时才能自然关断。这不像机械开关，既可合闸控制其开通，又可拉闸控制其关断。既能控制开通又能控制关断的晶闸管于1961年由美国通用电气公司研究成功，称为门极可关断晶闸管（Gate Turn Off Thyristor），简称GTO。

1948年发明的硅晶体管（三个极为基极、集电极、发射极），通过控制其基极，集射极之间可以起到类似机械开关的作用，可以控制电路中电流的通断。当晶体管基射极之间不加正向电流时，甚至加一定反向电压时，晶体管不导通，相当于机械开关断开;当晶体管基射极之间加上正向电流大于某一定值时，晶体管进入饱和导通态，相当于机械开关闭合导通。

1970 年，美国国际整流器公司（Intermational Rectifier.IR）开发出 500 V/20A的功率晶体管。现在晶体管一般称为双极晶体管（Bipolar Junction Transistor），简称 BJT。1975年，300 V/400 A 的功率 BJT问世。由于功率晶体管的容量相对于信号用的晶体管，无论是器件耐压还是电流通过能力都要大得多，因此.功率 BIT 又称巨型晶体管（Giant Transistor，GTR）。为使功率BJT 能达到高的电流通过能力，采取了一种基射极级联的复合晶体管结构，称为达林顿结构（Darlington），所以功率BJT也叫达林顿晶体管。

晶体管是空穴和电子两种载流子共同导电，具有电导调制效应，使得导通电压降比较低，但开关速度受到一定限制。1978年开发出了单载流子（要么空穴，要么电子）导电的功率 MOS 场效晶体管，容量为100 V/25 A。由于功率 MOS场效晶体管常采用垂直（Vertical）双扩散（Diffusion）沟道，通常简称为功率 MOS管，或VDMOS。

VDMOS没有电导调制效应，其开关速度要比容量相当的 BJT更快，但其导通压降要比容量相当的 BIT高不少。前面提到.BIT 的基极要加一定的电流（称驱动电流），集射极之间才能进入低压降的饱和导通状态。

所以，BJT 被称为电流控制型器件，简称电流型器件。而VDMOS器件不然，VDMOS 的栅极和发射极之间是绝缘的，通常不导电。VDMOS的栅极通常称为绝缘栅。只要在VDMOS的栅射极（相当于BJT的基射极）之间加上一个电压（称驱动电压），一般在 12V 到17V之间，VDMOS就进入饱和导通状态。VDMOS 正常导通期间，栅射极之间是绝缘的，没有电流.只有电压。所以，VDMOS称为电压控制型器件，简称电压型器件。在半导体器件工作状态中，有电流就有损耗。因此从器件损耗角度，比较相同电压和电流的 BJT和VDMOS，可以得出两点简单结论∶一是 BJT的驱动损耗比VDMOS大;二是 BJT的导通损耗比VDMOS小。

1981年，一种吸收了VDMOS的驱动优点和 BJT的导通优点的新型半导体器件诞生了。这种混合型器件称为绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT），现国内外统称为IGBT。由于其驱动损耗小、通态压降低、开通和关断时不必采取额外的措施来限制电流电压变化率.因此IGBT自投放市场以来，比先前的各种可关断器件，更受到使用者的青睐。通过不断改进结构和工艺，现在容量已经达到6500 V/2 400 A。

从IGBT 器件的开发成功和市场前景，可以看出混合型器件的生命力和优势。于是，混合型器件不断得到开发。1987年开发出了静电感应晶体管（Static Induction Transistor，SIT）和静电感应晶闸管（Static Induction Thyristor，SITH），1988年开发出 MOS控制晶闸管（Mos Controlled Thyristor，MCT），1991年以后开发出不同的发射极开关的晶闸管（Emitter Switched Thysistor.EST）。

1996年开发出集成门极换向晶闸管（Integrated Gate Commutated Thvristor. IGCT），1998年开发出注入增强门极晶体管（Injection Enhancement Gate Transistor.IEGT），等等从混合到器件开发的历程可以看出.半导体电子开关的控制模式题向于采用MOS结构的电压控制模式;导通模式有晶体管和晶闸管两种模式。晶体管模式的通态压降比晶闸管的高，但开通和关断时对电流电压的变化率的承受能力要比晶闸管优越得多。

IGCT 器件成功地结合了晶体管和晶闸管模式——导通时是晶闸管模式，有较低的通态压降;关断时是晶体管模式.不要电压变化率的扣抑制电路。IGCT器件的容量已经做到 6.5kV/6kA。1990年，把ICGBT半导体电子开关的驱动电路、过流保护电路、过热保护电路、短路保护电路等集成起来，与电子开关一起封装在一个模块中的"智能化"器件开发成功，称为智能功率模块（Intelligent Power Module，IPM）。这是一种全新的器件理念。在这种理念引导下，此后各种各样的集成电力电子模块（Integrated Power Electronics Module，IPEM），如电力电子搭积木（PEBB）组件、灵巧（SMART）器件、专用功率集成（ASPIC）器件等得到进一步开发。

随着技术的发展，电力电子器件在不断进步。在控制方面，从单门控制器件（Single Gate Device）向双门控制器件（Double Gate Device）变化，如双沟道（Trench Double）IGBT;在材料方面，从硅（Silicon）材料向碳化硅（4H-SiC）材料变化，如碳化硅功率二极管，甚至今后可能采用金刚石材料;在 PN结方面，从一维结器件（One-dimensional Junction Device）向三维超结器件（Three-dimensional Super Junction Device）变化，如酷（Cool）MOS 器件。

西门子公司开发的耐压为600 V的Cool MOS，其通态电阻只有普通功率MOS管的五分之一.2001年戴姆勒—克莱斯勒（Daimler Chrysler Research and Technology）用1 700 V的碳化硅二极管替代 IGBT 模块中的硅反并二极管后，所构成逆变器的开通损耗只有原来的三分之一，关断损耗只有原来的五分之一。到2001年，全碳化硅器件已经开发出19kV的二极管，1.8 kV的双极晶体管，3.1 kV/3A的 GTO，也开发出了功率 MOS管和IGBT模块。

电力电子变换技术的发展

电力电子的电路拓扑结构也伴随着器件的发展而发展。

1891年建立了世界上第一座交流发电站以后，于1896年和 1897年分别发明了单相和三相桥式整流电路。

1903年发明了相控整流原理，可以通过控制开关的导通时刻来控制直流输出电压的大小。

1922年发明了从交流到交流变换的周波变换器（Cyclo-converter.也译为"循环变换器"）原理。

1924年发明了从直流到直流变换的斩波器原理。

1925年发明了逆变器换流原理。

1935年直流高压输电线路正式在美国纽约州的 Mechanicville 和 Shenectady 之间建成。

1942年 20 MW 的频率变换站建成。

1959年集成电路诞生，为后来功能和性能更好的电力申子器件指明了方向。

1964年把用于通信领域的脉冲宽度调制（PWM）概念移植到电力电子变换器中，直流变换到交流的逆变器在理论上可以输出交流正弦波电压或电流。

1969 年，发明了PWM整流器.把PWM技术应用在整流器上，通过控制脉冲.整流器的输入电流可以为正弦波形，与电压波形一样。PWM变流器的发明，改变了电力电子整流装置会使电网电流波形畸变的历史。

从电力电子变换器输入和输出的交直流关系来说.通常有四种形式∶AC/DC（交流到直流）——整流，DC/AC（直流到交流）——逆变，DC/DC （直流到直流）——斩波，AC/AC（交流到交流）——交流调压或周波变换。

AC/DC，交流到直流的整流技术。整流器的发展经历四个阶段，对应四种形式;二极管不控整流、晶闸管等器件的相控整流器、1989年发明的二极管不控整流加升压斩波器、PWM整流器。后两种整流器能改善交流侧的电流波形质量，理论上可以达到正弦波形。

DC/AC，直流到交流的逆变技术。根据逆变器直流侧的储能元件是电容器还是电抗器，分为电压型逆变器和电流型逆变器两种。电压型逆变器的发展分为;方波/六阶梯波逆变器、PWM逆变器、1987年发明的整流和逆变器均采用PWM控制的双 PWM逆变器、1987年发明的多电平 PWM逆变器、谐振直流环或交流环逆变器等。

根据产生 PWM 的方式不同，PWM逆变器分为正弦 PWM、指定谐波消除 PWM、电流滞环控制（也称边带控制）PWM、三角调制 PWM、随机谐波频谱PWM、空间电压矢量 PWM等。谐振直流环逆变器有1989年Divan发明的有源电压钳位直流环谐振逆变器和 1990年Bose发明的电流初始化直流环让皆振逆变器等，谐振交流环逆变器有1990年 Lipo 发明的直流环节高频谐振交流换向逆变器和 Donker发明的辅助谐振换向极逆变器等。

电流型逆变器的发展分为∶同步电动机驱动电流型逆变器LCI、感应电动机驱动电流型逆变器 ASCI、电流型 PWM 逆变器、1985年 Hombu 发明的整流和逆变都是电流型 PWM控制方式的双 PWM电流型逆变器感应加热用的由流型并联谐振逆变器、1981年 Schwarz发明的串联谐振交流环电流型整流-逆变器系统。

电压型逆变器的储能元件为电容器，其损耗少、单位储能的体积小且重量轻、发射的电磁干扰小.但容易造成逆变器贯穿短路血烧损∶常规电流型逆变器的储能元件为电抗器，其损耗多，单位储能的体积大且重量重、发射的电磁干扰大，但不会因为出现短路而烧损逆变器。因此。在逆变器短路保护尚未完全解决之前，电流型逆变器比较受欢迎。20世纪 90年代以来，由于贯穿短路问题得到解决，电压型逆变器已占绝大多数市场。

AC/AC，交流到交流的变换技术。基本的形式有∶采用反并联闸管等组成开关的定顺相控调压器、频率可向低频变换的相控周波变换器、矩阵式变换器等。

DC/DC，直流到直流的斩波技术（已经越来越倾向于称"DC/DC变换技术"）。最基本的形式有降压斩波器（Buck 变换器）、升压斩波器（Boost变换器）和升降压斩波器（Buck-Boost 变换器）三种。1982年Slobodan Cuk发明了Cuk变换器。电气隔离可保证故障况下设备或人员的最大安全，同时可避免设备正常使用的接地短路问题。因此采用变压器耦合进行电气隔离的 DC/DC变换器应用更加广泛。基本的隔离型 DC/DC 变换器，主要有以 Buck-Boost为基础的 Fly-Back（回扫）变换器、以 Buck为基础的 Forward（正向）变换器、Push-Pull（推挽）变换器、Half-Bridge （半桥）变换器和 Full-Bridge（全桥）变换器等。

传送功率一定时，随着工作顿率的提高，变压器的重量和体积会随之减小。同样随着工作频率的提高，变换器中需要电抗器和电容器缓冲的能量要求降低，因此电抗器和电容器的容量可以随之减小.从而也减小了电抗器和电容器的体积和重量。开关频率达到20 kHz 以上时，已经超出人的听觉范围。为此，去掉工频变压器，代之以高频变压器的开关电源技术自20世纪 70年代中期以来风靡欧美等工业发达国家，出现了开关电源中的20 kHz革命现象。

为了降低单位功率的电源体积和重量，或提高单位体积的功率密度，自 20世纪70 年代以来，开关电源领域一直不断地改进技术，把开关频率继续推向高端。市场上供应的开关电源，采用软开关控制方式的开关频率现在已经达到500 kHz。开关频率达到MHz级的开关电源也已经开发出来。

通信、计算机和网络技术的不断发展，对开关电源提出了更高的要求，也提出了挑战。为了满足电子通信设备、服务器、高速计算机芯片等的低静态功耗和高动态性能的要求，需要开关电源能提供低电压、大电流，有的设备已经需要开关电源输出为1 V/50A。输出电压为1.1V、电流为100A、电流转换率为5 A/ns 的开关电源也于2003年问世。

可以整流和逆变的 PWM变流器是一种功能强大的四象限变流器。所谓四象限变流器，是指从交流侧看，交流电压和电流波形的夹角可以是0°~360°，可位于直角坐标系中的任一象限。PWM 四象限变流器不仅交流电压和电流的波形相位差可以是0°~360°，而且交流侧输出波形的幅值、频率和形状可以按照控制要求进行调节。PWM 四象限变流器的性质，为交流电机变频调速奠定了理论基础，也为改善供电质量的电力有源滤波器的发展奠定了理论基础。电力有源滤波器不仅能补偿谐波电流，还能吸收容性和感性无功电流、平衡负荷。

1971年德国工程师 Blaschke提出了交流电机的矢量控制思想.后来其博十论文对矢量控制的原理和实现方法进行了系统的研究。矢量控制从理论上解决了交流电机的变频调速困难，它可以像他励直流电机那样完全解耦地对转矩和磁通分别进行平滑调节。矢量控制的算法相当复杂，鉴于当时微电子技术和计算机技术的发展水平，要学现矢量控制的优良特性比较困难。

1985年德国鲁尔大学 Depenbrock教授提出了直接力矩控制，简化了矢量控制系统的算法，通过力矩反馈的"乓- 乓"控制达到力矩和磁通的基本解耦控制。交流电机调速理论解决以后.根据调速理论对 PWM 四象限变流器的输出 PWM波进行有效控制.电力电子变流器装置就获得了交流电机调速的理想变频变压电源。

1976年和1978年美国西屋电气公司的Gyugvi基于电力电子变换技术分别提出电力有源滤波器（APF）和无功发生器（SVG）的概念。此后，电力电子技术开始应用于电力网的谐波滤除和无功补偿。在此基础上，1986年美国电力科学研究院的 Hingorani提出了灵活交流输电（FACTS）的概念。灵活交流输电是指利用电力电子技术对输电线路的电源进行变换，达到对输电线路阻抗等参数进行调节，以实现对潮流的更好控制，并保证输电线路的输送负荷安全运行在更加接近于设计容量极限。

1988年 Hingorani 又进一步提出定制电力（Custom Power）的概念。如果把灵活交流输电定位于输变电系统中，则定制电力主要是指在配电系统中，通过电力电子变换技术以获得更好的用电可靠性和用电质量。定制电力的概念表明，今后供电部门可以根据用户的电源要求来提供更好质量和可靠性的增值了的电力。图 4-10 所示是在挪威安装的 ± 160 Mvar、420 kV的无功发生器。

进行电源变换的电力电子技术，其基础是电力电子开关。电力电子技术，无论应用于—般电子电器电源领域、还是应用于电机传动领域和电力系统领域，电力电子开关的工作频率越高，经过变换得到的电源就越接近于理想电源。因此，从电力电子技术的电源变换角度来说，希望开关频率越高越好。电力电子技术的一个发展趋势是开关器件频率的高频化。

电力电子软开关技术的发展

电子开关在开通和关断时，电流和电压的变化不是瞬间完成的，而是需要一定的时间才能完成。那么，在开通和关断过程中，就会出现电压波形和电流波形变化的交登现象。开关过程中电压电流波形的交叠会产生损耗，称为开关过程损耗。开关过程损耗比开关正常导通或关断状态的损耗要大得多。

因此，从开关损耗的角度和电力电子装置效率的角度，希望开关频率越低越好。为了获得高质量的电源，希望电源变换的开关频率越高越好。这两者互相矛盾。要解决好这个矛盾，只有想办法把开关的损耗降下来。降低开关损耗，一是从开关器件本身想办法.增加开关速度，减少开关过程的电流电压交叠成分;一是从变换技术上想办法，减小开关过程的电流电压交叠成分。通过开关变换技术的办法.减小开关过程中电流和电压波形的交叠成分，从而减小开关过程损耗的办法，称为软开关技术。

电力电子软开关技术，受逆阻型晶闸管关断过程的换流思路启发。在晶闸管组成的电力电子装置中，要么通过负载电路谐振的办法让晶闸管电流过零关断;要么在装置电路中增加一个辅助电路，并在必要时启动辅助电路工作，使得晶闸管电流过零而关断。如果通过谐振等办法，使得一个开关器件开通以后才开始流通电流，或电流过零以后才开始关断器件，称为零电流软开关（ZCS）;一个开关器件两端的电压过零以后才开通器件，或器件两端的电压过零以后才开始关断器件，称为零电压软开关（ZVS）。

国际上 20世纪七八十年代主要研究方向是零电压或零电流的谐振、准谐振软开关技术。其缺点是开关电流（电压）应力高。并且变频控制复杂。进入20世纪90年代，各种软开关技术的开发和应用.如零电压/零电流开关 PWM.零由压/零由流转移PWM、移相全桥和有源钳位零电压 PWM变换等都有很大发展。针对中等功率移相全桥零电压 PWM技术的固有缺点以及应用IGBT后的特点，人们又做了许多改进研究，提出了混合ZCSZVS的 PWM移相全桥软开关技术。此后又提出大功率和多电平的软开关变换器新拓扑，使整流管和辅助开关也实现了软开关，提高了电路效率，拓展了应用范围。这方面改进和研究至今方兴未艾。

数字化社会的各种通信和数据等电子设备对电源质量的要求越来越高，不断涌现的各种新型设备对电源的要求也越来越特殊，世界能源的紧缺对节约电能的要求也越来越高。总之，电源的高质量变换、电能的节约，都越来越离不开电力电子技术。除了前面提到的一般高质量电源、电气传动和电力系统离不开电力电子技术外，奔腾Ⅱ以上的高速计算机中央处理芯片的正常工作离不开电力电子技术;现代无线数字通信离不开电力电子技术;网络世界的正常运行离不开电力电子技术;绿色环保和可再生新能源离不开由力由子技术·由动汽车和磁悬浮列车等交通工具离不开电力电子技术，等等。

总之，电力电子技术应用领域越来越广，它的应用已深入到使用电源的各个领域。电力由千技术领域涵盖广泛.是自动化.信息化。国防，航天，运输，能源与环保等工业发展的基础技术。根据美国总统科学与技术顾问委员会的资料，电力电子技术已经成为与国家经济发展密切相关的七大关键科技的重要支撑∶能源、环保、信息与通信、生命科学、制造业、材料、交通运输。因此可以说，在电的世界里，21世纪是电力电子技术的世纪。