电力电子器件的发展与应用

电力电子器件的发展与应用摘要：电力技术包括信息电子技术和电力电子技术两大类。电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的关键。一、电力电子器件的发展电力电子技术是以电力电子器件为基础对电能进行控制、转换和传输的一门技术，是现代电子学的一个重要分支，包括电力电子器件、变流电路和控制电路三大部分，其中以电力电子器件的制造、应用技术为最基本的技术。二次大战后，特别是上世纪80年代以后，电子技术（包括：半导体、微电子技术；计算机、通信技术；电力电子技术等）的飞速发展，给世界科学技术、经济、文化、军事等各方面带来了革命性的影响。概括地说，电子技术包含两大部分：信息电子技术（包括：微电子、计算机、通信等）是实施信息的传输、处理、存储和产生控制指令；电力电子技术是实施电能的传输、处理、存储和控制，它不但要保障电能安全、可靠、高效和经济的运行，而且还要将能源与信息高度地集成在一起。如果用人体组成来比喻的话，信息电子相当于人的大脑和神经中枢，负责思考和指挥负责思考和指挥；而电力电子则相当于人体的心血管系统和四肢，负责为人体活动提供能量和承担执行的功能，两者缺一不可，不可能互相代替！事实表明，无论是电力、机械、矿冶、交通、石油、能源、化工、轻纺等传统产业，还是通信、激光、机器人、环保、原子能、航天等高技术产业，都迫切需要提供高质量、高效率的电能。而电力电子正是将各种一次能源高效率地变为人们所需的电能。它是实现节能环保和提高人民生活质量的重要手段，它已经成为弱电控制与强电运行之间、信息技术与先进制造技术之间、传统产业实现自动化、智能化改造和兴建高科技产业之间不可或缺少的重要桥梁。所以电力电子是我国国民经济的重要基础技术，是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。时至今日，无论高技术应用领域，还是传统产业，特别是我国一些重大工程（三峡、特高压、高铁、西气东输等），乃至照明、家电等量大面广的与人民日常生活密切相关的应用领域，电力电子产品已经无所不在，下表列出各主要应用领域必须用到的关键应用装置。二、电力电子器件的应用2.1电力系统电力电子器件能承担电能源的转换、传输及控制,且在电力系统中以其开关速度快、电能消耗低和使用寿命长而倍受重视。现在的电力系统基本上是机械控制系统,速度低、易磨损而寿命短。采用电力电子器件控制,则速度可以提高且寿命延长,我国能源紧利用太阳能及风力发电可以减缓矛盾,所发的电力在输送到用户过程中可由电力电子器件担任变换工作。另外,不停电电源等多种设备采用电力电子器件均能达到节能省材之功效。目前提高开关速率以缩小整机的体积,降低其重量,改进其性能,是电力电子技术发展的主要趋势。2.2交通运输、电气牵引和传动在交通运输、电气牵引和传动设备中,电力电子器件可用于交流马达的驱动,而交流马达比直流马达的体积小,重量轻,价格低,效率高,噪声小,采用变频调速可取代现在广泛使用的直流马达，并可使电机工作于最佳频率。这就需要较高开关频率,较高额定功率,较小导通损耗的电力电子器件作支柱。属于这方面的应用范围极大,包括无轨电车、升降机、起重机、电气机车、输送车、采矿机械、石油钻井、造纸机、印刷机、轧钢机等。据统计,单是风机水泵耗能占工业用电量30－40%,采用新技术后可节电20－40%。2.3工业生产大量耗直流电的电解、轧钢、造纸、榨糖、龙门刨、电镀、感应加热等均可采用由电力电子器件制做的逆变及变频设备。感应加热是一个应用领域很广的新技术:例如1KHz用于熔炼,21KHz用于轴承透热,81KHz用于零件淬火。SIT及SITH能胜任此工作比电子管效率可提高50%一80%,工作电压可降到500V,从而节省了电子管高频感应炉的大变压器。2.4航空及国防包括飞行器电源、激光电源、雷达电源、声纳电源、固态继电器、接触器和断路器、声纳浮标闪光器、空间电源、极低频发生器等,都需要效率高,体积小,省电的变频器。1KHz是最佳的候选者。诸如,国际上在研制单位体积处理功率能力比1003W/cm、还小的逆变器及变频器,这只有采用适于调整开关的MOS型功率器件。此外,抗辐照在军事设备中极为重要,这方面结型场效应器件是最佳选择。2.5民用与消费品方面包括照明用节能灯,用于电视机、录像机、收音机、计算机、微波炉等等的开关电源以及各种电气设备的电子化,都需要用开关频率高、处理功率能力大,可靠性高的电力电子器件。单就用于数以10亿计的照明灯中,就可节省巨大的电能。可见,电力电子器件在节能省材方面起着极其重要的作用。三、电力电子器件的发展趋势过去二十多年,微电子技术的发展使集成电路日益质优价廉,从而改变了办公、通信、军事、控制、工业生产设备的面貌,引起了第一次电子革命。与此同时,微电子技术的成就推进了电力电子器件的发展。这可能会引起第二次电子革命,使得工业及民用中的电气设备实现电子化。有人预言,从市场销售的规模与应用渗透的范围来说,这次革命会超过第一次电子革命。提高功率处理能力及开关速度,降低导通时的压降是电力电子器件的主要发展趋势。并且应该指出,上述各项领域中如果采用智能化的器件(即灵巧功率集成电路),则可进一步提高可靠性,延长寿命,完善能,如再进一步采用功能/高压集成电路(P/HVIC),则因其功能更完善,可提供多种设备就地灵活控制。比如在飞机上使用灵巧功率集成电路,仅仅导线的重量就可节省却以刃吨,若汽车上用灵巧功率集成电路,不仅省去庞大的、笨重的传动机构,而且转弯灵活自如,汽缸点火可省油,还有许多其它优点。在机器人中,灵巧功率集成电路可使机器人的体积及重量减少,电能节省。顾名思义,灵巧功率集成电路本身就意味着是一个“头脑灵敏,感官齐全,四肢发达”的器件。它既有输出功率(或高电压),又有逻辑、控制、保护、检测、自诊断、传感功能。信息产业和传统产业在我国都占有重要的战略地位。在它们两者结合的自动化、机电一体化等产业上,电力电子器件实际上起着重要的接口、桥梁作用。它的发展对我国的生产活动、生活、国防建设产生深远的影响。电力电子技术的迅猛发展,为大容量、快速的机车电力牵引系统提供了坚实的基础。电力电子器件作为电力电子技术发展的主导器件,是电力电子技术的发展的决定性因素,必将推动电力电子技术的飞速发展,同时也将促进以电力电子技术为基础的交流传动技术的迅猛发展。