電力電子器件及其應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展研究

張利榜

寧德技師學(xué)院福建寧德352100

電力電子器件及其應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展研究

張利榜

寧德技師學(xué)院福建寧德352100

電力電子器件在生活中無(wú)處不在，不斷滿足著人們的需求，實(shí)現(xiàn)著許多過(guò)去難以實(shí)現(xiàn)的功能。了解電力電子器件的現(xiàn)狀和發(fā)展能夠幫助人們更好地利用電力電子器件，并不斷研究開(kāi)發(fā)更高性能的電力電子器件。本文將從電力電子技術(shù)的作用和電力電子器件的概述入手，對(duì)電力電子器件及其應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行探討?！娟P(guān)鍵字】電力電子器件及其應(yīng)用；現(xiàn)狀；發(fā)展

盡管電力電子器件已經(jīng)深入到工業(yè)生產(chǎn)、人們生活、軍事國(guó)防的方方面面，但是人們實(shí)際的需求還是對(duì)電力電子器件的發(fā)展具有極大的推動(dòng)力。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，電力電子器件的未來(lái)一片光明。

一、電力電子技術(shù)的作用

二戰(zhàn)后，尤其是二十世紀(jì)八十年代后，包含半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等多方面技術(shù)的電力電子技術(shù)發(fā)展迅速，給全世界的科學(xué)發(fā)展和人們的生產(chǎn)生活都帶來(lái)了巨大影響。電力電子技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、處理、控制與存儲(chǔ)，既要保證電能運(yùn)行的安全、可靠、高效，又要講電能與信息有機(jī)的、高度的結(jié)合起來(lái)。以人體為例，電力電子技術(shù)好比人體的四肢與心血管系統(tǒng)，決定著人體活動(dòng)的功能并為之提供能量。

二、電力電子器件概述

電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)，電力電子技術(shù)包含了IC技術(shù)、控制技術(shù)和功率轉(zhuǎn)換技術(shù)等多個(gè)方面。1958年，世界上第一個(gè)工業(yè)用晶閘管由美國(guó)通用電器公司研發(fā)成功，標(biāo)志著電能的變換和控制正式進(jìn)入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時(shí)代，同時(shí)也是電力電子技術(shù)誕生的標(biāo)志。上世紀(jì)七十年代，晶閘管開(kāi)始誕生由低壓小電流到高壓大電流轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品，多種多樣的晶閘管相繼問(wèn)世。由于這些晶閘管派生器件具有小功耗、小體積、高效率。輕重量、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，得到了大眾的廣泛應(yīng)用，發(fā)展迅猛。

早期生產(chǎn)的普通晶閘管由于不能自主關(guān)斷，所以屬于半控型器件，被稱為第一代電力電子器件。隨著時(shí)代的變遷，社會(huì)需求的變化，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電力電子器件得到了極大的進(jìn)步，取得了不錯(cuò)的成績(jī)。不但萌發(fā)了功率MOSET、GTO、GTR等自主關(guān)斷、全控型的第二代電力電子器件，近幾年，還產(chǎn)生了MCT、IGPT、HVIC等復(fù)合化、模塊化、功率集成的電力電子器件?？偟膩?lái)說(shuō)。電力電子器件的發(fā)展歷程大致為電力整流管→普通晶閘管及其派生器件→全控型電力電子器件→復(fù)合型電力電子器件。

三、電力電子器件及其應(yīng)用的現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前電力電子器件在人們生活的方方面面都有所涉及，滲透在人們生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。不管是電力、機(jī)械、交通、化工、輕紡、礦業(yè)等傳統(tǒng)工業(yè)，還是智能機(jī)器人、航天航空、通信技術(shù)、通信等高新產(chǎn)業(yè)，都離不開(kāi)穩(wěn)定高效高質(zhì)的電能，電力電子技術(shù)則能將各種能源轉(zhuǎn)換成人們所需要的電能。下面就列舉一些電力電子器件目前的具體應(yīng)用。在電力領(lǐng)域，電力電子器件的應(yīng)用主要表現(xiàn)在高壓直流輸電系統(tǒng)、有源電力濾波器、電力調(diào)節(jié)器、靈活交流輸電系統(tǒng)等；在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，電力電子器件的應(yīng)用主要表現(xiàn)在電力牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量控制裝置和通信系統(tǒng)、大功率牽引變頻調(diào)速裝置及系統(tǒng)控制器等；在激光方面，電力電子器件的應(yīng)用主要表現(xiàn)在超高大功率脈沖電源；在航空航天領(lǐng)域，電力電子器件的應(yīng)用主要表現(xiàn)在大功率供電系統(tǒng)、高效高可靠性驅(qū)動(dòng)器、高效高可靠性推進(jìn)器和電源等；在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，電力電子器件的主要應(yīng)用為高壓脈沖電源及其控制系統(tǒng)；在先進(jìn)能源領(lǐng)域，電力電子器件的應(yīng)用主要表現(xiàn)在大功率高性能DC/DC轉(zhuǎn)換器、大功率并網(wǎng)逆變器、儲(chǔ)能裝置、大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁與控制器等；在重大、先進(jìn)裝備制造領(lǐng)域，電力電子器件的主要應(yīng)用為高精度數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)、大功率變流器及其控制系統(tǒng)、磁約束核聚變用高精度電源等；在艦船領(lǐng)域，電力電子器件的應(yīng)用主要表現(xiàn)在高效高可靠性驅(qū)動(dòng)器和推進(jìn)器、全電化機(jī)載綜合電力系統(tǒng)等；在現(xiàn)代武器裝備領(lǐng)域，電力電子器件的應(yīng)用主要表現(xiàn)在高速魚(yú)雷發(fā)射器電源、大功率激光武器驅(qū)動(dòng)電源、大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)等；在前沿科學(xué)研究領(lǐng)域，電力電子器件的主要應(yīng)用為特種大功率電源及其控制系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，當(dāng)前電力電子器件的水平基本穩(wěn)定在10e9到10e10W*Hz左右，已經(jīng)接近了所用材料能達(dá)到的極限。

四、電力電子器件及其應(yīng)用的發(fā)展

電力電子器件好比現(xiàn)代電力電子科技的心臟，可能它在電力電子裝置中的成本不超過(guò)總價(jià)值的四分之一到三分之一，但是他在電力電子裝置中所起的作用遠(yuǎn)超它的成本價(jià)值，對(duì)于電力電子裝置的尺寸、重量、動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)特性、效率、可靠性等都起著重要的作用。一個(gè)理想的電力電子器件需要具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，能夠符合電力電子裝置的要求，實(shí)現(xiàn)所需功能。

自從1958年第一個(gè)普通晶閘管被研制出，電力電子器件的研究者就不斷為了實(shí)現(xiàn)理想特性而努力，并取得了不錯(cuò)的成績(jī)。從最初的普通晶閘管應(yīng)用于大功率變流器，到上世紀(jì)八十年代的功率MOSET、GTO、GTR等自主關(guān)斷、全控型的第二代電力電子器件，再到近幾年的MCT、IGPT、HVIC等復(fù)合化、模塊化、功率集成的電力電子器件。隨著更高電壓、更好開(kāi)關(guān)性能的電力電子器件的研發(fā)，大功率裝置將不必再使用復(fù)雜的拓?fù)潆娐愤B接，從而能有效簡(jiǎn)化電路和裝置，降低成本，減少發(fā)生故障的幾率。目前大部分電力電子器件都是由硅材料制成，不過(guò)近幾年還涌現(xiàn)出了幾種性能更優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，如鍺化硅、碳化硅、磷化銦、砷化鎵等，它們?cè)谖磥?lái)會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。電力電子器件未來(lái)的發(fā)展會(huì)更廣泛的應(yīng)用超大規(guī)模的集成電路技術(shù)，使用高遷移率、高熱電傳導(dǎo)性、大寬帶隙的新型半導(dǎo)體材料，繼續(xù)保持結(jié)構(gòu)的復(fù)合型、模塊化、集成化，努力實(shí)現(xiàn)高容量和工作效率、低通態(tài)壓降、小驅(qū)動(dòng)功率。

五、小結(jié)

綜上所述，電力電子器件雖然誕生較晚，但是發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，在人們生活、工業(yè)生產(chǎn)以及國(guó)防的各個(gè)領(lǐng)域都有電力電子器件的身影。雖然目前電力電子器件已經(jīng)發(fā)展到較高水平，但是隨著社會(huì)的進(jìn)步，時(shí)代的變遷，人們需求的日新月異，國(guó)際形勢(shì)的變幻莫測(cè)，電力電子器件的研究者仍需繼續(xù)努力，不斷提升自己的專業(yè)技能，爭(zhēng)取研發(fā)出更高水平的電力電子器件造福社會(huì)。

[1]雷菊芬.電力電子器件及其應(yīng)用的問(wèn)題和發(fā)展.現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化.2016年19期

[2]譚鑫.電力電子器件及其應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展.電子技術(shù)與軟件工程.2016年16期

[3]錢照明，張軍明，盛況.電力電子器件及其應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào).2014年29期