3電力電子器件的發(fā)展歷程

電力電子器件的發(fā)展，可分為以下四個(gè)階段：

第一階段是以整流管、晶閘管為代表的發(fā)展階段。這一階段的電力電子器件在低頻、大功率變流領(lǐng)域中的應(yīng)用占有優(yōu)勢，取代了早先的汞弧整流器。1947年美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，功率二極管開始應(yīng)用于電力領(lǐng)域，1956年貝爾實(shí)驗(yàn)室又發(fā)明了晶閘管，1957年美國通用電氣公司開發(fā)出世界上第一只晶閘管器件，開創(chuàng)了傳統(tǒng)的電力電子器件應(yīng)用技術(shù)階段，實(shí)現(xiàn)了弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，在工業(yè)界引起了一場技術(shù)革命。晶閘管的迅速發(fā)展使得中大功率的各種變流裝置和電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)得到了快速發(fā)展。但關(guān)斷這些器件的控制電路存在體積大、效率低、可靠性差、工作頻率低以及電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載上諧波嚴(yán)重等缺點(diǎn)。

第二階段是20世紀(jì)70年代后期以GTO、GTR和功率MOSFET等全控型器件為代表的發(fā)展階段。這一階段的電力電子器件開關(guān)速度高于晶閘管，它們的應(yīng)用使變流器的高頻化得以實(shí)現(xiàn)。

第三階段是20世紀(jì)80年代后期以IGBT復(fù)合型器件為代表的發(fā)展階段。IGBT是功率MOSFET和GTR的復(fù)合。功率MOSFET的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快;GTR的特點(diǎn)是通態(tài)壓降小、載流能力大。IGBT的優(yōu)越性能使之成為電力電子器件應(yīng)用技術(shù)的主導(dǎo)器件。

第四階段是以PIC、HVIC等功率集成電路為代表的發(fā)展階段。高速、全控型、大電流、集成化和多功能的電力電子器件先后問世，開創(chuàng)了現(xiàn)代電力電子集成器件的新階段。這一階段，所使用的電力電子器件是將全控型電力電子器件與驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、傳感電路、保護(hù)電路、邏輯電路等集成在一起的高度智能化PIC，它實(shí)現(xiàn)了器件與電路、強(qiáng)電與弱電、功率流與信息流的集成，成為機(jī)和電之間的智能化接口、機(jī)電一體化的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外電力電子器件的最新研制水平見表2。

4電力電子器件的應(yīng)用與展望

電力電子器件的應(yīng)用是電力電子技術(shù)的一部分。電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)稱為變流技術(shù)，它包括用電力電子器件構(gòu)成各種電力電子電路和對(duì)這些電路進(jìn)行控制的技術(shù)，以及由這些電路構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。

4.1變流技術(shù)的分類

(1)AC/DC變換。把交流電壓變換成固定或可調(diào)的直流電壓稱為整流。這類變換裝置通常稱為整流器。

(2)DC/AC變換。把直流電變換成頻率固定或可調(diào)的交流電稱為逆變。這類變換裝置通常稱為逆變器。按電源性質(zhì)可分為電壓型逆變和電流型逆變，按控制方式可分為方波逆變、PWM型逆變和諧振型(軟開關(guān))逆變，按換相性質(zhì)可分為靠電網(wǎng)換相的有源逆變和自關(guān)斷的無源逆變。

(3)AC/AC變換。把一種形式的交流電變換成頻率、電壓可調(diào)或固定的另一種形式的交流電，只對(duì)電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制而不改變頻率的稱為電力控制，改變頻率的稱為變頻控制。

(4)DC/DC變換。把固定的直流電壓(或電流)變換成可調(diào)或恒定的另一種直流電壓(或電流)，稱為斬波。DC/DC變換廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)電源、各類儀器儀表、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速及金屬焊接等。諧振型軟開關(guān)技術(shù)是DC/DC變換的發(fā)展方向，該技術(shù)可減小變換器體積、質(zhì)量，提高可靠性，并有效解決開關(guān)損耗問題。

4.2電力電子器件的應(yīng)用

近年來，由于電力電子變流技術(shù)的迅猛發(fā)展，已經(jīng)成為其他工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。電力電子器件不僅應(yīng)用于電力系統(tǒng)，也廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通運(yùn)輸、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng);還應(yīng)用于照明、空調(diào)等家用電器中，可概括為以下幾個(gè)領(lǐng)域：

(1)電力系統(tǒng)。為了控制和改善供電質(zhì)量，發(fā)電廠發(fā)出的交流電必須經(jīng)過電力電子裝置的處理后送到用戶端，沒有電力電子器件的應(yīng)用，就沒有電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化。從技術(shù)層面來講，電力市場的引入將產(chǎn)生對(duì)電力品質(zhì)的改善裝置，如不間斷電源(UPS)、靜止無功補(bǔ)償裝置(SVC)、靜止無功發(fā)生器(SVG)、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)、電力有源濾波器(APF)、限流器、電力儲(chǔ)能裝置、微型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)(MicroCasTurbo)等新需求;再生能源、環(huán)保發(fā)電技術(shù)等分散發(fā)電將需要交直流變流裝置。

(2)新能源利用與環(huán)境保護(hù)。電力電子器件裝置還用于太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電裝置與電力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，以及太陽能發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電電能的改善。現(xiàn)代社會(huì)對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，溫室氣體的排放引起了國際社會(huì)的關(guān)注。我國改革開放以來能源消費(fèi)量急劇上升，二氧化碳排放量也有較大增加。我國十分重視再生能源的開發(fā)，2006年我國實(shí)施了《再生能源法》。光伏、風(fēng)力、燃料電池等新能源發(fā)電技術(shù)推動(dòng)電力電子技術(shù)的應(yīng)用，并形成電力電子技術(shù)的巨大市場。(3)混合動(dòng)力汽車。由于電力電子器件應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能可以和直流電動(dòng)機(jī)相媲美。在工業(yè)電動(dòng)機(jī)的控制中，交流調(diào)速、直流調(diào)速以及節(jié)能和軟起動(dòng)都是通過電力電子器件實(shí)現(xiàn)的，其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(4)交通運(yùn)輸。鐵道電氣化、電力機(jī)車控制、磁懸浮列車的使用都離不開電力電子器件，高級(jí)汽車中許多電機(jī)的控制是靠變頻或斬波實(shí)現(xiàn)的。電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)控制和蓄電池充電也是靠電力電子裝置實(shí)現(xiàn)，飛機(jī)、船舶、電梯等都離不開電力電子裝置。

(5)電源。不間斷電源、電解電源、電鍍電源、開關(guān)電源、微機(jī)及儀器儀表電源、航空電源、通信電源、交流電子穩(wěn)壓電源、脈沖功率電源、動(dòng)力牽引及傳動(dòng)控制用電源都是靠變流技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

(6)家用電器。用于家庭照明的LED節(jié)能燈，體積小、發(fā)光效率高、節(jié)省能量多，這是通過電力電子器件把交流電轉(zhuǎn)換成電力電子照明電源來實(shí)現(xiàn)的。此外，變頻空調(diào)、電視機(jī)、音響、洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐、計(jì)算機(jī)等都離不開電力電子器件的應(yīng)用。

總之，電力電子技術(shù)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)方面，其應(yīng)用涉及航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通、文教衛(wèi)生、辦公自動(dòng)化及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。電力電子器件的應(yīng)用與國民經(jīng)濟(jì)和日常生活、工作息息相關(guān)。未來90%的電能均需通過電力電子處理后再加以利用，以便提高能源利用效率、提高工業(yè)生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)再生能源的最大利用。電力電子技術(shù)將在21世紀(jì)為建設(shè)一個(gè)節(jié)能、環(huán)保、和諧的社會(huì)發(fā)揮重要作用。