一、電力電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

電力電子技術(shù)是以電力為對(duì)象的電子技術(shù)，它將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件組成各種電力變換電路實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制，構(gòu)成了一門完整的學(xué)科，該學(xué)科被國(guó)際電工委員會(huì)命名為電力電子學(xué)(PowerElectronics)或稱為電力電子技術(shù)。它是一門綜合了電子技術(shù)、控制技術(shù)和電力技術(shù)的新興交叉學(xué)科。電力電子技術(shù)包括電力電子器件、電力電子電路和控制技術(shù)三個(gè)部分，它的研究任務(wù)是電力電子器件的應(yīng)用、電力電子電路的電能變換原理、控制技術(shù)以及電力電子裝置的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

1.電力電子器件的發(fā)展

電力電子技術(shù)的發(fā)展取決于電力電子器件的研制與應(yīng)用。電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，也是電力電子技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力，電力電子技術(shù)的每一次飛躍都是以新器件的出現(xiàn)為契機(jī)的。1947年，美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。以此為基礎(chǔ)，美國(guó)在1956年研制出了最先用于電力領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件——硅整流二極管(SemiconductorRectifier，SR)，又稱為電力二極管(PowerDiodes，PD)。20世紀(jì)80年代中后期，為了進(jìn)一步減少低壓高頻開(kāi)關(guān)電源中電力半導(dǎo)體器件的管壓降和損耗，同步整流管也應(yīng)運(yùn)而生。1957年，美國(guó)通用電氣公司(GE)發(fā)明了普通反向阻斷型可控硅整流管(SilliconControlledRectifier，SCR)，以后稱為晶閘管(Thyristor)。

它標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。經(jīng)過(guò)工藝完善和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，到了20世紀(jì)70年代，晶閘管已形成從低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。以晶閘管為主要器件的電力電子技術(shù)很快在電化學(xué)工業(yè)、鐵道電氣機(jī)車、鋼鐵工業(yè)(感應(yīng)加熱)、電力工業(yè)(直流輸電、無(wú)功補(bǔ)償)中獲得了廣泛的應(yīng)用。由晶閘管及其派生器件構(gòu)成的各種電力電子系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中主要解決了傳統(tǒng)的電能變換裝置中所存在的能耗大和裝置笨重的問(wèn)題，因而大大地提高了電能的利用率，同時(shí)也使工業(yè)噪聲得到了一定程度的控制。

電力半導(dǎo)體器件經(jīng)過(guò)了五十多年的發(fā)展，器件制造水平不斷提高，已經(jīng)歷了以硅整流管(SR)、晶閘管(SCR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、巨型晶體管(GTR)、功率MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為代表的分立器件時(shí)期，現(xiàn)在已發(fā)展到由驅(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的PIC和IPM時(shí)期。電力半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)了器件與電路的集成，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，它是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)單元。

按照其控制特性來(lái)說(shuō)，電力半導(dǎo)體器件可分為以硅整流管(SR)為代表的不可控器件，以晶閘管(SCR)為代表的只能通過(guò)門極電流控制其開(kāi)通而不能控制其關(guān)斷的半控型器件和以可關(guān)斷晶閘管(GTO)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為代表的既能控制其開(kāi)通又能控制其關(guān)斷的全控型器件三大類。在器件的控制模式上，電力半導(dǎo)體器件已經(jīng)從電流型控制模式發(fā)展到電壓型控制模式，這不僅大大降低了門極的控制功率，而且大大提高了器件導(dǎo)通與關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度，從而使器件的工作頻率由工頻→中頻→高頻不斷提高。

在電力電子技術(shù)走向智能化、高頻化、大功率化、模塊化、綠色化的進(jìn)程中，作為其基礎(chǔ)的新型電力半導(dǎo)體器件不斷涌現(xiàn)，為電力電子技術(shù)的發(fā)展作出新的貢獻(xiàn)。電力電子器件已經(jīng)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，在各行各業(yè)發(fā)揮了重要作用，給電力電子技術(shù)注入了強(qiáng)大的生命力。

2.電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

電力電子學(xué)與裝置的市場(chǎng)需求與日俱增，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面。

(1)一般電源。包括不停電電源、電解電源、電鍍電源、開(kāi)關(guān)電源、機(jī)車輔助電源、微機(jī)及儀器儀表電源、航空電源、通信電源。

(2)專用電源。包括電化學(xué)電源、微弧氧化電源、蓄電池充電放電、電子模擬負(fù)載、電解水電源、交流電子穩(wěn)壓電源、脈沖功率電源、電力測(cè)功機(jī)。

(3)電力牽引及傳動(dòng)控制。包括電力機(jī)車、電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車、礦井提升機(jī)、軋鋼機(jī)傳動(dòng)。

(4)電力系統(tǒng)應(yīng)用。高壓直流輸電(HVDC)。

(5)有源濾波器。傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器由于其濾波性能較差，難于應(yīng)付日益嚴(yán)重的電網(wǎng)“公害”。人們從電力電子學(xué)本身找到了解決的途徑，這就是有源濾波器。

(6)新能源利用。包括光電池、風(fēng)力發(fā)電等，電力電子裝置還將用于太陽(yáng)能發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電裝置與電力系統(tǒng)的連接。

(7)節(jié)能。采用電力電子裝置實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速可以達(dá)到很高的效率。

(8)電氣工藝應(yīng)用。包括在焊接設(shè)備及感應(yīng)加熱中的應(yīng)用。

(9)家用電器。種類繁多的家用電器，小至一臺(tái)調(diào)光燈具、高頻熒光燈具，大至通風(fēng)取暖設(shè)備、微波爐及眾多的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，都離不開(kāi)電力電子交流電路。

(10)靜止無(wú)功補(bǔ)償器(STATCOM)(串聯(lián))和典型功率應(yīng)用100MW。用于電網(wǎng)的電壓控制和無(wú)功補(bǔ)償。

(11)柔性輸電技術(shù)。柔性交流輸電系統(tǒng)(flexibleACtransmissionsystem，F(xiàn)ACTS)是指裝有電力電子型或其他靜止型控制器以加強(qiáng)系統(tǒng)可控性和增加功率傳輸能力的交流輸電系統(tǒng)。

(12)電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(EV/HEV)。