電力電子技術(shù)的發(fā)展方向

1、電力電子技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新1概述電力電子學(xué)(Power Electronics)這一名稱是在上世紀(jì)60年代出現(xiàn)的。1974年，美國的W. Newell用一個倒三角形(如圖)對電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，認(rèn)為它是由電力學(xué)、電子學(xué)和 控制理論三個學(xué)科交叉而形成的。這一觀點(diǎn)被全世界普遍接受。電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。因它本身是大 功率的電技術(shù)，又大多是為應(yīng)用強(qiáng)電的工業(yè)服務(wù)的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術(shù) 的內(nèi)容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。電力電子器件以半 導(dǎo)體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎(chǔ)為半導(dǎo)體物理學(xué)；它的工藝技

2、術(shù)為 半導(dǎo)體器件工藝。近代新型電論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點(diǎn)和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開發(fā)出許多電 能轉(zhuǎn)換電路。力電子器件中大量應(yīng)用了微電子學(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理這 些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護(hù)、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。 利用這些電路，根據(jù)應(yīng)用對象的不同，組成了各種用途的整機(jī)，稱為電力電子裝置。這些裝 置常與負(fù)載、配套設(shè)備等組成一個系統(tǒng)。電子學(xué)、電工學(xué)、自動控制、信號檢測處理等技術(shù) 常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應(yīng)用。從幾十年的發(fā)展來看，半導(dǎo)體器件確實(shí)起了推動電子技術(shù)發(fā)展的作用。晶閘管等電力半導(dǎo)體 器件扮演了電力電子發(fā)展中的主要角色。進(jìn)入70年代，晶閘管開始形成由低

3、電壓小電流到 高電壓大電流的系列產(chǎn)品。普通晶閘管不能自關(guān)斷的半控型器件，被稱為第一代電力電子器 件。隨著電力電子技術(shù)理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量和類型等 方面得到了很大發(fā)展，是電力電子技術(shù)的又一次飛躍，先后研制出GTR、GTO、功率MOS FET等自關(guān)斷全控型第二代電力電子器件。這些年來的經(jīng)驗表明：當(dāng)某種關(guān)鍵的半導(dǎo)體器件 誕生后，往往會引起電子技術(shù)的一個飛躍?？梢钥吹?，以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的 第三代電力電子器件，開始向大容易高頻率、響應(yīng)快、低損耗方向發(fā)展，這又是一個飛躍。 而進(jìn)入90年代，電力電子器件正朝著復(fù)雜化、標(biāo)準(zhǔn)模塊化、智能化、功率集成的方向發(fā)展，

4、 以此為基礎(chǔ)形成了電力電子技術(shù)的理論研究，器件開發(fā)研制，應(yīng)用的高新技術(shù)領(lǐng)域，在國際 上競爭頗激烈。目前，電力電子技術(shù)的應(yīng)用已從機(jī)械、石化、紡織、冶金、電力、鐵路、航空、航海等領(lǐng)域， 進(jìn)一步擴(kuò)展到汽車、現(xiàn)代通信、家用電器、醫(yī)療設(shè)備、燈光照明等領(lǐng)域。進(jìn)入21世紀(jì)，隨 著新的理論、新的器件、新的技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，特別是與微電子(計算機(jī)與信息)技術(shù)的日 益融合，電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也必將不斷地得以拓展，隨之而來的必將是智能電力電子 時代。2電力電子器件發(fā)展回顧整流管是電力電子器件中結(jié)構(gòu)最簡單，應(yīng)用最廣泛的一種器件。目前已形成普通型，快恢復(fù) 型和肖特基型三大系列產(chǎn)品，電力整流管對改善各種電力電子電路的性

5、能，降低電路損耗和 提高電流使用效率等方面都具有非常重要的作用。自1958年美國通用電氣GE公司研制出 第一個工業(yè)用普通晶閘管開始，其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和工藝的改革為新器件開發(fā)研制奠定了基礎(chǔ)， 在以后的十年間開發(fā)研制出雙向，逆變、逆導(dǎo)、非對稱晶閘管，至今晶閘管系列產(chǎn)品仍有較 為廣泛的市場。口3電力電子器件發(fā)展趨勢口進(jìn)入90年代電力電子器件的研究和開發(fā)，已進(jìn)入高頻化，標(biāo)準(zhǔn)模塊化，集成化和智能時代。 從理論分析和實(shí)驗證明電氣產(chǎn)品的體積與重量的縮小與供電頻率的平方根成反比，也就說， 當(dāng)我們將50Hz的標(biāo)準(zhǔn)二頻大幅的提高之后，使用這樣工頻的電氣設(shè)備的體積與重量就能大 大縮小，使電氣設(shè)備制造節(jié)約材料，運(yùn)行時節(jié)電

6、就更加明顯，設(shè)備的系統(tǒng)性能亦大為改善， 尤其是對航天工業(yè)其意義十分深遠(yuǎn)的。故電力電子器件的高頻化是今后電力電子技術(shù)創(chuàng)新的 主導(dǎo)方向，而硬件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模塊是器件發(fā)展的必然趨勢，目前先進(jìn)的模塊，已經(jīng)包括開關(guān) 元件和與其反向并聯(lián)的續(xù)流二極管在內(nèi)及驅(qū)動保護(hù)電路多個單元，并都以標(biāo)準(zhǔn)化和生產(chǎn)出系 列產(chǎn)品，并且可以在一致性與可靠性上達(dá)到極高的水平。目前世界上許多大公司已開發(fā)出I PM智能化功率模塊，如日本三菱、東芝及美國的國際整流器公司已有成熟的產(chǎn)品推出。日 本新電元公司的IPM智能化功率模塊的主要特點(diǎn)是：口（1）它內(nèi)部集成了功率芯片，檢測電路及驅(qū)動電路，使主電路的結(jié)構(gòu)為最簡。（2）其功率芯片采用的是開關(guān)速

7、度高，驅(qū)動電流小的IGBT，且自帶電流傳感器，可以高 效地檢測出過電流和短路電流，給功率芯片以安全的保護(hù)?？冢?）在內(nèi)部配線上將電源電路和驅(qū)動電路的配線長度控制到最短，從而很好地解決了浪涌 電壓及噪聲影響誤動作等問題?？冢?）自帶可靠的安全保護(hù)措施，當(dāng)故障發(fā)生時能及時關(guān)斷功率器件并發(fā)出故障信號，對芯 片實(shí)施雙重保護(hù)，以保證其運(yùn)行的可靠性。然而，國產(chǎn)電力半導(dǎo)體器件基本上停留在晶閘管階段，嚴(yán)重落后于世界電力電子器件的發(fā)展 水平。在新世紀(jì)國際電力電子崛起之時，中國電力半導(dǎo)體器件的被動狀態(tài)將會拖延中國振興 的進(jìn)程，因此，必須大家共同努力，使這一被動局面早日得到改變。4電力電子技術(shù)創(chuàng)新口98年未朱總理明

8、確指示，今后必須加快國家創(chuàng)新體系的建設(shè)，因此可以肯定的說，在21世 紀(jì)初國家發(fā)展中，技術(shù)創(chuàng)新將要變成企業(yè)工作的主導(dǎo)內(nèi)容，而發(fā)展與建立適合中國國情的 電氣工業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新機(jī)制，通過電力電子技術(shù)長足進(jìn)步推動新型電氣工業(yè)不斷升級和進(jìn)步進(jìn) 而走向世界。電力電子技術(shù)雖然它具有微電子技術(shù)的許多共同特征，如發(fā)展變化都非常迅 速，滲透力和創(chuàng)新表現(xiàn)十分突出，生命力格外旺盛，處于陽光產(chǎn)業(yè)地位，并與其它學(xué)科相 互融合和發(fā)展產(chǎn)生新的機(jī)遇，而電力電子技術(shù)還有其自身一些獨(dú)具特色的地方，如高電壓、 大容量及控制功率范圍大，因此技術(shù)的創(chuàng)新難度在于必須跨越高電壓大功率這一關(guān)卡，及 其技術(shù)的綜合難度，如材料工業(yè)和制造工藝，而電力電

9、子器件工作的可靠性是其極其重要 的一個技術(shù)指標(biāo)。為此電力電子技術(shù)的創(chuàng)新是與多種學(xué)科相互滲透并對各種工業(yè)領(lǐng)域有著極 強(qiáng)的滲透性。因此電力電子技術(shù)與國家的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)關(guān)系密切，并與國家發(fā)展的各項方針及產(chǎn) 業(yè)政策相配臺的要求在21世紀(jì)會顯得越來越強(qiáng)烈。電力電子技術(shù)又稱為能流技術(shù)，因此電 力電子技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新是21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略綱領(lǐng)的重要組成部分。在21世紀(jì)初加 快現(xiàn)代電力電子化轉(zhuǎn)化的力度，必將形成一條朝陽的高科技產(chǎn)業(yè)鏈，推動我國工業(yè)領(lǐng)域的 技術(shù)創(chuàng)新。電力電子技術(shù)的創(chuàng)新與電力電子器件制造工藝，已成為世界各國工業(yè)自動化控制和機(jī)電一體 化領(lǐng)域競爭最激烈的陣地，各發(fā)達(dá)國家均在這一領(lǐng)域注入極大的人力，物力和

10、財力，使之進(jìn) 入高科技行業(yè)，就電力電子技術(shù)的理論研究言，目前日本、美國及法國、荷蘭、丹麥等西 歐國家可以說是齊頭并進(jìn)，在這些國家各種先進(jìn)的電力電子功率量不斷開發(fā)完善，促進(jìn)電 力電子技術(shù)向著高頻化邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的高效節(jié)能，為真正實(shí)現(xiàn)工控設(shè)備的小型化， 輕量化，智能化奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)，也為21世紀(jì)電力電子技術(shù)的不斷拓展創(chuàng)新描繪了 廣闊的前景。我國開發(fā)研制電力電子器件的綜合技術(shù)能力與國外發(fā)達(dá)國家相比，仍有較大的 差距，要發(fā)展和創(chuàng)新我國電力電子技術(shù)，并形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，就必須走有中國特色的產(chǎn)學(xué)創(chuàng) 新之路，即牢牢堅持和掌握產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的方法走共同發(fā)展之路。從跟蹤國外先進(jìn)技 術(shù)，逐步走上自主創(chuàng)新，從交叉學(xué)科的相互滲透中創(chuàng)新，從器件開發(fā)選擇及電路結(jié)構(gòu)變換 上創(chuàng)新，這對電力技術(shù)創(chuàng)新是尤其實(shí)用的。也要從器件制造工藝技術(shù)引導(dǎo)創(chuàng)新，從新材料 科學(xué)的應(yīng)用上創(chuàng)新，以此推動電力電子器制造工藝的技術(shù)創(chuàng)新，提高器件的可靠性