電力電子器件及其應用的現狀和發展研究

張利榜

寧德技師學院福建寧德352100

電力電子器件及其應用的現狀和發展研究

張利榜

寧德技師學院福建寧德352100

電力電子器件在生活中無處不在，不斷滿足著人們的需求，實現著許多過去難以實現的功能。了解電力電子器件的現狀和發展能夠幫助人們更好地利用電力電子器件，并不斷研究開發更高性能的電力電子器件。本文將從電力電子技術的作用和電力電子器件的概述入手，對電力電子器件及其應用的現狀和發展進行探討。【關鍵字】電力電子器件及其應用；現狀；發展

盡管電力電子器件已經深入到工業生產、人們生活、軍事國防的方方面面，但是人們實際的需求還是對電力電子器件的發展具有極大的推動力。隨著科學技術的日新月異，電力電子器件的未來一片光明。

一、電力電子技術的作用

二戰后，尤其是二十世紀八十年代后，包含半導體技術、微電子技術、計算機技術、通信技術等多方面技術的電力電子技術發展迅速，給全世界的科學發展和人們的生產生活都帶來了巨大影響。電力電子技術主要實現電能的傳輸、處理、控制與存儲，既要保證電能運行的安全、可靠、高效，又要講電能與信息有機的、高度的結合起來。以人體為例，電力電子技術好比人體的四肢與心血管系統，決定著人體活動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的重要基礎，電力電子技術包含了IC技術、控制技術和功率轉換技術等多個方面。1958年，世界上第一個工業用晶閘管由美國通用電器公司研發成功，標志著電能的變換和控制正式進入由電力電子器件構成的變流器時代，同時也是電力電子技術誕生的標志。上世紀七十年代，晶閘管開始誕生由低壓小電流到高壓大電流轉換的產品，多種多樣的晶閘管相繼問世。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、響應速度快等優點，得到了大眾的廣泛應用，發展迅猛。

早期生產的普通晶閘管由于不能自主關斷，所以屬于半控型器件，被稱為第一代電力電子器件。隨著時代的變遷，社會需求的變化，科學技術的進步，電力電子器件得到了極大的進步，取得了不錯的成績。不但萌發了功率MOSET、GTO、GTR等自主關斷、全控型的第二代電力電子器件，近幾年，還產生了MCT、IGPT、HVIC等復合化、模塊化、功率集成的電力電子器件?？偟膩碚f。電力電子器件的發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→復合型電力電子器件。

三、電力電子器件及其應用的現狀

經過多年的發展，目前電力電子器件在人們生活的方方面面都有所涉及，滲透在人們生產生活的各個領域。不管是電力、機械、交通、化工、輕紡、礦業等傳統工業，還是智能機器人、航天航空、通信技術、通信等高新產業，都離不開穩定高效高質的電能，電力電子技術則能將各種能源轉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用。在電力領域，電力電子器件的應用主要表現在高壓直流輸電系統、有源電力濾波器、電力調節器、靈活交流輸電系統等；在交通運輸領域，電力電子器件的應用主要表現在電力牽引供電系統電能質量控制裝置和通信系統、大功率牽引變頻調速裝置及系統控制器等；在激光方面，電力電子器件的應用主要表現在超高大功率脈沖電源；在航空航天領域，電力電子器件的應用主要表現在大功率供電系統、高效高可靠性驅動器、高效高可靠性推進器和電源等；在環境保護領域，電力電子器件的主要應用為高壓脈沖電源及其控制系統；在先進能源領域，電力電子器件的應用主要表現在大功率高性能DC/DC轉換器、大功率并網逆變器、儲能裝置、大功率風力發電機的勵磁與控制器等；在重大、先進裝備制造領域，電力電子器件的主要應用為高精度數控機床的驅動和控制系統、大功率變流器及其控制系統、磁約束核聚變用高精度電源等；在艦船領域，電力電子器件的應用主要表現在高效高可靠性驅動器和推進器、全電化機載綜合電力系統等；在現代武器裝備領域，電力電子器件的應用主要表現在高速魚雷發射器電源、大功率激光武器驅動電源、大功率固態發射機等；在前沿科學研究領域，電力電子器件的主要應用為特種大功率電源及其控制系統。

經過一段時間的發展，當前電力電子器件的水平基本穩定在10e9到10e10W*Hz左右，已經接近了所用材料能達到的極限。

四、電力電子器件及其應用的發展

電力電子器件好比現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總價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超它的成本價值，對于電力電子裝置的尺寸、重量、動態特性、靜態特性、效率、可靠性等都起著重要的作用。一個理想的電力電子器件需要具有良好的靜態特性和動態特性，能夠符合電力電子裝置的要求，實現所需功能。

自從1958年第一個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現理想特性而努力，并取得了不錯的成績。從最初的普通晶閘管應用于大功率變流器，到上世紀八十年代的功率MOSET、GTO、GTR等自主關斷、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、更好開關性能的電力電子器件的研發，大功率裝置將不必再使用復雜的拓撲電路連接，從而能有效簡化電路和裝置，降低成本，減少發生故障的幾率。目前大部分電力電子器件都是由硅材料制成，不過近幾年還涌現出了幾種性能更優良的半導體材料，如鍺化硅、碳化硅、磷化銦、砷化鎵等，它們在未來會有更廣泛的應用。電力電子器件未來的發展會更廣泛的應用超大規模的集成電路技術，使用高遷移率、高熱電傳導性、大寬帶隙的新型半導體材料，繼續保持結構的復合型、模塊化、集成化，努力實現高容量和工作效率、低通態壓降、小驅動功率。

五、小結

綜上所述，電力電子器件雖然誕生較晚，但是發展迅速，應用廣泛，在人們生活、工業生產以及國防的各個領域都有電力電子器件的身影。雖然目前電力電子器件已經發展到較高水平，但是隨著社會的進步，時代的變遷，人們需求的日新月異，國際形勢的變幻莫測，電力電子器件的研究者仍需繼續努力，不斷提升自己的專業技能，爭取研發出更高水平的電力電子器件造福社會。

[1]雷菊芬.電力電子器件及其應用的問題和發展.現代工業經濟和信息化.2016年19期

[2]譚鑫.電力電子器件及其應用的現狀和發展.電子技術與軟件工程.2016年16期

[3]錢照明，張軍明，盛況.電力電子器件及其應用的現狀和發展.中國電機工程學報.2014年29期