電力電子器件及其應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展

◎李楊

電力電子器件及其應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展

◎李楊

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展與進步，對于我國軍事科技各個方面來講電力電子器件的使用已經(jīng)成為大勢所趨，對于我國的經(jīng)濟發(fā)展起到非常重要的影響，使用的范圍也在不斷的進行延伸，各個行業(yè)對其的依賴逐漸的提升。但是我國電力電子器件在發(fā)展的過程中任然存在一些問題，在技術(shù)進步方面存在一些不足，因此需要對技術(shù)進行更加科學的管理和創(chuàng)新，從而更好地實現(xiàn)電力電子器件的進步，提升技術(shù)適用范圍，促進技術(shù)的全面發(fā)展。本文主要針對電力電子器件以及應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展進行全面的分析。

電力電子器件應(yīng)用裝置在各個行業(yè)的使用已經(jīng)存在較長時間，例如在能源、交通、環(huán)境、激光、航母等現(xiàn)代化的裝備中，使用范圍非常的廣泛，因此電力電子器件的使用和發(fā)展與我國軍事科技的進步存在著必然的聯(lián)系。上世紀八十年代以來，我國電子技術(shù)得到快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的進步，可以進一步提升電能的安全、高效運行，使得各個行業(yè)的使用得到更加規(guī)范化的處理，整體實現(xiàn)管理技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展?？梢婋娏﹄娮悠骷夹g(shù)的發(fā)展進步對技術(shù)的使用帶來的影響是非常大的，可以整體的提升各個行業(yè)的科技化水平。

電力電子器件發(fā)展現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟的發(fā)展與科技的進步，我國的電力電子器件的發(fā)展速度也越來越快，特別是第二次世界大戰(zhàn)之后，該技術(shù)的發(fā)展得到全面的推廣和創(chuàng)新，在技術(shù)領(lǐng)域也獲得了明顯的技術(shù)優(yōu)勢，具體來講電子技術(shù)分為信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)，信息電子技術(shù)大家較為熟悉，經(jīng)常使用到現(xiàn)代化的信息通訊設(shè)備中，為通訊技術(shù)的進步提供非常大的便利，而電力電子技則是較多的應(yīng)用到電能的傳輸、處理和存儲控制中，對于各個行業(yè)得發(fā)展同樣非常重要。

我國電力電子器件的成績有目共睹，現(xiàn)今在我國的一些大型機械設(shè)備中都使用電力電子器件作為電力輸送的基礎(chǔ)設(shè)備，提升設(shè)備運行中的運行安全，使得經(jīng)濟效益得到全面的提升。但是在使用過程中也存在一些問題，影響電力電子器件的應(yīng)用普及和推廣，因此需要對這些問題進行更加全面的管理和創(chuàng)新，使得技術(shù)能力得到進一步的提升。

電力電子器件的應(yīng)用現(xiàn)狀

超大功率晶閘管。晶閘管是電力電子器件中的重要組成部分，并且隨著使用要求的提升，功率容量也不斷的擴大，最高功率等級達到(12kV，6kA)。在技術(shù)上，因為晶閘管是通過光觸發(fā)的，因此可以更好地實現(xiàn)串聯(lián)連接，提升整體功率。為了阻斷13kV電壓，在進行實際設(shè)計對技術(shù)進行一定的創(chuàng)新，采用晶閘管與二極管進行串聯(lián)的方式，這樣可以將13kV二極管的反向功能進行全面的恢復，使得技術(shù)得到更好的改善，但是這種設(shè)計在實際使用中造成器件無法實現(xiàn)自我斷電，需要依靠電路自身的電流置零，因此關(guān)閉時需要浪費一定的無功功率。

我國對于晶閘管的研究出現(xiàn)的也較早，在企業(yè)中也得到一定的推廣，并且在種類上也非常的齊全，質(zhì)量控制方面也得到完善，整體水平較高。例如我國在5英寸7200V/3000A和6英寸8588V/(4000-4750A)電控晶閘管方面實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化的管理和控制，并實現(xiàn)了高壓直流輸電和無功補償?shù)阮I(lǐng)域的進步，為今后高電壓和大電流的應(yīng)用提供條件。

新型GTO器件。這種器件是集成門極換流晶體管，這種晶閘管的使用可以進一步提升器件的整體工作效率，與常規(guī)的晶閘管相比較，這種類型的晶閘管在使用中的能耗更低，開關(guān)的速度非常迅速，并且安全性較高，可以更加緊湊、可靠、高效地進行器件的制造，并且成本較低，不需要在實際使用中進行串聯(lián)和并聯(lián)。目前來講我國在進行該設(shè)備的制造中，技術(shù)已經(jīng)達到較好的水平，電壓可以達到9kV/6kA的研制水平，并在市場上進行供應(yīng)，使得其具有非常廣泛的發(fā)展前景。該器件如果使用到串聯(lián)設(shè)備中，就可以對逆變器功率進行擴展，范圍可以到達100MVA，從而實現(xiàn)高功率高電壓低頻變流器的技術(shù)革新，成為優(yōu)選器件，在使用中可以克服GTO在實際使用中的門極驅(qū)動問題，但是在實際使用中因為包含大量驅(qū)動用儲能電容器，需耗費較高的功，使得系統(tǒng)總效率較低。

IGBT器件。這種器件最早出現(xiàn)在十九世紀八十年代，屬于絕緣門極雙極型晶體管，自使用以來就在電力電子器件中占據(jù)重要地位，并且10-100kH中壓中使用較為廣泛，該器件在使用中需要通過開通和管段可以通過門極進行工作比較容易實現(xiàn)驅(qū)動，并且耗費的功率較少，因此在使用中成本較低。實際構(gòu)造中該器件內(nèi)包含較多芯片，一個典型的3300V/1200AIGBT 模塊中就具有60塊 IGBT裸芯片和超過 450根連線，將其并聯(lián)在固定的襯底上可以更好地保證器件具有較好的導熱和絕緣效果，更加容易安裝到散熱器中。但是這種方式在封裝上存在一些問題，采用單面冷取的方式會造成器件在安裝過程中的損毀情況，因此需要研究雙面冷卻技術(shù)，提升設(shè)備安全可靠性。

IGBT器件在使用中的優(yōu)勢顯而易見，可以更加安全的對整體電路進行保持，但是其中也存在一些缺陷，畢竟這種高的導通性質(zhì)造成設(shè)備的損耗進一步增加，容易出現(xiàn)器件的損毀和開路的情況，對器件的使用存在一定的制約。

電子注入增強柵晶體管與氧化硅器件。這種晶體管包含了IGBT和GTO兩者的優(yōu)勢，可以在使用過程中實現(xiàn)低飽和降壓，將器件的工作頻率進行提升，并且在實際工作中該器件采用的是平安壓接式電極引出結(jié)構(gòu)，因此在散熱方面的性能較好，進一步減少器件在使用中的損耗。

氧化硅材料在使用中具有自身明顯的優(yōu)勢，可以更高地擊穿電場強度，并且最高溫度可以達到600℃，這些特性的使用可以為器件得發(fā)展提供更加全面的技術(shù)保證，目前該技術(shù)已經(jīng)在商業(yè)領(lǐng)域得到全面的應(yīng)用，并且取得的成績也非常令人矚目，通過自身具有高壓的特性，突破硅基功率半導體器件電壓和溫度限制所導致的嚴重系統(tǒng)局限性，并且隨著高壓氧化硅器件的溫室，技術(shù)得到進一步推廣，已經(jīng)出現(xiàn)了19.5KV的氧化硅二極管，并且在市場上得到更加全面的推廣，在質(zhì)量和技術(shù)上得到認可。但是目前氧化硅晶體還存在一些缺陷，在電壓使用范圍和中壓驅(qū)動方面存在一些不足，需要技術(shù)進步的發(fā)展。

電力電子器件應(yīng)用中存在的問題

創(chuàng)新能力不足。電子技術(shù)的更新?lián)Q代速度非?？欤窃趯嶋H研發(fā)工作中我國自主研發(fā)能力存在嚴重不足，電子技術(shù)的發(fā)展與市場需求之間存在脫節(jié)的情況，造成電力電子器件的應(yīng)用存在一些問題，發(fā)展創(chuàng)新無法與市場吻合，導致研發(fā)的產(chǎn)品市場競爭力存在嚴重的問題。

材料資金方面存在問題。電力電子技術(shù)的發(fā)展速度之所以受到限制首先是原材料方面存在問題，新型的原材料在使用之前需要進行大量的實驗，對材料的性能進行全面的檢查，還需要進行更加科學的測試，這樣的過程需要耗費大量的時間和資金，對技術(shù)的要求較高，在實際操作中存在困難。其次在進行研究的過程中，資金、時間和人力方面存在嚴重的不足，造成實際研究停滯不前，影響電力電子器件的進步。

電力電子器件應(yīng)用創(chuàng)新

實現(xiàn)多學科滲透。電力電子器件的創(chuàng)新難度在高電壓功率，技術(shù)的綜合難度較大，在材料和制造工藝上存在一些問題，因此可以采用多學科相互滲透的方式，對各個工業(yè)領(lǐng)域進行一定的滲透，加強過國家基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之間的聯(lián)系，對國家發(fā)展的各項方針政策以及產(chǎn)業(yè)政策進行結(jié)合，從而實現(xiàn)研究中各項能力的進步，為項目研究獲得更多的資金和技術(shù)支持，形成產(chǎn)業(yè)鏈效應(yīng)，推動電力電子器件技術(shù)進步。

產(chǎn)、學、研結(jié)合。我國進行電力電氣器件的研究需要結(jié)合國情，認真分析與發(fā)達國家之間的差距，將產(chǎn)、學、研結(jié)合整體結(jié)合起來，重視整體創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，通過交叉學科之間的相互滲透，從器件開發(fā)選擇和電路結(jié)構(gòu)方面進行創(chuàng)新，將新型材料使用其中，從而全面的推動技術(shù)的創(chuàng)新，并加快技術(shù)基礎(chǔ)知識的循環(huán)，以使我國電力電子技術(shù)及器件制造工藝技術(shù)有以長足的發(fā)展，并形成一個全新的朝陽產(chǎn)業(yè)，轉(zhuǎn)化為巨大的生產(chǎn)力，推動我國工業(yè)領(lǐng)域由粗放型經(jīng)營走向集約型，促進技術(shù)的整體進步。

電力電子器件在我國各個行業(yè)的使用得到推廣，重要性逐漸的凸顯出來，因此需要不斷地對技術(shù)進行創(chuàng)新，對現(xiàn)階段出現(xiàn)的技術(shù)以及存在的問題進行分析，找出其中的缺陷，對技術(shù)進行完善，從而實現(xiàn)技術(shù)的整體進步，保證電力電子器件的使用質(zhì)量，推動電力電子器制造工藝的技術(shù)進步，提高器件的可靠性，實現(xiàn)技術(shù)發(fā)展。

（作者單位：海南工商職業(yè)學院）