電力電子器件及其應用的現狀和發展

◎李楊

電力電子器件及其應用的現狀和發展

◎李楊

隨著經濟的不斷發展與進步，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成為大勢所趨，對于我國的經濟發展起到非常重要的影響，使用的范圍也在不斷的進行延伸，各個行業對其的依賴逐漸的提升。但是我國電力電子器件在發展的過程中任然存在一些問題，在技術進步方面存在一些不足，因此需要對技術進行更加科學的管理和創新，從而更好地實現電力電子器件的進步，提升技術適用范圍，促進技術的全面發展。本文主要針對電力電子器件以及應用的現狀和發展進行全面的分析。

電力電子器件應用裝置在各個行業的使用已經存在較長時間，例如在能源、交通、環境、激光、航母等現代化的裝備中，使用范圍非常的廣泛，因此電力電子器件的使用和發展與我國軍事科技的進步存在著必然的聯系。上世紀八十年代以來，我國電子技術得到快速發展的基礎上，信息電子技術和電力電子技術的進步，可以進一步提升電能的安全、高效運行，使得各個行業的使用得到更加規范化的處理，整體實現管理技術的創新與發展。可見電力電子器件技術的發展進步對技術的使用帶來的影響是非常大的，可以整體的提升各個行業的科技化水平。

電力電子器件發展現狀

隨著經濟的發展與科技的進步，我國的電力電子器件的發展速度也越來越快，特別是第二次世界大戰之后，該技術的發展得到全面的推廣和創新，在技術領域也獲得了明顯的技術優勢，具體來講電子技術分為信息電子技術和電力電子技術，信息電子技術大家較為熟悉，經常使用到現代化的信息通訊設備中，為通訊技術的進步提供非常大的便利，而電力電子技則是較多的應用到電能的傳輸、處理和存儲控制中，對于各個行業得發展同樣非常重要。

我國電力電子器件的成績有目共睹，現今在我國的一些大型機械設備中都使用電力電子器件作為電力輸送的基礎設備，提升設備運行中的運行安全，使得經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新，使得技術能力得到進一步的提升。

電力電子器件的應用現狀

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)。在技術上，因為晶閘管是通過光觸發的，因此可以更好地實現串聯連接，提升整體功率。為了阻斷13kV電壓，在進行實際設計對技術進行一定的創新，采用晶閘管與二極管進行串聯的方式，這樣可以將13kV二極管的反向功能進行全面的恢復，使得技術得到更好的改善，但是這種設計在實際使用中造成器件無法實現自我斷電，需要依靠電路自身的電流置零，因此關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的也較早，在企業中也得到一定的推廣，并且在種類上也非常的齊全，質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了產業化的管理和控制，并實現了高壓直流輸電和無功補償等領域的進步，為今后高電壓和大電流的應用提供條件。

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和并聯。目前來講我國在進行該設備的制造中，技術已經達到較好的水平，電壓可以達到9kV/6kA的研制水平，并在市場上進行供應，使得其具有非常廣泛的發展前景。該器件如果使用到串聯設備中，就可以對逆變器功率進行擴展，范圍可以到達100MVA，從而實現高功率高電壓低頻變流器的技術革新，成為優選器件，在使用中可以克服GTO在實際使用中的門極驅動問題，但是在實際使用中因為包含大量驅動用儲能電容器，需耗費較高的功，使得系統總效率較低。

IGBT器件。這種器件最早出現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驅動，并且耗費的功率較少，因此在使用中成本較低。實際構造中該器件內包含較多芯片，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，提升設備安全可靠性。

IGBT器件在使用中的優勢顯而易見，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造成設備的損耗進一步增加，容易出現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兩者的優勢，可以在使用過程中實現低飽和降壓，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構，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展提供更加全面的技術保證，目前該技術已經在商業領域得到全面的應用，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局限性，并且隨著高壓氧化硅器件的溫室，技術得到進一步推廣，已經出現了19.5KV的氧化硅二極管，并且在市場上得到更加全面的推廣，在質量和技術上得到認可。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動方面存在一些不足，需要技術進步的發展。

電力電子器件應用中存在的問題

創新能力不足。電子技術的更新換代速度非常快，但是在實際研發工作中我國自主研發能力存在嚴重不足，電子技術的發展與市場需求之間存在脫節的情況，造成電力電子器件的應用存在一些問題，發展創新無法與市場吻合，導致研發的產品市場競爭力存在嚴重的問題。

材料資金方面存在問題。電力電子技術的發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。

電力電子器件應用創新

實現多學科滲透。電力電子器件的創新難度在高電壓功率，技術的綜合難度較大，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，對各個工業領域進行一定的滲透，加強過國家基礎產業之間的聯系，對國家發展的各項方針政策以及產業政策進行結合，從而實現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支持，形成產業鏈效應，推動電力電子器件技術進步。

產、學、研結合。我國進行電力電氣器件的研究需要結合國情，認真分析與發達國家之間的差距，將產、學、研結合整體結合起來，重視整體創新能力的培養，通過交叉學科之間的相互滲透，從器件開發選擇和電路結構方面進行創新，將新型材料使用其中，從而全面的推動技術的創新，并加快技術基礎知識的循環，以使我國電力電子技術及器件制造工藝技術有以長足的發展，并形成一個全新的朝陽產業，轉化為巨大的生產力，推動我國工業領域由粗放型經營走向集約型，促進技術的整體進步。

電力電子器件在我國各個行業的使用得到推廣，重要性逐漸的凸顯出來，因此需要不斷地對技術進行創新，對現階段出現的技術以及存在的問題進行分析，找出其中的缺陷，對技術進行完善，從而實現技術的整體進步，保證電力電子器件的使用質量，推動電力電子器制造工藝的技術進步，提高器件的可靠性，實現技術發展。

（作者單位：海南工商職業學院）