電力電子技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng )新

1概述��

自本世紀五十年代未第一只晶閘管問(wèn)世以來(lái)，電力電子技術(shù)開(kāi)始登上現代電氣傳動(dòng)技術(shù)舞臺 ，以此為基礎開(kāi)發(fā)的可控硅整流裝置，是電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的一次革命，使電能的變換和控制從 旋轉變流機組和靜止離子變流器進(jìn)入由電力電子器件構成的變流器時(shí)代，這標志著(zhù)電力電子 的誕生。進(jìn)入70年代晶閘管開(kāi)始形成由低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(chēng)為第一代電力電子器件。隨著(zhù)電力電子技術(shù)理論研究 和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容易和類(lèi)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MOSFET等自關(guān)斷全控型第二代電力電子器 件。而以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的第三代電力電子器件，開(kāi)始向大容易高頻率、響 應快、低損耗方向發(fā)展。而進(jìn)入90年代電力電子器件正朝著(zhù)復臺化、標準模塊化、智能化、 功率集成的方向發(fā)展，以此為基礎形成一條以電力電子技術(shù)理論研究，器件開(kāi)發(fā)研制，應用 滲透性，在國際上電力電子技術(shù)是競爭最激烈的高新技術(shù)領(lǐng)域。��

2電力電子器發(fā)展回顧��

整流管是電力電子器件中結構最簡(jiǎn)單，應用最廣泛的一種器件。目前已形成普通型，快恢復 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(gè)工業(yè)用普通晶閘管開(kāi)始，其結構的改進(jìn)和工藝的改革為新器件開(kāi)發(fā)研制奠定了基礎，在以后的十年間開(kāi)發(fā)研制出雙向，逆變、逆導、非對稱(chēng)晶閘管，至今晶閘管系列產(chǎn)品仍有較為廣泛的市場(chǎng)。��多用表| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量?jì)x| 光度計| 電壓計| 電流計|

1964年在美國第一次試制成功了0.5kV/0.01kA的可關(guān)斷的GTO至今，目前以達到9kV/0.25kA/0.8kHz的可關(guān)斷的GTO至今，目前以達到9kV/2.5kA/0.8kHZ及6kV/6kA/1kHZ的水平，在當前各種自關(guān)斷器件中GTO容量量最大，但其工作頻率最低，但其在大功率電力牽引驅動(dòng)中有明顯的優(yōu)勢，因此它在中壓、大客量領(lǐng)域中占有一席之地。70年代研制出GTR系列產(chǎn)品，其額定值已達1.8kV/0.8kA/2kHZ， 0.6kV/0.003kA/100kHZ，它具有組成的電路靈活成熟，開(kāi)關(guān)損耗小、開(kāi)關(guān)時(shí)間短等特點(diǎn)，在中等容量、中等頻率的電路中應用廣泛，而作為高性能，大容量的第三代絕緣柵型雙極性晶體管IGBT，因其具有電壓型控制，輸入阻抗大、驅動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)損耗低及工作頻率高等特點(diǎn)，其有著(zhù)廣闊的發(fā)展前景。而IGCT是最近發(fā)展起來(lái)的新型器件，它是在GTO基礎上發(fā)展起來(lái)的器件，稱(chēng)為集成門(mén)極換流晶閘管，也有人稱(chēng)之為發(fā)射極關(guān)斷晶閘管，它的瞬時(shí)開(kāi)關(guān)頻率可達20kHZ，關(guān)斷時(shí)間為1μs，dildt 4kA/ms，du/dt10-20kV/ms，交流阻斷電壓6kV��，直流阻斷電壓3.9kV��，開(kāi)關(guān)時(shí)間<2ks，導通壓降3600A時(shí)，2.8V，開(kāi)關(guān)頻率>1000Hz。

3電力電子器件發(fā)展趨勢��

進(jìn)入90年代電力電子器件的研究和開(kāi)發(fā)，已進(jìn)入高頻化，標準模塊化，集成化和智能時(shí)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(shuō)， 當我們將50Hz的標準二頻大幅的提高之后，使用這樣工頻的電氣設備的體積與重量就能大大縮小，使電氣設備制造節約材料，運行時(shí)節電就更加明顯，設備的系統性能亦大為改善，尤其是對航天工業(yè)其意義十分深遠的。故電力電子器件的高頻化是今后電力電子技術(shù)創(chuàng )新的主導方向，而硬件結構的標準模塊是器件發(fā)展的必然趨勢，目前先進(jìn)的模塊，已經(jīng)包括開(kāi)關(guān)元件和與其反向并聯(lián)的續流二極管在內及驅動(dòng)保護電路多個(gè)單元，并都以標準化和生產(chǎn)出系列產(chǎn)品，并且可以在一致性與可靠性上達到極高的水平。目前世界上許多大公司已開(kāi)發(fā)出IPM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：��

3.1 它內部集成了功率芯片，檢測電路及驅動(dòng)電路，使主電路的結構為最簡(jiǎn)。

3.2 其功率芯片采用的是開(kāi)關(guān)速度高，驅動(dòng)電流小的IGBT，且自帶電流傳感器，可以高效地檢測出過(guò)電流和短路電流，給功率芯片以安全的保護。��

3.3 在內部配線(xiàn)上將電源電路和驅動(dòng)電路的配線(xiàn)長(cháng)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(dòng)作等問(wèn)題。��

3.4 自帶可靠的安全保護措施，當故障發(fā)生時(shí)能及時(shí)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，以保證其運行的可靠性。

4  電力電子技術(shù)創(chuàng )新��

98年未朱基總理明確指示，今后必須加快國家創(chuàng )新體系的建設，因此可以肯定的說(shuō)，在21世紀初國家發(fā)展中，技術(shù)創(chuàng )新將要變成企業(yè)工作的主導內容，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 )新機制，通過(guò)電力電子技術(shù)長(cháng)足進(jìn)步推動(dòng)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 )新表現十分突出，生命力格外旺盛，處于陽(yáng)光產(chǎn)業(yè)地位，并與其它學(xué)科相互融 合和發(fā)展產(chǎn)生新的機遇，而電力電子技術(shù)還有其自身一些獨具特色的地方，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，而電力電子器件工作的可靠性是其極其重要的一個(gè)技術(shù)指標。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(zhù)極強的滲透性。因此電力電子技術(shù)與國家的基礎產(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世紀會(huì )顯得越來(lái)越強烈。電力電子技術(shù)又稱(chēng)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世紀可持續發(fā)展戰略綱領(lǐng)的重要組成部分。在21世紀初加快現代電力電子 化轉化的力度，必將形成一條朝陽(yáng)的高科技產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)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(dòng)化控制和機電一體 化領(lǐng)域競爭最激烈的陣地，各發(fā)達國家均在這一領(lǐng)域注入極大的人力，物力和財力，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(shuō)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(kāi)發(fā)完善，促進(jìn)電力電 子技術(shù)向著(zhù)高頻化邁進(jìn)，實(shí)現用電設備的高效節能，為真正實(shí)現工控設備的小型化，輕量化 ，智能化奠定了重要的技術(shù)基礎，也為21世紀電力電子技術(shù)的不斷拓展創(chuàng )新描繪了廣闊的前景。我國開(kāi)發(fā)研制電力電子器件的綜合技術(shù)能力與國外發(fā)達國家相比，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(kāi)發(fā)選擇及電路結構變換上創(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)引導創(chuàng )新，從新材料科學(xué)的應用上創(chuàng )新，以此推動(dòng)電力電子器制造工藝的技術(shù)創(chuàng )新，提高器件的可靠性。由此形成基礎積累型的 創(chuàng )新之路。并要把技術(shù)創(chuàng )新與產(chǎn)品應用及市場(chǎng)推廣有機結合，已加快科技創(chuàng )新的自我強化的 循環(huán)，促進(jìn)和帶動(dòng)技術(shù)創(chuàng )新有著(zhù)穩定的基礎，以使我國電力電子技術(shù)及器件制造工藝技術(shù)有以長(cháng)足的發(fā)展，并形成一個(gè)全新的圾陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，轉化為巨大的生產(chǎn)力，推動(dòng)我國工業(yè)領(lǐng)域由粗 板型經(jīng)營(yíng)走向集型，促進(jìn)國民經(jīng)濟以高速、高度、可持續發(fā)展。