淺談電力電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域

【摘要】電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是利用電力電子器件實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模電能變換的技術(shù)，有時也稱為功率電子技術(shù)。一般情況下，它是將一種形式的工業(yè)電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的工業(yè)電能。

【關(guān)鍵詞】電力電子技術(shù)；發(fā)展；應(yīng)用領(lǐng)域

一、概述

電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管和晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的，為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，體積減小，常常把若干個電力電子器件及必要的輔助器件做成模塊的形式，后來又把驅(qū)動，控制，保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC）。目前PIC的功率都還較小但這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。

二、電力電子技術(shù)的發(fā)展

隨著電力半導(dǎo)體制造技求、徽電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，以及控制理論的不斷進(jìn)步，電力電子技求向著大功率、高頻化及智能化方向發(fā)展，應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)⒏訌V闊。

1.整流器時代。整流器是一個整流裝置，簡單的說就是將交流（AC）轉(zhuǎn)化為直流（DC）的裝置。其中最典型的是電解、牽引和直流傳動三大領(lǐng)域，大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，因此在六七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得到很大發(fā)展。

2.逆變器時代。是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉(zhuǎn)變成交流電（一般為220V，50Hz正弦波）。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。上世紀(jì)七十到八十年代隨著變頻調(diào)速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管（GTR）和門極可關(guān)斷晶閘管（GT0）成為當(dāng)時電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出，靜止式無功功率動態(tài)補(bǔ)償?shù)取＿@時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在中低頻范圍內(nèi)。

3.變頻器時代。是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備。80年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世，導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣門極雙極晶體管（IGBT）的出現(xiàn)，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機(jī)遇。

三、現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用

1.計(jì)算機(jī)高效率綠色電源。綠色電腦就是一種安全、節(jié)能型電腦，綠色是一種環(huán)保稱謂，其實(shí)質(zhì)是將耗電量、原材料以及對健康和環(huán)境的危害力爭減少到最低限度。綠色電源技術(shù)是業(yè)界探討極為廣泛的話題。隨著“綠色電源”概念伴隨“智能電網(wǎng)”一起涌現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)此概念涵蓋的范疇已經(jīng)不僅是功耗。實(shí)際上它是設(shè)計(jì)社群與最終用戶的一種觀念變更。就最基本的層面而言，“綠色”表示高能效。

2.通信用高頻開關(guān)電源。通信用高頻開關(guān)電源就是用通過電路控制開關(guān)管進(jìn)行高速的導(dǎo)通與截止，將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓，轉(zhuǎn)化為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比50Hz高很多，所以開關(guān)變壓器可以做的很小，而且工作時不是很熱。

3.直流-直流（DC/DC）變換器。DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。

4.不間斷電源（UPS）。不間斷電源（即UPS），是將蓄電池（多為鉛酸免維護(hù)蓄電池）與主機(jī)相連接，通過主機(jī)逆變器等模塊電路將直流電轉(zhuǎn)換成市電的系統(tǒng)設(shè)備。主要用于給單臺計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備提供穩(wěn)定、不間斷的電力供應(yīng)。當(dāng)市電輸入正常時，UPS將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時的UPS就是一臺交流市電穩(wěn)壓器，同時它還向機(jī)內(nèi)電池充電；當(dāng)市電中斷（事故停電）時，UPS 立即將電池的直流電能，通過逆變零切換轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)220V交流電，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。UPS 設(shè)備通常對電壓過高或電壓過低都能提供保護(hù)。

5.變頻電源。變頻電源是將市電中的交流電經(jīng)過AC→DC→AC變換，輸出為純凈的正弦波，輸出頻率和電壓一定范圍內(nèi)可調(diào)。它有別于用于電機(jī)調(diào)速用的變頻調(diào)速控制器，也有別于普通交流穩(wěn)壓電源。理想的交流電源的特點(diǎn)是頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、內(nèi)阻等于零、電壓波形為純正弦波（無失真）。變頻電源十分接近于理想交流電源，因此，先進(jìn)發(fā)達(dá)國家越來越多地將變頻電源用作標(biāo)準(zhǔn)供電電源，以便為用電器提供最優(yōu)良的供電環(huán)境，便于客觀考核用電器的技術(shù)性能。變頻電源主要有二大種類：線性放大型和SPWM開關(guān)型。

6.高頻逆變式整流焊機(jī)電源。高頻逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機(jī)電源，代表了當(dāng)今焊機(jī)電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化，這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。

7.大功率開關(guān)型高壓直流電源。上世紀(jì)80年代，高頻開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制，市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?，采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓，然后由高頻變壓器升壓，最后整流為直流高壓。

8.電力有源濾波器。電力有源濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Σ煌笮『皖l率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，之所以稱為有源，是相對于無源LC濾波器，只能被動吸收固定頻率與大小的諧波而言，APF可以通過采樣負(fù)載電流并進(jìn)行各次諧波和無功的分離，控制并主動輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應(yīng)，抵銷負(fù)載中相應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無功和不平衡。

9.分布式開關(guān)電源供電系統(tǒng)。分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。已被大型計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納，也是超高速型集成電路的低電壓電源（3.3V）的最為理想的供電方式。

四、電力電子設(shè)備和系統(tǒng)發(fā)展趨勢

1.在未來一段時間內(nèi)，以各種電力半導(dǎo)體器件為主功率器件的電力電子設(shè)備和系統(tǒng)將展開競爭且共同發(fā)展。晶閘管及其派生器件仍將壟斷特大功率領(lǐng)域。

2.以IGBT為主功率器件的整流器和逆變器可提高效率、減小噪聲，減輕設(shè)備的重量、減少體積，將廣泛應(yīng)用于工業(yè)（電機(jī)變頻、電焊機(jī)，工業(yè)加熱，電鍍電源、貯能裝置等）、家用電器（電磁爐，商用電磁爐，變頻空調(diào)，變頻冰箱等）和新能源等方面（風(fēng)力發(fā)電，光伏發(fā)電、電動汽車等）等。

3.以IGCT為主功率器件的電力電子設(shè)備和系統(tǒng)將有可能逐步取代晶閘管。

4.以MOSFET為主功率器件的電力電子設(shè)備和系統(tǒng)將在中低功率領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。

5.諧振變流器技術(shù)將廣泛應(yīng)用，新的控制技術(shù)及手段將在電力電子設(shè)備和系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，并進(jìn)一步提高電力電子設(shè)備和系統(tǒng)的性能和檔次。

6.電力電子設(shè)備和系統(tǒng)中的電磁干擾（EMI）控制、PWM傳動系統(tǒng)中的軸電流和軸電壓等難題將取得突破性進(jìn)展。

7.未來電力電子設(shè)備和系統(tǒng)的應(yīng)用熱點(diǎn)是：變頻調(diào)速、智能電網(wǎng)、汽車電子、信息和辦公自動化、家用特種電源、牽引用特種電源、新能源、太陽能、風(fēng)能及燃料電源等。