極限溫度下的電力電子技術(shù)

陳應(yīng)

摘 要：隨著社會(huì)發(fā)展，發(fā)現(xiàn)電力電子學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中逐漸涌現(xiàn)，同時(shí)出現(xiàn)了各種新技術(shù)，同時(shí)還包括了在高溫條件下出現(xiàn)的新型碳化硅電力電子器件，各種器件冷卻時(shí)間相對(duì)比較短，模塊功率和散熱模塊的設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，有很多專家對(duì)低溫環(huán)境下的電力電子技術(shù)和高溫超導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)未來電力電子技術(shù)在極限溫度下的發(fā)展做出了趨勢(shì)上的研究。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；極限溫度；碳化硅

1 高低溫下的功率電路器件

從目前的角度來看，大部分電力電子設(shè)備在100攝氏度以內(nèi)進(jìn)行工作，大部分電路元件和電路結(jié)構(gòu)需要控制在一定范圍內(nèi)，當(dāng)工作溫度過高或者過低時(shí)，各個(gè)元件的特性都會(huì)出現(xiàn)新的變化，電路會(huì)出現(xiàn)新的變化，因此在討論技術(shù)之前，我們需要對(duì)電力電路中的一些器件進(jìn)行研究分析，在低溫情況下的表現(xiàn)給出相應(yīng)分析。

從目前的角度來看，電力電子中標(biāo)志是目前最主要的器件，這些器件會(huì)受到溫度的影響，如果高頻電子電路中出現(xiàn)了MOSFET，我們可以說這種溫度系統(tǒng)相對(duì)比較正常，如果器件溫度越高，電阻通態(tài)也會(huì)隨著增加，正溫度系數(shù)能夠減少熱件中的電流，導(dǎo)致電流會(huì)以低溫的形式流向各個(gè)器件當(dāng)中，避免由于溫度過高，導(dǎo)致器件失控，從MOSFET中能夠看出，該器件具有負(fù)溫度系數(shù)，采用并聯(lián)單位結(jié)構(gòu)，需要解決可靠性問題。

電感、變壓器是電子裝置中主要的元件。按照傳統(tǒng)角度思想來分析，大部分電磁元件體積相對(duì)較大，在元件運(yùn)行中會(huì)發(fā)熱，因此電路設(shè)計(jì)經(jīng)常出現(xiàn)短路問題，會(huì)根據(jù)散熱條件的具體情況，適當(dāng)增加繞線中的電流，電感和變壓器所產(chǎn)生的熱量也會(huì)增大。一旦磁鐵的材料溫度得到了一個(gè)提高，那么鐵磁材料會(huì)轉(zhuǎn)化成一種弱磁性物質(zhì)，可以把轉(zhuǎn)化的溫度當(dāng)做居里點(diǎn)。按照磁鐵相關(guān)理論，一旦溫度升高，超過原有的居里點(diǎn)，那么鐵磁材料磁疇在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致整個(gè)電腦完全被破壞，這個(gè)時(shí)候鐵磁物質(zhì)轉(zhuǎn)化成磁導(dǎo)，并且磁性相對(duì)較強(qiáng)，磁性會(huì)始終保持不變。所以磁性元件的設(shè)計(jì)制造顯得相對(duì)比較重要，并沒有體積過小，重量較輕耐溫高的鐵磁元件，一般新型開關(guān)器件的作用是不能夠完全表現(xiàn)出來的。很多地區(qū)或者廠家選擇使用磁性元件，是因?yàn)樵撛ぷ鳒囟纫话闱闆r下不超過100攝氏度，在極為特殊情況下可能會(huì)達(dá)到150攝氏度。為了能夠更好的提高這一溫度指標(biāo)，世界各地對(duì)該工作溫度做出了詳細(xì)研究。同時(shí)美國空軍也制處1.5kW，可以在超過300攝氏度溫度環(huán)境下運(yùn)行超過600小時(shí)時(shí)間，這完全依靠變換器中的變壓器。這種變壓器一般會(huì)采用居里溫度超過300攝氏度以上的錳新材料，經(jīng)過反復(fù)仿真，把這種變壓器投入到市場(chǎng)當(dāng)中。

2 SIC器件及其應(yīng)用

經(jīng)過最近這些年的研究，發(fā)現(xiàn)硅器件是基礎(chǔ)的電力電子技術(shù)，該元件一直不斷改進(jìn)當(dāng)中，更應(yīng)該降低通態(tài)和開關(guān)損耗，提高工作頻率和器件的集成。從目前的角度來看，硅器件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)相對(duì)比較完善，在高溫度情況下，其發(fā)展?jié)摿σ彩钟邢蕖?/p>

SIC電力電子器件的誕生主要是因?yàn)樘己凸柚g的組合，所以SIC器件會(huì)對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行10倍的擊穿，而且導(dǎo)熱性是其3倍，這讓SIC器件具有更高的性能，擊穿場(chǎng)強(qiáng)能夠幫助電力器件摻雜更多更薄，濃度更大的電子產(chǎn)物，這恰恰降低了通態(tài)電阻的性能，同時(shí)也減少了電阻的消耗，還可以提高器件工作頻率。我們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱性能夠讓SIC器件在固定溫度情況下得到比較高的開關(guān)的容量。另外，該材料的溫度最高可以達(dá)到600攝氏度。這些特定內(nèi)容都決定了SIC器件能夠在電子技術(shù)中的應(yīng)用價(jià)值，電力電子器件在發(fā)展過程中，功率頻率可以更好的反映處器件水平的研究進(jìn)展，以及使用狀態(tài)。SIC材料在很多種電子器件中都得到了明顯應(yīng)用。

3 新型冷卻和散熱技術(shù)

隨著目前電力電元容量逐漸增加，從中能看出頻率也會(huì)出現(xiàn)一定變動(dòng)，導(dǎo)致器件中的問題展現(xiàn)的比較明顯，尤其是在溫度比較高的情況下，沒有合適的散熱措施，那么很有可能會(huì)導(dǎo)致器件上出現(xiàn)了一些損傷，所以對(duì)于電路設(shè)計(jì)，合理選擇冷卻或更好的散熱方式來進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)該把潛能發(fā)到頂點(diǎn)，這是目前我們目前必須完成的任務(wù)，對(duì)于電力設(shè)備器件應(yīng)該按照傳熱學(xué)原理制作，是為了能夠更好的設(shè)計(jì)一種熱阻，盡可能的降低熱流通路，讓器件在發(fā)出熱量的時(shí)候把熱流散發(fā)出去，當(dāng)保證器件運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部溫度始終都保持在穩(wěn)定范圍內(nèi)。

按照長期的打算，可以根據(jù)空氣制冷的原理，來制定一套簡單便捷方式進(jìn)行實(shí)施，這種方法使用起來相對(duì)比較廣泛，如果仔細(xì)觀察冷卻形式，能夠看出空氣冷卻是一種自冷的方式，自冷式制定可以當(dāng)做是假裝散熱的一種簡單方式，即使散熱效率比較低，同時(shí)具有簡單的結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性的處理，一般比較適合20A以下器件或者簡單的裝置作為電流的器件，同時(shí)可以采用備風(fēng)機(jī)作為主要的散熱裝置，這種電流裝置能夠承載大量容量，操作起來比較復(fù)雜，噪聲比較大，在維護(hù)的過程中已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了電流的流動(dòng)。

在高溫的情況下，電力電子裝置由于散熱條件影響，導(dǎo)致電力出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，會(huì)影響到裝置的運(yùn)行，甚至?xí)茐难b置，在我們仔細(xì)研究中，發(fā)現(xiàn)在溫度較低的環(huán)境下，功率開關(guān)器件會(huì)影響到通態(tài)阻的運(yùn)行，那么開關(guān)損耗也會(huì)出現(xiàn)減少，低溫更有利于熱量的散發(fā)，所以整個(gè)裝置效率會(huì)受到嚴(yán)重影響，目前高溫超導(dǎo)體是低溫領(lǐng)域中比較常用的材料，低溫環(huán)境下低溫電子裝置具有特殊性。

按照目前的情況來看，電力技術(shù)已經(jīng)逐漸延伸到各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，很多低溫場(chǎng)所中能夠看到電力技術(shù)的身影，例如海洋中的地質(zhì)考核，需要對(duì)生物種群進(jìn)行研究，需要對(duì)石油勘探。這些工作環(huán)境一般會(huì)維持在零下80度到0度之間。有些工作場(chǎng)合電力電子設(shè)備各種科學(xué)考察儀器，在這種低溫情況下散熱相對(duì)比較好。

4 結(jié)束語

本文主要用三方面對(duì)極限溫度下的電力技術(shù)進(jìn)行全面分析，總的來說，電力技術(shù)所設(shè)計(jì)到的領(lǐng)域相對(duì)比較廣泛，在這里我們只能簡單的說出一些所涉及到的內(nèi)容，目前開始向高海拔以及外太空進(jìn)行拓展。在這種極端的環(huán)境下，高溫和低溫會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。所以為了進(jìn)一步拓展人類生存空間，我們需要了解功率器件，對(duì)電力電子電路和控制方法進(jìn)行全面研究。

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