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(jì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)于我國(guó)軍事科技各個(gè)方面來(lái)講電力電子器件的使用已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到非常重要的影響，使用的范圍也在不斷的進(jìn)行延伸，各個(gè)行業(yè)對(duì)其的依賴逐漸的提升。但是我國(guó)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(jìn)步方面存在一些不足，因此需要對(duì)技術(shù)進(jìn)行更加科學(xué)的管理和創(chuàng)新，從而更好地實(shí)現(xiàn)電力電子器件的進(jìn)步，提升技術(shù)適用范圍，促進(jìn)技術(shù)的全面發(fā)展。本文主要針對(duì)電力電子器件以及應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行全面的分析。

電力電子器件應(yīng)用裝置在各個(gè)行業(yè)的使用已經(jīng)存在較長(zhǎng)時(shí)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(guó)軍事科技的進(jìn)步存在著必然的聯(lián)系。上世紀(jì)八十年代以來(lái)，我國(guó)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(jìn)步，可以進(jìn)一步提升電能的安全、高效運(yùn)行，使得各個(gè)行業(yè)的使用得到更加規(guī)范化的處理，整體實(shí)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(jìn)步對(duì)技術(shù)的使用帶來(lái)的影響是非常大的，可以整體的提升各個(gè)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(jì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，我國(guó)的電力電子器件的發(fā)展速度也越來(lái)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(shì)，具體來(lái)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(jìn)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(chǔ)控制中，對(duì)于各個(gè)行業(yè)得發(fā)展同樣非常重要。

我國(guó)電力電子器件的成績(jī)有目共睹，現(xiàn)今在我國(guó)的一些大型機(jī)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(yùn)行中的運(yùn)行安全，使得經(jīng)濟(jì)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(duì)這些問題進(jìn)行更加全面的管理和創(chuàng)新，使得技術(shù)能力得到進(jìn)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(kuò)大，最高功率等級(jí)達(dá)到(12kV，6kA)。在技術(shù)上，因?yàn)榫чl管是通過光觸發(fā)的，因此可以更好地實(shí)現(xiàn)串聯(lián)連接，提升整體功率。為了阻斷13kV電壓，在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)對(duì)技術(shù)進(jìn)行一定的創(chuàng)新，采用晶閘管與二極管進(jìn)行串聯(lián)的方式，這樣可以將13kV二極管的反向功能進(jìn)行全面的恢復(fù)，使得技術(shù)得到更好的改善，但是這種設(shè)計(jì)在實(shí)際使用中造成器件無(wú)法實(shí)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(shí)需要浪費(fèi)一定的無(wú)功功率。

我國(guó)對(duì)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(guó)在5英寸7200V/3000A和6英寸8588V/(4000-4750A)電控晶閘管方面實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化的管理和控制，并實(shí)現(xiàn)了高壓直流輸電和無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域的進(jìn)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(jìn)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(jìn)行器件的制造，并且成本較低，不需要在實(shí)際使用中進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)。目前來(lái)講我國(guó)在進(jìn)行該設(shè)備的制造中，技術(shù)已經(jīng)達(dá)到較好的水平，電壓可以達(dá)到9kV/6kA的研制水平，并在市場(chǎng)上進(jìn)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(duì)逆變器功率進(jìn)行擴(kuò)展，范圍可以到達(dá)100MVA，從而實(shí)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(shí)際使用中的門極驅(qū)動(dòng)問題，但是在實(shí)際使用中因?yàn)榘罅框?qū)動(dòng)用儲(chǔ)能電容器，需耗費(fèi)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(jì)八十年代，屬于絕緣門極雙極型晶體管，自使用以來(lái)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(jìn)行工作比較容易實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，并且耗費(fèi)的功率較少，因此在使用中成本較低。實(shí)際構(gòu)造中該器件內(nèi)包含較多芯片，一個(gè)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(dǎo)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(huì)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(shì)顯而易見，可以更加安全的對(duì)整體電路進(jìn)行保持，但是其中也存在一些缺陷，畢竟這種高的導(dǎo)通性質(zhì)造成設(shè)備的損耗進(jìn)一步增加，容易出現(xiàn)器件的損毀和開路的情況，對(duì)器件的使用存在一定的制約。

電子注入增強(qiáng)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(shì)，可以在使用過程中實(shí)現(xiàn)低飽和降壓，將器件的工作頻率進(jìn)行提升，并且在實(shí)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(jìn)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(shì)，可以更高地?fù)舸╇妶?chǎng)強(qiáng)度，并且最高溫度可以達(dá)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(jī)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(dǎo)體器件電壓和溫度限制所導(dǎo)致的嚴(yán)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(jìn)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(chǎng)上得到更加全面的推廣，在質(zhì)量和技術(shù)上得到認(rèn)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(dòng)方面存在一些不足，需要技術(shù)進(jìn)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?？?，但是在實(shí)際研發(fā)工作中我國(guó)自主研發(fā)能力存在嚴(yán)重不足，電子技術(shù)的發(fā)展與市場(chǎng)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(wú)法與市場(chǎng)吻合，導(dǎo)致研發(fā)的產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力存在嚴(yán)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(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，對(duì)材料的性能進(jìn)行全面的檢查，還需要進(jìn)行更加科學(xué)的測(cè)試，這樣的過程需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資金，對(duì)技術(shù)的要求較高，在實(shí)際操作中存在困難。其次在進(jìn)行研究的過程中，資金、時(shí)間和人力方面存在嚴(yán)重的不足，造成實(shí)際研究停滯不前，影響電力電子器件的進(jìn)步。

電力電子器件應(yīng)用創(chuàng)新

實(shí)現(xiàn)多學(xué)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(xué)科相互滲透的方式，對(duì)各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行一定的滲透，加強(qiáng)過國(guó)家基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之間的聯(lián)系，對(duì)國(guó)家發(fā)展的各項(xiàng)方針政策以及產(chǎn)業(yè)政策進(jìn)行結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)研究中各項(xiàng)能力的進(jìn)步，為項(xiàng)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(dòng)電力電子器件技術(shù)進(jìn)步。

產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合。我國(guó)進(jìn)行電力電氣器件的研究需要結(jié)合國(guó)情，認(rèn)真分析與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距，將產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合整體結(jié)合起來(lái)，重視整體創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，通過交叉學(xué)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(jìn)行創(chuàng)新，將新型材料使用其中，從而全面的推動(dòng)技術(shù)的創(chuàng)新，并加快技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的循環(huán)，以使我國(guó)電力電子技術(shù)及器件制造工藝技術(shù)有以長(zhǎng)足的發(fā)展，并形成一個(gè)全新的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，轉(zhuǎn)化為巨大的生產(chǎn)力，推動(dòng)我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域由粗放型經(jīng)營(yíng)走向集約型，促進(jìn)技術(shù)的整體進(jìn)步。

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

（作者單位：海南工商職業(yè)學(xué)院）