浅析电力电子技术的发展

摘　要： 电力电子技术，又称功率电子技术,是 20 世纪后半叶诞生和发展起来的一门崭新的技术，主要研究各种电力电子器件，以及这些电力电子器件所构成的各种各样能高效地完成对电能的变换和控制的电路或装置。本文探讨了电力电子技术的发展和应用。

关键词：电力电子；技术；发展；应用
电力电子技术是与电子 .控制. 电力紧密相关的学科，对电能进行变换和控制。随着科学技术的发展，电力电子技术已逐渐发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。现在，电力电子技术的应用领域愈来愈广泛，对国民经济产生了日益显著的技术效益和经济效益。
　　一、电力电子技术的发展
　　传统电力电子技术是以低频技术处理的 ，现代电力电子的发展向着高频技术处理发展。其发展先后经历了整流器时代.逆变器时代和变频器时代 ，在不断的发展中促进了现代电力电子技术的广泛应用。电力电子技术在 1947 年晶体管诞生开始形成 ，接着1956 的晶闸管的出现标志电力电子技术逐渐形成一门学科开始发展 ，以功率 MOS-FET 和 IGBT 为代表的.集高频.高压和大电流于一身的功率半导体复合器件的出现 ，表明已经进入现代电子电力技术发展时代。
　　1.晶闸管整流器时代
　　大功率的工业用电由工频（50Hz）交流发电机来提供的，在应用过程中，大约有20%的电能是以直流形式消费的，譬如电解（有色金属和化工原料需要直流电解）.牵引（电气机车.电传动的内燃机车.地铁机车.城市无轨电车等）.直流传动（轧钢.造纸等）等几大领域。大功率硅整流器能够高效率的把工频交流电转变为直流电，在20世纪60年代和70年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用快速发展。国内曾经掀起了各地大办硅整流器厂的热潮，当前我国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家大多是那个时代建设的。这一时期称之为电力电子技术的晶闸管时代。
　　2.逆变器时代
　　20 世纪 70 年到 80 年代期间成为逆变器时代 ，该期间的电力电子技术已经能够实现逆变 ，但是仅局限在中低频范围内。当时变频调速装置因为能节能大量普及 ，巨型功率晶体管（GTR）.门极可关断晶闸管（GTO）和大功率逆变用的晶闸管成为当时电力电子器件的主流。它们属于第二代电力电子器件。
　　3.变频器时代
　　20世纪80年代后，大规模和超大规模集成电路技术得到了广泛的应用，为电力电子技术的快速发展打下了良好的基础。集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合应用。以功率MOSFET和IGBT为代表的集高频.高压和大电流于一身的功率半导体复合器件以及以低频技术处理问题为主的传统电力电子学正在向高频技术处理问题为主的现代电力电子学转变。这种现象表明，传统电力电子技术已经进入现代电力电子变频器时代。这一
　　时期，各种新型器件应用大规模集成电路技术，向复合化.模块化的方向发展，让电力电子器件结构紧凑.体积缩小，同时能够综合不同器件的优点。这些新型器件的发展，为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，同时使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能.实现小型轻量化.机电一体化和智能化打下了重要的技术基础。
　　4.现代电力时代
　　20 世纪以来 ，电力电子作为自动化.节材.节能.机电一体化.智能化的基础 ，正朝着应用技术高频化.产品性能绿色化.硬件结构模块化的现代化方向发展。在 1995 年 ，功率 MOSFET 和GTR 在功率半导体器件出现并广泛被人们应用 ，功率器件和电源单元的模块化 ，使用方便 ，缩小整机体积 ，器件承受的电应力降至最低 ，提高系统的可靠性。电子电力技术具有全控化.电路形式弱电化.集成化.高频化和数字化的特点。更能带来节能.节省材料和减少污染的经济效益和生态效益 ，能控制精度高.避免模拟信号的畸变失真 ，减小杂散信号的干扰 ，改善了工作条件。
　　二、电力电子的应用
　　1.计算机高效率绿色电源
　　高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。20世纪80年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子.电器设备领域。
　　计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品,绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星”计划规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。
　　2.通信用高频开关电源
　　通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50～100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A.48V/20A扩大到48V/200A.48V/400A。因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗.方便维护,且安装.增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。
　　3.国防装备
　　目前，电力电子技术在现代化国防中得到越来越多的应用，已成为该领域的核心技术之一，它应用在现代化国防中特种供电电源.电力驱动.推进和控制等领域 。在快中子堆.磁约束核聚变.激光.航空航天和航母等前沿技术中，超大功率.高性能的变流器及其控制系统是必不可少的核心部件和基础。
　　以舰船为例，目前国外舰船上的发电. 舰船电力推进.特机和辅助机械电力拖动.武器装备.通信导航.电池充电.照明及生活用电等几乎所有电力.通信设备都己大量采用电力电子技术。目前在 2-3 万吨级核动力破冰船和航母上都己有几万千瓦 级的整流器供电的直流电力推进装置和几千千瓦的交交变频装置，在数千吨级的潜艇上己有几千千瓦级的逆变器供电的交流电力推进系统，以大功率半导体静止型逆变器为基础的 400Hz 中频电源在个别舰艇上己形成电网，相应的 UPS 在舰艇上的应用己达到上百千瓦。在舰船通信和武器装备中开关电源己被广泛使用，几十千瓦以下的特辅机变频调速传动系统也有较多应用。
　　4. 变频器电源
　　变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,  将直流电压逆变成电压.频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
　　电力电子还有一个很重要的应用是在交通方面,如航天.电动汽车.混合式电动汽车.用燃料电池的电动汽车等。
　　综上所述，电力电子技术是智力信息知识密集型技术，从基础研究开发研究到生产试制，各个环节均具有较高的技术含量和智力投人。以电力半导体器件及变频技术为核心的电力电子行业，在国家政策的强力支持下将会走向更加辉煌的明天。
　　参考文献：
鲁冠华,刘星. 浅析电力电子技术的发展. 山东水利职业学院院刊, 2009,(04) .
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杨学斌. 现代电力电子技术应用的探讨. 中国新技术新产品, 2010,(18) .
韩建设. 浅谈电力电子技术的发展及应用. 硅谷, 2010,(03) .
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