电力电子技术的发展与创新

1、电力电子技术的发展与创新【摘要】文中回顾电力 电子 技术的 发展 ， 阐述了电力电子技术发展的趋势，论述了电力电子技 术的创新和器件开发 应用 ，将对我国 工业 领域形 成巨大的生产力， 以此推动国民 经济 高速高 效可持 续发展【关键词】发展趋势 技术创新器件开发 应用推 广1 概述 自本世纪五十年代未第一只晶闸管问世以来，电 力电子技术开始登上 现代 电气传动技术舞台 ，以此 为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一 次革命，使电能的变换和控制从 旋转变流机组和静止 离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器 时 代 ，这标志着电力电子 的诞生。进入 70 年代晶闸管 开始形成由低电压

2、小电流到高电压大电流的系列产 品，普通 晶闸管不能自关断的半控型器件， 被称为第 一代电力电子器件。 随着电力电子技术 理论 研究 和 制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容易和类 型等方面得到了很大发展， 是电力电 子技术的又一次 飞跃，先后研制出GTR.GTO，功率MOSFET等自关 断全控型第二代电力电子器 件。而以绝缘栅双极晶体 管（IGBT）为代表的第三代电力电子器件，开始向大 容易高频率、响 应快、低损耗方向发展。而进入 90 年代电力电子器件正朝着复台化、标准模块化、智能 化、 功率集成的方向发展， 以此为基础形成一条以电 力电子技术理论研究，器件开发研制，应用 渗透性， 在国

3、际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领 域。2 电力电子器发展回顾 整流管是电力电子器件中结构最简单，应用最广 泛的一种器件。 目前 已形成普通型， 快恢复 型和肖 特基型三大系列产品，电力整流管对改善各种电力电 子电路的性能，降低电路损耗和提高电流使用效率等 方面都具有非常重要的作用。 自 1958 年美国通用电气 GE 公司研制出第一个工业用普通晶闸管开始，其结 构的改进和工艺的改革为新器件开发研制奠定了基 础，在以后的十年间开发研制出双向，逆变、逆导、 非对称晶闸管，至今晶闸管系列产品仍有较为广泛的 市场。1964 年在美国第一次试制成功了 0.5kV/0.01kA 的可关断的GTO至

4、今，目前以达到9kV/0.25kA/0.8kHz 的可关断的 GTO 至今，目前以达 到 9kV/2.5kA/0.8kHZ 及 6kV/6kA/1kHZ 的水平，在当 前各种自关断器件中 GTO 容量量最大，但其工作频率 最低，但其在大功率电力牵引驱动中有明显的优势， 因此它在中压、大客量领域中占有一席之地。 70 年代 研制出 GTR 系列产品，其额定值已达 1.8kV/0.8kA/2kHZ ， 0.6kV/0.003kA/100kHZ ，它具有 组成的电路灵活成熟，开关损耗小、开关时间短等特 点，在中等容量、中等频率的电路中应用广泛，而作 为高性能，大容量的第三代绝缘栅型双极性晶体管 IG

5、BT ，因其具有电压型控制，输入阻抗大、驱动功率 小，开关损耗低及工作频率高等特点，其有着广阔的 发展前景。而 IGCT 是最近发展起来的新型器件，它 是在 GTO 基础上发展起来的器件， 称为集成门极换流 晶闸管，也有人称之为发射极关断晶闸管，它的瞬时 开关频率可达20kHZ,关断时间为1卩s,dildt 4kA/ms , du/dt10-20kV/ms,交流阻断电压6kV，直流阻断电压 3.9kV，开关时间 1000Hz。3 电力电子器件发展趋势进入 90 年代电力电子器件的研究和开发, 已进入 高频化, 标准模块化, 集成化和智能时代。 从理论 分 析 和实验证明电气产品的体积与重量的缩

6、小与供电 频率的平方根成反比，也就说， 当我们将 50Hz 的标 准二频大幅的提高之后，使用这样工频的电气设备的 体积与重量就能大大缩小， 使电气设备制造节约材料， 运行时节电就更加明显， 设备的系统性能亦大为改善， 尤其是对航天工业其意义十分深远的。故电力电子器 件的高频化是今后电力电子技术创新的主导方向，而 硬件结构的标准模块是器件发展的必然趋势，目前先 进的模块，已经包括开关元件和与其反向并联的续流 二极管在内及驱动保护电路多个单元，并都以标准化 和生产出系列产品，并且可以在一致性与可靠性上达 到极高的水平。目前世界上许多大公司已开发出 IPM 智能化功率模块，如日本三菱、东芝及美国的国

7、际整 流器公司已有成熟的产品推出。日本新电元公司的 IPM 智能化功率模块的主要特点是：3.1 它内部集成了功率芯片，检测电路及驱动电 路，使主电路的结构为最简。3.2 其功率芯片采用的是开关速度高，驱动电流 小的 IGBT ，且自带电流传感器，可以高效地检测出 过电流和短路电流，给功率芯片以安全的保护。3.3 在内部配线上将电源电路和驱动电路的配线 长度控制到最短，从而很好地解决了浪涌电压及噪声 影响 误动作等 问题 。3.4 自带可靠的安全保护措施，当故障发生时能 及时关断功率器件并发出故障信号，对芯片实施双重 保护，以保证其运行的可靠性。4 电力 电子 技术创新 电力电子技术的创新与电力

8、电子器件制造工艺， 已成为世界各国工业自动化控制和机电一体 化领域 竞争最激烈的阵地，各发达国家均在这一领域注入极 大的人力，物力和财力，使之进 入高科技行业， 就电 力电子技术的 理论 研究 言， 目前 日本、美国及法 国、荷兰、丹麦等西欧 国家可以说是齐头并进， 在这 些国家各种先进的电力电子功率量不断开发完善，促 进电力电 子技术向着高频化迈进， 实现用电设备的高 效节能， 为真正实现工控设备的小型化， 轻量化 ，智 能化奠定了重要的技术基础， 也为 21 世纪电力电子技 术的不断拓展创新描绘了广阔的前景。我国开发研制 电力电子器件的综合技术能力与国外发达国家相比， 仍有较大的差距，要发展和创新我国电力电子技术， 并形成产业化规模，就必须走有中国特色的产学创新 之路， 即牢牢坚持和掌握产、 学、研相结合的 方法 走 共同发展之路。 从跟踪国外先进技术， 逐步走 上自主 创新，从交叉学科的相互渗透中创新，从器件开发选 择及电路结构变换上创新， 这对 电力技术创新是尤其 实用的。也要从器件制造工艺技术引导创新，从新材 料 科学 的 应用 上创新，以此推动电力电子器制造 工艺的技术创新，提高器件的可靠性。由此形成基础 积累型的 创新之路。并要把技术创新与产品应用及市 场推广有机结合，已加快科技创新的自我强化的 循 环，促进和带动技术创新有着稳定的基础，以使我