电力电子器件的发展及应用
.
,.. 电力电子器件的发展及应用
研1506 苏智清 s20150273
摘 要：本文简单介绍了电力技术的分类, 回顾了电力电子技术及其器件的发展过程, 说明了现在主流的电力电子器件的工作原理、应用范围及其优缺点, 探讨了在本世纪中新型电力电子器件的应用。
关键词：复合型电力电子器件；新型材料的电力电子器件；电力电子器件的应用
1引言
电力电子学是电工学的一个分支，是由电力系统、控制理论与电子学等学科共同发展起来的一个新型边缘性学科。电力电子学的主要特点是具有很强的应用性，同时与其他学科有着很好的交叉融合性，这也是电力电子学的基础理论与应用技术能够在短短几十年间飞速发展的一个相当重要的因素。目前，电力电子技术的应用已经从机械、石化、纺织、冶金、电力、铁路、航空、航海等一系列领域，进一步扩展到汽车、现代通信、家用电器、医疗设备、灯光照明等各个领域。进入 21 世纪，伴随着新理论、新器件、新技术的不断涌现，尤其是与微电子技术的日益融合，电力电子技术作为信息产业和传统产业之间的桥梁，在国民经济中必将占有越来越重要的地位，在各领域中的应用也必将不断得到拓展。
2电力电子器件的发展
2.1 半控型器件
上世纪50年代，美国通用电气公司发明世界上第个晶闸管，标志电力电子技术的诞生。此后，晶闸管得到了迅速发展，器件容量越来越大，性能得到不断提高，并产生大量派生器件，如快速晶闸管逆导晶闸管等等。但是，晶闸管作为半控型器件，只能通过门极导通，不能控制关断。要关断必须通过强迫换相电路，从而装置体积增大，复杂程度提高，效率降低。另外，晶闸管为双极型器件，有少子效应，所以工作频率低，由于这些原因，使得晶闸管的应用受到限制。
虽然晶闸管有以上缺点，但由于它的大电压大电流特性，使在高压直流输电静止无功补偿，大功率和高压变频调速等方面仍占有重要位置。
2.2 全控型器件
2.2.1 门极可关断晶闸管（GTO）
GTO有对称，非对称和逆导三种类型。对称GTO通态压降小，抗浪涌能力强，易于提高耐压能力。逆导型GTO是在同一芯片上将GTO与整流二极管反并联制成的集成器件，不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。 .
,.. 在当前各种自关断器件中，GTO容量做大，工作最低。GTO是电流控制型器件，因而关断需要很大的反向驱动电流。目前，GTO在低于2000V某些领域被GTR和IGBTDE所替代，但在大功率电力牵引有明显优势。
2.2.2 大功率晶体管（GTR）
GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，它既具备晶体管的固有特性，又增加功率容量，因此，由它组成的电路灵活，成熟，开关损耗小，开关时间短，在电源电机控制，通用逆变器等中等容量，中等频率的电路中广泛应用。GTR的缺点驱动电流较大，耐浪涌电流能力差，易受二次击穿损坏。在开关电源GTR渐渐被功率MOSFET和IGBT代替。
2.2.3 功率MOSFET
功率 MOSFET 是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达 100k Hz 以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。功率 MOSFET 的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。
2.3 复合型电力电子器件
2.3.1 绝缘门极双极型晶体管（IGBT）
IGBT 可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使 IGBT 导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使 IGBT 因流过反向门极电流而关断。IGBT 集 GTR 通态压降小、载流密度大、耐压高和功率 MOSFET 驱动功率小、开关速度
快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。
比较而言，IGBT 的开关速度低于功率 MOSFET，却明显高于 GTR；IGBT 的通态压降同 GTR 相近，但比功率 MOSFET 低得多；IGBT 的电流、电压等级与 GTR
接近，而比功率 MOSFET 高。由于 IGBT 具有上述特点，在中等功率容量 (600V
以上)的UPS、开关电源及交流电机控制用 PWM 逆变器中，IGBT 已逐步替代 GTR
成为核心元件。
2.3.2 MOS控制晶闸管（MCT）
MCT 最早由美国 GE 公司研制，是由 MOSFET 与晶闸管复合而成的新型器件。每个 MCT 器件由成千上万的 MCT 元组成，而每个元又是由一个 PNPN 晶闸管、一个控制 MCT 导通的MOSFET 和一个控制 MCT 关断的 MOSFET 组成。MCT
工作于超掣住状态，是一个真正的 PNPN 器件，这正是其通态电阻远低于其它场.
,.. 效应器件的最主要原因。MCT 既具备功率 MOSFET 输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是 IGBT 或 GTR 的 1/3，而开关速度则超过 GTR。此外，由于 MCT 中的 MOSFET 元能控制 MCT 芯片的全面积通断，故 MCT 具有很强的导通 di/dt 和阻断 d V/dt 能力，其值高达 2000A/s 和
2000V/s。其工作结温亦高达 150～200℃。
2.3.3 功率集成电路（PIC）
PIC 是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键接口元件。将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，就制成了 PIC。一般认为，PIC 的额定功率应大于 1W。功率集成电路还可以分为高压功率集成电路(HVIC)、智能功率集成电路(SPIC)和智能功率模块(IPM)。
HVIC 是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成，由于它的功率器件是横向的、电流容量较小，而控制电路的电流密度较大，故常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。已有
110V/13A 和 550V/0.5A、80V/2A/200k Hz 以及 500V/600m A 的HVIC 分别用于上述装置。
SPIC 是由一个或几个纵型结构的功率器件与控制和保护电路集成而成，电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等。
IPM 除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至 CPU，以保证 IPM 自身在任何情况下不受损坏。当前，IPM 中的功率器件一般由 IGBT 充当。由于 IPM 体积小、可靠性高、使用方便，故深受用户喜爱。IPM 主要用于交流电机控制、家用电器等。已有
400V/55k W/20k Hz IPM 面市。自 1981 年美国试制出第一个 PIC 以来，PIC 技术获得了快速发展；今后，PIC 必将朝着高压化、智能化的方向更快发展并进入普遍实用阶段。
2.4 新型材料的电力电子器件
2.4.1 砷化稼材料
GaAs是一种很有发展前景的半导体材料。与Si相比，GaAs有两个独特的优点:①禁带宽度能量为1. 4eV，较Si的1. leV要高。正因如此，GaAs整流元件可在350℃的高温卜工作(Si整流元件只能达200 0C )，具有很好的耐高温特性，有利于模块小型化;② GaAs材料的电子迁移率为8000cm2/Vs,是Si材料的5倍，因而同容量的器件几何尺寸更小，从而可减小寄生电容，提高开关频率(1MH:以上)。
当然，由于GaAs材料禁带宽度大，也带来正向压降比较大的不利因素，不.
,.. 过其电子迁移率可在一定程度上补偿这种影响。
2.4.2 碳化硅材料
SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，作为Si和GaAs的重要补充，可制作出性能更加优异的高温(300500 0C )、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。SiC高功率、高压
器件对于公电输运和电动汽车的节能具有重要意义。
碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点:高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和
电流条件下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，即使高耐压的SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的导通压将低得多。而且，SiC器件的开关时间可达lOns量级，并具有十分优越的FBSOA。
SiC可以用来制造射频和微波功率器件，各种高频整流器，MESFETs, MOSFETs和IFETs等。高电压的SiC整流器和其他SiC低频功率器件，用于工业和电力系统。理论分析表明，SiC功率器件非常接近于理想的功率器件。可以预见，各种SiC器件的研究与开发，必将成为功率器件研究领域的主要潮流之一。
3电力电子器件的应用
3.1 在新能源和电力系统中的应用
电力系统是电力电子技术应用中最重要和最有潜力的市场领域，电力电子技术在电能的发生、输送、分配和使用的全过程都得到了广泛而重要的应用。从用电角度来说，要利用电力电子技术进行节能技术改造，提高用电效率;从发、输配电角度来说，必须利用电力电子技术提高发电效率和提高输配电质量。
3.2 在轨道交通和电动汽车中的应用
电力电子技术在轨道交通牵引系统中的应用主要分为三个方面:主传动系统、辅助传动系统、控制与辅助系统中的稳压电源。在电力电子技术的带动下，电传动系统由直流传动走向现代交流传动。电力电子器件容量和性能的提高、封装形式的改进，以及功能单元的模块化设计技术促进了传动系统装置的简约化，促进牵引电传动系统、辅助系统和控制与辅助电流稳压电源的发展。电动汽车的电机用蓄电池为能源，靠电力电子装置来进行电力变换与驱动控制，其蓄电池的充电也是离不开电力电子技术的。
3.3 工业电机节能应用
电动机作为电能最大的消费载体，具有很大的节电潜力。我国“十五”和“十.
,.. 一五”计划都将电机系统节能列为节能的重点项目。而随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制。
3.4 在消费类电子中的应用
电力电子技术在消费类电子中的应用主要集中于各类家电中电机的驱动、感应加热、照明驱动和各类个人电子用品电源管理，家用电器依托变频技术，主要瞄准高功能和省电。
3.5 在国防军工中的应用
电力电子技术及电力电子装置已日益广泛地应用和渗透到能源、环境、制造业、交通运输业中，特别是与国家安全和国防有关的先进能源技术、激光技术、空天技术、高档数控机床与基础制造技术等许多重要领域，电力电子技术是关系到上述领域中的核心技术所在。电力电子在现代化国防中得到越来越广泛的应用，所有现代国防装备的特种供电电源、电力驱动、推进、控制等均涉及到电力电子核心技术。
电力电子技术在电气工程中的应用
电力电子技术在电气工程中的应用
电力电子技术是现代电气工程领域非常重要的一个分支，它通过电子器件和电路将电能转换、控制和调节为各种形式的电能输出，被广泛应用于电力系统的稳定性、效率和可靠性提升。本文将就电力电子技术在电气工程中的应用进行介绍。
1. 变频调速技术
变频调速技术是电力电子技术在电气工程中最为常见的应用之一。通过变频器将交流电源转换为可变频率、可控制的交流电源，可以实现电机的无级调速。这种技术广泛应用于电梯、水泵、风机等需要调速的设备中，可以提高设备的效率和节能。
2. 柔性直流输电技术
柔性直流输电技术是一种新兴的输电方式，采用高压直流输电，通过可控硅元件和光伏阵列等装置，可以实现电能的稳定输送。这种技术在大规模风力、光伏发电等可再生能源的接入中具有重要意义，可以提高电力系统的灵活性和可靠性。
3. 电力质量改善技术
电力质量问题是电气工程中一直存在的难题，电力电子技术可以通过有源滤波器、静止无功发生器等设备，改善电力系统中的谐波、电压波动等问题，保障用电设备的正常运行和安全性。
4. 电力电子变换器技术
电力电子变换器技术是电气工程中的核心技术之一，它通过可控硅、IGBT等功率器件，实现电能的直流与交流之间的转换。电力电子变换器广泛应用于直流输电、换流站等领域，对电网的稳定性和可靠性起到了关键作用。
5. 电力电子补偿技术
电力电子补偿技术是为了改善电力系统中的功率因数问题而开发的技术，通过静止无功发生器、电容器组等装置，可以对系统中的无功功率进行补偿，提高系统的功率因数，减少电能的损耗。
以上便是电力电子技术在电气工程中的主要应用领域，它在电力系统的稳定性、效率和可靠性方面发挥着重要作用。
二、电力电子技术的发展趋势
随着科学技术的不断发展，电力电子技术也在不断创新和进步，未来的发展趋势主要有以下几个方面： 1. 高效绿色技术
电力电子应用案例
电力电子应用案例
在现代社会中，电力电子技术的应用已经无处不在。从家庭生活到工业生产，电力电子技术的进步和应用给我们的生活带来了巨大的变化和便利。本文将介绍一些电力电子在各个领域中的应用案例，以展示其重要性和广泛性。
一、家庭1. 电子家电
现代家庭中的许多电器设备都离不开电力电子技术的应用。例如，电视、洗衣机、空调等家电设备均采用了电力电子器件来实现功率调节和控制功能，提高了能源利用效率和用户体验。
2. 太阳能发电系统
随着可再生能源的发展，越来越多的家庭开始使用太阳能发电系统。这种系统将太阳能转化为电能，通过逆变器等电力电子设备将直流电转换为交流电，使其可以供给家庭用电。太阳能发电系统的应用不仅减少了对传统能源的依赖，还有助于环境保护。
二、工业1. 变频器
在工业生产中，许多设备需要根据不同的工艺要求进行频率和速度调节。变频器是一种常用的电力电子设备，它可以调整电源输入以控制电机的运行速度。这种设备广泛应用于工业自动化、交通运输等领域，提高了生产效率和工作质量。
2. 电力传输和分配 电力电子技术在电力传输和分配过程中起到了关键作用。高压直流输电技术（HVDC）利用电力电子设备将电能从发电站输送到远距离的地方，以减少能量损耗和传输损耗。此外，交流变直流（AC/DC）转换器用于将输电网络中的交流电转换为直流电，为直流设备供电。
三、交通运输领域1. 电动汽车
电力电子技术在电动汽车中的应用使得电动汽车成为可持续发展的交通方式。电动汽车采用电动驱动系统，其中包括电池、电机和电力电子控制器等设备。电力电子设备控制电池充电和放电，调节电动机的速度和转矩，实现高效能量转换和汽车控制。
2. 高铁和市域轨道交通
高铁和市域轨道交通作为现代交通运输的重要组成部分，需要可靠的电力电子设备来提供高效和安全的运行。例如，高速列车使用电力电子设备来控制牵引电机和制动系统，以提高列车的运行效率和制动性能。
通过以上案例，我们可以看到电力电子技术在各个领域中的应用广泛且重要。随着科技的不断进步和创新，电力电子技术将继续推动社会的发展和进步，为我们的生活带来更多便利和可持续发展的选择。
电力电子技术在电力系统中的应用
电力电子技术在电力系统中的应用
随着电子技术的迅速发展，电力电子技术得到了广泛的应用。电力电子技术是指将电力和电子技术相结合，通过半导体器件将电力进行变换、传递和控制的技术。在电力系统中，电力电子技术的应用已经成为了研究的热点之一。
一、电力电子技术的概述
电力电子技术是一种电力工程和电子工程相结合的技术。其主要应用在将电力进行变换、传递和控制的过程中。电力电子技术的发展可以追溯到1960年代，当时出现了用半导体器件实现交流电到直流电的变换技术，即交流输电系统的直流输电技术（HVDC）。这项技术实现了对远距离长距离输电的需求，缩短了电力传输距离，减少了线路损耗，提高了电力传输的效率和可靠性。
随着时代的发展，电力电子技术应用领域不断扩大，如市电变频器、电力电容、UPS等系统都是电力电子技术的代表。电力电子技术的发展，推动了电力系统的革新，提升了电力传输的能力和效率，实现了电网智能化、数字化、可靠性和安全性的大幅提升。
二、1、 HVDC 交流输电系统的直流输电技术（HVDC）是电力电子技术在电力系统中的基础应用之一。它可以将交流电转换成直流电，从而实现不同地点之间的电力互联、跨越海洋和山区、进行长距离电力输送。
HVDC技术可以提高输电线路的容量、减少输电损耗，并且提高电力传输的可靠性。HVDC技术正在逐渐普及，已经被应用到欧洲、北美、亚洲等地区的多条输电线路中，成为了电力系统中重要的输电方式。
2、 FACTS
灵活交流输电系统（FACTS）技术是一种电力电子技术，它可以根据负荷不同而调整电力系统的电压、电流和相角，从而提高电力系统的稳定性、可靠性以及抗干扰能力。
FACTS技术可以使电力系统在电力负载发生变化时，自动调整电力参数和稳定电力系统，从而提高电网的稳定性，减少配电线路的损耗，降低能源消耗和污染排放。
3、 STATCOM
静止补偿器（STATCOM）是一种电力电子设备，它可以在电力系统中自动实现电容电抗补偿，从而提高电力系统的稳定性和可靠性，减少电力线路的损耗。 STATCOM技术可以使电力系统在电力负载变化时，自动调整电力参数，实现电力的优化配置，提高电力传输的效率，降低电力损失，从而提高电力系统的稳定性和可靠性。
新型电力电子元器件的制造与应用
新型电力电子元器件的制造与应用
随着科技的发展和能源需求的不断增长，电力行业在近年来得到了广泛的关注。而电力电子元器件的出现，则进一步推动了电力技术的革新。电力电子元器件是指利用电子器件进行能量转换、传递和调节的器件，其能够提高电力的利用率、提高电力系统的稳定性和可靠性。本文将围绕着新型电力电子元器件的制造技术与应用领域，进行详细的探讨。
一、新型电力电子元器件的制造技术
1.功率半导体器件
功率半导体器件是电力电子元器件的主要组成部分，是指在工作过程中能处理一定功率的半导体器件。功率半导体器件包括IGBT、MOSFET、SIC MOSFET等类型。其中，IGBT在交流调速、逆变电源、静止无功补偿等领域得到广泛的应用，而SIC
MOSFET因其低通阻、高频响应、高温性能好以及抗辐射能力强等优点，被广泛应用在高端电子领域。
在制造该类器件时，需要采用高纯度材料和精密工艺，通过特殊的制造工艺和检测手段，实现其高效、高稳定的性能表现。此外，工艺参数的调控和器件尺寸的优化也是制造过程中所需注意的关键点。
2.电容器
电容器是电力电子元器件的另一个主要组成部分，其在直流电源中，能够起到平滑滤波的作用，使电源输出的电压更加稳定。现在，电容器的材料常常采用介电常数更高、更稳定的聚丙烯酸膜，制造工艺也不断得到改进，提高了其使用寿命和稳定性。
此外，在电容器的制造过程中，需要使用高纯度铝箔和无氧铜作为电极材料，通过电极的电化学加工和电容器负载的测试等工艺，保证了电容器的性能和可靠性。
3.电感器
电感器是能够储存和输出电能的器件，其在直流电源中，能够起到过滤电源杂波的作用，使电源输出的电流更加稳定。现在，电感器的制造采用了高效率的铜卷正交涂层技术，使电感器的设计更为紧凑化、体积更小、工作效率更高。同时，压力注射技术的使用，也能够有效地提高电感器的性能，使其在各个领域中发挥更大的价值。
二、新型电力电子元器件的应用领域
电力电子技术的发展趋势及应用
电力电子技术的发展趋势及应用
摘要：随着科学技术的发展，电力电子技术也取得了飞速发展，其在各种电气自动化系统和电控装置中的应用也日益广泛。该文通过介绍电力电子技术的发展及应用，阐述了电力电子技术在国民经济中的重要作用及其发展趋势。
关键词：电力电子技术；应用；趋势
中图分类号：tp3 文献标识码：a 文章编号：1009-3044（2013）05-1190-02
1 电力电子技术应用概况
电力电子技术是利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科，其主要应用范围主要有以下几个方面。
1.1 一般电源
电源是提供电能的装置。电源因可以将其它形式的能转换成电能，所以把这种提供电能的装置叫做电源。常见的电源是干电池（直流电）与家用的110v-220v 交流电源。电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。电源功率的大小，电流和电压是否稳定，将直接影响计算机的工作性能和使用寿命。当前优质的电源一般具有fcc、美国ul和中国长城等多国认证标志。这些认证是认证机构根据行业内技术规范对电源制定的专业标准，包括生产流程、电磁干扰、安全保护等，凡是符合一定指标的产品在申报认证通过后，才能在包装和产品表面使用认证标志，具有一定的权威性。
一般电源又可分为开关电源、逆变电源、交流稳压电源、直流稳压电源、dc/dc电源、通信电源、模块电源、变频电源、ups电源、净化电源、pc电源、整流电源、加热电源、焊接电源/电弧电源、电镀电源、网络电源、功率电源、变压器电源。
不间断电源（英文简称ups）是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，ups 将市电稳压后供应给负载使用，此时的ups就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时， ups 立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220v交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。ups 设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。它是针对中国电网环境、网络监控和网络系统、医疗系统等对电源的可靠性要求，克服中、大型计算机网络系统集中供电所造成的供电电网环境日益恶劣的问题，以全新的数字技术研制出的第三代工频纯在线式智能型ups。直流电源，是维持电路中形成稳恒电流的装置。如干电池、蓄电池、直流发电机等。它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘，使用户不致因停电而影响工作或丢失数据。 在通信领域中，最常见的技术是采用高频开关电源，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。工作原理是输入滤波器将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。将电网交流电源通过整流与滤波直接整流为较平滑的直流电，供下一级变换。将整流后的直流电通过逆变器变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。根据负载需要，调整参数，再次通过整流与滤波提供稳定可靠的直流电源。它的控制电路一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。对于大型电解电镀电源，传统的电路非常庞大而笨重，如果采用高频开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术，更是各种大功率开关电源（逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等）的核心技术。
电力电子技术的发展与应用
电力电子技术的发展与应用
作为电气自动化的学生，我们有必要对专业课程电力电子技术做个全面的了解。我们先对电力电子的定义做了解，再对电子电力技术的发展做大致介绍，最后综述电力电子技术的应用。
电力电子技术，是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的电子技术。电力电子技术包括电力电子器件、电力电子设备和系统及其控制三个方面，涉及电力电子器件，电力电子设备和系统，电力电子技术在各个行业的应用。与以信息处理为主的信息电子技术不同，电力电子技术主要用于功率（电力）变换，所变换“电力”功率的范围小到数瓦（W），大到数百兆瓦（MW）甚至吉瓦（GW）。
电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术，电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。
电力电子技术的发展史：一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。
晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。
晶闸管时代，晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。 全控型器件和电力电子集成电路（PIC），70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。
电力电子技术的研究进展及应用
电力电子技术的研究进展及应用
随着现代科学技术的迅猛发展，电力电子技术作为其中一个重要分支，在国家经济和社会发展中扮演着不可或缺的角色。本文将从电力电子技术的定义、研究进展以及应用方面进行探讨。
一、电力电子技术的定义
电力电子技术是电力系统中电能的处理与控制技术，是研究通过半导体元件实现交、直流的能量转移、传递、匹配以及电能的调节、变换、变频的新型电气工程技术，具有诸多特点，如高效、精确、可靠、无噪音、无污染等。因此，电力电子技术是目前国家十三五规划中电力转型的核心技术之一，广泛应用于今天的工业制造、信息通讯和公共基础设施等领域。下面将详细讲述电力电子技术的研究进展。
二、电力电子技术的研究进展
随着电力电子技术的不断发展，其研究取得了丰硕的成果。在电力电子器件、电力电子拓扑与控制、电力电子应用等方向上都有着日益丰富的研究进展。
在电力电子器件方面，功率半导体电子器件得到了长足的发展。压缩机封装车间生产的功率半导体器件已经进入行业标准化生产，其特点是具有低损耗、高速度、高电压、大电流、高耐受放热量和温度等特点，越来越能够满足各种场合的需求。
在电力电子拓扑与控制方面，电力电子系统的拓扑结构和控制策略得到了日益完善，已经从传统的整流、逆变结构转变为集成于一体的多功能电力电子拓扑结构。电力电子系统的控制技术不断发展，已经实现了全数字化、高速、高精度的控制。例如，目前双向DC-DC转换器及其控制技术已经得到了广泛的应用。新型的电气系统如智能家居、新能源分布式发电等，对于双向变换器的研究和应用成为了热点。
在电力电子应用方面，电力电子技术在新能源、半导体照明和交通运输等领域得到了广泛的应用。其中，新能源是电力电子技术应用领域的一大亮点，电力电子技术在太阳能、风能、氢能等新能源的开发利用中发挥了巨大的作用，能够有效提高能源的利用效率。
电力电子技术的应用范围之广，使其成为了当今高新技术的代表之一。接下来，本文将从电力电子技术应用的实际案例进行分析，探讨其在各个领域中的应用。
碳化硅电子电力器件及其新材料的发展与应用
碳化硅电子电力器件及其新材料的发展与应用
发展历史
碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时，在实验室偶然发现的一种碳化物，当时误认为是金刚石的混合体，故取名金刚砂，1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法，也就是大家常说的艾奇逊炉，一直沿用至今，以碳质材料为炉芯体的电阻炉，通电加热石英SIO2和碳的混合物生成碳化硅。1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生产线，供应商开始提供商品化的碳化硅基。目前电网技术正向智能化发展，碳化硅电力电子器件技术的进步及产业化，将在高压电力系统开辟全新应用，对电力系统变革产生深远影响。碳化硅电力电子器件优异的高效、高压、高温和高频特性，使其在家用电器、电机节能、电动汽车、智能电网、航天航空、石油勘探、自动化、雷达与通信等领域有很大应用潜力。【1】
理化性质
碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的基本品种，都属α-SiC。①黑碳化硅含SiC约95%，其韧性高于绿碳化硅，大多用于加工抗张强度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。②绿碳化硅含SiC约97%以上，自锐性好，大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具。此外还有立方碳化硅，它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体，用以制作的磨具适于轴承的超精加工，可使表面粗糙度从Ra32～0.16微米一次加工到Ra0.04～0.02微米。
物理性质
碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，例如：以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高，节能效果好。低品级碳化硅（含SiC约85%）是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提高钢的质量。此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。
碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级），具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。
电力电子技术在电力系统可持续发展中的应用
电力电子技术在电力系统可持续发展中的应用
电力电子技术是一种中转型能器件技术，通过控制电压和电流的变换，实现将电能转化为其他形式的能量或将其他形式的能量转换为电能。随着电力需求的增加和对环境保护的要求，电力电子技术在电力系统可持续发展中扮演着至关重要的角色。本文将从电力电子技术在可再生能源发电、电力传输和配电、节能和环保领域的应用等方面进行探讨。
一、电力电子技术在可再生能源发电中的应用
随着对可再生能源的需求增加，如太阳能、风能等，电力电子技术在实现可再生能源发电中发挥着关键作用。在太阳能发电系统中，电力电子技术可以将太阳能电池板输出的直流电转换为交流电，并通过逆变器等设备将电能输送到电力系统中。在风能发电系统中，电力电子技术则可以将风能转化为电能，并通过电力电子装置实现风力发电机组的功率控制与系统稳定。
二、电力电子技术在电力传输和配电中的应用
在电力传输和配电领域，电力电子技术可以提高电力系统的稳定性和效率。通过使用柔性直流输电技术，可以减少传输损耗并提高输电容量，从而实现长距离电力传输。在交流输电系统中，静止补偿装置和动态无功补偿装置等电力电子设备可以实现对电力系统的无功功率控制和电压调节，提高电力传输效率。 三、电力电子技术在节能和环保领域的应用
电力电子技术在节能和环保方面的应用主要体现在调整和控制电能的使用过程中。通过使用电能质量调节装置，可以实现对电能的质量优化，提高电力系统的效率和可靠性。在工业领域，采用电力电子装置实现短时间的高稳态效能调节，可以提高生产线的运行效率。此外，电力电子技术还可以实现能量回馈和无功功率控制等功能，降低供电网络中的无功功率消耗，从而减少对发电设备的负荷，提高整个电力系统的能源利用率。
总结起来，电力电子技术在电力系统的可持续发展中发挥着重要的作用。通过应用电力电子技术，可以提高可再生能源的利用效率，优化电力传输和配电过程，实现节能和环保目标。随着科技的进步和技术的创新，电力电子技术在未来的可持续发展中将继续发挥更为重要的作用，推动电力系统向高效、安全、可持续的方向发展。
电力电子器件在新能源领域的应用前景
电力电子器件在新能源领域的应用前景
近年来，随着清洁能源的快速发展，电力电子器件在新能源领域的应用前景备受关注。电力电子器件是将电能转换、调节和控制的关键技术，它在新能源发电、储能和供电系统中发挥着重要作用。本文将从几个方面探讨电力电子器件在新能源领域的应用前景。
首先，电力电子器件在新能源发电领域的应用前景广阔。新能源发电包括太阳能、风能、潮汐能等多种形式，而这些能源的输入特性常常波动不定。电力电子器件通过转换、调节和控制技术，可以将新能源的电能转换为稳定的交流电或直流电，满足供电系统的需求。例如，太阳能光伏发电系统需要将太阳能电池板的直流电转换为交流电，以供应给电网或直接给家庭使用。电力电子器件如逆变器、整流器和变压器等在该过程中发挥着重要作用。
其次，电力电子器件在新能源储能领域的应用前景较为广泛。新能源储能是解决新能源波动性的关键问题之一，而电力电子器件在此过程中起到关键作用。储能技术包括电池、超级电容器、储热设备等多种形式，它们需要利用电力电子器件进行充放电管理、能量转化和系统控制。例如，电动汽车的电池组充放电管理通过电力电子器件实现，以提高储能效率和保护电池寿命。此外，在风电场或太阳能场等大规模新能源发电系统中，电力电子器件用于将电能存储在储能设备中，并在需要时释放出来，平衡能源供需。
再次，电力电子器件在新能源供电系统中的应用前景令人期待。随着分布式能源和微电网的兴起，电力电子器件在新能源供电系统中的应用将越来越重要。分布式能源系统包括太阳能光伏、风力发电、燃料电池和微型涡轮发电等多种能源形式，这些能源通过电力电子器件进行分布式发电和供电。同时，微电网系统通过电力电子器件实现多种能源的互联互通和优化调节，提高能源利用效率。由于电力电子器件能够实现低压电网和高压电网之间的能量转换和平衡控制，它们在新能源供电系统中的应用前景非常广泛。
综上所述，电力电子器件在新能源领域的应用前景非常广阔。它们在新能源发电、储能和供电系统中发挥着重要作用，使得新能源能够更加可靠、高效地转化为电能并供给用户。随着清洁能源产业的快速发展和技术进步，电力电子器件将得到更多应用，为新能源发展提供强有力的支撑。