电力电子器件的发展

电力电子器件的技术发展规律初探　湖南大学电气与信息工程学院　余致延　李军军　ｌ概述　现代科学正在突飞猛进地发展，新发现、新思　想、新概念、新方法的不断涌现，新学科和新方向的　不断产生，学科的交叉、渗透和综合趋势的日益增　强，复杂性和整体性研究的崛起，构成当代科学发展　蔚为壮观的景象。电力电子是在７０年代中期以一个　独立学科出现的。１９７３年在美国电气学会主办的电　力电子学大会上，对电力电子学下了如下定义：“电　力电子学是研究电力、电子和控制的边缘领域的技　术学科。从６０年代到７０年代中期，在大功率整流（电　流达到几十万安，电压高达几千伏）领域内，第一代　电力电子器件晶闸管已完全取代了过去的水银整流　器、电动机一发电机组等老设备，取得了巨大的节能　效果，成为一门成熟的电子技术。从７０年代中期以　来，随着导通、关断都能受控的第二代电力半导体器　件逐个开发出来，适合于在直流馈电下工作的各种　新型大功率装置不断出现，它们以变频、逆变和斩波　为主要内容，开辟了在功率应用的新领域。在短短的　半个世纪以来，电力电子器件已经历了从晶闸管　ＳＣＲ、大功率晶闸管ＧＴＲ、门极关断晶闸管ＧＴＯ、功　率场效应管ＭＯＳＦＥＴ、静态感应晶体管ＳＩＴＨ、场控　晶体管Ｆ　Ｃ　Ｔ　Ｈ、智能化功率集成电路Ｓ　Ｍ　Ａ　Ｒ　Ｔ　ＰＯＷＥＲ和绝缘栅场效应晶体管ＩＧＢＴ的飞速发展。　电力电子器件的每一次技术进步，都是科学家们在　认知事物本质的活动中，经历了逐渐积累不断创新。　电力电子器件的技术前沿创新对电力电子技术的许　多原有概念提出了挑战，符合人类科技原始创新的　一般规律，而且深刻影响到经济和社会生活的各个　方面，包括人们的思维方式、生产方式、工作方式和　生活方式。“科学是无止境的前沿”。在科学自身的伟　大创造和经济社会不断出现的巨大需求的推动下，　科学不断地推进自己的前沿和扩展研究的领域。探　４０　讨科学前沿，了解其变化和走向，寻求人类科技原始　创新的规律，对于促进科学发展、促进科技创新，具　有战略性的意义。　２现代电力电子器件的新发展　目前，电力电子技术中最热门的器件是功率　ＭＯＳ型晶体管，如功率ＭＯＳＥＥＴ、绝缘栅场效应晶　体管ＩＧＢＴ。功率ＭＯＳ型晶体管在工艺方法和结构　上属于功率集成电路的范畴，它们集中了第一代电　力半导体器件在大电流、高电压方向发展中积累起　来的各种经验，又吸取制造大规模集成电路中发展　起来的新技术成就，它们的制造难度不在于要求线　路精细到微米，亚微米量级，而在于实现在面积三维　的功率集成，并向着越来越大的变换功率和越来高　的工作频率发展。因此，它们是功率器件的集成化，　是功率器件与集成技术的结合和发展。当人们在分　别研究晶体管和场效应管的时候，分别遇到了晶体　管的开关频率不能再提高和驱动功率大问题，大电　流大功率是晶体管的优势。而场效应管功率不容易　做大，但其开关频率很高，驱动功率很小为电压驱动　型。在这一对矛盾的共同体中，人们想到了结合，也　就是取长补短从观念上、认识上突破，研制出新一代　功率器件ＩＧＢＴ，ＩＧＢＴ于１９８２年在美国率先研制出　样品，目前研制水平为１５００Ａ／２０００Ｖ。ＩＧＢＴ和　ＭＯＳＥＥＴ的市场总和目前已占有整个晶体管市场的　５９％，并有迅速上升的趋势。功率场效应管市场的　年增长率近年来平均达３５％，比迅速发展的集成电　路市场（２２％）还快得多。　３科技创新的一般规律探讨　电力电子器件近半个世纪的技术进步，改变了　人类社会的生存环境，成为人类社会文明进步的推　动力量。总结电力电子器件技术创新进程和规律，推　一　述再　综　报ｌ萋　情　■■■＿　维普资讯 广到科技创新的一般过程和规律，使人们得出在科　技创新中新的认识、新的观念、新的思想。归纳起来　应具有十二个阶段：　３．１概念研究　这个阶段由考察问题和到目前为止尝试的解决　办法组成。这个考察包括对理论文献进行研究，对情　况的要件进行研究，以及对各种创新理论和方法作　出评估。通过概念研究，应获得一个想要达到其结果　的特殊性的初步认识，要识别出为了达到结果的特　殊性的初步认识，并且设计出宏大的战略以便达成　这些目标。　３．２探索开发　这是初始的项目战略、方法和材料的准备阶段，　同时还是一次评估所提议的解决办法可行洼的检查。　这个阶段可能会涉及概念研究的重构工作。但是无　论如何将产生理我加详尽的阐明和成本计算。　３．３样本开发　这个阶段包括详细的项目战略、方法和材料、评　估系统以及评估人员的培训。要估算出成本、时间和　资源。　３．４试验性研究　在这阶段、新的样本得到检验，允许对问题和样　本进行充分的熟悉，以便能够作出必要的改革，包括　研究其他逻辑选择的特殊方面。　３．５高级开发　这个阶段是整个项目的再开发或进一步开发，　包括战略、方法和材料、人员培训项目以及评估系　统。　３．６项目实验　这个阶段要通过一个结构完整的、系统的试验　性的努力来检测替代的项目成分，考察项目对不同　集团的价值，或者不同环境下项目的价值。这个阶段　要检测项目所有成分或选定的成分。　３．７操作系统开发　这些系统是为项目的执行人、行政支持人员以　及监督机构准备的。　３．８宣传　新闻发布　研讨会、会议、书籍和其它文件的出　版都是必需的。要获得学术集团的支持，以便使成果　被人们采纳。　４科学研究与认识论思想　趸　而夏　堡２００２　０９－建设机械技术与管理　＿　从伽里略、生顿等人开始的科学研究抛弃了神学，所　带来的认识论由康德给予了哲学上系统的阐述：认　为世界是客观存在的，科学研究的目的就是去发现　世界的本质。　可在发展量子论时爆发的爱因斯坦与玻尔之问　的争论，导致了一种新的认识论的出现；观察得到的　现象不仅与客观世界有关，而且还与观察的实验设　备、观察方法和观察者有关。在科学研究中，新的科　学仪器和装置的发明，往往打开一扇新的科学之门。　重大科学发现和技术与方法的发明，往往对人类健　康、社会与经济的进步产生巨大的推动作用和深远　的影响，如在４０年代，美国贝尔实验室的物理学肖　克利（Ｗ、Ｂ　Ｓｈｏｃｋｌｅｙ，１９１０—１９８９）、巴丁（Ｊ．　Ｂａｒｄｅｅｎ，１９０８～）和布拉顿（Ｗ．Ｂ．Ｂｒａｌｌａｉｎ，１９０２～　１９８７）发明了晶体管。在晶体管广泛应用于１０年后　的１９５８年，美国的基比（Ｔ．Ｓ．Ｃ．Ｋｉｌｂｙ，ｌ９２３一）和他　的同事制作的集成相移振荡电路成为世界上第一批　集成电路，拉开了信息革命的序幕。肖克利、巴丁和　布拉顿因发现晶体管效应和半导体方面的研究而获　取１９５６年的诺贝尔物理学奖。本世纪以来，许多具　有重大意义的原始创新突破并不都有发生投资最大　的地方。一些实验科学的原始性重大发现也并不在　于特别昂贵的实验设备，而在于研究人员的创新意　识、独特的实验构思、周密的实验和观测，以及科学　思维。　５结语　从电力电子器件的每一次创新和革命无一例外地　遵循了以上总结的八个阶段。人们在电力电子技术　领域进行探索中，善于发现已有理论与实际的矛盾，　勇于挑战传统理论，这些发明创新多来源于对实验　事实敏锐的观察和独具创意的实验，在偶然中求必　然。正是由于人们从认识上发生了质的飞跃，抛弃了　原有的理论，向新一代电力电子器件发展。综上所　述，认识论是适合于人类各种领域的一门方法论，它　指导人们去探索和发展，人们才会取得辉煌的科技　原始性创新，最终造福于人类。　参考文献　１佘致廷　刘志星　电力电子的发展综述　２陈益升　高技术与社会　广西　广西科学技术出皈社　３张焘科学前沿与未来北京科学出版社　（收稿日期：２００２年８月６日）　４１　嘶ｌ　维普资讯

电力电子与电力传动技术的未来发展趋势

摘要：电力电子技术和电力传动技术在现代社会中扮演着至关重要的角色，它们影响着能源管理、交通系统、工业生产和环境保护等多个领域。本文旨在探讨电力电子与电力传动技术的当前状态、应用领域，以及未来的发展趋势和面临的挑战。未来的发展趋势包括先进的电力电子器件、智能控制、高效能源管理、可持续能源集成、新兴技术和创新。同时，电力电子与电力传动技术也将面临集成、安全性、环境可持续性等挑战。通过深入了解这些趋势和挑战，我们可以更好地准备迎接电力电子与电力传动技术的未来。

关键词： 电力电子技术，电力传动技术，未来发展趋势，智能控制，可持续能源，新兴技术

电力电子技术和电力传动技术已成为现代社会中不可或缺的一部分。它们在提高能源效率、降低碳排放、推动工业自动化和改善生活质量方面发挥着重要作用。随着科技的不断进步和社会需求的不断演变，电力电子与电力传动技术也在不断发展和演变。本文将分析当前电力电子技术和电力传动技术的现状和应用领域，重点关注未来的发展趋势和可能面临的挑战，以及这些技术在推动可持续能源和新兴技术方面的潜力。

关键词：

1. 电力电子技术的当前状态和应用领域

1.1 电力电子器件和拓扑结构

电力电子技术目前正处于迅猛发展的时期，其中电力电子器件和拓扑结构的不断创新起着关键作用。电力电子器件如MOSFETs、IGBTs、SiC和GaN器件的性能不断改善，其功率密度和效率得到显著提升。这些先进的器件具有更高的开关速度、更低的导通电阻和更高的耐压能力，使得电力电子系统能够在更广泛的电压和电流范围内工作。此外，不断创新的拓扑结构和拓扑优化方法使电力电子转换系统的设计更加灵活，以满足不同应用领域的需求。例如，多电平逆变器和拓扑全桥变换器等拓扑结构提供了更高的输出电压质量和功率因数校正性能，这对于可再生能源转换和电力传输具有重要意义[1]。

1.2 控制策略和调制技术

电力电子技术的进展不仅体现在硬件方面，还包括先进的控制策略和调制技术。高级控制算法和数字信号处理技术使得电力电子系统能够更精确地控制能量的转换和分配。这些控制策略可以适应不同负载和工作条件，提高了系统的响应速度和稳定性。此外，调制技术的不断改进有助于减小输出波形中的谐波和电磁干扰，从而提高了电力电子系统的输出质量。这对于电力电子系统在工业驱动、电力传输和能源转换等领域的应用至关重要。

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。

浅析电力电子技术的应用

关键词：电力电子技术；应用；自动化；智能化

中图分类号：g718文献标识码：b文章编号：1672-1578（2013）10-0002-01

1.电力电子技术的发展

1.1电力电子技术的发展阶段。电力电子器件的发展分为两个阶段，一是传统电力电子器件，它是以电力二极管和晶闸管（scr）为代表的第一代电力电子器件，自 1957 年生产第一只晶闸管以来，它以其体积小、功率低等优势首先在大功率整流电路中迅速取代了老式的汞弧整流器，并衍生出快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等多种品种。它立足于分立元件结构，工作频率难以提高，大大限制了它的应用范围，但是因为它价格低廉，所以在大电流、高电压的发展空间依旧很多，目前以晶闸管为核心的设备在许多场合仍然被广泛使用。二是现代电力电子器件，它是将微电子技术和电力电子技术相结合，研制出的一种全新的高频、全控型器件。现代电力电子器件的主要产品有功率晶闸管、可关断晶闸管、功率场控晶体管、绝缘栅双极晶体管、mos 门极晶闸管等。这些产品当中，由于绝缘栅双极晶体管和 mos 门极晶闸管两个为场控复合器件，所以也成为了最有发展前途的两种[2]。

1.2电力电子技术的发展方向。未来电力电子器件可能在以下几个方面发展 ：（1）大容量化。利用微电子技术，提高单个器件的电压、电流容量，从而达到满足高压大电流的需要 ；（2）易驱动。由电流驱动发展为电压驱动，大力发展复合器件，还可专门研制专用集成模块，以便更适合中小功率的控制 ；（3）模块化。采用新技术和新工艺，将几个电力电子器件集中到一起，不仅缩小其体积减少连线，同时还可减低企业的生产成本 ；（4）功率集成化。充分利用集成电路工艺，将集成电路的功能与电力电子器件集成于一块芯片，实现集成电路功率化和功率器件集成化，并逐步向智能化方向发展 ；（5）降低导通压降。研制出比二极管压降还低的器件来提高交流效率、节省电能。