电力电子器件的应用及发展

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1、万方数据电力电子器件的应用及发展张青云(天津消防器材总厂新品开发部天津300380)摘要电力电子器件是以半导体器件物理学、集成电子学、固体物理学、电子学、电力电子学、半导体材料为基础的一种高新科学技术。同时，它又是跨越信息产业与传统产业的一种新产业的基石。本文着重介绍电力电子器件在电力系统、交通运输、电气牵引及传动、工业生产、航天及国防、民用与消费品等方面的应用，发展及趋势。关键词电力电子器件场控功率器件电能变换节能省材灵巧功率集成电路．引言随着微电子学的发展，电子学不断向强电领域渗透。这种电子学(弱电)和电工学(强电)的结合便派生出电

2、力电子学。在此，电力电子器件起着接口和桥梁的作用，在一些军用产业及民用电气没备实现电子化方面起着举足轻重的作用。本文讨论的电力电子器件是指八十年代以来迅猛发展的场控(FET)功率器件。它包括垂直双扩散金属一氧化物一半导体场效应晶体管(VDMOS)，绝缘栅晶体管(IGBT)，金属一氧化物一半导体场效应晶体管控制晶闸管(MCT)等含MOSl彤r的器件及其集成，也包括静电感应晶体管(Snl)，静电感应晶闸管(SIrIH)等含JFET的器件。这类器件的特点是高速率、易驱动和较好的稳定性。这些器件的出现，使电力电子器件进入了新的发展时期。进入八十

3、年代中期以来，由于4机电一体化的发展的需要，功率集成电路和智能功率集成电路发展迅速⋯。几乎每年都召开这一学科的国际会议。国外电力电子器件发展很快。在这一领域领先的国家为美国、日本和西欧。电力电子器件的主要应用领域电力系统电力电子器件能承担电能源的转换、传输及控制，且在电力系统中以其开关速度快、电能消耗低和使用寿命长而倍受重视。现在的电力系统基本上是机械控制系统，速度低、易磨损而寿命短。采用电力电子器件控制，则速度可以提高且寿命延长，我国能源紧缺，利用太阳能及风力发电可以减缓矛盾，所发的电力在输送到用户过程中可由电力电子器件担任变换工作。

4、另外，不停电电源等多种设备采用电力电子器件均能达到节能省材之功效。目前提高开关速率以缩小整机的体积，降低其重量，改进其性能，是电力电子技术发展的主要趋势。交通运输、电气牵引和传动在交通运输、电气牵引和传动设备中，电力电子器件可用于交流马达的驱动，而交流马达比直流马达的体积小，重量轻，价格低，效率高，噪声小，采用变频调速可取代现在广泛使用的直流马达，并可使电机工作予最佳频率。这就需要较高开关频率，较高额定功率，较小导通损耗的电力电子器件作支柱。属于这方面的应用范围极大，包括无轨电车、升降机、起重机、电气机车、输送车、采矿机械、石油钻井、造

5、纸机、印刷机、轧钢机等。据统计，单是风机水泵耗能占工业用电量30～40％，采用新技术后可节电20～40％。工业生产大量消耗直流电的电解、轧钢、造纸、榨糖、龙门刨、电镀、感应加热等均可采用由电力电子器件制做的逆变及变频设备。感应加热是一个应用领域很广万方数据现代电子技术总第120期的新技术：例如1kHz用于熔炼，21KHz用于轴承透热，8lkHz用于零件淬火。SIT及SrrH能胜任此工作比电子管效率可提高50％～80％，工作电压可降到500V，从而节省了电子管高频感应炉的大变压器。航天及国防包括飞行器电源、激光电源、雷达电源、声纳电源、固

6、态继电器、接触器和断路器、声纳浮标闪光器、空间电源、极低频发生器等，都需要效率高，体积小，省电的变频器。lkHZ是最佳的候选者。诸如。国际上在研制单位体积处理功率能力比100W／cm3还小的逆变器及变频器，这只有采用适于调整开关的MOS型功率器件。此外，抗辐照在军事设备中极为重要，这方面结型场效应器件是最佳选择。民用与消费品方面包括照明用节能灯，用于电视机、录像机、收音机、计算机、微波炉等等的开关电源以及各种电气设备的电子化，都需要用开关频率高、处理功率能力大，可靠性高的电力电子器件。单就用于数以10亿计的照明灯中，就可节省巨大的电能。

7、可见，电力电子器件在节能省材方面起着极其重要的作用。电力电子器件的发展趋势过去二十多年，微电子技术的发展使集成电路日益质优价廉，从而改变了办公、通信、军事、控制、工业生产设备的面貌，引起了第一次电子革命。与此同时，微电子技术的成就推进了电力电子器件的发展。这可能会引起第二次电子革命，使得工业及民用中的电气设备实现电子化。有人预言，从市场销售的规模与应用渗透的范围来说，这次革命会超过第一次电子革命。提高功率处理能力及开关速度，降低导通时的压降是电力电子器件的主要发展趋势。并且应该指出，上述各项领域中如果采用智能化的器件(即灵巧功率集成电路

8、)，则可进一步提高可靠性，延长寿命，完善功能，如再进一步采用功能／高压集成电路(P屑ⅣIC)，则因其功能更完善，可提供多种设备就地灵活控制。比如在飞机上使用灵巧功率集成电路，仅仅导线的重量就可节省4000k