電力電子技術的發展方向

電力電子技術通過電能變換的方式，給千差萬别的負載提供所需要的電源形式和節約電能的手段。因此可以說電力電子技術的應用無所不在。為了讓電力電子元器件更加實用、高效、可靠地應用到電源變換電路系統中，電力電子應用技術不斷探索着，發展方向大緻有以下6個方面。

一、集成化

集成電路體積小、耗能低、可靠性好、使用方便。像微電子電路一樣，電力電子電路也在向集成化方向發展。

一是專用芯片的集成。電力電子系統不同的應用不僅需不同電路拓撲，也需要不同的控制電路。控制電路由許多種通用的邏輯器件和—些分立的元器件構成。把這些邏輯器件和一些分立元器件集成在一個芯片中。構成具有特殊控制功能的專用集成芯片既減小了控制電路的體積，又大大提高了控制電路的可靠性。

二是有源器件的封裝集成。通過改變器件内部連線方式，并把有關控制和保護功能封裝進去，目的是為了減小器件内部連線電感，減小器件封裝熱陽阻.提高内部連接可靠性.增加器件功能。

三是無源元件的集成。通過把磁性元件（電感或變壓器）集成，或者把電感和電容集成，目的是為了減小構成電力電子裝置的元器件個數，提高系統可靠性，同時能有效利用電感和電容的分布參數。四是系統集成。在功率稍低的應用中，已經可以把控制、驅動、保護和電力電子主電路集成在一起.構成一個完整的系統;對幹電機傳動系統來說，甚至電力電子申路集成到電機中，把電機的外殼當做電力電子散熱器的一部分，電機與它的控制系統一體化。由于技術的進步，損耗功率的降低和散熱性能的改善，器件與系統的集成功率等級也在逐步提高。

二、模組化

模組化是功能單元模塊組件化的簡稱。在功率等級較高，由于散熱等原因，系統集成難以實現時，模組化是一條發展道路。一是開關器件模塊化。從一個開關器件功能構成一個模塊封裝，發展到多個開關器件構成模塊封裝，再發展到一個系統的開關器件（如三相逆變橋臂的6個器件）構成模塊封裝，以減小體積和提高可靠性。二是開關器件模塊和散熱器組合在一起，配上必要的附件，構成一個模塊組件，減小從器件到散熱介質之間的熱阻。三是把功能單元的器件模塊（如變換器橋臂）與驅動、保護和散熱器等組合在一起成為一個完整的整體功能單元組件，既能方便地與其他功能組件構成一個系統，又方便該系統的部件安裝和更換。模組化既有利于電力電子系統功能單元的标準化和系列化，又有利于不同功能的電力電子系統的構成和維護。

三、智能化

傳感器、數字芯片、通信和網絡等技術的發展，給電力電子開關器件注入了新的活力。開關器件中嵌入傳感器數字芯片等.并通過通信和網絡的手段，其功能不斷擴大。單元器件或模塊不但具有開關功能，還有控制、驅動、檢測、通信。故障自診斷，甚至工作狀态判定等功能。随着集成工藝的提高和突破，有的器件還具有放大、調制、振蕩及邏輯運算的功能，使用範圍大大拓寬，線路結構更加簡化，智能化水平也不斷提高。

四、高頻化

一般情況下，電力電子裝置中的磁性元件和電容器約占1/3體積和 1/3以上的重量。裝置的器件高頻工作，可以大大減小裝置中磁性元件和電容器的容量，從而減小和減輕裝置的體積和重量。目前高頻化的辦法一是改進器件的結構和材料，提高開關器件的開關速度和降低開關器件的導通壓降。如普通晶閘管、GTO、高頻晶閘管、MOS控制晶閘管、靜電感應晶閘管。如晶體管、IGBT、靜電感應晶體管、MOS管，如矽半導體器件到碳化矽半導體器件。二是改進電路拓撲和控制方式，采用更加有效的軟開關技術。如1200 V/300 A的IGBT用在普通開關電路中，開關頻率一般隻能到 20 kHz，而用在軟開關電路中，開關頻率可達100 kHz。三是從系統角度改變各單元結構和結線，采用多重化技術，提高電力電子系統輸入和輸出端的諧波頻率，改善電能質量。

五、不斷提高裝置效率

電力電子裝置如果提高效率，不僅有利于節約能源，而且有利于減小電力電子裝置本身的體積和重量。提高效率的方式主要有兩種;一種是電路選擇和控制技術;一種是提升器件的技術。在低電壓大電流的變換器中，采用同步整流技術可降低整流電路中器件的通态損耗。在高頻變換器中采用軟開關技術，有利于降低器件的開關損耗。SiC 材料器件是開關器件發展的一個方向。美國戴姆樂-克萊斯勒公司的試驗結果表明，用SiC二極管取代IGBT 模塊中現有的 Si材料反并聯二極管後，開關模塊的開通損耗隻有取代前的1/3，關斷損耗隻有取代前的1/5。因此，提升器件的技術是高效化最有力的途徑。

六、不斷拓展電壓應用範圍

電力電子應用技術一方面不斷向更低電壓領域應用拓展，另一方面向更高電壓領域拓展。

低電壓領域主要指大電流低電壓的直流供電電源。現代信息化和智能化技術的發展，主要依賴于矽晶體管技術的發展。各種各樣的集成電路，從簡單的邏輯器件，到複雜的計算機 CPU等，都是矽材料制成的。集成電路的靜态功耗（也可理解為待機功耗）與供電電源的平方成正比。為了節約電能，減小靜态功耗，現在的發展趨勢是給集成電路的供電電壓不斷降低。但由于集成電路的複雜程度也在不斷增加，所以，需要電源提供的電流也在不斷增加。集成電路的電源電壓，曾經是18V、15V、12V、5V等占主流，這些年是5V、3.3V、1.8V、1.5V 占主流，計算機的CPU大多是1.5V的電源。近幾年正在大力開發1.2V，甚至是0.8V電壓的電源，0.8V/30 A的電源已經實用化。而實驗室裡已經開發出1.2 VI70 A，效率為87%的高性能電源。

高電壓領域主要指電力系統供配電電壓等級。電力電子器件能用的電壓等級與工業應用中需要的電壓等級相比還很小，限制了電力電子的用途。目前的開關器件電壓等級，半控開關器件晶閘管才到8000 V，而全控開關器件IGBT隻有6 500 V。電力電子技術在電力系統領域應用的突出問題是開關器件的電壓等級不夠高。

為了使開關器件能在電力系統等高電壓場合中應用，一種途徑是在拓撲電路方面進行探索。目前的技術大緻有兩種;多電平變換器技術和H橋級聯技術。多電平變換器理論上可以有很多級電平，但目前能使用的主要是三電平變換器，五電平變換器還隻是在實驗室水平。H橋級聯技術是把單相逆變器作為器件單元來構成所需的系統，目前在 10 kV電壓等級已有成熟的技術。

另一種途徑是在器件本身方面進行探索。目前主要也是兩種技術∶一是器件直接串聯技術，關鍵是解決好多器件的動态均壓問題;二是器件結構、工藝和材料的改進技術，使得電壓水平不斷提高，如 IGBT的電壓從最初商品化的 300 V提高到了目前的6500 V等。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!