电力电子技术发展过程中研究热点分析

摘要：电力电子集成涉及许多共性的电力电子应用基础理论和关键技术问题，具有促进电力、能源、工业生产过程自动化产生革命性的变革的良好前景。本文是针对电力电子技术领域中的研究热点：电力电子器件、电力电子装置、电磁兼容、谐波抑制和高频开关电源等方面进行了阐述。

关键词：电力电子技术；电力电子装置；电磁兼容；谐波抑制

1.引言

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（例如：晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和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电力变换。

在电子学理论的基础上，根据元器件的电气特性，开发出很多新的电能转换电路。这些电能转换电路主要包括：控制电路、触发电路、保护和显示电路、信息处理电路、继电接触二次回路以及外围电路等。上述的多种类型的电能转换电路，根据使用范围和对象的不同，构成了具有多种功能的电力电子装置。通常情况下，电力电子装置是与控制设备配合使用，构成完整的电力应用系统。电力电子装置和电力应用系统中，广泛使用了电子电路学、模拟电子技术、数字技术等。

2.电力电子技术中典型的电能转换形式

通常情况下，电能的变换形式包括以下4种：其中AC为交流电的简称，DC为直流电的简称。

（1）AC→DC：利用整流电力电子装置，将交流电直接转换为直流电。通常情况下，该种电能转换模式适用于充电、直流电动机调速等方面。

（2）DC→AC：利用逆变器电力电子装置，将直流电直接转换为交流电。通常情况下，该装置所输出的交流电用来变频。

（3）AC→AC：利用交流变换器，将交流电的某个参数进行转换，例如：交流电的幅值、频率。对交流电压幅值进行转换的电力电子装置，为交流调压器。通常情况下，该装置的输出应用在电路调温、调光方面；利用变频器对交流电压的频率进行转换，输出通常应用在电动机变频调速方面。

（4）DC→DC：利用直流变换器将直流电的某个参数，例如：直流电压的幅值、极性等，进行转换。该装置的输出适用于直流电动机的牵引传动。

3.研究热点分析

2000年10月，电力电子学在成都举行了一次学术会，该次会议的主要内容，是针对当前电力电子技术应用领域的主流技术、研究热点进行详细的讨论和交流。

当前，我国电力电子技术主要发展方向为：（1）半导体元器件是电力电子技术发展的基础，大多数电力电子装置都是采用的半导体器件，提高半导体器件的性能，即加快电力电子技术的发展，拓展其应用范围。除此之外，应用半导体器件提高了电力电子装置的使用效率。（2）由于功率转换技术是电力电子技术中的核心技术，为了促进电力电子技术的发展，不断提高和创新功率变换技术，在一定程度上，直接推进了电力电子技术的发展，使用功率变换技术能够提高电力电子装置的效率、精度、响应速度、准确性和快速性。 3.1电力电器元件

当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有功率器件的性能改进、MOS门控晶闸管以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。

（1）功率晶闸管的发展

预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有可能开发出10kA/12kV的GTO，并有可能解决30多个高压GTO串联的技术。

（2）脉冲功率闭合开关晶闸管

脉冲功率闭合开关晶闸管的结构和主要特点为：①门极-阴极周围边界具有高度交织的结构，其中，门极面积是芯片总面积的百分之九十，阴极面积是芯片总面积的百分之十；②基区的空穴和电子具有较长的寿命，门极-阴极之间的水平距离不大于单位扩散长度。如上所述，脉冲功率闭合开关晶闸管的工艺特点决定了，该期间在导通的瞬间，阴极面积可以被百分之百的全部利用。除此之外，脉冲功率闭合开关晶闸管能够承载导通瞬间所产生的最大电流冲击。

（3）新型GTO器件-集成门极换流晶闸管

目前，已经存在GTO器件的替代产品，分别为：①高功率的IGBT模块；②新型GTO派生器件-集成门极换流IGCT晶闸管。其中，后一种GTO器件的替代产品属于较大功率的电子器件，具有良好的性能。例如：不需要利用缓冲电路来实现该器件的导通或关断。

3.2电力电子装置

在电力电子技术的应用方面，电力电子装置发展方向为：（1）向容量更大和更小的两个方向发展；（2）向集成化方向发展，能够满足高可靠性、高自动化、高性能和标准化的需求。将电力电子的功率半导体和微电子的信息半导体集成在一起，并按照不同功能的电力电子电路、控制、检测和执行模块化。集成化使电力电子产品像目前IC芯片应用那么方便、普及和可靠。电力电子产品集成化市场前景极大。预计将与微电子集成电路成为未来电子行业的一个重要经济增长点。（3）向智能化方向发展：将控制技术与电力电子技术结合，使电力电子装置的性能进一步提高。目前，正在发展电力电子IP模块。

3.3电磁兼容

在整机电力电子装置中，各种配电设备之间都存在密切联系。这种形式导致，在电气设备运行过程中，运行方式的改变、开关导通、关断等引起电或磁变换的情况，都会影响很多电气设备，导致该应用系统中的配电设备受到影响，严重时会直接损毁配电设备。如上所述，电磁兼容是电力电子技术发展过程中必须要考虑的问题。

3.4谐波抑制

对高次谐波实现有效控制，是电力电子技术研究中的核心内容。通常情况下，从以下两方面进行考虑：（1）大功率谐波，我国相关标准中对电网连接点的谐波电流的大小做了明确的规定；（2）抑制谐波放大，将谐波电流和电压控制在有效的范围内。

3.5高频开关电源

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术处于重要地位。其中，高频开关电源是各种大功率开关电源的核心技术。高频开关电源的发展方向是模块化，即将所有的应将都以芯片的形式存在一个模块单元中，使元器件之间不再有传统的引线连接。只要把控制软件直接植入该模块中的微处理芯片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就可以形成了高频开关电源。

4.参考文献

[1]杨锦园.电力电子技术发展集成化趋势研究[J].中国西部科技（学术）.2007（09）

[2]张玲君.电力电子技术的发展与创新[J].科技创新导报.2007（32）

[3]王学礼.现代电力电子技术的应用与展望[J].电气时代.2003（08）

[4]王予倩.电力电子技术的发展及其在开关电源中的应用[J].四川电力技术.2005（05）

[5]石新春.电力电子技术与谐波抑制[J].华北电力大学学报.2002（01）

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