淺析電力電子技術的發展與應用

王美琳 齊庭庭

摘要：電力電子技術主要應用于電力領域，其工作原理是依靠電力電子器件對電能進行不斷地轉換和控制。從數W乃至1W以下到數百MW乃至GW，利用電力電子技術轉換而來的電力能源深入到社會發展的各個領域。越來越成熟的電力電子技術極大程度上方便了人們的生活生產，推動了工業制造的前進步伐。本文主要對電力電子技術的發展歷程以及應用做了簡要的分析。

關鍵詞：電力電子技術；發展歷程；應用

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）11-0268-02

Abstract： Power electronics technology is mainly used in the field of power， its working principle is relying on power electronic devices for continuous conversion and control of power. From several or even less than 1W to hundreds of MW or even GW， power energy converted by power electronics technology has penetrated into various fields of social development. More and more mature power electronics technology greatly facilitates people's life and production， and promotes the progress of industrial manufacturing. This paper mainly makes a brief analysis of the development and application of power electronics technology.

Key words： power electronic technology； development history； application

1 概述

電力電子技術集科學性和實用性于一體，對我國社會的經濟，科技發展都有著重大意義。現如今，電力領域的發展日新月異，通過對電力電子技術的不斷探究和良好把控，弱電子到強電力的轉換和控制更加趨向于高效化，質量化。在科技引領時代的今天，我們更是把能源再利用和綠色化放在了電力生產及控制的重要位置。

隨電子學應運而生的電子技術，是一門利用電子器件組成電路來解決生活中實際問題的學科。而著重強調信息處理的信息電子技術和側重于電力變換和控制的電力電子技術則是電子技術的兩大分支。本篇文章將對后者的發展及其應用提出淺陋見解。

電力電子技術包含電力，電子和控制三個方面，是現代電子技術的基礎之一。電力電子器件構成電力電子電路，它的發展帶動了電力電子技術的進步，而功率半導體器件是電力電子電路的基礎。功率半導體器件的歷史悠久而深遠。如今，各種各樣的電子器件活躍在我們的生活之中，從不可控功率二極管到半控型的晶閘管，大功率晶體管，再到絕緣柵雙極型晶體管等，小小的它們構成的電路藍圖大大的方便著人們的生活生產。隨著功率半導體開關器件的出現以及變流技術的發展，國防建設，交通安全，能源保護和人民生產生活等與國計民生息息相關的各行各業之中都有著電力電子技術的身影，它具有非常可觀的應用前景，成了電氣工程中不可或缺的一環。

2 發展歷程

2.1 整流器時代

工頻交流發電機為大功率工業生產提供巨大動力，使得重工業發展迅速。而電鍍，電力牽引和直流電氣傳動這三大領域卻需要直流電的供給。于是，如何將交流電能轉換成直流電能成了當時人們研究的熱點問題。1958年，美國通用電氣公司研發了世界上第一個晶閘管，這只晶閘管的誕生，宣布了電能的轉換和控制從此進入整流器時代。20世紀40年代，大功率二極管又成功登上功率半導體器件的大舞臺，并成了應用極廣的一種電子器件。如今，整流二極管，肖特基二極管已被廣泛應用。而20世紀60年代第一次出現在人類視野中的晶閘管為電力電子器件畫上了濃墨重彩的一筆，電力電子技術走向了新的起點。如今，逆導晶閘管，雙向晶閘管，光控晶閘管在生活生產中也很常見。

整流即為交流到直流的電力變換過程，它包括不可控整流和可控整流，而可控整流則是采用晶閘管作為控制元件。從單相到多相，從半波到橋式，從電阻性負載到電感性負載，我們通過對整流電路的電壓電流的分析，判斷功率半導體器件的通斷狀態和負載的性質。一層層揭開電子器件的奧秘，一步步推動整流器時代的發展。

2.2 逆變器時代

晶閘管屬于第一代電力電子器件，它的出現雖然使得電力電子技術的發展向前飛躍了一大步，但是它是一種半控型器件，不具有自關斷的能力，然而關斷問題在應用中是必須要提出解決的。于是，晶閘管的使用并不能滿足電力電子技術的發展需求。為了進一步簡化電路結構，降低成本輸出，第二代全控型器件在20世紀70年代被開發。 包括GTO，GTR，power MOSFET等，它們由柵極控制，以控制開關的導通和關斷狀態，并且有著開關頻率高的特點。 解決了晶閘管不能自關斷的問題，實現了轉換器裝置的高頻率。 以power MOSFET為例，它的開關速度快，工作頻率可達數百千赫茲以上。 是電力電子器件中速度最快的設備。 適用于高頻應用，如開關電源和高頻感應加熱。

逆變是直流（DC）轉換成交流（AC）的電力變換過程，有源逆變和無源逆變統稱為逆變。有源逆變中，負載的供電來源是電網電源，通過電網，將DC變換成供負載使用的交流電輸送出去。而無源逆變不通過電網，它直接將DC變換成AC供給用電負載使用。在直流電源（蓄電池，光電池），不間斷電源，有源濾波器，以及現代風電技術中，逆變的運用都非常之廣泛而深入。而現在，對于逆變的多重化和多電平化，以及PWM技術的采用和實施也已經成為熱門話題。

2.3 變頻器時代

1980年～1989年之間，絕緣柵雙極晶體管的出現標志著第三代場控半導體器件的誕生。 與此同時，靜電感應晶體管，靜電感應晶閘管，MOS控制晶閘管等器件也隨之出現在電子世界。 大規模甚至超大規模的集成電路得到了廣泛的應用，而全控半導體器件已迅速占領了大部分市場，電力電子技術的發展也達到了新的高潮。各種全控型半導體器件的相繼問世，復合導電機構的成熟使用，電力電子技術不斷地得到提高和完善，到80年代后期，第四代電力電子器件也全面投入市場，被各個行業使用，集成電路被大眾所認知，電力控制也跨上了一個新的臺階。相比于之前的第一，二代，現在的電子器件具有更高的耐壓，電流容量也增加了很多，更是添加了過壓過流等監測裝置。新的器件的出現不意味著老器件的淘汰，在電力電子技術發展的道路上，這些器件將一直大放異彩。

變頻是通過使用半導體器件來改變供電頻率來降低功耗，提高用電效率，調節負載，使用電設備具有更長的使用壽命。變頻電路有交交變頻電路，交直交變頻電路等，它們的調頻范圍和使用場合等根據電路組成不同而有所不同。如今，變頻空調、變頻冰箱、各式各樣的變頻器已深入我們的生活，變頻技術也被成熟運用在我們的身邊。我們的生活質量，科技水平有了顯著的提高。

3 應用舉例

3.1 不間斷電源

不間斷電源（UPS）主要由蓄電池組，整流器，逆變器，旁路開關和重要負載這五大部分組合而成。現在已經在航天，鐵路，交通，IT行業等領域廣泛投入使用。UPS對一些重要負載而言，是避免電網電源的不利影響，減少諧波干擾的有效措施，并且在過電壓，欠電壓時還能夠對電壓進行調整。UPS的蓄電池組通常是鉛酸電池，一般情況下，電網電源正常供給電能，重要負載的供電來源則是電網所輸送出來的能量，此時蓄電池組通過電網電源進行充電。當電網斷電，正常供電停止，蓄電池組將儲存的電荷釋放出來，供給重要負載，使負載可以處于不斷電狀態，一直保持正常工作。這就是不間斷電源和其他普通電源的主要區別。UPS為重要負載提供穩定電壓，并且在維護和管理上相對于其他電源先進了很多，倍受大型設備和企業的青睞。

3.2 變速恒頻發電技術

現在的社會，經濟日益膨脹，人們的生活水平不斷提高，而在人類發展進步的同時，能源的消耗速度是我們無法想象的，人類對能源的需求不斷增長，很快，能源已是供不應求，能源危機是我們每個人都將要面臨的問題。現在，一次性能源的消耗已經造成的很多問題，礦物的燃燒與大量使用，使得能源即將枯竭，環境保護一時間也面臨著巨大的挑戰。于是，可再生能源的開發和利用是我們迫在眉睫的任務，只有這樣，我們才能實現能源的有效供應，以及環境的可持續發展。

變速恒頻發電迅速適應了各種發電系統的要求，成為現在最需要研究和使用的發電方式。它通過交-直-交全功率變換和交流勵磁雙饋發電兩種方式達到變速恒頻發電的目的。對風力發電，水力發電的運行都有著巨大的意義。

4 結語

電力電子技術是一種新興的能量轉換和控制技術，在電力電子器件一次次革新的過程中，電力電子技術也日漸成熟，被大眾所熟知，對于電氣控制至關重要。電力電子技術的進步和發展的同時，世界也對其提出了新要求，即集成化，通用化，智能化，綠色化。在科技引領潮流的今天，我們年輕一代也應該以探究鉆研的精神去學習電力電子技術的有關知識。

參考文獻：

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【通聯編輯：梁書】