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电力技术的发展方向

电子技术通过电能转换为不同的负载提供所需的供电形式和节约电能的手段。因此，可以说电力电子技术的应用无处不在。为了使电力电子器件更加实用、高效、可靠地应用于电力变换电路系统，电力电子应用技术在不断探索，发展方向大致如下。

一.一体化

该集成电路体积小、能耗低、可靠性好、使用方便。和微电子电路一样，电力电子电路也在向集成化发展。

一是专用芯片的集成。电力系统的不同应用不仅需要不同的电路拓扑，也需要不同的控制电路。控制电路由许多通用逻辑器件和一些分立元件组成。这些逻辑器件和一些分立元件被集成到一个芯片上。具有特殊控制功能的ASIC不仅减小了控制电路的体积，而且大大提高了控制电路的可靠性。

第二是有源器件的封装和集成。通过改变器件内部连接方式，封装相关控制和保护功能，目的是降低器件内部连接电感，降低器件封装热阻，提高内部连接可靠性，增加器件功能。

第三，无源元件的集成。通过集成磁性元件或电感电容，目的是减少构成电力电子装置的元件数量，提高系统可靠性，有效利用电感电容分布参数。第四是系统集成。在低功率应用中，控制、驱动、保护和电力电子主电路可以集成在一起，形成一个完整的系统。对于干式电机传动系统，甚至将电力电子集成到电机中，将电机外壳视为电力电子散热器的一部分，将电机与其控制系统集成在一起。随着技术的进步、功耗的降低和散热性能的提高，器件和系统的综合功耗水平在逐渐提高。

第二，模块化

模块化是功能单元模块化的缩写。当功率水平较高，系统集成因散热而难以实现时，模块化是一条发展路径。第一，开关器件的模块化。从一个开关器件功能到模块封装、到多个开关器件、到系统开关器件到模块封装，以减小体积并提高可靠性。第二，开关器件模块和散热器结合在一起，用必要的附件形成模块组件，降低了从器件到散热介质的热阻。第三，将功能单元的器件模块与驱动、保护、散热器组合成一个完整的整体功能单元组件，不仅可以方便地与其他功能部件组成一个系统，还可以方便地安装和更换系统的部件。模块化不仅有利于电力电子系统功能单元的标准化和系列化，也有利于不同功能的电力电子系统的组合和维护。

第三，智力

传感器、数字芯片、通信和网络技术的发展为电力电子开关器件注入了新的活力。传感器的数字芯片嵌入开关装置中，借助通信和网络不断扩展其功能。该单元或模块不仅具有切换功能，还具有控制、驱动、检测和通信功能。自诊断，甚至工作状态判断等功能。随着集成技术的提高和突破，一些器件还具有放大、调制、振荡和逻辑运算的功能，大大拓宽了应用范围，简化了电路结构，提高了智能化水平。

第四，高频

一般电力电子器件中的磁性元件和电容约占体积的1/3，重量超过1/3。器件的高频工作可以大大减小器件中磁性元件和电容的容量，从而减小器件的体积和重量。目前高频的第一种方法是改进器件的结构和材料，提高开关器件的开关速度，降低开关器件的开关压降。如普通晶闸管、GTO、高频晶闸管、MOS控制晶闸管、静电感应晶闸管等。如晶体管、IGBT、静电感应晶体管、MOS管、硅半导体器件到碳化硅半导体器件等。二是改进电路拓扑和控制方式，采用更有效的软开关技术。比如1200 V/300 A的IGBT，用在普通开关电路中只能达到20 kHz，用在软开关电路中可以达到100 kHz。再次，从系统角度出发，改变各单元的结构和接线，采用复用技术，提高电力电子系统输入输出端的谐波频率，改善电能质量。

第五，不断提高设备的效率

如果提高电力电子器件的效率，不仅可以节约能源，还可以减小电力电子器件本身的体积和重量。提高效率主要有两种方式；一是电路选择和控制技术；一个是升级设备的技术。在低压大电流变换器中，采用同步整流技术可以降低整流电路中器件的通态损耗。在高频变换器中使用软开关技术有利于降低器件的开关损耗。碳化硅器件是开关器件的一个发展方向。美国戴姆勒-克莱斯勒公司的测试结果表明，将IGBT模块中现有的Si反并联二极管替换为SiC二极管后，开关模块的通断损耗仅为原来的1/3和1/5。因此，升级设备的技术是实现高效率的最有力的途径。

不及物动词不断扩大电压的应用范围。

电子应用技术一方面在不断向较低电压领域拓展，另一方面也在向较高电压领域拓展。

6\\\”>低电压领域主要指大电流低电压的直流供电电源。现代信息化和智能化技术的发展，主要依赖于硅晶体管技术的发展。各种各样的集成电路，从简单的逻辑器件，到复杂的计算机 CPU等，都是硅材料制成的。集成电路的静态功耗与供电电源的平方成正比。为了节约电能，减小静态功耗，现在的发展趋势是给集成电路的供电电压不断降低。但由于集成电路的复杂程度也在不断增加，所以，需要电源提供的电流也在不断增加。集成电路的电源电压，曾经是18V、15V、12V、5V等占主流，这些年是5V、3.3V、1.8V、1.5V 占主流，计算机的CPU大多是1.5V的电源。近几年正在大力开发1.2V，甚至是0.8V电压的电源，0.8V/30 A的电源已经实用化。而实验室里已经开发出1.2 VI70 A，效率为87%的高性能电源。

高电压领域主要指电力系统供配电电压等级。电力电子器件能用的电压等级与工业应用中需要的电压等级相比还很小，限制了电力电子的用途。目前的开关器件电压等级，半控开关器件晶闸管才到8000 V，而全控开关器件IGBT只有6 500 V。电力电子技术在电力系统领域应用的突出问题是开关器件的电压等级不够高。

为了使开关器件能在电力系统等高电压场合中应用，一种途径是在拓扑电路方面进行探索。目前的技术大致有两种;多电平变换器技术和H桥级联技术。多电平变换器理论上可以有很多级电平，但目前能使用的主要是三电平变换器，五电平变换器还只是在实验室水平。H桥级联技术是把单相逆变器作为器件单元来构成所需的系统，目前在 10 kV电压等级已有成熟的技术。

另一种途径是在器件本身方面进行探索。目前主要也是两种技术∶一是器件直接串联技术，关键是解决好多器件的动态均压问题;二是器件结构、工艺和材料的改进技术，使得电压水平不断提高，如 IGBT的电压从最初商品化的 300 V提高到了目前的6500 V等。