對(duì)電力電子器件應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的思考

1、對(duì)功率電子器件應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的思考內(nèi)容提要：功率電子技術(shù)誕生于晶閘管產(chǎn)生的1957年。發(fā)展到如今，就功率電子器件而言，早已從半控型的晶閘管進(jìn)入以IGBT、功率MOSFET為代表的全控型器件的時(shí)代。至今，功率電子技術(shù)扔十分活躍，是電氣工程領(lǐng)域最為活躍的分支，它給電氣工程領(lǐng)域帶來了翻天覆地的變化，令電氣工程的面貌煥然一新?？梢哉f，如果沒有功率電子技術(shù)，電氣工程發(fā)展到現(xiàn)在的水平是不可能的。本文從介紹什么是功率電子技術(shù)、功率電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用開始，著重于對(duì)功率電子器件的發(fā)展與應(yīng)用的分析和說明，并敘述具有代表性的功率電子電路，再對(duì)功率電子器件應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行一定的說明，最后對(duì)其發(fā)展做相應(yīng)的總結(jié)與思

2、考。關(guān)鍵詞（key word）：功率電子技術(shù)、功率電子器件、功率變換、變流技術(shù)、電能控制、功率二極管、功率晶體管（GTR）、晶閘管（SCR）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率MOSFET、PWM、軟開關(guān)、不可控、半控、全控、新型材料、集成電路技術(shù)。目錄一、綜述31.1 什么是功率電子技術(shù)31.2 功率電子技術(shù)發(fā)展史31.3 功率電子技術(shù)的應(yīng)用5二、功率電子器件6三、功率電子器件的應(yīng)用電路83.1 整流電路83.2 逆變電路93.3 DCDC變流電路93.4 ACAC變流電路103.5 PWM控制電路103.6 軟開關(guān)電路11四、功率電子技術(shù)發(fā)展前景114.1 分布式電

3、源124.2 大功率電子器件124.3 狀態(tài)維修技術(shù)124.4 電磁兼容技術(shù)13五、總結(jié)與思考14一、綜述1.1 什么是功率電子技術(shù)顧名思義，所謂功率電子技術(shù)就是應(yīng)用于功率電子領(lǐng)域的電子技術(shù)。電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和功率電子技術(shù)兩大分支。信息電子技術(shù)主要應(yīng)用于信息處理，而功率電子技術(shù)則主要用于功率交換，其所交換的功率，功率大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至mW級(jí)。功率電子技術(shù)就是使用功率電子器件對(duì)電能進(jìn)行交換和控制的技術(shù)。目前所用的功率電子器件均由半導(dǎo)體制成，故也稱功率半導(dǎo)體器件。表1-1、功率變換的種類 輸入 輸出交流（AC）直流（DC）直流（DC）整流直流斬波交流（AC）交流功率控

4、制變頻、變相逆變?nèi)绫?-1所示，功率變換通?？煞譃樗拇箢?，即交流變直流（AC-DC）、直流變交流（DC-AC）、直流變直流（DC-DC）、交流變交流（AC-AC）。進(jìn)行上述功率變換的技術(shù)稱為變流技術(shù)。通常把功率電子技術(shù)分為功率電子器件制造和變流技術(shù)兩個(gè)分支。變流技術(shù)也稱為功率電子器件的應(yīng)用技術(shù)，它包括用功率電子器件構(gòu)成各種功率變換電路和對(duì)這些電路進(jìn)行控制的技術(shù)，以及由這些電路構(gòu)成功率電子裝置和功率電子系統(tǒng)的技術(shù)?？梢哉J(rèn)為，功率電子器件的制造技術(shù)是功率電子技術(shù)的基礎(chǔ)，而變流技術(shù)則是功率電子技術(shù)的核心。功率電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理，而變流技術(shù)的理論基礎(chǔ)是電路理論。1.2 功率電子技術(shù)

5、發(fā)展史功率電子器件的發(fā)展對(duì)功率電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用，因此，功率電子技術(shù)的發(fā)展史是以功率電子器件的發(fā)展史為綱的。圖1-1給出了功率電子技術(shù)的發(fā)展史。圖1-1、功率電子技術(shù)的發(fā)展史一般認(rèn)為，功率電子技術(shù)的誕生是以1957年美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的。晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為功率電子技術(shù)的史前期或黎明期。1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于功率領(lǐng)域的先河。20世紀(jì)30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)期，各種整流電路、逆變電路、周波

6、變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時(shí)期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組來變流。 1947年美國(guó)著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。 晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。功率電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。晶閘管是通過對(duì)門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率雙極型晶體管（

7、BJT）和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是，通過對(duì)門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關(guān)斷。采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。相對(duì)于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡(jiǎn)稱斬控方式。在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。與此相對(duì)，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和功率電子器件集成在一起，構(gòu)成功率電子集成電路（PIC），這代表了功率電子技

8、術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。功率電子集成技術(shù)包括以PIC為代表的單片集成技術(shù)、混合集成技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)。隨著全控型功率電子器件的不斷進(jìn)步，功率電子電路的工作頻率也不斷提高。與此同時(shí)，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使功率電子器件的開關(guān)損耗降為零，從而提高了功率電子裝置的功率密度。 1.3 功率電子技術(shù)的應(yīng)用功率電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、功率系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。 一般工業(yè)工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動(dòng)機(jī)，都是用功率電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來也采用了變頻裝

9、置，以達(dá)到節(jié)能的目的。 有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用了軟起動(dòng)裝置，這種軟起動(dòng)裝置也是功率電子裝置。電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。功率電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場(chǎng)合。交通運(yùn)輸 電氣化鐵道中廣泛采用功率電子技術(shù)。電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用整流裝置，交流機(jī)車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，功率電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車輛中的各種輔助電源也都離不開功率電子技術(shù)。 電動(dòng)汽車的電機(jī)依靠功率電子裝置進(jìn)行功率變換

10、和驅(qū)動(dòng)控制，其蓄電池的充電也離不開功率電子裝置。一臺(tái)高級(jí)汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動(dòng)并控制。 飛機(jī)、船舶和電梯都離不開功率電子技術(shù)。功率系統(tǒng) 據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上功率電子變流裝置的處理。 直流輸電在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠功率電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。 晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無功發(fā)生器（SVG）、有源功率濾波器（APF）等功率電

11、子裝置大量用于功率系統(tǒng)的無功補(bǔ)償或諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，功率電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量。 在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要功率電子裝置。 電子裝置用電源 各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。 在大型計(jì)算機(jī)等場(chǎng)合，常常需要不間斷電源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）供電，不間斷電源

12、實(shí)際就是典型的功率電子裝置。家用電器 功率電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。 空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)， 不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了功率電子技術(shù)。其它 航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器也離不開各種電源，這些都必需采用功率電子技術(shù)。 抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的大型電動(dòng)機(jī)需要用功率電子技術(shù)來起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開功率電子技術(shù)。新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電，需要用功率電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和功率系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 時(shí)，更離不開功率電子技術(shù)。核聚

13、變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是功率電子裝置?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常常需要一些特種電源，這也是功率電子技術(shù)的用武之地。二、功率電子器件圖2-1、功率電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成如圖2-1所示，功率電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以功率電子器件為核心的主電路構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。功率電子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路：在電氣設(shè)備或功率系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。廣義上功率電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指功率半導(dǎo)

14、體器件。 功率電子器件的特征： 1) 所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。2) 為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。3) 由信息電子電路來控制 ,而且需要驅(qū)動(dòng)電路。4) 自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝散熱器。 功率電子器件的分類：按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度半控型器件1) 主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。2) 器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。全控型器件1) 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。2) 通過控制信號(hào)既

15、可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。不可控器件 1) 功率二極管（Power Diode）2) 不能用控制信號(hào)來控制其通斷按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)電流驅(qū)動(dòng)型 通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動(dòng)型僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（功率二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型 通過在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。 電平控制型 必須通過持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號(hào)來使器件開通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。 按照載流子參與導(dǎo)電的情況 單極型器件 由一種載流子參與導(dǎo)電

16、。 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。 復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混合型器件。 三、功率電子器件的應(yīng)用電路3.1 整流電路整流電路（Rectifier）是功率電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。 整流電路的分類1) 按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。2) 按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路。3) 按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。4) 按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，分為單拍電路和雙拍電路。如圖3-1所示，為一常見的單相橋式半控整流濾波電路。圖3-1、單相橋式半控整流電路3.2 逆變電路與整流相對(duì)應(yīng)

17、，把直流電變成交流電稱為逆變。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時(shí)，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載連接時(shí)，稱為無源逆變。逆變電路的應(yīng)用非常廣泛。在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。另外，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等功率電子裝置使用非常廣泛，其電路的核心部分都是逆變電路。有人甚至說，功率電子技術(shù)早期曾處在整流器時(shí)代，后來進(jìn)入逆變器時(shí)代。下圖為基本的單項(xiàng)橋式逆變電路。負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2圖3-2、逆變電路及其波形舉例3.3 DCDC變流電路直流-直流變流電路（D

18、C-DC Converter）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。直接直流電路也稱斬波電路（DC Chopper），它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡@種情況下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變流電路是在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為帶隔離的直流-直流變流電路或直-交-直電路。直流斬波電路的種類較多，包括六種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，其中前兩種

19、是最基本的電路。利用不同的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成復(fù)合斬波電路。如下圖為一升壓斬波電路。圖3-3、升壓斬波電路3.4 ACAC變流電路交流-交流變流電路：把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路。交流-交流變換電路可以分為直接方式（即無中間直流環(huán)節(jié)）和間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)）兩種。直接方式 交流功率電子控制電路：只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制，而不改變頻率的電路。變頻電路：改變頻率的電路。AC-AC變換電路廣泛應(yīng)用于燈光控制（如調(diào)光和舞臺(tái)燈光控制）、異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)和調(diào)速、供電系統(tǒng)對(duì)無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)等場(chǎng)合。3.5 PWM控制電路PWM（Pulse Width Modulatio

20、n）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。直流斬波電路實(shí)際上采用的就是PWM技術(shù)，在AC-AC變流電路中涉及PWM技術(shù)的有斬控式交流調(diào)壓電路和矩陣式變頻電路。 PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻，現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路。3.6 軟開關(guān)電路現(xiàn)代功率電子電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、輕量化，同時(shí)對(duì)裝置的效率和電磁兼容性也提出了更高的要求。功率電子電子電路的高頻化可以減小濾波器、變壓器的體積和重量，功率電子電子裝置小型化、輕量化。但開關(guān)損耗增加，電路效率嚴(yán)重下降，電

21、磁干擾增大。 軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。使開關(guān)頻率可以大幅度提高。下圖為常見的幾種軟開關(guān)應(yīng)用電路。圖3-4、準(zhǔn)諧振電路四、功率電子技術(shù)發(fā)展前景“功率電子技術(shù)是通向可持續(xù)發(fā)展的橋梁”，這個(gè)論斷已經(jīng)逐漸成為人們的共識(shí)。研究表明，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)盡可能把一次能源轉(zhuǎn)換為電能使用，提高功率電子在終端能源中的比例。因?yàn)?，在保證相同的能源服務(wù)水平的前提下, 使用功率電子這種優(yōu)質(zhì)能源最清潔、方便，易于控制、效率最高。如果能將大量分散燃用的化石燃料都高效潔凈地轉(zhuǎn)換為功率電子使用，人們賴以生存的環(huán)境和生活質(zhì)量就會(huì)大大改善。因此，電能高效潔凈地生產(chǎn)、傳輸、儲(chǔ)存、 分配和使用的技術(shù)將成為下世紀(jì)功率電子技

22、術(shù)的重點(diǎn)領(lǐng)域。功率電子技術(shù)屬于傳統(tǒng)技術(shù)的范疇，技術(shù)創(chuàng)新和出現(xiàn)重大突破的機(jī)會(huì)要比信息科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等新興學(xué)科少得多。但是，應(yīng)該看到，功率電子技術(shù)與其他學(xué)科的相互交叉和滲透的趨勢(shì)越來越明顯。功率電子研究的一些前沿課題反映了這種趨勢(shì)。以下將對(duì)若干功率電子前沿技術(shù)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展前景進(jìn)行評(píng)述。4.1 分布式電源分布式發(fā)電裝置（Distributed Generation）是指功率為數(shù)千瓦至50 MW小型模塊式的、與環(huán)境兼容的獨(dú)立電源。這些電源由功率部門、功率用戶或第3方所有，用以滿足功率系統(tǒng)和用戶特定的要求。如調(diào)峰、為邊遠(yuǎn)用戶或商業(yè)區(qū)和居民區(qū)供電，節(jié)省輸變電投資、提高供電可靠性等等。當(dāng)今的分

23、布式電源主要是指用液體或氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)(IC)、微型燃?xì)廨啓C(jī)（Microtur_bines）和各種工程用的燃料電池（Fuel Cell）。因其具有良好的環(huán)保性能，分布式電源與“小機(jī)組”已不是同一概念。4.2 大功率電子器件功率電子學(xué)（Power Electronics）的應(yīng)用已經(jīng)有多年的歷史。功率電子學(xué)器件用于功率拖動(dòng)、變頻調(diào)速、大功率換流已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)。大功率電子器件（High Power Electronics）的快速發(fā)展也引起了功率系統(tǒng)的重大變革，通常稱為硅片引起的第二次革命。近10多年來，可控整流器(SCR)、可關(guān)斷的晶閘管(GTO)、MOS控制的晶閘管(MCT)、絕緣門極雙極

24、性三極管(IGBT)等大功率高壓開關(guān)器件的開斷能力不斷提高。目前，已經(jīng)生產(chǎn)出6 kA、6kV的GTO，單個(gè)元件的開斷功率可達(dá)到30 MW左右，這無疑是一個(gè)巨大的進(jìn)步。近年來，大功率電子器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于功率的一次系統(tǒng)。可控硅（晶閘管）用于高壓直流輸電已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史。大功率電子器件應(yīng)用于靈活的交流輸電（FACTS）、定質(zhì)功率技術(shù)（Custom Power）以及新一代直流輸電技術(shù)則是近10年的事。新的大功率功率電子器件的研究開發(fā)和應(yīng)用，將成為下世紀(jì)的功率研究前沿。4.3 狀態(tài)維修技術(shù)狀態(tài)維修技術(shù)（Condition Based Maintenance）可以包涵可靠性為中心的維修技術(shù)（RCM）和預(yù)

25、測(cè)維修技術(shù)（PDM）。這2項(xiàng)技術(shù)最初是應(yīng)用于航空航天系統(tǒng)，后來移植應(yīng)用于核電站的維修，近年已成功地用于發(fā)電廠設(shè)備的維修，并正在用于輸變電設(shè)備的檢修。電力系統(tǒng)的可靠性在很大程度上取決于電力設(shè)施的可靠性。隨著電網(wǎng)容量的增大和用戶對(duì)供電可靠性要求的提高，維修管理的重要性日益顯現(xiàn)出來。維修費(fèi)用占電力成本的比例也不斷提高。一座現(xiàn)代化核電站的運(yùn)行維修費(fèi)用已超過燃料費(fèi)用。如何采取合理的維修策略和正確決定維修計(jì)劃，以保證在不降低可靠性的前提下節(jié)省維修費(fèi)用，便成為電力部門或負(fù)責(zé)設(shè)備維修的公司面臨的重要課題。近年來，由于電力體制的改革，電力設(shè)備的維修也開始進(jìn)入市場(chǎng)，過去電力部門獨(dú)家負(fù)責(zé)設(shè)備維修的局面已被打破，電力

26、設(shè)備制造部門也開始介入維修這一領(lǐng)域。由于設(shè)備制造商對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)和薄弱環(huán)節(jié)了如指掌，加上備品備件來源有保證，往往在承接維修合同的競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位。電力部門對(duì)于設(shè)備的運(yùn)行狀況十分熟悉，對(duì)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種電氣、熱、機(jī)械應(yīng)力和氣象影響因素十分了解，承擔(dān)維修任務(wù)也具有優(yōu)勢(shì)。競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)了技術(shù)的發(fā)展。過去電力設(shè)備維修常用的定時(shí)檢修（Timebased Maintenance）和以定時(shí)檢修為基礎(chǔ)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定延長(zhǎng)或縮短維修周期的做法已不能滿足需要，需要發(fā)展新技術(shù)。4.4 電磁兼容技術(shù)電磁兼容（EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何其他事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容

27、技術(shù)是一門迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，涉及電子、計(jì)算機(jī)、通信、航空航天、鐵路交通、電力、軍事以至人民生活各個(gè)方面。在當(dāng)今信息社會(huì)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)系統(tǒng)中采用的電氣及電子設(shè)備數(shù)量大大增加，而且電子設(shè)備的頻帶日益加寬，功率逐漸增大，靈敏度提高，聯(lián)接各種設(shè)備的電纜網(wǎng)絡(luò)也越來越復(fù)雜，因此，電磁兼容問題日顯重要。電力系統(tǒng)中，在電網(wǎng)容量增大、輸電電壓增高的同時(shí)，以計(jì)算機(jī)和微處理器為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)、電網(wǎng)控制、通信設(shè)備得到廣泛采用。因此，電力系統(tǒng)電磁兼容問題也變得十分突出。例如，集繼電保護(hù)、通信、SCADA功能于一體的變電站綜合自動(dòng)化設(shè)備，通常安裝在變電站高壓設(shè)備的附近，該設(shè)備能正常工作的先決條件

28、就是它能夠承受變電站中在正常操作或事故情況下產(chǎn)生的極強(qiáng)的電磁干擾。此外，由于現(xiàn)代的高壓開關(guān)常常與電子控制和保護(hù)設(shè)備集成于一體，因此，對(duì)這種強(qiáng)電與弱電設(shè)備組合的設(shè)備不僅需要進(jìn)行高電壓、大電流的試驗(yàn)，同時(shí)還要通過電磁兼容的試驗(yàn)。GIS的隔離開關(guān)操作時(shí)，可以產(chǎn)生頻率高達(dá)數(shù)兆赫的快速暫態(tài)電壓。這種快速暫態(tài)過電壓不僅會(huì)危及變壓器等設(shè)備的絕緣，而且會(huì)通過接地網(wǎng)向外傳播，干擾變電站繼電保護(hù)、控制設(shè)備的正常工作。隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的提高，電磁兼容技術(shù)的重要性日益顯現(xiàn)出來。盡管全球的科學(xué)家對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，由于此問題極其復(fù)雜，至今尚難以得出結(jié)論。預(yù)測(cè)未來需要開展更多的研究課題。五、總結(jié)與思考Ø

29、 功率電子技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)在已經(jīng)滲透到了工業(yè)乃至民生的每一個(gè)角落，在功率電子發(fā)展的早期，的確需要不斷尋找新的用途，時(shí)至今日，如果要找出一個(gè)使用電能的領(lǐng)域完全不用功率電子技術(shù)恐怕已經(jīng)很困難了。功率電子技術(shù)在電力傳動(dòng)、各種交直流電源、電力系統(tǒng)、焊接和照明等各方面的應(yīng)用非常廣泛，但本文未免有所疏漏了。Ø 由于功率電子技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于電氣工程、電子工程、自動(dòng)化工程、通信工程等諸多工程領(lǐng)域，其范圍遍及工業(yè)、交通、電力、軍事、航空航天航海、建筑乃至家庭等幾乎所有的方面?？梢钥闯?，功率電子技術(shù)已經(jīng)成為一門基礎(chǔ)性和支持性都很強(qiáng)的技術(shù)?？梢哉f，凡是需要電源的地方，或需要運(yùn)動(dòng)并對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制的

30、地方，都離不開功率電子技術(shù)。Ø 功率電子技術(shù)已經(jīng)取得了輝煌的成就，但它仍是一門方興未艾的技術(shù)。功率電子器件制造技術(shù)是功率電子技術(shù)的基礎(chǔ)，功率電子器件制造技術(shù)的每次重大進(jìn)步都對(duì)功率電子技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。迄今為止，用于制造功率電子器件的材料都是硅半導(dǎo)體材料。對(duì)于新的材料，如碳化硅、氮化鎵、砷化鎵、金剛石等的研究已進(jìn)行了多年。目前，碳化硅二極管以其優(yōu)越的性能已獲得了廣泛的應(yīng)用，不久的將來，采用碳化硅材料制成的IGBT壓降低、損耗小、耐壓高，并且可承受的溫度也遠(yuǎn)高于用硅材料制成的IGBT。因此，碳化硅IGBT的應(yīng)用將使功率電子器件和裝置的功率密度大幅度提高，性能大為改變，將給功率電子技術(shù)帶來革命性的變化。遺憾的是，到現(xiàn)在我國(guó)的新型功率電子器件（全控型）還全依賴進(jìn)口，除可自己生產(chǎn)晶閘管外，IGBT，電力MOSFET全部靠進(jìn)口，這