电力电子技术的基础与核心是什么（电力电子技术的发展方向）

电力电子技术的发展方向

电力电子技术通过电能变换的方式，给千差万别的负载提供所需要的电源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所不在。为了让电力电子元器件更加实用、高效、可靠地应用到电源变换电路系统中，电力电子应用技术不断探索着，发展方向大致有以下6个方面。

一、集成化

集成电路体积小、耗能低、可靠性好、使用方便。像微电子电路一样，电力电子电路也在向集成化方向发展。

一是专用芯片的集成。电力电子系统不同的应用不仅需不同电路拓扑，也需要不同的控制电路。控制电路由许多种通用的逻辑器件和—些分立的元器件构成。把这些逻辑器件和一些分立元器件集成在一个芯片中。构成具有特殊控制功能的专用集成芯片既减小了控制电路的体积，又大大提高了控制电路的可靠性。

二是有源器件的封装集成。通过改变器件内部连线方式，并把有关控制和保护功能封装进去，目的是为了减小器件内部连线电感，减小器件封装热阳阻.提高内部连接可靠性.增加器件功能。

三是无源元件的集成。通过把磁性元件（电感或变压器）集成，或者把电感和电容集成，目的是为了减小构成电力电子装置的元器件个数，提高系统可靠性，同时能有效利用电感和电容的分布参数。四是系统集成。在功率稍低的应用中，已经可以把控制、驱动、保护和电力电子主电路集成在一起.构成一个完整的系统;对干电机传动系统来说，甚至电力电子申路集成到电机中，把电机的外壳当做电力电子散热器的一部分，电机与它的控制系统一体化。由于技术的进步，损耗功率的降低和散热性能的改善，器件与系统的集成功率等级也在逐步提高。

二、模组化

模组化是功能单元模块组件化的简称。在功率等级较高，由于散热等原因，系统集成难以实现时，模组化是一条发展道路。一是开关器件模块化。从一个开关器件功能构成一个模块封装，发展到多个开关器件构成模块封装，再发展到一个系统的开关器件（如三相逆变桥臂的6个器件）构成模块封装，以减小体积和提高可靠性。二是开关器件模块和散热器组合在一起，配上必要的附件，构成一个模块组件，减小从器件到散热介质之间的热阻。三是把功能单元的器件模块（如变换器桥臂）与驱动、保护和散热器等组合在一起成为一个完整的整体功能单元组件，既能方便地与其他功能组件构成一个系统，又方便该系统的部件安装和更换。模组化既有利于电力电子系统功能单元的标准化和系列化，又有利于不同功能的电力电子系统的构成和维护。

三、智能化

传感器、数字芯片、通信和网络等技术的发展，给电力电子开关器件注入了新的活力。开关器件中嵌入传感器数字芯片等.并通过通信和网络的手段，其功能不断扩大。单元器件或模块不但具有开关功能，还有控制、驱动、检测、通信。故障自诊断，甚至工作状态判定等功能。随着集成工艺的提高和突破，有的器件还具有放大、调制、振荡及逻辑运算的功能，使用范围大大拓宽，线路结构更加简化，智能化水平也不断提高。

四、高频化

一般情况下，电力电子装置中的磁性元件和电容器约占1/3体积和 1/3以上的重量。装置的器件高频工作，可以大大减小装置中磁性元件和电容器的容量，从而减小和减轻装置的体积和重量。目前高频化的办法一是改进器件的结构和材料，提高开关器件的开关速度和降低开关器件的导通压降。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。如晶体管、IGBT、静电感应晶体管、MOS管，如硅半导体器件到碳化硅半导体器件。二是改进电路拓扑和控制方式，采用更加有效的软开关技术。如1200 V/300 A的IGBT用在普通开关电路中，开关频率一般只能到 20 kHz，而用在软开关电路中，开关频率可达100 kHz。三是从系统角度改变各单元结构和结线，采用多重化技术，提高电力电子系统输入和输出端的谐波频率，改善电能质量。

五、不断提高装置效率

电力电子装置如果提高效率，不仅有利于节约能源，而且有利于减小电力电子装置本身的体积和重量。提高效率的方式主要有两种;一种是电路选择和控制技术;一种是提升器件的技术。在低电压大电流的变换器中，采用同步整流技术可降低整流电路中器件的通态损耗。在高频变换器中采用软开关技术，有利于降低器件的开关损耗。SiC 材料器件是开关器件发展的一个方向。美国戴姆乐-克莱斯勒公司的试验结果表明，用SiC二极管取代IGBT 模块中现有的 Si材料反并联二极管后，开关模块的开通损耗只有取代前的1/3，关断损耗只有取代前的1/5。因此，提升器件的技术是高效化最有力的途径。

六、不断拓展电压应用范围

电力电子应用技术一方面不断向更低电压领域应用拓展，另一方面向更高电压领域拓展。

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（也可理解为待机功耗）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。