21 世纪的电力电子技术.doc

21世纪的电力电子技术
李泽元
摘  要论述了电力电子技术的发展和重要性,以及电力电子技术今后的研发重点。
关键词电力电子研发技术
1 电力电子技术的发展
——电力电子这个学科严格讲是从60年代开始的。在60年代首先是发明了半导体晶体管,接着是大功率晶闸管和GTO;在70年代,很重要的发明是微处理机(Microprocessor)。微处理机出现后,全世界的工业界出现了变革。主要是在产品自动化、生产自动化上进行了变革。
——工业革命后电力电子学继续发展。70年代初期有了大功率的晶体管,70年代末就有了功率场效应管(Power MOSFET)。Power MOSFET非常好用,很容量做开关动作。80年代有了另一个功率器件IGBT。IGBT就是将MOSFET与晶体管结合在一起的功率器件,操作方便,且可控制很大的电流及很高的电压。接着开发的是MCT。90年代以后国际上一个很重要的发展方向是SiC(碳化硅)半导体。它与现有的半导体不太一样,用SiC做成的器件可以用很简单的控制方法来控制开关,可以承受很高的电压、电流,也可承受很高的温度,并可工作在很高的频率F,估计这种新器件在今后5~10年会出现,它的出现会有革命性的影响。
——未来电力电子最大的挑战是怎样把电力电子设备做成普遍化、大从化,将电力电子器件设计标准化。现在我们用的很多东西都不是用最好的电力电子的方法来设计的,比如家里用的洗衣机、烘干机、微波炉、空调等。大部分都是定频式控制,如果把定频式改成变频式控制,就可以节省1/3的能源。目前没能大量采用变频控制的主要原因是成本问题,把成本降低,让使用普遍化,将来对节约能源、环保都会有很大贡献。
——电力电子还有一个很重要的应用是在交通方面,如航天、电动汽车、混合式电动汽车、用燃料电池的电动汽车等。
2 电力电子与能源利用的关系
——过去100年,能源消耗从几乎没有到增长很快。能源的消耗增长对环境造成了很大的污染。如果让这个趋势继续下去,将来会造成很严重的后果,会出现能源的缺乏,环保的问题。
——那么电力电子在这个方面能有什么作用呢?目前所有的能源中电力方面的能源约占40%,而电子能源中有40%是以过电力电子的设备转换才得到的,其中55%以上是用在马达和马达控制方面,20%是用在照明方面。如果用很好的电力电子技术去转换,人类至少可节省约1/3的能源,1/3的能源到底有多少呢?目前的统计数字表明,1/3的能源相当于840个发电厂发出的电能。由此可以看出电力电子对环保是相当有作用的。预计10年后,电力能源中的80%要经过电力电子设备的转换,因此电力电子技术在21世纪将起到更大的作用。
3 电力电子技术是支撑技术
——一般人对电力电子的认识都不是很清楚,因为看不到它,比如在计算机里面,使用计算机时人们没有想到电源,但打开计算机必须先打开电源,然后才能操作计算机;又因为一般电力电子都是仪器的一部分,是幕后英雄,这是一般人不重视的原因。电力电子是支撑的科技,它是基本的科技,因为所有的电子设备都需要电源才能操作,电力电子支持所有的电子工业。电子工业2年前市场为10兆美金,2000年市场估计要到20兆美金,而电力电子产品的年销售量只有600亿美金,这种支持结构是不够稳定的,必须大力发展,才足以支持整个电子工业。
电力电子与关键科技
——与