电力电子

电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，已成为现代电气 工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养本专业人才中占有重要地位。

        电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体的说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。目前所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称为电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。
        电力电子涉及由半导体开关启动装置进行电源的控制与转换领域。半导体整流控制、半导体硅整的小型化等的出现，产生一个新的电力电子应用领域。半导体硅整流、汞弧整流器应用于控制电源，但是这样的整流回路只是工业电子的一部分，对于汞弧整流器应用范围而言是有局限的。半导体硅整流的应用涉及很多领域，如汽车、电站、航空电子、高频变频器等。

        电力设备制造业大体包括发电设备行业、输变电一次设备行业、二次设备行业、电力环保行业四个子行业。电力设备行业的发展依托电力工业的发展，电力投资的规模和方向直接影响电力设备行业的发展。
        2008年随着电力下游需求的减少，电力行业新增生产能力同比减少；可再生能源发电容量增加，其中以风电发电容量增加幅度最大；设备变电容量增加；发电设备利用方面，倾向于利用可再生能源发电设备。
        2008年11月初，中央为扩大内需促进经济增长推出4万亿投资计划和十项措施，在2008年四季度新增的1千亿投资中，就有40亿元用于城市电网和农村电网建设。2008年11月14日，国家电网和南方电网公布了其年内和未来两年的电网投资具体额度。受投资计划刺激，电力设备行业未来两年的业绩增长基本没有悬念，与其他受益投资拉动概念的板块不同，两大电网在第一时间公布了投资额度，让电力设备行业的利好率先有了保证。
        电力电子技术可实现控制加节能，将“粗电”变为“细电”来用。电力电子器件制造技术是电力电子技术的基础,我国在这个环节与国外差距比较大。 我国与先进国家总体能源利用效率差10%,工业能耗主要是电能消耗,占能源消耗总量的45%,远超发达国家平均水平的23%。未来五年节能将成为国家支柱型战略新兴产业。保守估计2020年节能产值将是2010年的13倍。

        应用技术高频化（20kHz以上）、硬件结构集成模块化（单片集成模块、混合集成模块）、软件控制数字化和产品性能绿色化（无电磁干扰和对电网无污染）是当前电力电子新技术产品的四大发展方向。[1]
        高频化、集成化、标准模块化和智能化是电力电子器件未来的主要发展方向。
     （1）随着电力电子技术应用的不断发展，对电力电子器件性能指标和可靠性的要求也日益苛刻。具体而言，要求电力电子器件具有更大的电流密度、更高的工作温度、更强的散热能力、更高的工作电压、更低的通态压降、更快的开关时间，而对于航天和军事应用，还要求有更强的抗辐射能力和抗振动冲击能力。特别是航天、航空、舰船、输变电、机车、装甲车辆等使用条件恶劣的应用领域，以上要求更为迫切。
     （2）未来几年中，尽管以硅为半导体材料的双极功率器件和场控功率器件已趋于成熟，但是各种新结构和新工艺的引入，仍可使其性能得到进一步提高和改善，Coolmos、各种改进型IGBT和IGCT均有相当的生命力和竞争力。
     （3）电力电子器件的智能化应用也在不断研究中取得了实质成果。一些国外制造企业已经开发出了相应的IPM智能化功率模块，结构简单、功能齐全、运行可靠性高，并具有自诊断和保护的功能。
     （4）新型高频器件碳化硅和氮化镓器件正在迅速发展，一些器件有望在不远的将来实现商品化，总部位于美国北卡罗来纳的CREE公司已经实现商用的SiC二极管和MOSFET[2]。但由于材料和制造工艺方面的问题，还需要大量的研究投入和时间才能逐步解决，位于北卡州立大学的FREEDM中心正在对此技术进行研究[3]。
        由于环境、能源、社会和高效化的要求，电力电子设备和系统正朝着应用技术高频化、智能化、全数字控制、系统化及绿色化方向发展。
     （1）在未来一段时间内，以各种电力半导体器件为主功率器件的电力电子设备和系统将展开竞争且共同发展。晶闸管及其派生器件仍将垄断特大功率领域。
     （2）以IGBT为主功率器件的整流器和逆变器可提高效率、减小噪声，减轻设备的重量、减少体积，将广泛应用于工业（电机变频、电焊机，工业加热，电镀电源、贮能装置等）、家用电器（电磁炉，商用电磁炉，变频空调，变频冰箱等）和新能源等方面（风力发电，光伏发电、电动汽车等）等。
     （3）以IGCT为主功率器件的电力电子设备和系统将有可能逐步取代晶闸管。
     （4）以MOSFET为主功率器件的电力电子设备和系统将在中低功率领域发挥巨大的作用。
     （5）谐振变流器技术将广泛应用，新的控制技术及手段将在电力电子设备和系统中获得应用，并进一步提高电力电子设备和系统的性能和档次。
     （6）电力电子设备和系统中的电磁干扰（EMI）控制、PWM传动系统中的轴电流和轴电压等难题将取得突破性进展。
     （7）未来电力电子设备和系统的应用热点是：变频调速、智能电网、汽车电子、信息和办公自动化、家用特种电源、牵引用特种电源、新能源、太阳能、风能及燃料电源等。