现代电力电子技术及其应用发展

雷靖华

（烟台东方威思顿电气有限公司，山东 烟台 264003）

随着社会的发展，人们对于电力的需求越来越多，电能已经成为人们生活中不可或缺的能源。电子信息化技术改变了传统的电力技术，让电力技术进入了一个崭新的时代，为其发展拓展了电力系统的新领域。例如，现在电力电子技术已经被广泛地应用到能源、环境、制造业等领域中。电力电子技术伴随着信息技术而进步，信息技术的发展也为电力电子技术的进步奠定了坚实的基础。电力电子技术的发展经历了整流器时代、逆变器时代、变频器时代，技术日臻完善趋于成熟，其应用是电力系统的一次重大改革，对其发展历程进行研究有助于加强其在电力电子系统的应用，改善人们生活方式，提高人们的工作效率。

1 电力电子技术及其特点

电力电子技术涵盖了电力电子元件的制造与变流技术，制造技术是基础构成，变流技术是核心构成。电力电子技术并不是单纯的电子技术，而是结合了电子学、电力学、控制理论3个方面的知识，推动电力系统的发展。就理论基础而言，电力电子器件的制造技术和电子信息化的电子器件制造技术是一样的，工艺也非常类似，在电力学中有着十分广泛的运用，电力学与电力电子技术关系密切。控制理论在电力电子技术中的应用，使得电力电子技术更进一步地满足了人们的生活需求[1]。电力电子技术的特点主要是以下几个方面：

（1）全控化。传统的电力电子器件主要是半控型普通晶闸管，现在的电力电子主要采用的是各类自关断器件，能够有效实现电力电子技术的全控化。同时，各类自关断器件还能够使得相对复杂的电路简单化，提高电力电子的实用性，改变了整个电力系统的控制模式，增强了电力电子技术在电力领域的实用性和方便性。各种控制器并不是独立存在，而是并联在一起的，集成在一个基片上，实现了电力电子技术的集成化。

（2）高频化。以集成化为基础，主要是指电力电子技术的工作速度和工作强度。高效率化与高速度之间是相互联系的，只有电力电子技术高速度化，才能实现电力电子技术的高效率化，也体现在能量的损耗上，由于传统的电力器件相对复杂，导致电能量在运输过程中具有损耗。电力电子器件开关的上升和下降都非常快，明显地减少了开关损耗。

（3）变换器小型化。使元件朝着高频率化发展，控制电路的高度集成化与微型化导致滤波电路与控制器的体积显著减少。电力电子的元件构成也实现了主电路体积的大幅缩减，使得变换器小型化。电力电子技术的特点也是电力电子技术应用的基础[2]。

2 电力电子技术的发展过程

电力电子技术技术诞生的标志是1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管。电力电子技术的发展主要经过了电力电子技术的前期、晶闸管时期、全控型器件时期。当然，不同的人对于电力电子系统的认识是不同的，一般情况下，电力电子发展过程主要是包括以下几个方面。

2.1 电力电子技术的前期

电子技术开始于电子管，电子管能够对电流进行控制，在通信和无线电中具有重要的作用。电力电子技术的前期主要是传统的电子技术，传统的电子技术元器件组成相对复杂，但是促使了现代电力电子技术的发展。传统的电子技术虽然相较于现代的电力电子技术来说相对落后一些，但在当时已经是非常先进的了。特别是1947年，闻名全球的贝尔实验室发明了晶体管，带来了电子技术的革命风暴，随后各种先进技术和器件的涌现，促进了电力电子技术飞跃地发展。

2.2 晶闸管时期

在晶闸管之前主要采用的是水银整流器和旋转变机组，与之相比，晶闸管具有优越的电气性能和控制性能，扩大了电子技术的应用范围。晶闸管属于半控制器，主要是指在使用的过程中可以导通门极，但是却不能够使其关断，因此，又可以称为可控硅。晶闸管的管段还需要电网、电压等外部的条件才可以实现，一般分为单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等，控制方式主要是相位控制，使得其实用范围受到了一定的限制。总之，晶闸管使得电力系统进入了电力电子时代，也可以说电力电子系统的核心部件就是晶闸管。

2.3 全控和集成时代

全控时代主要依靠的是全控型器件，主要特点是能够使其开通、关断，弥补了晶闸管的不足。全控型晶闸管有电力双极型晶体管和电力场效应晶体管。全控型器件的电路控制方式为相对控制，相较于相位控制方式具有绝对的优势。全控时代也开启了电力电子技术应用的一个全新的时代。

集成时代主要是将驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成了集成电路，简化了电路，提高了电路的工作效率，为电力电子技术的发展提供了方向。全控和集成时代依靠的依然是电力电子技术的基础设施，只有基础设施达到一定的标准和规模，才能够走向全控和集成时代。

3 电力电子技术的应用

电力电子技术的应用范围非常广泛，不仅应用在人们的日常生活中，例如照明、空调等，而且还被应用到电力系统、计算机系统等方面。随着各种新技术的出现，电力电子系统将来会被应用到更多的场合和领域中。

3.1 电力系统

电力能源是国家经济发展的命脉。人们的生活、学习和工作都离不开电能，电力系统的发展直接影响到人们的生活质量。现代电力系统中采用电力电子系统在长距离、大容量输电中具有绝对的优势，其中，柔性开关和电压控制器都可以改善供电系统，提高供电质量，改善了民众和企业的用电质量，节省了大量的电能。电力系统是电子系统应用的最佳场合，换句话说，电力电子系统将会成为电力系统的核心部件，提高电力的功能和效率[3]。

3.2 家用电器

电力电子系统在家用电器中的应用主要是在照明、空调等方面。电力电子器件的发光效率高，能够节省大量的电能资源，电力电子照明系统也在逐步取代传统的白炽灯照明装置。在空调和电冰箱中也具有重要的应用，可以提高功率节省电能。电力电子的装置相对简单，能够帮助简化家电体积和居家电线的布局，节省空间，降低功耗。因此，在家用电器中应用电力电子系统可以帮助用户节省开支，为社会节约能源。

3.3 交通运输

随着社会的发展，高铁、地铁都已经成为人们出行的重要工具。电力电子系统的应用主要体现在直流机车中的整流设备、交流机车中的变频设备等，都是机车电力系统的重要组成部分。各种轨道车辆中采用的直流斩博器、有轨电车中采用的各种电力电子装置，都是电力电子系统的典型应用，不但为人们的出行提供了方便，也为国民经济的发展提供了强劲动力，同时，即将全面投运的悬磁浮列车的整个电力系统也离不开电力电子技术的强大支撑。电力电子已经改变了传统交通运输工具的电力系统，大大提高了交通运输工具的速度和效率。

家用交通工具中最常见的电动车也需要电力电子系统，其集成装置使得电动车更加简化、轻巧，也决定了电动车的最大续航里程和寿命，电动车的续航里程和寿命也是人们选择时的一个重要指标。

3.4 航天和发电站

航天的飞行器中包含大量的电子仪器，其开启需要应用到各种电源，从而也需要电力电子技术。航天飞行器对于我国的航天事业来说具有重要的作用，将会决定航天事业的高度。发电站中也需要应用电力电子技术来起动和调速，特别是新能源的开发中，都需要应用电力电子系统。在电量需求大的地方或者经济发达地区都需要以各种各样不同的电力电子系统作为支撑。

4 结语

电力电子系统是电力系统中的一个重要创新，其发展已经相对成熟，而且被广泛地应用到各个领域，改变了整个传统的电力系统。电力电子具有独特的优势，加强了传统电力系统的安全控制，提升了电力系统的应用水平。但是电力电子并不是完美的，各种电磁辐射和电子干扰也影响着电力电子系统。作为一项新兴技术，其发展将对人们生活起到不可估量的作用。