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电力电子突显节能功效 新型器件崭露头角

中国电子报 冯晓伟?? 2008年07月02日 ?? 收藏0

  发展电力电子产业的首要意义在于节约电能,因此,高效率是我们对电力电子器件的基本要求。新型电力电子器件IGBT(绝缘栅双极型功率管)已在工业控制、消费电子汽车电子等多个领域充当了节能的“急先锋”,而在新能源领域,电力电子器件也是不可或缺的元素。

  电力电子器件在其发展的初期(上世纪60年代-80年代)主要应用于工业和电力系统。而近20年来,随着4C产业(通信、计算机、消费电子、汽车)的蓬勃发展,电力电子器件的应用范围有了大幅度的扩展,其技术已成为航空、航天、火车、汽车、通信、计算机、消费电子、工业自动化及其他科学与工业部门至关重要的基础。

  电力电子是节能关键技术

  电力电子技术是实现高效节能、改造传统产业并促进机电一体化的关键技术。它是弱电控制与强电运行之间、信息技术与先进制造技术之间的桥梁,是我国国民经济的重要基础技术,是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。电力电子器件是电力电子技术的基础和核心,电力电子技术的发展是围绕着各种新型电力电子器件的诞生和完善进行的。

  当前,发展电力电子产业的首要意义在于节约电能。北京工业大学电子信息与控制工程学院亢宝位教

授在接受《中国电子报》记者采访时就曾表示:“为解决能源短缺的问题,除了‘开源’之外,‘节流’的潜力也是十分巨大的,而节流的首要措施就是电力电子器件的发展及其推广应用。例如,据统计,我国用于电机的电能占我国总发电量的60%以上。如果全国电机的驱动都采用电力电子器件进行变频调速,电机耗费的电能就可节能大约1/4到1/3,也就是说可节约全国总发电量的15%至20%。”

  中国电工技术学会电力电子学会副理事长兼秘书长白继彬则告诉《中国电子报》记者,节能和高效是电力电子技术的主要特征,这主要是因为电力电子器件一般工作在较理想的开关状态。电力电子学与信息电子学在技术上主要的不同点就是功效问题,对信息处理用的低电平电路很少要求其效率超过15%,而电力电子技术中的功率电路的效率则必须在85%以上。由此可见,高效率是电力电子器件的根本要求。

  IGBT在多个领域表现出色

  要实现“十一五”规划中提出的“单位国内生产总值能源消耗比‘十五’期末降低20%左右”的目标,关键是要有效降低工业生产过程中那些大电流和高电压应用的功耗,如交流电机控制、逆变器、继电器、开关电源、变频器、工业传动装置、机车与列车用电源以及供暖系统传动装置等工业自动化应用的能耗。

  所有这些交流控制应用都需要能够产生大电流和高电压的核心功率器件,作为新型电力电子器件的代表,IGBT(绝缘栅双极型晶体管)越来越受到业界的重视。IGBT是MOS结构的双极器件,它兼具功率MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)的高速性能和双极晶体管的低电阻性能,具有电压型控制、输入阻抗大、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、安全工作区大等优点,这使得IGBT器件成为大功率工业自动化应用的理想功率开关器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率1kHz以上的领域。

  除了在工业控制领域的应用之外,随着人们节能意识的逐步增强,消费电子产品对于IGBT的需求量也迅速增长。
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  例如在感应加热的应用上,IGBT就因其具有耐高压和较高开关频率的特点而成为电磁炉中的关键组件;而变频空调、变频洗衣机等变频家电也主要使用集驱动电路、保护电路功能于一身的IGBT智能模块,它简化了电路设计;在照明应用方面,IGBT也是高压气体放电灯(HID)、灯具调光器以及高频镇流灯所需的器件。此外,在汽车电子领域,IGBT也已经代替达林顿管成为汽车点火器的首选器件;而意法半导体亚太区模拟、功率及微机电系统事业部总监宝罗尔在接受《中国电子报》记者采访时则表示,大电流IGBT也越来越多地应用到混合动力汽车的主转换器中。

  开源也靠电力电子

  在全球范围内解决能源短缺问题,“开源”和“节流”是两条最根本的途径。利用电力电子器件提高系统的效率,降低能耗,属于“节流”的范畴;而开发新能源,以替代煤、石油、天然气等不可再生的能源,则属于“开源”的范畴。事实上,在“开源”的领域,电力电子器件也起着重要作用。

  太阳能发电一直是人类探索新型能源的重要领域。近20年来,我国光伏产业得到了快速发展,1990年-2007年,我国太阳能电池的产量增长了1641倍。2007年,我国太阳能电池产量为821MW(兆瓦),占世界总产量的22%,位居世界第二。要将太阳能发电机组产生的直流电并入电网,就必须用逆变器将直流电转化为交流电。而由于市场对可再生能源的需求上升,太阳能逆变器的市场也在不断增长。而这些逆变器需要极高的效率和可靠性,对于需要1200V功率开关的太阳能逆变器来说,IGBT是理想的选择。

 

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