电力电子器件是电力电子技术发展的基础和根本推动力,电力电子技术的发展有赖于电力电子器件的发展,其每一次飞跃都以新器件的出现为契机。电力电子技术的发展史也是电力电子器件的发展史,如图1.4所示。
图1.4 电力电子技术的发展史
一般认为,电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志。在晶闸管出现以前,用于电力变换的电力技术就已经存在了。电力电子技术的发展可以根据电力电子器件的发展分为以下4个阶段:
20世纪初期出现了电子管、汞弧整流器等非半导体器件,这些器件是20世纪50年代之前用于电力变换的主要器件。电子管在通信和无线电领域的应用,开启了电力电子技术的先河;汞弧整流器在20世纪30—50年代发展迅速并被大量应用,广泛应用于电化学、电气铁道、轧钢、直流输电等行业。在这个阶段中,各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用,在晶闸管出现后的一段时期内,所使用的电路形式仍然是这些形式。
1947年,美国贝尔实验室发明了半导体器件——晶体管,引发了电子技术的一场革命。以此为基础,1955年,美国通用电气公司研制出第一个用于电力领域的大功率硅整流二极管。
1957年,美国通用电气公司研制出第一个晶闸管,它的出现标志着现代电力电子的诞生。以晶闸管为基础开发的整流装置,是电气领域的一次革命,它取代了传统的汞弧整流器和旋转变流机组,并且其应用范围迅速扩大,电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业、电力工业的迅速发展也给晶闸管的发展提供了用武之地。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。
在此阶段,晶闸管构成的电力电子电路的控制方式为相控方式,它在晶闸管构成的整流、逆变、交流调压等电路中获得了广泛的应用。但晶闸管是一种半控型器件,其关断通常依靠电网电压等外部条件来实现,这就使得晶闸管的应用受到了一定的限制。
20世纪70年代出现了门极可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)、电力场效应晶体管(Power-MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等全控型器件。全控型器件具有良好的自关断能力,这些器件的开关速度普遍高于晶闸管,可用于开关频率较高的电路。这些技术使得电力电子技术进入了一个新的发展阶段。
从20世纪90年代开始,电力电子器件进入高频化、标准模块化、集成化和智能化时代。通常将电力电子器件、驱动、检测、控制、保护电路等集成在一起,构成功率集成电路(Power Integrated Circuit,PIC),它最大的优势是引线较少,可靠性高,其经济效益也明显增加。
电力电子技术是20世纪后半叶诞生的一门崭新的技术,在21世纪仍然以迅猛的速度发展。经过半个多世纪的发展,器件制造技术水平不断提高,新型器件仍不断涌现,如新型半导体材料碳化硅(SiC)、金刚石等,这些新材料做成的器件,导通损耗小,承受的电压等级高,承受的温度也较高。这些新型器件的研制与应用将为电力电子技术的发展作出新的贡献,给电力电子技术带来革命性的变革。
一代器件孕育着一代装置,一代装置产生一批新的应用领域,在应用的同时,对器件提出了新的要求,推动了器件的研制。器件和电路的发展史相辅相成、互相促进。而微电子技术、电力电子器件和控制理论是现代电力电子技术的发展动力。
有专家认为,21世纪有两项技术占主导地位:一是以计算机为核心的信息科学技术,它将提供待完成事情的智能;二是电子技术,它将提供待完成事情的手段。它们将成为未来科学技术的两大支柱。
电力电子技术的应用具有十分广阔的前景。未来电力电子技术的发展趋势将朝着集成化、标准模块化、智能化、大容量、高频率、高效率、高可靠性和节能环保的方向发展。