什么是电力电子

在本文中，我们将讨论电力电子。什么是电力电子，它的基础是什么，有什么优势，前景如何？让我们详细了解电力电子元件，简要了解它们是什么、它们之间有何不同以及这些或那些类型的半导体开关适用于哪些应用。以下是日常生活、制造和日常生活中使用的电力电子设备的示例。

近年来，电力电子器件在节能方面取得重大技术突破。功率半导体器件由于其灵活的可控性，可实现高效的电能转换。今天的重量和尺寸以及效率指标已经将转换器提升到一个新的质量水平。

许多行业使用软启动器、速度控制器、不间断电源，在现代半导体基础上运行并表现出高效率。都是电力电子。

电力电子中控制电能的流动是借助于半导体开关来进行的，它取代了机械开关，可以根据必要的算法进行控制，以获得所需的平均功率和这个或那个工作体的精确动作设备。

因此，电力电子被用于交通、采矿业、通信领域，以及许多行业，今天没有一个强大的家用电器在其设计中没有包含电力电子单元。

电力电子的基本构建块恰恰是半导体关键元件，可以以高达兆赫兹的各种速度打开和关闭电路。在导通状态下，开关的电阻是欧姆的单位和分数，在关断状态下，是兆欧。

密钥管理不需要太大的功率，并且在切换过程中发生的密钥损失，通过设计良好的驱动程序，不会超过百分之一。因此，与铁变压器和传统继电器等机械开关的损耗位置相比，电力电子设备的效率更高。

电力电子设备是有效电流大于或等于10安培的设备。在这种情况下，关键的半导体元件可以是：双极晶体管、场效应晶体管、IGBT晶体管、晶闸管、双向晶闸管、自锁晶闸管和集成控制的自锁晶闸管。

低控制功率还允许您创建功率微电路，其中同时组合了多个块：开关本身、控制电路和控制电路，这些就是所谓的智能电路。

这些电子积木用于高功率工业装置和家用电器。几兆瓦的电磁炉或几千瓦的家用蒸锅——两者都有固态电源开关，可以简单地以不同的瓦数运行。

因此，功率晶闸管在容量超过 1 MVA 的转换器中工作，在直流和高压交流电驱动电路中工作，用于无功功率补偿装置，感应熔化装置。

锁定晶闸管控制更灵活，用于控制容量为数百kVA的压缩机、风扇、水泵，潜在开关功率超过3MVA。 IGBT晶体管 允许部署容量高达 MVA 单位的转换器用于各种目的，既用于电机控制，也用于在许多静态装置中提供连续电源和大电流开关。

MOSFET在数百千赫兹的频率下具有出色的可控性，这与IGBT相比大大扩展了其适用范围。

三端双向可控硅开关元件是启动和控制交流电机的最佳选择，它们可以在高达 50 kHz 的频率下运行，并且比 IGBT 晶体管需要更少的能量来控制。

如今，IGBT 的最大开关电压为 3500 伏，可能达到 7000 伏。这些组件可能会在未来几年取代双极晶体管，并将用于高达 MVA 单位的设备。对于低功率转换器，MOSFET 将更容易被接受，而对于超过 3 MVA 的转换器 - 锁定晶闸管。

根据分析人士的预测，未来大部分半导体将采用模块化设计，即在一个封装中放置两到六个关键元件。使用模块可以减少使用它们的设备的重量、尺寸和成本。

对于 IGBT 晶体管，进展将是在高达 3.5 kV 的电压下将电流增加到 2 kA，并通过简化的控制方案将工作频率增加到 70 kHz。一个模块不仅可以包含开关和整流器，还可以包含驱动器和主动保护电路。

近年来制造的三极管、二极体、晶闸管等参数，如电流、电压、速度等，已经有了明显的改善，而且进步不会停滞不前。

为了更好地将交流电转换为直流电，使用了可控整流器，它允许整流电压在从零到标称值的范围内平滑变化。

今天，在直流电驱动励磁系统中，晶闸管主要用于同步电动机。双晶闸管——三端双向可控硅开关——只有一个栅电极用于两个连接的反并联晶闸管，这使得控制更加容易。

要执行反向过程，使用直流电压到交流电压的转换 逆变器…独立的半导体开关逆变器提供由电子电路而非网络决定的输出频率、形状和振幅。逆变器是根据不同类型的关键元件制造的，但对于大功率，超过 1 MVA，IGBT 晶体管逆变器再次名列前茅。

与晶闸管不同，IGBT 提供更宽、更准确的输出电流和电压整形。低功率汽车逆变器在其工作中使用场效应晶体管，其功率高达 3 kW，可以出色地将 12 伏电池的直流电转换为直流电，首先通过高频脉冲转换器运行以 50 kHz 至数百千赫兹的频率，然后交替 50 或 60 赫兹。

要将一种频率的电流转换为另一种频率的电流，请使用 半导体变频器……以前，这完全是基于晶闸管来完成的，晶闸管不具备完全的可控性；有必要开发用于强制锁定晶闸管的复杂方案。

场效应 MOSFET 和 IGBT 等开关的使用促进了变频器的设计和实现，并且可以预见，晶闸管，特别是在低功率设备中，将在未来被晶体管取代。

晶闸管仍用于反转电力驱动；有两组晶闸管转换器就可以提供两个不同的电流方向而无需切换。这就是现代非接触式可逆启动器的工作原理。

我们希望我们的简短文章对您有所帮助，现在您知道什么是电力电子、电力电子设备中使用了哪些电力电子元件以及电力电子对我们未来的潜力有多大。