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1.3 電力電子技術(shù)的發(fā)展史

電力電子器件的發(fā)展決定了電力電子技術(shù)的發(fā)展,因此,電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展為綱的。

一般認(rèn)為,電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出的第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的,電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)也是由于晶閘管和晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。此前就已經(jīng)有用于電能變換的電子技術(shù),如1904年出現(xiàn)了電子管,1947年美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管,這兩種器件的出現(xiàn)在當(dāng)時(shí)對(duì)電子技術(shù)的發(fā)展具有推動(dòng)性的作用,所以晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前或黎明時(shí)期。

20世紀(jì)70年代后期,以門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力雙極型晶體管(BJT)、電力場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)為代表的全控型器件全速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是通過對(duì)門極(柵極或基極)的控制既可以使其開通又可以使其關(guān)斷,使電力電子技術(shù)的面貌煥然一新,從而進(jìn)入新的發(fā)展階段。

20世紀(jì)80年代后期,以絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)為代表的復(fù)合型器件集驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、通態(tài)壓降小、載流能力大于一身,優(yōu)越的性能也使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。

20世紀(jì)90年代,電力電子器件的研究和開發(fā)已進(jìn)入高頻化、標(biāo)準(zhǔn)模塊化、集成化的智能時(shí)代。為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊、體積減小,也把若干個(gè)電力電子器件及必要的輔助器件做成模塊的形式,之后又把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和功率器件集成在一起,構(gòu)成功率集成電路(PIC)。這也代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,電力電子技術(shù)已經(jīng)取得了輝煌的成就,但與微電子領(lǐng)域的高度集成化相比,電力電子技術(shù)仍處于“分立元件”時(shí)代,現(xiàn)在電力電子模塊(IPEM)的概念已經(jīng)提出。概念化的IPEM為三維結(jié)構(gòu),包括主電路、驅(qū)動(dòng)控制電路、傳感器與磁性元件等無源元件,并適合自動(dòng)化生產(chǎn)。通過集成,可以將現(xiàn)有電力電子裝置設(shè)計(jì)過程中所遇到的元器件、電路、控制、電磁、材料、傳熱等方面的技術(shù)難點(diǎn)問題和主要設(shè)計(jì)工作在集成模塊內(nèi)部解決,使應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡化為選擇合適規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化模塊并進(jìn)行拼裝即可。

這一革命性的技術(shù)將使現(xiàn)在的電力電子技術(shù)領(lǐng)域分化為集成模塊制造技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)兩個(gè)不同的分支,前者重點(diǎn)解決模塊設(shè)計(jì)和制造的問題,通過多個(gè)不同學(xué)科的緊密交叉和融合攻克電力電子技術(shù)中主要的難點(diǎn);而后者解決針對(duì)各種廣泛而多樣的具體應(yīng)用將模塊組合成系統(tǒng)的問題。

隨著這一技術(shù)的發(fā)展,集成模塊的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)將成為電力電子技術(shù)研究的主要內(nèi)容,而系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)則漸漸成為具備基本素質(zhì)的各行業(yè)工程師所掌握和使用的一般技術(shù)。由此,電力電子產(chǎn)業(yè)也將出現(xiàn)分化的趨勢,集成模塊的制造將成為該產(chǎn)業(yè)的主要內(nèi)容,與集成電路一樣,電力電子產(chǎn)業(yè)將會(huì)更加蓬勃發(fā)展。

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