電力電子技術是研究采用電力電子器件實現(xiàn)對電能的控制和變換的科學，是介于電氣工程三大主要領域——電力、電子和控制之間的交叉學科，在電力、工業(yè)、交通、航空航天等領域具有廣泛的應用。電力電子技術的應用已經(jīng)深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各個方面，成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和高新技術領域不可缺少的關鍵技術，可以有效地節(jié)約能源。

一、電力電子技術的發(fā)展

現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。

1、整流器時代

大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產(chǎn)物。

2、逆變器時代

七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)取＿@時的電力電子技術已經(jīng)能夠實現(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。

3、變頻器時代

進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉化的標志。據(jù)統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。

二、電力電子技術的應用

1、一般工業(yè)

工業(yè)中大量應用各種交直流電動機。直流電動機有良好的調速性能，給其供電的可控整流電源或直流斬波電源都是電力電子裝置。近年來，由于電力電子變頻技術的迅速發(fā)展，使得交流電機的調速性能可與直流電機相媲美，交流調速技術大量應用并占據(jù)主導地位。大至數(shù)千kW的各種軋鋼機，小到幾百W的數(shù)控機床的伺服電機，以及礦山牽引等場合都廣泛采用電力電子交直流調速技術。一些對調速性能要求不高的大型鼓風機等近年來也采用了變頻裝置，以達到節(jié)能的目的。還有些不調速的電機為了避免起動時的電流沖擊而采用了軟起動裝置，這種軟起動裝置也是電力電子裝置。電化學工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。電力電子技術還大量用于冶金工業(yè)中的高頻、中頻感應加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。

2、交通運輸

電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術。電氣機車中的直流機車中采用整流裝置，交流機車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術更是一項關鍵技術。除牽引電機傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術。電動汽車的電機靠電力電子裝置進行電力變換和驅動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠變頻器和斬波器驅動并控制。飛機、船舶需要很多不同要求的電源，因此航空和航海都離不開電力電子技術。如果把電梯也算做交通運輸，那么它也需要電力電子技術。以前的電梯大都采用直流調速系統(tǒng)，而近年來交流變頻調速已成為主流。3、電力系統(tǒng)

電力電子技術在電力系統(tǒng)中有著非常廣泛的應用。據(jù)估計，發(fā)達國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進程中，電力電子技術是關鍵技術之一。可以毫不夸張地說，如果離開電力電子技術，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化就是不可想象的。直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電(FACTS)也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的。無功補償和諧波抑制對電力系統(tǒng)有重要的意義。晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)都是重要的無功補償裝置。近年來出現(xiàn)的靜止無功發(fā)生器(SVG)、有源電力濾波器(APF)等新型電力電子裝置具有更為優(yōu)越的無功功率和諧波補償?shù)男阅堋Ｔ?a href="http://www.e4938.cn/news/zbcg/" target="_blank" class="keylink">配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進行電能質量控制，改善供電質量。

在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。

4、電子裝置用電源

各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關電源。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關電源。在各種電子裝置中，以前大量采用線性穩(wěn)壓電源供電，由于高頻開關電源體積小、重量輕、效率高，現(xiàn)在已逐漸取代了線性電源。因為各種信息技術裝置都需要電力電子裝置提供電源，所以可以說信息電子技術離不開電力電子技術。

5、家用電器

照明在家用電器中占有十分突出的地位。由于電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，通常被稱為“節(jié)能燈”，它正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。變頻空調器是家用電器中應用電力電子技術的典型例子。電視機、音響設備、家用計算機等電子設備的電源部分也都需要電力電子技術。此外，有些洗衣機、電冰箱、微波爐等電器也應用了電力電子技術。電力電子技術廣泛用于家用電器使得它和我們的生活變得十分貼近。

6、其他

不間斷電源(UPS)在現(xiàn)代社會中的作用越來越重要，用量也越來越大，在電力電子產(chǎn)品中已占有相當大的份額。航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器中為了人的生存和工作，也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術。傳統(tǒng)的發(fā)電方式是火力發(fā)電、水力發(fā)電以及后來興起的核能發(fā)電。能源危機后，各種新能源、可再生能源及新型發(fā)電方式越來越受到重視。其中太陽能發(fā)電、風力發(fā)電的發(fā)展較快，燃料電池更是備受關注。太陽能發(fā)電和風力發(fā)電受環(huán)境的制約，發(fā)出的電力質量較差，常需要儲能裝置緩沖，需要改善電能質量，這就需要電力電子技術。當需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時，也離不開電力電子技術。為了合理地利用水力發(fā)電資源，近年來抽水儲能發(fā)電站受到重視。其中的大型電動機的起動和調速都需要電力電子技術。超導儲能是未來的一種儲能方式，它需要強大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術。核聚變反應堆在產(chǎn)生強大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置。科學實驗或某些特殊場合，常常需要一些特種電源，這也是電力電子技術的用武之地。以前電力電子技術的應用偏重于中、大功率。現(xiàn)在，在1kW以下，甚至幾十W以下的功率范圍內，電力電子技術的應用也越來越廣，其地位也越來越重要。這已成為一個重要的發(fā)展趨勢，值得引起人們的注意。

總之，電力電子技術的應用范圍十分廣泛。從人類對宇宙和大自然的探索，到國民經(jīng)濟的各個領域，再到我們的衣食住行，到處都能感受到電力電子技術的存在和巨大魅力。這也激發(fā)了一代又一代的學者和工程技術人員學習、研究電力電子技術并使其飛速發(fā)展。電力電子裝置提供給負載的是各種不同的直流電源、恒頻交流電源和變頻交流電源，因此也可以說，電力電子技術研究的也就是電源技術。電力電子技術對節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風機、水泵采用變頻調速方面，在使用量十分龐大的照明電源等方面，電力電子技術的節(jié)能效果十分顯著，因此它也被稱為是節(jié)能技術。