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电力电子行业成快速成长的新兴节能产业

数读市场中国仪表网2010年11月04日 09:57人气:4927

  一、电力电子元器件概述

  电力电子器件(PowerElectronicDevice)又称为功率半导体器件,用于电能变换和电能控制电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安,电压为数百伏以上)电子器件。从八十年代末期开始,电力电子元器件的发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,同时促进了电力电子技术在许多新兴领域的应用。

  八十年代末期和九十年代初期发展起来的以功率MOSFET和IGBT为代表的集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,标明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

  包括变频器、电能质量类产品以及电子电源产品在内的电力电子装置对改造像电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺在内的传统工业和对航天、激光、通信、机器人在内的高新技术产业以及目前国家扶持和支持的高效利用能源均至关重要。

  二、电力电子元器件发展动向

  随着电力电子技术的不断飞速发展,现代电力电子器件也向着大功率、易驱动和高频化的方向快速稳步的发展着。电力电子技术的应用领域也在不断扩大,特别是在电力、矿山、冶金、炼钢等重工业应用领域,电力电子技术不断发挥着其自身的优势。

  由于电力电子在国民经济中具有十分重要的地位,为了能够合理高效地利用电能,现代发达国家电能的75%要经过变换或控制后使用。预计到了21世纪末,这个数字将会上升至95%以上。然而我国的电能转换还远远不能达到应用电力电子技术才能达到的效果。到2010年末,我国电力需求将会达到3.81亿千瓦时,发电装机总容量达到8.52亿千瓦,由此我们可以看出,电力电子技术在我国发展的潜力还是十分巨大的。

  三、电力电子技术在变频器和电子电源的应用

  1、具有2000-3000亿元市场总容量的变频器

  变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置,能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。因此,变频器也被成为“现代工业的维生素”。

  变频器的市场空间很大,在电力、纺织、印染、机械、石油化工等行业及工程中都发挥着十分重要的作用。在中国,变频器市场正处在一个高增长的过程。长久以来,中国变频器市场一直保持着12%--15%的增长率。而且在未来的5年内依旧会保持在10%以上的增长率,按照目前的发展速度和市场需求来看,至少在10年以后,中国的变频器市场才能逐步饱和。

  由于变频器市场的需求的不断扩大,发展速度的不断增长,国内生产企业在逐年增加,国外的知名厂家也纷纷来华投资建厂。然而,国内企业与国外大企业在技术上还存在的较大的差距,对于一些高电压,大容量的变频器国内还处在研制阶段,核心技术受制于人,国产变频器所需要的半导体功率器件的生产几乎为零,不得不依靠进口,这些都为国产电力电子元器件的生产厂家既带来了机遇同时也带来了挑战。

 2、具有170亿元以上的电子电源市场

  电源包括电子电源和化学物理电源,与电力电子技术应用相关的是电子电源。电子电源是对公用电网或某种电能进行变换和控制,向各种用电负载提供优质电能的供电设备。

  开关电源每年至少有50亿元的市场规模。其中,DC/DC变换器模块电源约占25%,AC/DC整流器约占75%。由于中国的通信事业投资比较集中,所以通信电源在开关电源总额中所占的比例也较大,根据估算,全国开关电源总额达到100亿元以上。

  而现代UPS普遍采用了脉宽调制技术和功率MOSFET、IGBT等现代电力电子器件,使用现代电力电子器件让电源的噪声得以降低,功率和可靠性增大。根据统计,2009年到2011年中大功率UPS市场年增长率约5%,大中功率市场将成为UPS行业发展的主要动力。

  四、新型材料的电力电子器件

  1、高压砷化镓高频整流二极管

  随着变换器开关频率的不断提高,对快恢复二极管的要求也随之提高。众所周知,砷化镓二极管具有比硅二极管优越的高频开关特性,但是由于工艺技术等方面的原因,砷化镓二极管的耐压较低,实际应用受到局限。为适应高压、高速、高频率和低EMI的应用需要,砷化镓高频整流二极管已经研制成功。与硅快恢复二极管相比,这种新型的二极管具有反向漏电流随温度变化小、开关损耗低、反向恢复性好等显著特点。

  2、碳化硅功率器件

  SIC(碳化硅)是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,在电力电子方面也是很重要的,可制作出性能更加优异的高温(300℃~500℃)、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。SIC高功率、高压器件对于公电输运和电动汽车等设备的节能具有重要意义。采用SIC的新器件将在今后5~10年内出现,并将对半导体材料产生革命性的影响。

  SIC可以用来制造射频和微波功率器件、高频整流器、MESFET、MOSFET和JFET等。SIC高频功率器件已在Motorola公司研发成功,并应用于微波和射频装置;美国通用电气公司正在开发SIC功率器件和高温器件;西屋公司已经制造出了在26GHz频率下工作的甚高频MESFET;ABB公司正在研制用于工业和电力系统的高压、大功率SIC整流器和其他SIC低频功率器件。

  理论分析表明,SIC功率器件非常接近理想的功率器件。我们可以预见,各种SIC器件的研发必将成为功率器件研究领域的主要潮流之一。但是我们也要清醒的看到,SIC材料和功率器件的机理、理论和制造工艺均有大量的问题需要去解决,它要真正给电力电子技术领域带来新的革命,估计还需要时间的等待。

  五、结论:

  电力电子元器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面,实际的需要必将极大地推动器件的不断创新。电力电子器件正进入以新型器件为主体的新一代电力电子器件时代,它将基本上取代传统器件。“一代器件决定一代电力电子技术,”作为电力电子技术发展的决定性因素,电力电子器件的研究开发以及关键技术突破,必然会促进电力电子技术的迅速发展,从而促进了以电力电子技术为基础的传统工业和高新技术产业的迅速发展。
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