應用技術高頻化(20kHz以上)、硬件結構集成模塊化(單片集成模塊、混合集成模塊)、軟件控制數字化和產品性能綠色化(無電磁干擾和對電網無污染)是當前電力電子新技術產品的四大發展方向。
(一)電力電子器件發展趨勢
高頻化、集成化、標準模塊化和智能化是電力電子器件未來的主要發展方向。
(1)隨著電力電子技術應用的不斷發展,對電力電子器件性能指標和可靠性的要求也日益苛刻。具體而言,要求電力電子器件具有更大的電流密度、更高的工作溫度、更強的散熱能力、更高的工作電壓、更低的通態壓降、更快的開關時間,而對于航天和軍事應用,還要求有更強的抗輻射能力和抗振動沖擊能力。特別是航天、航空、艦船、輸變電、機車、裝甲車輛等使用條件惡劣的應用領域,以上要求更為迫切。
(2)未來幾年中,盡管以硅為半導體材料的雙極功率器件和場控功率器件已趨于成熟,但是各種新結構和新工藝的引入,仍可使其性能得到進一步提高和改善,Coolmos、各種改進型IGBT和IGCT均有相當的生命力和競爭力。
(3)電力電子器件的智能化應用也在不斷研究中取得了實質成果。一些國外制造企業已經開發出了相應的IPM智能化功率模塊,結構簡單、功能齊全、運行可靠性高,并具有自診斷和保護的功能。
(4)新型高頻器件碳化硅和氮化鎵器件正在迅速發展,一些器件有望在不遠的將來實現商品化。但由于材料和制造工藝方面的問題,還需要大量的研究投入和時間才能逐步解決。
(二)電力電子設備和系統發展趨勢
由于環境、能源、社會和高效化的要求,電力電子設備和系統正朝著應用技術高頻化、智能化、全數字控制、系統化及綠色化方向發展。
(1)在未來一段時間內,以各種電力半導體器件為主功率器件的電力電子設備和系統將展開競爭且共同發展。晶閘管及其派生器件仍將壟斷特大功率領域。
(2)以IGBT為主功率器件的整流器和逆變器可提高效率、減小噪聲,減輕設備的重量、減少體積,將廣泛應用于工業(電機變頻、電焊機,工業加熱,電鍍電源、貯能裝置等)、家用電器(電磁爐,商用電磁爐,變頻空調,變頻冰箱等)和新能源等方面(風力發電,光伏發電、電動汽車等)等。
(3)以IGCT為主功率器件的電力電子設備和系統將有可能逐步取代晶閘管。
(4)以MOSFET為主功率器件的電力電子設備和系統將在中低功率領域發揮巨大的作用。
(5)諧振變流器技術將廣泛應用,新的控制技術及手段將在電力電子設備和系統中獲得應用,并進一步提高電力電子設備和系統的性能和檔次。
(6)電力電子設備和系統中的電磁干擾(EMI)控制、PWM傳動系統中的軸電流和軸電壓等難題將取得突破性進展。
(7)未來電力電子設備和系統的應用熱點是:變頻調速、智能電網、汽車電子、信息和辦公自動化、家用特種電源、牽引用特種電源、新能源、太陽能、風能及燃料電源等。