极限温度下的电力电子技术

陈应

摘 要：随着社会发展，发现电力电子学在各个领域当中逐渐涌现，同时出现了各种新技术，同时还包括了在高温条件下出现的新型碳化硅电力电子器件，各种器件冷却时间相对比较短，模块功率和散热模块的设计相对复杂，有很多专家对低温环境下的电力电子技术和高温超导技术进行分析，对未来电力电子技术在极限温度下的发展做出了趋势上的研究。

关键词：电力电子技术；极限温度；碳化硅

1 高低温下的功率电路器件

从目前的角度来看，大部分电力电子设备在100摄氏度以内进行工作，大部分电路元件和电路结构需要控制在一定范围内，当工作温度过高或者过低时，各个元件的特性都会出现新的变化，电路会出现新的变化，因此在讨论技术之前，我们需要对电力电路中的一些器件进行研究分析，在低温情况下的表现给出相应分析。

从目前的角度来看，电力电子中标志是目前最主要的器件，这些器件会受到温度的影响，如果高频电子电路中出现了MOSFET，我们可以说这种温度系统相对比较正常，如果器件温度越高，电阻通态也会随着增加，正温度系数能够减少热件中的电流，导致电流会以低温的形式流向各个器件当中，避免由于温度过高，导致器件失控，从MOSFET中能够看出，该器件具有负温度系数，采用并联单位结构，需要解决可靠性问题。

电感、变压器是电子装置中主要的元件。按照传统角度思想来分析，大部分电磁元件体积相对较大，在元件运行中会发热，因此电路设计经常出现短路问题，会根据散热条件的具体情况，适当增加绕线中的电流，电感和变压器所产生的热量也会增大。一旦磁铁的材料温度得到了一个提高，那么铁磁材料会转化成一种弱磁性物质，可以把转化的温度当做居里点。按照磁铁相关理论，一旦温度升高，超过原有的居里点，那么铁磁材料磁畴在运动过程中会出现破坏现象，导致整个电脑完全被破坏，这个时候铁磁物质转化成磁导，并且磁性相对较强，磁性会始终保持不变。所以磁性元件的设计制造显得相对比较重要，并没有体积过小，重量较轻耐温高的铁磁元件，一般新型开关器件的作用是不能够完全表现出来的。很多地区或者厂家选择使用磁性元件，是因为该元件工作温度一般情况下不超过100摄氏度，在极为特殊情况下可能会达到150摄氏度。为了能够更好的提高这一温度指标，世界各地对该工作温度做出了详细研究。同时美国空军也制处1.5kW，可以在超过300摄氏度温度环境下运行超过600小时时间，这完全依靠变换器中的变压器。这种变压器一般会采用居里温度超过300摄氏度以上的锰新材料，经过反复仿真，把这种变压器投入到市场当中。

2 SIC器件及其应用

经过最近这些年的研究，发现硅器件是基础的电力电子技术，该元件一直不断改进当中，更应该降低通态和开关损耗，提高工作频率和器件的集成。从目前的角度来看，硅器件的结构和设计相对比较完善，在高温度情况下，其发展潜力也十分有限。

SIC电力电子器件的诞生主要是因为碳和硅之间的组合，所以SIC器件会对电场进行10倍的击穿，而且导热性是其3倍，这让SIC器件具有更高的性能，击穿场强能够帮助电力器件掺杂更多更薄，浓度更大的电子产物，这恰恰降低了通态电阻的性能，同时也减少了电阻的消耗，还可以提高器件工作频率。我们发现导热性能够让SIC器件在固定温度情况下得到比较高的开关的容量。另外，该材料的温度最高可以达到600摄氏度。这些特定内容都决定了SIC器件能够在电子技术中的应用价值，电力电子器件在发展过程中，功率频率可以更好的反映处器件水平的研究进展，以及使用状态。SIC材料在很多种电子器件中都得到了明显应用。

3 新型冷却和散热技术

随着目前电力电元容量逐渐增加，从中能看出频率也会出现一定变动，导致器件中的问题展现的比较明显，尤其是在温度比较高的情况下，没有合适的散热措施，那么很有可能会导致器件上出现了一些损伤，所以对于电路设计，合理选择冷却或更好的散热方式来进行设计，应该把潜能发到顶点，这是目前我们目前必须完成的任务，对于电力设备器件应该按照传热学原理制作，是为了能够更好的设计一种热阻，尽可能的降低热流通路，让器件在发出热量的时候把热流散发出去，当保证器件运行时，内部温度始终都保持在稳定范围内。

按照长期的打算，可以根据空气制冷的原理，来制定一套简单便捷方式进行实施，这种方法使用起来相对比较广泛，如果仔细观察冷却形式，能够看出空气冷却是一种自冷的方式，自冷式制定可以当做是假装散热的一种简单方式，即使散热效率比较低，同时具有简单的结构进行可靠性的处理，一般比较适合20A以下器件或者简单的装置作为电流的器件，同时可以采用备风机作为主要的散热装置，这种电流装置能够承载大量容量，操作起来比较复杂，噪声比较大，在维护的过程中已经严重阻碍了电流的流动。

在高温的情况下，电力电子装置由于散热条件影响，导致电力出现不稳定现象，会影响到装置的运行，甚至会破坏装置，在我们仔细研究中，发现在温度较低的环境下，功率开关器件会影响到通态阻的运行，那么開关损耗也会出现减少，低温更有利于热量的散发，所以整个装置效率会受到严重影响，目前高温超导体是低温领域中比较常用的材料，低温环境下低温电子装置具有特殊性。

按照目前的情况来看，电力技术已经逐渐延伸到各个领域当中，很多低温场所中能够看到电力技术的身影，例如海洋中的地质考核，需要对生物种群进行研究，需要对石油勘探。这些工作环境一般会维持在零下80度到0度之间。有些工作场合电力电子设备各种科学考察仪器，在这种低温情况下散热相对比较好。

4 结束语

本文主要用三方面对极限温度下的电力技术进行全面分析，总的来说，电力技术所设计到的领域相对比较广泛，在这里我们只能简单的说出一些所涉及到的内容，目前开始向高海拔以及外太空进行拓展。在这种极端的环境下，高温和低温会对电力系统产生很大的影响。所以为了进一步拓展人类生存空间，我们需要了解功率器件，对电力电子电路和控制方法进行全面研究。

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