浅谈数字电子技术发展与应用

侯斌

摘要：数字电子技术的发展经历了整流器时代、逆变器时代、变频器时代，其应用范围十分广泛，渗透到各个领域，对它的研究具有十分重要的意义。

关键词：数字电子技术 应用

1 概念

数字电子技术主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用，.逻辑门电路组合和时序电路的分析和设计、 集成芯片各脚功能。555定时器等。 随着计算机科学与技术突飞猛进地发展，用数字电路进行信号处理的优势也更加突出。为了充分发挥和利用数字电路在信号处理上的强大功能，我们可以先将模拟信号按比例转换成数字信号，然后送到数字电路进行处理，最后再将处理结果根据需要转换为相应的模拟信号输出。自20世纪70年代开始，这种用数字电路处理模拟信号的所谓"数字化"浪潮已经席卷了电子技术几乎所有的应用领域。

2 数字电子技术的发展

现代电力电子技术的发展方向是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。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，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

2.1 整流器时代

大功率的工业用电由工频50Hz交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解（有色金属和化工原料需要直流电解）、牵引（电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等）和直流传动（轧钢、造纸等）三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。目前全国许多制造硅整流器的半导体厂家就是当时的产物。

2.2 逆变器时代

七十年代出现了世界范围的能源危机，交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0～100Hz的交流电。在七十年代到八十年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管（GTR）和门极可关断晶闸管（GT0）成为当时电力电子器件的主角。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低频范围内。

2.3 变频器时代

进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管（IGBT）的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世，是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上各占一半，IGBT取代GTR已成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，为用电设备的高效节能、实现小型轻量化、机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

3 数字电子技术的应用

3.1 一般工业

工业中大量应用各种交直流电动机。其具有良好的调速性能，是由可控整流电源或直流斩波电源供电。近年来，由于变频技术的迅速发展，使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美。大至数千千瓦的各种轧钢机，小到几百瓦的数控机床的伺服电机，以及矿山牵引等场合都广泛采用电力电子交直流调速技术。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机、电镀、电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电力电子技术还大量用于高频、中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。

3.2 交通运输

电气化铁道中广泛采用电力电子技术。其直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，也要靠变频器和斩波器驱动并控制。飞机、船舶需要很多不同要求的电源，它们都离不开电力电子技术。

3.3 电力系统

电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。电力系统的现代化离不开电力电子技术。直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿的性能。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以改善供电质量。

3.4 电子装置用电源

由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都采用全控型器件的高频开关电源。所以各种电子装置离不开电力电子技术。

3.5 家用电器

家用电器中照明用节能灯、变频空调器、电视机、音响设备、家用计算机、有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器设备的电源都需要电力电子技术。电力电子技术广泛用于家用电器使得它和我们的生活变得十分贴近。

3.6 其它

不间断电源（UPS）、航天飞行器中的各种电子仪器所需要电源都离不开电力电子技术。火力发电、水力发电、核能发电、太阳能发电、风力发电等离不开电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的电力电子装置提供脉冲电源。科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源。以前电力电子技术的应用偏重于中、大功率。现在，在1kW以下，甚至几十W以下的功率范围内，电力电子技术的应用也越来越广。

4 结语

数字电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，它研究的也就是电源技术。在大型风机、水泵采用变频调速方面以及使用量十分庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此它也被称为是节能技术。其广泛的应用激发了许多学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。

参考文献

[1]王兆安，黄俊.电力电子技术·机械工业出版社，2007.2

[2]梁南丁.电力电子技术·北京大学出版社，2009.3

[3]王兆安，刘进军.电力电子变流技术·机械工业出版社，2009.7