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Von Quecksilberlichtbogenventilen bis hin zu modernen Halbleitern: Wie hat die Entwicklung der Leistungselektronik die Welt verändert?
Die Weiterentwicklung der Leistungselektroniktechnologie ist für die Transformation des Lebensstils der modernen Gesellschaft besonders wichtig. Diese Technologie konzentriert sich auf die Steuerung und Umwandlung von Elektrizität. Man kann sagen, dass die Erfindung des Quecksilberbogenventils, die auf die frühesten elektronischen Hochleistungsgeräte zurückgeht, eine neue technologische Ära eingeläutet hat. Heutzutage haben moderne Halbleiterschaltgeräte wie Dioden, Thyristoren und Leistungs-MOSFETs nicht nur die frühen Vakuumröhren ersetzt, sondern auch neue technologische Durchbrüche erzielt. Mit diesen Geräten können wir große Mengen elektrischer Energie effizient verarbeiten, was in einer Vielzahl elektronischer Produkte unverzichtbar geworden ist.
AC/DC-Wandler (Gleichrichter) sind im Bereich von mehreren zehn bis hundert Watt die typischsten leistungselektronischen Geräte und werden häufig in Fernsehgeräten, Personalcomputern und Batterieladegeräten verwendet.
Geschichte der Leistungselektronik-Technologie
Die Entwicklung der Leistungselektroniktechnologie begann im frühen 20. Jahrhundert. Der 1902 von Peter Cooper Hewitt erfundene Quecksilberlichtbogengleichrichter wurde zu einem wichtigen Gerät zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Mit der Einführung des Selengleichrichters im Jahr 1933, gefolgt von der Erfindung des Bipolarkontakttransistors (BJT) und des siliziumgesteuerten Gleichrichters (SCR), trat die Leistungselektroniktechnologie in eine neue Entwicklungsstufe ein. Seitdem haben Fortschritte in der Halbleitertechnologie dazu geführt, dass Halbleiterdioden mit höherer Leistung schrittweise Vakuumröhren ersetzen, und es ist auch eine Technologie für den Antrieb von Motoren mit variabler Frequenz entstanden.
In der Geschichte der Leistungselektronik wurden viele wichtige Innovationen hervorgebracht, die sie zu einem unverzichtbaren Eckpfeiler der modernen Industrie- und Unterhaltungselektronik machen.
Anwendungen moderner Halbleiter in der Leistungselektronik
In den letzten Jahrzehnten hat die rasante Entwicklung der Halbleitertechnologie zur Entstehung unterschiedlicher elektronischer Geräte geführt, zu den bemerkenswertesten zählen Leistungs-MOSFET- und IGBT-Technologien. Leistungs-MOSFETs sind heute aufgrund ihrer geringen Gate-Ansteuerleistung, schnellen Schaltgeschwindigkeiten und Robustheit die am häufigsten verwendeten Leistungsgeräte auf der Welt. IGBTs wurden in den 1990er-Jahren weit verbreitet eingesetzt und vereinten die Leistungsfähigkeit von Bipolartransistoren mit den Vorteilen der isolierten Gate-Ansteuerung von MOSFETs.
Die breite Anwendung von Leistungs-MOSFET umfasst tragbare Informationsgeräte, integrierte Leistungsschaltkreise, Mobiltelefone, Laptops und Kommunikationsinfrastruktur, die das Internet unterstützt.
Fortschritte und Änderungen in der Ausrüstung
Die Leistung und Wirtschaftlichkeit moderner Leistungselektroniksysteme hängt von den Eigenschaften der aktiven Geräte ab. Da sich die Spannungs- und Strombelastbarkeit von Festkörpergeräten verbessert hat, wurden Vakuumgeräte fast vollständig ersetzt. Sie werden häufig als Schalter oder Verstärker eingesetzt und bei ihrem Design müssen Effizienz und Leistungsverluste berücksichtigt werden, die für die Gesamteffektivität leistungselektronischer Wandler von entscheidender Bedeutung sind.
Ein idealer Schalter sollte ein- oder ausgeschaltet sein, um keinen Strom zu verbrauchen. Halbleiterbauelemente können sich diesem idealen Verhalten annähern, was erhebliche Effizienzverbesserungen in Leistungselektronikanwendungen ermöglicht.
DC/AC-Wandler (Wechselrichter)
Die von einem DC-AC-Wandler erzeugte AC-Ausgangswellenform stammt von einer DC-Quelle, und dieser Wechselrichtertyp wird häufig in Anwendungen wie Frequenzumrichtern, USV-Systemen, flexiblen AC-Übertragungssystemen usw. verwendet. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie sind die Arten und Funktionen von Wechselrichtern immer vielfältiger geworden. Beispielsweise hat die Verbreitung von Multi-Level-Wechselrichtern die Wellenform des erzeugten Wechselstroms näher an eine Sinuswelle gebracht und so die Qualität der Stromversorgung verbessert.
Diese Wechselrichtertechnologien haben ihre eigenen Eigenschaften und konkurrieren miteinander, was die Entwicklung der gesamten Branche vorantreibt und die Art und Weise, wie wir Strom nutzen, weitgehend verändert.
Blick in die Zukunft
Während sich die Leistungselektroniktechnologie weiterentwickelt, haben wir die Entwicklung von Quecksilberbogenventilen zu modernen Halbleitern miterlebt, die nicht nur die industrielle Produktion veränderte, sondern auch unser tägliches Leben beeinflusste. Fortschritte bei diesen Technologien verbessern nicht nur die Energieeffizienz, sondern fördern auch die Integration erneuerbarer Energien und fördern so die Verwirklichung intelligenter Städte und intelligenter Netze. Wie wird die Leistungselektronik auch in Zukunft den technischen Fortschritt vorantreiben und den Herausforderungen des Klimawandels begegnen?
