21世纪的电力电子技术

李泽元

摘 要论述了电力电子技术的发展和重要性，以及电力电子技术今后的研发重点。

关键词电力电子 研发 技术

1电力电子技术的发展

——电力电子这个学科严格讲是从60年代开始的。在60年代首先是发明了开云棋牌官网在线客服晶体管，接着是大功率晶闸管和GTO；在70年代，很重要的发明是微处理机（Microprocessor）。微处理机出现后，全世界的工业界出现了变革。主要是在产品自动化、生产自动化上进行了变革。

——工业革命后电力电子学继续发展。70年代初期有了大功率的晶体管，70年代末就有了功率场效应管（Power MOSFET）。Power MOSFET非常好用，很容量做开关动作。80年代有了另一个功率器件IGBT。IGBT就是将MOSFET与晶体管结合在一起的功率器件，操作方便，且可控制很大的电流及很高的电压。接着开发的是MCT。90年代以后国际上一个很重要的发展方向是SiC（碳化硅）开云棋牌官网在线客服。它与现有的开云棋牌官网在线客服不太一样，用SiC做成的器件可以用很简单的控制方法来控制开关，可以承受很高的电压、电流，也可承受很高的温度，并可工作在很高的频率F，估计这种新器件在今后5～10年会出现，它的出现会有革命性的影响。

——未来电力电子最大的挑战是怎样把电力电子设备做成普遍化、大从化，将电力电子器件设计标准化。现在我们用的很多东西都不是用最好的电力电子的方法来设计的，比如家里用的洗衣机、烘干机、微波炉、空调等。大部分都是定频式控制，如果把定频式改成变频式控制，就可以节省1/3的能源。目前没能大量采用变频控制的主要原因是成本问题，把成本降低，让使用普遍化，将来对节约能源、环保都会有很大贡献。

——电力电子还有一个很重要的应用是在交通方面，如航天、电动汽车、混合式电动汽车、用燃料电池的电动汽车等。

2电力电子与能源利用的关系

——过去100年，能源消耗从几乎没有到增长很快。能源的消耗增长对环境造成了很大的污染。如果让这个趋势继续下去，将来会造成很严重的后果，会出现能源的缺乏，环保的问题。

——那么电力电子在这个方面能有什么作用呢？目前所有的能源中电力方面的能源约占40％，而电子能源中有40％是以过电力电子的设备转换才得到的，其中55％以上是用在马达和马达控制方面，20％是用在照明方面。如果用很好的电力电子技术去转换，人类至少可节省约1/3的能源，1/3的能源到底有多少呢？目前的统计数字表明，1/3的能源相当于840个发电厂发出的电能。由此可以看出电力电子对环保是相当有作用的。预计10年后，电力能源中的80％要经过电力电子设备的转换，因此电力电子技术在21世纪将起到更大的作用。

3电力电子技术是支撑技术

——一般人对电力电子的认识都不是很清楚，因为看不到它，比如在计算机里面，使用计算机时人们没有想到电源，但打开计算机必须先打开电源，然后才能操作计算机；又因为一般电力电子都是仪器的一部分，是幕后英雄，这是一般人不重视的原因。电力电子是支撑的科技，它是基本的科技，因为所有的电子设备都需要电源才能操作，电力电子支持所有的电子工业。电子工业2年前市场为10兆美金，2000年市场估计要到20兆美金，而电力电子产品的年销售量只有600亿美金，这种支持结构是不够稳定的，必须大力发展，才足以支持整个电子工业。

3.1 电力电子与关键科技

——与国家发展密切相关的关键科技主要有7个方面，而在每项科技里电力电子技术都起到重要作用。

——（1）能源。

——（2）环保：在能源的环保中储能的问题、能量转换的问题、能量输配的问题、避免污染的装置等都与电力电子有很大关系。

——（3）信息与通信：这是过去10年中发展最快的产业。这些设备使用时，通信电源、手机电源、充电器、计算机电源等都不可缺乏。

——（4）生命科学：在生命医学方面，有很多医学工程上都用到电力电子，如人工心脏关键部分就有一个开关电源。

——（5）生产：生产自动化主要靠电力电子来工作。

——（6）材料。

——（7）交通：在航天、航空、地线、电动汽车等方面，电力电子都扮演很重要的角色。

4 21世纪的电力电子技术的研发重点

——21世纪电力电子有很多发展项目，但其中有一个是非常重要的，那就是怎样做电路整合、系统整合及其包装工作。

——举例来说，现在用的变频器（Inverter）是将200～300个零件装配在一起变成一个系统，这样的做法要花很多设计时间和很多人工，成本也很高。最近几年在工业界有一个趋势：把这个复杂系统做成模块式，但这个做法有几个问题：

——（1）Wire bond 可靠性差；

——（2）热处理的方式不好；

——（3）目前只限制在低功率应用上。

——我们提出的方案是将Wire bond去掉以增加可靠性，用三维热处理的方法改善散热，如果解决了这两个问题就可以将功率升高，从低功率（几百瓦～1000W）到高功率（几十个千瓦以上）。这是美国电力电子系统中心（Center of Power Electronics System，简称CPES）目前及未来很重要的研究项目。

——这个概念可以简单介绍一下。比如在一个散热板上，功率开云棋牌官网在线客服直接与铜箔连在一起，铜箔上有多层电路，像多层电路板，上面有驱动电路、控制电路、保护电路、智能电路，加在一起变成模块。我们做的主要工作是整合，使之可以用自动化去做。

——现有的电力电子都不太自动化，50％～60％的元件用自动化做，30％～40％元件必须用手装，所需劳动力很大，成本也很高。但上面构想的这种功率集成元件的市场潜力有多大呢？我们可以仿效集成电路，从过去的历史来看将来的前途。集成电路从60年代开始，经过30年到现在拥有了10兆美金的市场。为什么它成长得这么快？有几个重要因素：

——（1）标准化；

——（2）生产自动化；

——（3）因为1和2两点，可大量生产，成本不断下降，使用量快速增加。

——我们现在的构想是开云棋牌官网在线客服的集成化，就是类似IC的构想，要将功率开云棋牌官网在线客服与信息开云棋牌官网在线客服结合在一起。过去20年，做过很多尝试，但不是很成功。

——我们现在尝试用混合式的做法，即用混合式包装方法把不同特性的元件放在一起，做成模式式。比如马达与马达的传动系统、马达逆变器（Inverter）。系统整合的第一步是把Inverter做成一个模块，驱动电路、保护电路全部放进去；第二步是把Inverter与马达做在一起，把控制电路装在马达上，马达可以直接接受三相电源，直接带负载。这样整合有什么好处？下面我们来解释一下。

——现在的工厂自动化控制是相当复杂的，要减少控制系统的复杂程度、降低成本，就必须采用IPEM做系统集成，也就是将功率控制等电力电子装置与马达整合在一起，再通过控制中心的电脑、通信线路完成控制，以后自动化的过程就会简单得多。

——另外还有一个例子，Intel的微处理器是非常领先的，这些年的发展趋势是速度更快、电压更低，而需要的电流量一直在增加。目前Intel微处理器的工作电压是2～3V，电流10A，操作频率为300MHz；预计两年以后，或者更短的时间里，它的工作电压会降到1V，电流30～50A，操作频率为1GHz。在这种发展趋势下，Intel发现关键技术是电力电子技术。现在的做法是把开关电源紧靠在微处理器上，开关电源以很快的速度提供电流给微处理器，目前的开关电源尚能满足现有微处理器的要求，但将来微处理器工作电压降低，电流增加，速度加快的时候，现有的解决方法将无法达到它的要求。这是一个非常具有挑战性的难题。要彻底解决这个问题，就必须将微处理器与开关电源结合在一起，我们提出的构想是：开关电源放在主机板后面。这样开关电源的大小必须与微处理器相当，现在的开关电源要比微处理器大几十倍，所以我们必须面临的几大挑战。

——（1）开关电源频率要提高，频率提高速度才会快。

——（2）开关电源效率要提高，效率提高，热损耗会减少，热处理会比较容易。

——（3）开关电源的体积要大大缩小，磁要减少，电感电容的体积都要缩小。

——要实现这个构想，必须开发很多新的技术，必须将新的材料、包装技术与高频技术结合在一起。

作者简介

——李泽元，美国杜克大学的博士，著名的维吉尼亚电力电子（VPEC）中心的创办人及主任，1998年出任美国CPES（Center For Power Electronics Systems，由美国国家科学基金支持的电力电子研究中心）的主任。

——从1999年1月起，李教授出任上海台达电力电子研发中心（DPEC）主任。