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年代首先是发明了半导体晶体管，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）半导体。它与现有的半导体不太一样，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，功率半导体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。

——我们现在的构想是半导体的集成化，就是类似IC的构想，要将功率半导体与信息半导体结合在一起。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。