新电力电子世界

新电力电子世界

1引言

经过几十年的不断创新发展，电力电子技术已日趋成熟并且得到了广泛的应用。它从半导体器件应用的技术延伸而变成了自动化及节约能源的重要技术之一。当然，电力电子技术从来就是一种综合性的技术，是跨领域的技术也是系统工程应用的技术。这是它最根本的属性，也是它最迷人的地方。电力电子技术给予从事此项工作的每个人的感受不尽相同，以下是笔者个人对它的一些感受。

可爱处：

世界上使用的电力设备很多。这意味着电力电子应用领域的潜力很大。以电机控制器为例，试想世界上有上百亿个电机，只要其中有10％的比率采用电力电子式的控制器就会造成很大的商机。身为共同的参与者，看到自己的心血能被使用并获得肯定真是无比的欣慰及光荣。

可忧处：

面对市场轻薄短小的需求，很自然地朝向高频发展。但是高频并不等于高效率，而且还会产生新的问题。因此我们需要更多的努力：开发更理想的器件、创造更新的控制技巧或材料以解决大功率时之散热问题及高频化之后的EMI/EMC问题。电力电子设备普及之后对电力系统的挑战也不可忽视。相信在抑制谐波的要求上会日益严格。现实与理想、价格与性能永远都是矛盾的。

可恨处：

器件及微处理器变化快速，要不断地学习。实际经验重要又无法速成，人才培养不易，尤其面向数字化、信息化、网络化的要求使得人才的获得更加困难。此产业的利润及社会地位与半导体、通讯、光电、网路等产业相较仍有距离是此产业发展不如预期的主要原因。

可恼处：

系统应用中双极化特性很明显，如：（1）电力?电子（强电?弱电）；（2）大装备?小型化；（3）电力控制?微电子控制；（4）现代技术/材料?传统技术（如散热）；（5）高频?低频；（6）数字?模拟等。

可喜处：

时代再变、环境再变而人们在可见的时间内仍无法脱离电能而生活。电力电子的事业与其他高科技产业，还是具有较长的生命周期。对从事于此项事业的人们仍然具有“越陈越香”及“老而弥坚”的优势。由于技术能力培养不易，因此只要努力，生活及尊严都不愁没有保障。

2电力电子产业相关项目的发展史

从50年代起直到21世纪的初期，我们可以看出电力电子相关的发展如下：

2.1器件的种类

二极管→晶闸管→GTO→RCT→PowerTransistor→晶体模块→MOSFET及其模块→IGBT及其模块→SIT（StaTIcInducTIonTransistor)及其模块→SITH（StaTIcInducTIonThyristor)及其模块→MCT（MOS?ControlledThyrisistor）及其模块→GCT（GateCommutatedTurnoff)及其模块→IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor)及其模块→SiC（碳化硅元件）→Diamond(金刚石器件）。

器件呈现的外观也有变化，如分立的、模块化的、智能化的及网络化等的展现。基本上，器件发展的主要方向之一是减少应用工程师在设计工作上所花的时间。过去应用工程师必须要考虑的保护、控制功能等，现在器件厂都一并考虑了，如功率集成模块（PowerIntegratedModule，简称PIM），电力电子标准块（PowerElectronicsBuildingBlocks，简称PEBB）就是最明显的例子。

2?2控制器

微处理器（Microprocessor，简称μP）于1974年进入工业设计并带来了极大的震憾，对电力电子而言，它代表了微电子与电力电子的结合，使电力电子的二次革命正式开始。数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，简称DSP）单片控制器由使用单片微处理器的8位→16位→32位双微处理器→单片数字信号处理器16位→32位双数字信号处理器。

2?3电路结构(Topology)

变化很小，以逆变器（Inverter)而言有：

VoltageSourceInverter(VSI)→

ResonantDC?LinkInverter(RDCL)→Actively

ClampedResonantDCLinkInverter(ACRLI)

2?4调制技术

调制技术（ModulationTechnique)是针对理想的波形给出的一组控制信号之设计技术。好的调制技术应符合以下的技术指标：

PAM(PulseAmplitudeModulation)→

PWM(PulseWidthModulation)→

SPWM(SinusoidalPWM)→

OptimumPWM→

ADSM(AsynchronousDelta?SigmaModulation)→

DSMC(Delta?SigmaModulationwithCarrier)→

AdaptivePWM→

HIPWM(HarmonicInjectionPWM)→

SVPWM(SpaceVectorPWM)→

RandomModulation

2?5控制技术/方法

在不同的应用中有以下几项：

V/F控制(VoltageFrequencyControl)

SF控制(SlipFrequencyControl)

向量控制(VectroControl)

直接转矩(DirectTorque)

无感测试(Sensorless)

Fuzzy/Neuro/GeneticAlgorithm/Chaos等智能控制技术

零电压/零电流切换技术

功率因数校正技术（PFC）

谐波抑制技术

锁相回路控制

2?6生产方式

一般方法

系统化、标准化

委外加工、整合、组装、测试及包装

自动化大生产

2?7面板功能

简单→复杂→简单

文字→数字→语音

2?8市场动向及需求

工艺精细化（超小型化）

模块化（模组化）

集成化（IC化）

低噪音

高性能化

高可靠度

智能化（智慧化）

系统化（与其他自动化器材/设备配套）

遥控能力

通讯界面

服务快速

低价位

知识产权保护

组装、维修或分解容易

绿色化（环保化）

2?9产品

电机驱动控制器（Motordrive，俗称变频器）

电子式镇流器（ElectronicBallast）

不断电系统（UPS）

交换式电源供应器（SPS）

功率单元电路（PowerIC）

电力电子的家电产品：含电磁烹饪器、变频微波炉、变频洗衣机、变频空调、变频冰箱、变频灯具。

2?10产品动向

模拟

数字化

全数字化

信息传送功能

上网功能

2?11产业生存的方式

老死不相往来

彼此竞争

彼此合作

共同创造

3系统思考与系统工程

系统思考（SystemThinking）与系统工程（SystemEngineering）对应用工程师而言十分重要。以电力电子、机电一体化（Mechatronics）与能源电子（Entronics）三个领域为例、若没有正确的系统观念常会导致失败。(Entronics为笔者自创的英文字，曾在熊本工业大学能源电子研讨会邀请演讲中公开使用)

电力电子、机电一体化与能源电子三者的共同之处是应用了电子与控制的优势来提高本身的附加值。

电力电子、机电一体化与能源电子三者的关系有共同之处也有不同之处。无论是电力电子、机电一体化或能源电子的研究者在自己工作中都应该注意三大领域所需知识的追求和共同领域交互之界面以及交集里工作的内涵。

德国Leonhard教授把交流驱动器（ACDrivers）的内涵分成三个领域：即控制、电力电子及机电功率转换器。交流驱动器又名交流电机控制器，在台湾地区俗称变频器，我们可以列出各领域的重要功能及应考虑之处如下：

控制：

感测、保护、诊断、鉴定、适应、自调及最适化

电力电子：

半导体器件、零组件、电路、制造及测试

机电功率转换器：

材料、磁场计算、制造及测试

电力电子技术带来的一些思考方向：

（1）三相平衡的基本观念要重新定义；

（2）电机设计的传统方法应该改变；

（3）电源转换的方式、效率、d性及应用大大不同；

（4）智能型运动、传输、交通及热交换系统应运而生；

（5）电力系统面临谐波污染的挑战；

（6）系统工程师成长的教育内容。

4国际电力电子产业相关的咨询及组织

4?1电力电子技术的研发已逐渐被重视

美国，1998年国家科学基金会（NationalScienccFoundation）提供美金1235万为期五年来建立电力电子系统中心（CenterforPowerElectronicsSystems，简称CPES）。CPES包含了五所大学及100个产业伙伴。CPES中心主任李泽元教授说明CPES的目标之一是使美国成为世界上最有效的电能使用者。他预期未来二十年的电能消耗可以节省30％。

中国大陆，1996年由国家计划委员会批准成立三大电力电子应用技术国家工程研究中心〔浙江大学（工业应用）、西安电力电子技术研究所（器件）、铁道部株洲电力机车研究所（电气传动）〕，国家教委也通过帮助如天津电气传动研究所、冶金部自动化研究院等成为更杰出的研发基地。此外，中国大陆的211工程也将使大陆若干大学成为世界级的电力电子学术研究单位。

4?2几份重要的中文杂志/期刊

（1）电力电子技术（台湾，双月刊）

（2）电机产业速报（台湾，月刊）

（3）电子月刊（台湾，月刊）

（4）电机月刊（台湾，月刊）

（5）电机产业年鉴（台湾，年刊）

（6）电力电子技术（大陆，双月刊）

（7）电源技术应用（大陆，月刊）

（8）中国电源（大陆，双月刊）

（9）电源世界（大陆，双月刊）

（10）变频器世界（大陆，月刊）

（11）UPS应用（大陆，双月刊）

5结语

电力电子的环境及产业都有了很大的变化。整体而言，电力电子技术的发展在许多应用领域上获得了认同。 广泛应用的技术有下列几点特性：

（1）应用领域扩大；（2）成本大幅降低；（3）风险大幅降低；（4）价值小幅减少。就电力电子技术而言，过去着重应用在交通、工业、军事、商事、航天等领域，今后将走进家电、信息、通信甚至信息家电（InformationAppliances）等领域。网络化时代电脑性能日新月异，为了克服因快速运算及处理能力带来的散热问题，电脑原先的供电电压已由5V降为3?3V，因而赋予电力电子工程师在电源转换设计上有更大的空间，Motorola新出品的WaveFET相信会为电力电子产业带来一片新的天空。此外，后PC时代的产品方兴未艾，人类正面临新的挑战。新兴器件的发展必然会影响到市场，未来的冲击还有待大家努力去适应。