新電力電子世界

1引言

經(jīng)過(guò)幾十年的不斷創(chuàng )新發(fā)展，電力電子技術(shù)已日趨成熟并且得到了廣泛的應用。它從半導體器件應用的技術(shù)延伸而變成了自動(dòng)化及節約能源的重要技術(shù)之一。當然，電力電子技術(shù)從來(lái)就是一種綜合性的技術(shù)，是跨領(lǐng)域的技術(shù)也是系統工程應用的技術(shù)。這是它最根本的屬性，也是它最迷人的地方。電力電子技術(shù)給予從事此項工作的每個(gè)人的感受不盡相同，以下是筆者個(gè)人對它的一些感受。

可愛(ài)處：

世界上使用的電力設備很多。這意味著(zhù)電力電子應用領(lǐng)域的潛力很大。以電機控制器為例，試想世界上有上百億個(gè)電機，只要其中有10％的比率采用電力電子式的控制器就會(huì )造成很大的商機。身為共同的參與者，看到自己的心血能被使用并獲得肯定真是無(wú)比的欣慰及光榮。

可憂(yōu)處：

面對市場(chǎng)輕薄短小的需求，很自然地朝向高頻發(fā)展。但是高頻并不等于高效率，而且還會(huì )產(chǎn)生新的問(wèn)題。因此我們需要更多的努力：開(kāi)發(fā)更理想的器件、創(chuàng )造更新的控制技巧或材料以解決大功率時(shí)之散熱問(wèn)題及高頻化之后的EMI/EMC問(wèn)題。電力電子設備普及之后對電力系統的挑戰也不可忽視。相信在抑制諧波的要求上會(huì )日益嚴格?，F實(shí)與理想、價(jià)格與性能永遠都是矛盾的。

可恨處：

器件及微處理器變化快速，要不斷地學(xué)習。實(shí)際經(jīng)驗重要又無(wú)法速成，人才培養不易，尤其面向數字化、信息化、網(wǎng)絡(luò )化的要求使得人才的獲得更加困難。此產(chǎn)業(yè)的利潤及社會(huì )地位與半導體、通訊、光電、網(wǎng)路等產(chǎn)業(yè)相較仍有距離是此產(chǎn)業(yè)發(fā)展不如預期的主要原因。

可惱處：

系統應用中雙極化特性很明顯，如：（1）電力?電子（強電?弱電）；（2）大裝備?小型化；（3）電力控制?微電子控制；（4）現代技術(shù)/材料?傳統技術(shù)（如散熱）；（5）高頻?低頻；（6）數字?模擬等。

可喜處：

時(shí)代再變、環(huán)境再變而人們在可見(jiàn)的時(shí)間內仍無(wú)法脫離電能而生活。電力電子的事業(yè)與其他高科技產(chǎn)業(yè)，還是具有較長(cháng)的生命周期。對從事于此項事業(yè)的人們仍然具有“越陳越香”及“老而彌堅”的優(yōu)勢。由于技術(shù)能力培養不易，因此只要努力，生活及尊嚴都不愁沒(méi)有保障。

2電力電子產(chǎn)業(yè)相關(guān)項目的發(fā)展史

從50年代起直到21世紀的初期，我們可以看出電力電子相關(guān)的發(fā)展如下：

2.1器件的種類(lèi)

二極管→晶閘管→GTO→RCT→PowerTransistor→晶體模塊→MOSFET及其模塊→IGBT及其模塊→SIT（StaticInductionTransistor)及其模塊→SITH（StaticInductionThyristor)及其模塊→MCT（MOS?ControlledThyrisistor）及其模塊→GCT（GateCommutatedTurnoff)及其模塊→IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor)及其模塊→SiC（碳化硅元件）→Diamond(金剛石器件）。

器件呈現的外觀(guān)也有變化，如分立的、模塊化的、智能化的及網(wǎng)絡(luò )化等的展現?；旧?，器件發(fā)展的主要方向之一是減少應用工程師在設計工作上所花的時(shí)間。過(guò)去應用工程師必須要考慮的保護、控制功能等，現在器件廠(chǎng)都一并考慮了，如功率集成模塊（PowerIntegratedModule，簡(jiǎn)稱(chēng)PIM），電力電子標準塊（PowerElectronicsBuildingBlocks，簡(jiǎn)稱(chēng)PEBB）就是最明顯的例子。

2?2控制器

微處理器（Microprocessor，簡(jiǎn)稱(chēng)μP）于1974年進(jìn)入工業(yè)設計并帶來(lái)了極大的震憾，對電力電子而言，它代表了微電子與電力電子的結合，使電力電子的二次革命正式開(kāi)始。數字信號處理器（DigitalSignalProcessor，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP）單片控制器由使用單片微處理器的8位→16位→32位雙微處理器→單片數字信號處理器16位→32位雙數字信號處理器。

2?3電路結構(Topology)

變化很小，以逆變器（Inverter)而言有：

VoltageSourceInverter(VSI)→

ResonantDC?LinkInverter(RDCL)→Actively

ClampedResonantDCLinkInverter(ACRLI)

2?4調制技術(shù)

調制技術(shù)（ModulationTechnique)是針對理想的波形給出的一組控制信號之設計技術(shù)。好的調制技術(shù)應符合以下的技術(shù)指標：

PAM(PulseAmplitudeModulation)→

PWM(PulseWidthModulation)→

SPWM(SinusoidalPWM)→

OptimumPWM→

ADSM(AsynchronousDelta?SigmaModulation)→

DSMC(Delta?SigmaModulationwithCarrier)→

AdaptivePWM→

HIPWM(HarmonicInjectionPWM)→

SVPWM(SpaceVectorPWM)→

RandomModulation

2?5控制技術(shù)/方法

在不同的應用中有以下幾項：

V/F控制(VoltageFrequencyControl)

SF控制(SlipFrequencyControl)

向量控制(VectroControl)

直接轉矩(DirectTorque)

無(wú)感測試(Sensorless)

Fuzzy/Neuro/GeneticAlgorithm/Chaos等智能控制技術(shù)

零電壓/零電流切換技術(shù)

功率因數校正技術(shù)（PFC）

諧波抑制技術(shù)

鎖相回路控制

2?6生產(chǎn)方式

一般方法

系統化、標準化

委外加工、整合、組裝、測試及包裝

自動(dòng)化大生產(chǎn)

2?7面板功能

簡(jiǎn)單→復雜→簡(jiǎn)單

文字→數字→語(yǔ)音

2?8市場(chǎng)動(dòng)向及需求

工藝精細化（超小型化）

模塊化（模組化）

集成化（IC化）

低噪音

高性能化

高可靠度

智能化（智慧化）

系統化（與其他自動(dòng)化器材/設備配套）

遙控能力

通訊界面

服務(wù)快速

低價(jià)位

知識產(chǎn)權保護

組裝、維修或分解容易

綠色化（環(huán)?；?

2?9產(chǎn)品

電機驅動(dòng)控制器（Motordrive，俗稱(chēng)變頻器）

電子式鎮流器（ElectronicBallast）

不斷電系統（UPS）

交換式電源供應器（SPS）

功率單元電路（PowerIC）

電力電子的家電產(chǎn)品：含電磁烹飪器、變頻微波爐、變頻洗衣機、變頻空調、變頻冰箱、變頻燈具。

2?10產(chǎn)品動(dòng)向

模擬

數字化

全數字化

信息傳送功能

上網(wǎng)功能

2?11產(chǎn)業(yè)生存的方式

老死不相往來(lái)

彼此競爭

彼此合作

共同創(chuàng )造

3系統思考與系統工程

系統思考（SystemThinking）與系統工程（SystemEngineering）對應用工程師而言十分重要。以電力電子、機電一體化（Mechatronics）與能源電子（Entronics）三個(gè)領(lǐng)域為例、若沒(méi)有正確的系統觀(guān)念常會(huì )導致失敗。(Entronics為筆者自創(chuàng )的英文字，曾在熊本工業(yè)大學(xué)能源電子研討會(huì )邀請演講中公開(kāi)使用)

電力電子、機電一體化與能源電子三者的共同之處是應用了電子與控制的優(yōu)勢來(lái)提高本身的附加值。

電力電子、機電一體化與能源電子三者的關(guān)系有共同之處也有不同之處。無(wú)論是電力電子、機電一體化或能源電子的研究者在自己工作中都應該注意三大領(lǐng)域所需知識的追求和共同領(lǐng)域交互之界面以及交集里工作的內涵。

德國Leonhard教授把交流驅動(dòng)器（ACDrivers）的內涵分成三個(gè)領(lǐng)域：即控制、電力電子及機電功率轉換器。交流驅動(dòng)器又名交流電機控制器，在臺灣地區俗稱(chēng)變頻器，我們可以列出各領(lǐng)域的重要功能及應考慮之處如下：

控制：

感測、保護、診斷、鑒定、適應、自調及最適化

電力電子：

半導體器件、零組件、電路、制造及測試

機電功率轉換器：

材料、磁場(chǎng)計算、制造及測試

電力電子技術(shù)帶來(lái)的一些思考方向：

（1）三相平衡的基本觀(guān)念要重新定義；

（2）電機設計的傳統方法應該改變；

（3）電源轉換的方式、效率、彈性及應用大大不同；

（4）智能型運動(dòng)、傳輸、交通及熱交換系統應運而生；

（5）電力系統面臨諧波污染的挑戰；

（6）系統工程師成長(cháng)的教育內容。

4國際電力電子產(chǎn)業(yè)相關(guān)的咨詢(xún)及組織

4?1電力電子技術(shù)的研發(fā)已逐漸被重視

美國，1998年國家科學(xué)基金會(huì )（NationalScienccFoundation）提供美金1235萬(wàn)為期五年來(lái)建立電力電子系統中心（CenterforPowerElectronicsSystems，簡(jiǎn)稱(chēng)CPES）。CPES包含了五所大學(xué)及100個(gè)產(chǎn)業(yè)伙伴。CPES中心主任李澤元教授說(shuō)明CPES的目標之一是使美國成為世界上最有效的電能使用者。他預期未來(lái)二十年的電能消耗可以節省30％。

中國大陸，1996年由國家計劃委員會(huì )批準成立三大電力電子應用技術(shù)國家工程研究中心〔浙江大學(xué)（工業(yè)應用）、西安電力電子技術(shù)研究所（器件）、鐵道部株洲電力機車(chē)研究所（電氣傳動(dòng)）〕，國家教委也通過(guò)幫助如天津電氣傳動(dòng)研究所、冶金部自動(dòng)化研究院等成為更杰出的研發(fā)基地。此外，中國大陸的211工程也將使大陸若干大學(xué)成為世界級的電力電子學(xué)術(shù)研究單位。

4?2幾份重要的中文雜志/期刊

（1）電力電子技術(shù)（臺灣，雙月刊）

（2）電機產(chǎn)業(yè)速報（臺灣，月刊）

（3）電子月刊（臺灣，月刊）

（4）電機月刊（臺灣，月刊）

（5）電機產(chǎn)業(yè)年鑒（臺灣，年刊）

（6）電力電子技術(shù)（大陸，雙月刊）

（7）電源技術(shù)應用（大陸，月刊）

（8）中國電源（大陸，雙月刊）

（9）電源世界（大陸，雙月刊）

（10）變頻器世界（大陸，月刊）

（11）UPS應用（大陸，雙月刊）

5結語(yǔ)

電力電子的環(huán)境及產(chǎn)業(yè)都有了很大的變化。整體而言，電力電子技術(shù)的發(fā)展在許多應用領(lǐng)域上獲得了認同。 廣泛應用的技術(shù)有下列幾點(diǎn)特性：

（1）應用領(lǐng)域擴大；（2）成本大幅降低；（3）風(fēng)險大幅降低；（4）價(jià)值小幅減少。就電力電子技術(shù)而言，過(guò)去著(zhù)重應用在交通、工業(yè)、軍事、商事、航天等領(lǐng)域，今后將走進(jìn)家電、信息、通信甚至信息家電（InformationAppliances）等領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò )化時(shí)代電腦性能日新月異，為了克服因快速運算及處理能力帶來(lái)的散熱問(wèn)題，電腦原先的供電電壓已由5V降為3?3V，因而賦予電力電子工程師在電源轉換設計上有更大的空間，Motorola新出品的WaveFET相信會(huì )為電力電子產(chǎn)業(yè)帶來(lái)一片新的天空。此外，后PC時(shí)代的產(chǎn)品方興未艾，人類(lèi)正面臨新的挑戰。新興器件的發(fā)展必然會(huì )影響到市場(chǎng)，未來(lái)的沖擊還有待大家努力去適應。