新電力電子世界

1引言

經(jīng)過幾十年的不斷創(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(yīng)用。它從半導(dǎo)體器件應(yīng)用的技術(shù)延伸而變成了自動(dòng)化及節(jié)約能源的重要技術(shù)之一。當(dāng)然，電力電子技術(shù)從來就是一種綜合性的技術(shù)，是跨領(lǐng)域的技術(shù)也是系統(tǒng)工程應(yīng)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(xiàng)工作的每個(gè)人的感受不盡相同，以下是筆者個(gè)人對(duì)它的一些感受。

可愛處：

世界上使用的電力設(shè)備很多。這意味著電力電子應(yīng)用領(lǐng)域的潛力很大。以電機(jī)控制器為例，試想世界上有上百億個(gè)電機(jī)，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(jī)。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比的欣慰及光榮。

可憂處：

面對(duì)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)生新的問題。因此我們需要更多的努力：開發(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)之散熱問題及高頻化之后的EMI/EMC問題。電力電子設(shè)備普及之后對(duì)電力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)也不可忽視。相信在抑制諧波的要求上會(huì)日益嚴(yán)格。現(xiàn)實(shí)與理想、價(jià)格與性能永遠(yuǎn)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(xí)。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)重要又無法速成，人才培養(yǎng)不易，尤其面向數(shù)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(rùn)及社會(huì)地位與半導(dǎo)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(yù)期的主要原因。

可惱處：

系統(tǒng)應(yīng)用中雙極化特性很明顯，如：（1）電力?電子（強(qiáng)電?弱電）；（2）大裝備?小型化；（3）電力控制?微電子控制；（4）現(xiàn)代技術(shù)/材料?傳統(tǒng)技術(shù)（如散熱）；（5）高頻?低頻；（6）數(shù)字?模擬等。

可喜處：

時(shí)代再變、環(huán)境再變而人們?cè)诳梢姷臅r(shí)間內(nèi)仍無法脫離電能而生活。電力電子的事業(yè)與其他高科技產(chǎn)業(yè)，還是具有較長(zhǎng)的生命周期。對(duì)從事于此項(xiàng)事業(yè)的人們?nèi)匀痪哂小霸疥愒较恪奔啊袄隙鴱泩?jiān)”的優(yōu)勢(shì)。由于技術(shù)能力培養(yǎng)不易，因此只要努力，生活及尊嚴(yán)都不愁沒有保障。

2電力電子產(chǎn)業(yè)相關(guān)項(xiàng)目的發(fā)展史

從50年代起直到21世紀(jì)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

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(xiàn)的外觀也有變化，如分立的、模塊化的、智能化的及網(wǎng)絡(luò)化等的展現(xiàn)?；旧希骷l(fā)展的主要方向之一是減少應(yīng)用工程師在設(shè)計(jì)工作上所花的時(shí)間。過去應(yīng)用工程師必須要考慮的保護(hù)、控制功能等，現(xiàn)在器件廠都一并考慮了，如功率集成模塊（PowerIntegratedModule，簡(jiǎn)稱PIM），電力電子標(biāo)準(zhǔn)塊（PowerElectronicsBuildingBlocks，簡(jiǎn)稱PEBB）就是最明顯的例子。

2?2控制器

微處理器（Microprocessor，簡(jiǎn)稱μP）于1974年進(jìn)入工業(yè)設(shè)計(jì)并帶來了極大的震憾，對(duì)電力電子而言，它代表了微電子與電力電子的結(jié)合，使電力電子的二次革命正式開始。數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSignalProcessor，簡(jiǎn)稱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(shù)字信號(hào)處理器16位→32位雙數(shù)字信號(hào)處理器。

2?3電路結(jié)構(gòu)(Topology)

變化很小，以逆變器（Inverter)而言有：

VoltageSourceInverter(VSI)→

ResonantDC?LinkInverter(RDCL)→Actively

ClampedResonantDCLinkInverter(ACRLI)

2?4調(diào)制技術(shù)

調(diào)制技術(shù)（ModulationTechnique)是針對(duì)理想的波形給出的一組控制信號(hào)之設(shè)計(jì)技術(shù)。好的調(diào)制技術(shù)應(yīng)符合以下的技術(shù)指標(biāo)：

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(yīng)用中有以下幾項(xiàng)：

V/F控制(VoltageFrequencyControl)

SF控制(SlipFrequencyControl)

向量控制(VectroControl)

直接轉(zhuǎn)矩(DirectTorque)

無感測(cè)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(shù)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(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化

委外加工、整合、組裝、測(cè)試及包裝

自動(dòng)化大生產(chǎn)

2?7面板功能

簡(jiǎn)單→復(fù)雜→簡(jiǎn)單

文字→數(shù)字→語(yǔ)音

2?8市場(chǎng)動(dòng)向及需求

工藝精細(xì)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(tǒng)化（與其他自動(dòng)化器材/設(shè)備配套）

遙控能力

通訊界面

服務(wù)快速

低價(jià)位

知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)

組裝、維修或分解容易

綠色化（環(huán)?；?

2?9產(chǎn)品

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器（Motordrive，俗稱變頻器）

電子式鎮(zhèn)流器（ElectronicBallast）

不斷電系統(tǒng)（UPS）

交換式電源供應(yīng)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(jī)、變頻空調(diào)、變頻冰箱、變頻燈具。

2?10產(chǎn)品動(dòng)向

模擬

數(shù)字化

全數(shù)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

彼此競(jìng)爭(zhēng)

彼此合作

共同創(chuàng)造

3系統(tǒng)思考與系統(tǒng)工程

系統(tǒng)思考（SystemThinking）與系統(tǒng)工程（SystemEngineering）對(duì)應(yīng)用工程師而言十分重要。以電力電子、機(jī)電一體化（Mechatronics）與能源電子（Entronics）三個(gè)領(lǐng)域?yàn)槔?、若沒有正確的系統(tǒng)觀念常會(huì)導(dǎo)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(qǐng)演講中公開使用)

電力電子、機(jī)電一體化與能源電子三者的共同之處是應(yīng)用了電子與控制的優(yōu)勢(shì)來提高本身的附加值。

電力電子、機(jī)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。無論是電力電子、機(jī)電一體化或能源電子的研究者在自己工作中都應(yīng)該注意三大領(lǐng)域所需知識(shí)的追求和共同領(lǐng)域交互之界面以及交集里工作的內(nèi)涵。

德國(guó)Leonhard教授把交流驅(qū)動(dòng)器（ACDrivers）的內(nèi)涵分成三個(gè)領(lǐng)域：即控制、電力電子及機(jī)電功率轉(zhuǎn)換器。交流驅(qū)動(dòng)器又名交流電機(jī)控制器，在臺(tái)灣地區(qū)俗稱變頻器，我們可以列出各領(lǐng)域的重要功能及應(yīng)考慮之處如下：

控制：

感測(cè)、保護(hù)、診斷、鑒定、適應(yīng)、自調(diào)及最適化

電力電子：

半導(dǎo)體器件、零組件、電路、制造及測(cè)試

機(jī)電功率轉(zhuǎn)換器：

材料、磁場(chǎng)計(jì)算、制造及測(cè)試

電力電子技術(shù)帶來的一些思考方向：

（1）三相平衡的基本觀念要重新定義；

（2）電機(jī)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法應(yīng)該改變；

（3）電源轉(zhuǎn)換的方式、效率、彈性及應(yīng)用大大不同；

（4）智能型運(yùn)動(dòng)、傳輸、交通及熱交換系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生；

（5）電力系統(tǒng)面臨諧波污染的挑戰(zhàn)；

（6）系統(tǒng)工程師成長(zhǎng)的教育內(nèi)容。

4國(guó)際電力電子產(chǎn)業(yè)相關(guān)的咨詢及組織

4?1電力電子技術(shù)的研發(fā)已逐漸被重視

美國(guó)，1998年國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NationalScienccFoundation）提供美金1235萬為期五年來建立電力電子系統(tǒng)中心（CenterforPowerElectronicsSystems，簡(jiǎn)稱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明CPES的目標(biāo)之一是使美國(guó)成為世界上最有效的電能使用者。他預(yù)期未來二十年的電能消耗可以節(jié)省30％。

中國(guó)大陸，1996年由國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)批準(zhǔn)成立三大電力電子應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程研究中心〔浙江大學(xué)（工業(yè)應(yīng)用）、西安電力電子技術(shù)研究所（器件）、鐵道部株洲電力機(jī)車研究所（電氣傳動(dòng)）〕，國(guó)家教委也通過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(guó)大陸的211工程也將使大陸若干大學(xué)成為世界級(jí)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(tái)灣，雙月刊）

（2）電機(jī)產(chǎn)業(yè)速報(bào)（臺(tái)灣，月刊）

（3）電子月刊（臺(tái)灣，月刊）

（4）電機(jī)月刊（臺(tái)灣，月刊）

（5）電機(jī)產(chǎn)業(yè)年鑒（臺(tái)灣，年刊）

（6）電力電子技術(shù)（大陸，雙月刊）

（7）電源技術(shù)應(yīng)用（大陸，月刊）

（8）中國(guó)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(yīng)用（大陸，雙月刊）

5結(jié)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(yīng)用領(lǐng)域上獲得了認(rèn)同。 廣泛應(yīng)用的技術(shù)有下列幾點(diǎn)特性：

（1）應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大；（2）成本大幅降低；（3）風(fēng)險(xiǎn)大幅降低；（4）價(jià)值小幅減少。就電力電子技術(shù)而言，過去著重應(yīng)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(yùn)算及處理能力帶來的散熱問題，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(zhuǎn)換設(shè)計(jì)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)帶來一片新的天空。此外，后PC時(shí)代的產(chǎn)品方興未艾，人類正面臨新的挑戰(zhàn)。新興器件的發(fā)展必然會(huì)影響到市場(chǎng)，未來的沖擊還有待大家努力去適應(yīng)。