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)給予從事此項工作的每個人的感受不盡相同，以下是筆者個人對它的一些感受。

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。以電機控制器為例，試想世界上有上百億個電機，只要其中有10％的比率采用電力電子式的控制器就會造成很大的商機。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比的欣慰及光榮。

可憂處：

面對市場輕薄短小的需求，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日益嚴(yán)格。現(xiàn)實與理想、價格與性能永遠(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)。實際經(jīng)驗重要又無法速成，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)的利潤及社會地位與半導(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：

時代再變、環(huán)境再變而人們在可見的時間內(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)，還是具有較長的生命周期。對從事于此項事業(yè)的人們?nèi)匀痪哂小霸疥愒较恪奔啊袄隙鴱泩浴钡膬?yōu)勢。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?，器件發(fā)展的主要方向之一是減少應(yīng)用工程師在設(shè)計工作上所花的時間。過去應(yīng)用工程師必須要考慮的保護、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，簡稱PIM），電力電子標(biāo)準(zhǔn)塊（PowerElectronicsBuildingBlocks，簡稱PEBB）就是最明顯的例子。

2?2控制器

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

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)是針對理想的波形給出的一組控制信號之設(shè)計技術(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：

V/F控制(VoltageFrequencyControl)

SF控制(SlipFrequencyControl)

向量控制(VectroControl)

直接轉(zhuǎn)矩(DirectTorque)

無感測試(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(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、測試及包裝

自動化大生產(chǎn)

2?7面板功能

簡單→復(fù)雜→簡單

文字→數(shù)字→語音

2?8市場動向及需求

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（與其他自動化器材/設(shè)備配套）

遙控能力

通訊界面

服務(wù)快速

低價位

知識產(chǎn)權(quán)保護

組裝、維修或分解容易

綠色化（環(huán)保化）

2?9產(chǎn)品

電機驅(qū)動控制器（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、變頻空調(diào)、變頻冰箱、變頻燈具。

2?10產(chǎn)品動向

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

彼此競爭

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）對應(yīng)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）三個領(lǐng)域為例、若沒有正確的系統(tǒng)觀念常會導(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)能源電子研討會邀請演講中公開使用)

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

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(yīng)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(nèi)涵。

德國Leonhard教授把交流驅(qū)動器（ACDrivers）的內(nèi)涵分成三個領(lǐng)域：即控制、電力電子及機電功率轉(zhuǎn)換器。交流驅(qū)動器又名交流電機控制器，在臺灣地區(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、保護、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、制造及測試

機電功率轉(zhuǎn)換器：

材料、磁場計算、制造及測試

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）電機設(shè)計的傳統(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）智能型運動、傳輸、交通及熱交換系統(tǒng)應(yīng)運而生；

（5）電力系統(tǒng)面臨諧波污染的挑戰(zhàn)；

（6）系統(tǒng)工程師成長的教育內(nèi)容。

4國際電力電子產(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，1998年國家科學(xué)基金會（NationalScienccFoundation）提供美金1235萬為期五年來建立電力電子系統(tǒng)中心（CenterforPowerElectronicsSystems，簡稱CPES）。CPES包含了五所大學(xué)及100個產(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％。

中國大陸，1996年由國家計劃委員會批準(zhǔn)成立三大電力電子應(yīng)用技術(shù)國家工程研究中心〔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）、鐵道部株洲電力機車研究所（電氣傳動）〕，國家教委也通過幫助如天津電氣傳動研究所、冶金部自動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(yīng)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(yīng)用（大陸，雙月刊）

5結(jié)語

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)有下列幾點特性：

（1）應(yīng)用領(lǐng)域擴大；（2）成本大幅降低；（3）風(fēng)險大幅降低；（4）價值小幅減少。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，今后將走進家電、信息、通信甚至信息家電（InformationAppliances）等領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)化時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)計上有更大的空間，Motorola新出品的WaveFET相信會為電力電子產(chǎn)業(yè)帶來一片新的天空。此外，后PC時代的產(chǎn)品方興未艾，人類正面臨新的挑戰(zhàn)。新興器件的發(fā)展必然會影響到市場，未來的沖擊還有待大家努力去適應(yīng)。