二十一世纪的电力电子技术

内容 电力电子技术的历史

电力电子技术早在1900年初就已出现，但当时很杂乱，不能称为真正的学科。1950后期～1960年，电力电子才真正成为一门学科，其催化剂是晶体管的发明，接着是大功率晶闸管和GTO（门极可关断晶体管）的出现。

70年代，随着集成电路（IC）与微处理器（Microprocessor）为代表的微电子技术的突飞猛进，人类忽然领悟到：功率器件就象人的肌肉，微处理器则是大脑。当“肌肉”与“大脑”有机地结合，就产生了自动化工业的革命。70年代初期出现了大功率晶体管，70年代末又有功率场效应晶体管（Power MOSFET），Power MOSFET很容易做开关动作，非常好用。

80年代～90年代，机械人已普遍使用。80年代则有了另一个功率器件——绝缘栅双极晶闸管（IGBT）。IGBT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，接着开发的是场控晶闸管（MCT）。

今后的发展趋势是什么？从过去的经验可看出，电力电子学是由半导体、IC等带动起来的，今后这种带动也不例外。Silicon（硅）基器件在今后已没有什么可突破的空间了。目前研究的方向是SiC（碳化硅）等下一代半导体材料。这些新材料做成的器件导通损耗很小，而承受的电压会提高很多，承受的温度会达到150、250、300℃，估计这种新器件将在今后5～10年内出现，它的出现会产生革命性的影响。除此之外，还有个重要趋势是做成模块（IPEM, Intergrated power electronic module）。今后十年内，还会对变频调速普遍应用；电动汽车、航空航天等也一直是电力电子技术发展的推动力。

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严重的污染，如果让这个趋势继续下去，将来会造成很严重的后果，会出现能源匮乏、环保等问题。

那么电力电子在这个方面起什么作用呢？目前所有的能源中，电力方面的能源约占40%，而电力能源中有40%是经过电力电子设备的转换才到使用者手中。其中55%以上是在马达和马达控制方面，20%是照明方面。在这两个主要项目里，电力电子能产生很大的作用，如果用很好的电力电子技术去转换，人类最少可节省约1/3的能源。目前，这1/3的能源相当于840个发电厂发出的电能。由此可以看出，电力电子与环保密切相关，是环保的重点之一。预计十年后，电力能源中的80%要经过电力电子设备的转换，电力电子技术在二十一世纪将起到更大作用。

二十一世纪电力电子技术的研发重点

二十一世纪电力电子有很多发展项目，其中有一项非常重要，即怎样做电路集成、系统集成及其封装工作。举例来说，现在用的逆变器（Inverter）是将200～300个零件装配在一起，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。这种做法有几个问题：

Wire bond可靠性差、热处理的方式不好，目前只限于低功率应用。

我们提出的方案是去掉Wire bond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提高，从低功率（几百千瓦～一千瓦）到高功率（几十个千瓦以上）。

这是美国电力电子系统工程中心（Center of Power Electronics System，简称CPES）目前及未来很重要的研究项目。这个概念可以用图6简单介绍一下。比如这是一个散热板，上面的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集成起来，使之可以自动化大批生产。

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%元件必须用手安装，所需劳动力很大，成本也很高。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IC，从过去的历史来推测将来的前途，IC从60年代开始，经过30年到现在拥有10万亿美金的市场。为什么它的成长这么快？有几个重要因素：

· 标准化

· 生产自动化

· 因为大量生产，成本不断下降，应用量迅速增加。

我们现在的构想是功率半导体的集成化，就是类似IC的构想，但所要做的工作在技术上还不止于此，我们不但要做信息方面的东西，还要做功率方面的东西，功率半导体与信息半导体必须要结合在一起。过去二十年，人们做过很多尝试，但不是很成功。

我们现在采取混合式的做法，用混合式封装方法把不同特性的元件放在一起，做成模块式。如果做到了，就可以成就很大规模的工业和市场。做这件事不容易，有相当的挑战，所以CPES结合了美国几所大学的特长，相辅相成地展开工作。比如RPI做半导体材料、IC、功率半导体方面的工作；Wisconsin大学做马达、马达控制驱动电路方面的工作；Virginia大学主要做封装、高频转换技术、系统集成工作。

就马达转换系统而言，系统集成的第一步是把逆变器做成一个模块，驱动电路、保护电路全部放入其中；第二步是把逆变器与马达做在一起，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。这样集成有什么好处？

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、通信线路即可完成控制，以后工厂自动化就会简单得多，如图10所示。

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高、电压更低，而需要的电流容量一直在增加。目前Intel微处理器工作电压是2～3V/电流10A，操作频率为300MHz。预计两年以后，甚至不需要两年，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发现实现的关键技术是电力电子，现在的做法是把开关电源紧靠微处理器，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进一步降低、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！

四年前，Intel曾找到笔者，问能否在这个题目上做些研究，帮Intel解决这个问题。笔者当时说：目前的解决方案不是一个长久之计，要彻底解决问题，就必须将开关电源与微处理器结合在一起。可是当时Intel想不通为什么Intel卖微处理器时还要卖开关电源？因为微处理器内有一个开关电源，Intel说只卖微处理器，不能卖开关电源。今天，Intel大部分人都在很积极地促成此事，因为他们现在也认为没有第二条路好走，微处理器与开关电源必须结合在一起。

我们提出的构想是：开关电源放在主机板后面。如图12所示，这样开关电源的大小必须与微处理器相当，而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，热量会减少，散热处理会比较容易。

3. 开关电源体积更大大减小，磁要减少，电感、电容都要减少。

要实现这个构想，必须开发很多新的技术，必须将新的材料、封装技术与高频技术结合在一起。