【正文】 張軍明男，1975年生，博士，講師，主要從事交流技術(shù)、電力電子系統(tǒng)集成，電力電子系統(tǒng)應(yīng)用等研究。SiC for smart powerapplications．IEEE Trans．on Electron Devics，1999，46(3)：546 55410 James P Lyons，Vlatko Vlatkovic．Power electronicsand alternative energy generation．Proceedings ofIEEE—PESC，2004，1：16～211 1 Jeffrey D Shepard．Power electronics futures．Proceedingsof IEEE—APEC，2004，1：22～2612新能源和可再生能源調(diào)研專集．廣州能源研究所，廣東能捷公司，2003，1013風(fēng)電產(chǎn)業(yè)調(diào)研專集．廣州能源研究所，廣東能捷公司，2003，814 Bimal K，Bose Energy．Environment and advances inpower electronics．IEEE Trans．on Power Electronics，2000．15(4)：688～70115蔡宣三，錢照明，王正元．電力電子學(xué)的發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)查研究報告．電工技術(shù)學(xué)報(增刊)，1999，14(7)：1～2116 Peng F Z，Qian Zhaoming．Applications of cascademultilevel inverters．Journal of Zhejiang UniversitySCIENCE．2003，4(6)：658～66517 Toshihiro Sawa，Tsuneo Kume．Motor drive technology———histoIy and visions for the future．Proceedings ofIEEE—PESC，2004，1：2～91 8“u Xingsheng，Haque S，Lu Guoquan．Three—dimensionalflip—chip on flex packaging for power electronicsapplications．IEEE Trans．on Advanced Packaging，2001．24(1)：1～919錢照明，張軍明，呂征宇．電力電子系統(tǒng)集成．中國集成電路，2003(7)：39～4520 Yang LiyIl，Lee F C，Odendaal W G．Measurement—basedcharacterization method for integrated power electronicsmodules．Proceedings of IEEEpast achievements and future expectations．Conference Record of IEEE—PIEMC．2000：9～203 Huang Alex Q，Sun Nick X，Zhang Bo，et a1．Lowvoltage power devices for future VRM．Proceeding of1 998 International Symposium on Power SemiconductorDevicesamp。如果要充分利用電路發(fā)展和元件改進(jìn)所帶來的優(yōu)勢，必須實(shí)現(xiàn)電力電子技術(shù)模式的轉(zhuǎn)變，電力電子系統(tǒng)集成理論將是本世紀(jì)電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢。7 結(jié)論本文簡要地回顧了電力電子與電力傳動技術(shù)及其應(yīng)用的當(dāng)前主要發(fā)展動向。我國國家自然科學(xué)基金專門設(shè)立項(xiàng)目對電力電子系統(tǒng)集成的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并已經(jīng)取得一定的進(jìn)展。目前CPES已經(jīng)在有源器件集成、無源器件集成技術(shù)、封裝技術(shù)、熱設(shè)計(jì)、控制策略和EMC等方面開展了廣泛的研究工作拉卜24j。該中心由五所高校，十幾個研究所和100多個公司參加，為期15年。若干標(biāo)準(zhǔn)模塊集成一個小系統(tǒng)，若干小系統(tǒng)可以進(jìn)一步集成更大的應(yīng)用系統(tǒng)，如圖11所示。電力電子實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的集成，即人們可以根據(jù)電力電子系統(tǒng)集成理論和設(shè)計(jì)規(guī)則，利用上述這些子系統(tǒng)方便地集成和擴(kuò)展為最終用戶所需要的(定義的)智能化的電力電子應(yīng)用系統(tǒng)。通過分析各種典型拓?fù)涞南嗷リP(guān)聯(lián)程度，找出各種擴(kuò)充選件，大幅度降低典型拓?fù)涞姆N類，允許模塊通過軟件定義、硬件聯(lián)結(jié)模式的選擇擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)模塊的普適性，便于實(shí)現(xiàn)模塊的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化；同時又更好地適應(yīng)各種特定應(yīng)用場合。通過系統(tǒng)化的比較研究，將能剔除絕大部分拓?fù)?，留下少?shù)典型拓?fù)渥鳛殡娏﹄娮訕?biāo)準(zhǔn)模塊的候選電路。從眾多的電力電子線路中萃取出為數(shù)不多而具有典型代表意義的電力電子功率變換拓?fù)涫且豁?xiàng)十分艱巨和繁重的任務(wù)。典型的集成電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊如圖10所示。電力電子系統(tǒng)集成應(yīng)包含兩個層次的集成：一個是模塊級的集成，即電力電子子系統(tǒng)的集成；另一個是系統(tǒng)級的集成，即電力電子實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的集成。一個標(biāo)準(zhǔn)的、模塊化的、可編程的系統(tǒng)有利于加速系統(tǒng)級水平的設(shè)計(jì)和有利于系統(tǒng)性能的精確仿真，可以極大地提高電力電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化和生產(chǎn)自動化程度，從而使任何現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化過程中必不可少的、實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)的電能變換和供給的一個重要環(huán)節(jié)，電力電子系統(tǒng)將真正成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化大系統(tǒng)中的一個名副其實(shí)的智能部件。與自動化領(lǐng)域的大系統(tǒng)集成和機(jī)械制造領(lǐng)域的CIMS系統(tǒng)集成一樣，電力電子系統(tǒng)集成、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化技術(shù)是解決上述這些問題的十分重要的途徑，也是本世紀(jì)電力電子技術(shù)發(fā)展的必由之路。如果重新仔細(xì)思考目前的整個技術(shù)，就會發(fā)現(xiàn)電力電子技術(shù)正在發(fā)生根本性的改變，而不僅僅是器件?，F(xiàn)在很明顯的則是在目前的電力電子變換器結(jié)構(gòu)模式下，成本、性能與可靠性成為限制應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大的原因。雖然目前傳統(tǒng)的電力電子變換器構(gòu)造在應(yīng)用與功率水平方面還有許多工作要做，但是很明顯的一點(diǎn)是過去50年中，在中等功率水平，變換器的體積只減小了一個數(shù)量級，這不足以滿足要求。電力電子產(chǎn)品的開發(fā)不但需要專業(yè)的電力電子工程師，而且需要眾多的生產(chǎn)設(shè)備和大量的手工勞動，這就限制了生產(chǎn)成本的進(jìn)一步降低和可靠性的提高。雖然從20世紀(jì)80年代發(fā)展的Smart Power IC或Intelligent Power Module實(shí)際上是一種小規(guī)模的集成電力電子模塊(Integrated PE Module，簡稱IPEM)，它將驅(qū)動、自保護(hù)、自診斷功能的IC與電力電子器件集成在一個模塊中，并已用于10～100W電力傳動系統(tǒng)，但是，從總體上講，現(xiàn)今絕大多數(shù)的電力電子裝置仍然主要是建立在分立元件的基礎(chǔ)之上，均是按用戶的不同用途和要求進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)的，而且設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造均采用大量的非標(biāo)準(zhǔn)化器件或部件。同時，LED的光輸出對溫度很敏感，所以電源常常需要能補(bǔ)償這種溫度影響。白色HBLED的光效早就可以與自熾燈相比，但是如果沒有有效的功率因數(shù)校正，那么所使用的電源將會嚴(yán)重阻礙LED的實(shí)際應(yīng)用。即使在2002年經(jīng)濟(jì)低迷的時候，高流明發(fā)光二極管(HBLED)仍然取得了51％的增長，萬方數(shù)據(jù)電工技術(shù)學(xué)報2004年8月產(chǎn)值達(dá)到了18億美元，而且目前依然持續(xù)增長【1168。因此在照明領(lǐng)域，電力電子技術(shù)的發(fā)展十分迅速，各種新型電光源和電子整流器已經(jīng)開始被廣泛采用。電力電子技術(shù)在這個領(lǐng)域的應(yīng)用，對緩解能源壓力和環(huán)境保護(hù)有積極作用。美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)1991年曾提出一項(xiàng)“綠色照明”計(jì)劃，目的是使美國照明用電量(占全美總發(fā)電量20％～30％)節(jié)約一半，大約可節(jié)電122億度，合電費(fèi)8．9億美元，達(dá)到這一目標(biāo)后，可降低C02排放量，相當(dāng)于4300萬輛燃油汽車排出的廢氣總量，從而大大減少對空氣的污染。照明用電的迅速增加不但要增加大量的電力投資，．而且還會產(chǎn)生大量污染。5節(jié)能照明技術(shù)照明是電力電子技術(shù)應(yīng)用的另一個重要方面。據(jù)諸多研究討論預(yù)測，電能控制單元(PCU)的體積將為3L，與此相適應(yīng)的輸出功率密度為30W／cm3。展望燃料電池時代，最近已經(jīng)有人提出了電力機(jī)車新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念。電動汽車是電力電子與電力傳動技術(shù)的主要應(yīng)用場合之一，也是目前電力電子與電力傳動技術(shù)研究的一個重要方向。近10年來，美國、日本、歐洲的一些國家和跨國公司已投入超過100億美元的資金，并且以每年不少于10億美元的力度繼續(xù)開發(fā)。采用內(nèi)燃機(jī)的汽車總體效率十分低下，其消耗的石油能量大約只有10％被傳遞到輪子，而電動汽車的總體效率大概可以接近20％H4]。得益于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，更大容量的IGBT器件、高速DSP芯片和多電平變流技術(shù)的發(fā)展，電力電子與電力傳動技術(shù)在大功率牽引、調(diào)速上的應(yīng)用將日趨廣泛，并且具有廣闊的市場需求。在通用場合采用電力電子與電力傳動技術(shù)進(jìn)行電機(jī)調(diào)速已經(jīng)比較成熟，但在一些高壓大功率應(yīng)用場合，如電力機(jī)車、高壓電機(jī)驅(qū)動等，目前依然是電力電子與電力傳動技術(shù)的一個研究熱點(diǎn)，這些研究主要包括：更好的調(diào)速性能、控制技術(shù)和降低成本等。Darnell公司認(rèn)為，從2003～2008年，北美市場的變頻調(diào)速器將會以每年11．5％的速度增長，從3．63億美元增加到6．28億美元。如果采用變頻器調(diào)速的話，大概可以節(jié)約30％的能量。隨著門極可關(guān)斷高壓半導(dǎo)體器件的發(fā)展和多電平逆變器技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)見，電壓型多電平逆變器將在這些領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。在上述三個應(yīng)用領(lǐng)域，大功率的逆變技術(shù)是這些應(yīng)用場合的關(guān)鍵技術(shù)之一。該逆變器串聯(lián)在電力系統(tǒng)中并且控制輸出電壓VC與線電流相移90。表3 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用Tab．3 Applications of power electronicsin power systems應(yīng)用分類應(yīng)用裝置舉例發(fā)電機(jī)交、直流勵磁裝置，廠用電故障監(jiān)測及保發(fā)電護(hù)裝置高壓直流輸電系統(tǒng)、靈活交流輸電系統(tǒng)(包括靜輸電止無功補(bǔ)償器)直流供電系統(tǒng)、電能質(zhì)量保證設(shè)備、高壓電子開配電關(guān)、保護(hù)設(shè)備用電牽引、調(diào)速裝置、各種大功率電源以在配電中的應(yīng)用為例，近年來，因?yàn)閷﹄娏π枨蟮脑黾雍头蔷€性電子設(shè)備和敏感負(fù)載對電力質(zhì)量的高要求，電力電子裝置在配電和電力質(zhì)量控制中的應(yīng)用已經(jīng)成為熱門課題，為了得到最高輸電量和保證在分布系統(tǒng)的公共點(diǎn)高的電力質(zhì)量，電壓調(diào)節(jié)、無功／諧波控制和補(bǔ)償以及電力潮流控制等已成為必不可少的技術(shù)，典型的設(shè)備有電力調(diào)節(jié)器、靜止無功發(fā)生器(SVG)、有源濾波器、靜止調(diào)相機(jī)(STATCOM)和電力潮流控制器等【161。近十幾年來，隨著電力電子器件和變流技術(shù)的飛速發(fā)展，高壓大功率電力電子裝置的諸多優(yōu)良特性決定了它在輸、配電應(yīng)用中具有強(qiáng)大的生命力。特別要求系統(tǒng)具有良好的高峰／低谷調(diào)節(jié)能力，并能滿足對電能質(zhì)量的要求，即：穩(wěn)定的電壓、頻率；三相對稱；低的諧波分量等。眾所周知，從用電角度來說，利用電力電子與電力傳動技術(shù)可以進(jìn)行節(jié)能改造，提高用電效率；從輸、萬方數(shù)據(jù)18 電工技術(shù)學(xué)報2004年8月圖8 未來混合式發(fā)電系統(tǒng)示意圖‘14】Fig．8 A sketch map for the future hybrid power generation system【14】配電角度來說，必須利用電力電子技術(shù)提高輸配電質(zhì)量。混合發(fā)電技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步促進(jìn)電力電子技術(shù)朝著標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、高可靠性和智能化的方向發(fā)展。電力電子工業(yè)將會從RE和DG技術(shù)的使用中獲得大量機(jī)會。IEEE P1547和ULl741，這兩種關(guān)于聯(lián)結(jié)和電力電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，將會保證市場的進(jìn)一步擴(kuò)大。電力電子是實(shí)現(xiàn)DCG系統(tǒng)與電網(wǎng)可靠聯(lián)結(jié)，從而避免影響電網(wǎng)質(zhì)量與穩(wěn)定性的必要手段。未來的電力系統(tǒng)將是一個非常復(fù)雜的、混合的系統(tǒng)，它將用到不同的能量產(chǎn)生、能量儲存和能量傳輸方式，如圖8所示。對于高功率燃料電池系統(tǒng)，將需要新的電路拓?fù)?、智能集成功率變流器和智能系統(tǒng)級控制方法。功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)則由多個逆變器組成，這些逆變器可能是工作在六階