電力電子及其應(yīng)用的十年展望

1、電力電子及其應(yīng)用的十年展望電力電子及其應(yīng)用已經(jīng)走過了從誕生到成熟的艱難歷程。但在人類的科技史上看這僅僅是開始。讓我們從時代前進的角度，對包括材料、元器件、整機和系統(tǒng)，從基礎(chǔ)理論到可靠 性的改善，來初步展望電力 電子及其應(yīng)用在可以預(yù)見的今后十年的新發(fā)展。脫胎于以電子管（電真空器件和充氣管器件）為基礎(chǔ)的 工業(yè)電子學”在電力半導(dǎo)體器件發(fā)展推動下誕生的 電力電子學”已經(jīng)走過近50年的歷程而逐步成熟起來。它以優(yōu)化功率變換 為己任，以高效節(jié)能節(jié)材為專長，以為自動化、智能化、機電一體化服務(wù)為目標，今天已經(jīng) 滲透到電能的產(chǎn)生、 輸送、分配和應(yīng)用的各行各業(yè)，日益顯示出與微 電子相似的基礎(chǔ)高科技的一系列特點。電力

2、電子及其應(yīng)用的進程是十分艱難的。它是一種強電 電子技術(shù)。正因為它通過弱電控制來同強電打交道，所以不斷有越來越深層次的可靠性問題被發(fā)現(xiàn)、被提出，使其理論和實踐的內(nèi)容越來越豐富。所以，電力電子還是處于不停的發(fā)展中，蘊藏著巨大的生命力。我們從時代前進的角度，基于對過去近半世紀來的進步的回顧和當代初露端倪的新苗頭，來初步展望電力電子及其應(yīng)用在可以預(yù)見的今后十年的新發(fā)展。1向高電壓、大電流、高速化方向發(fā)展、各司其職”的電力半導(dǎo)體器件近半個世紀來，電力半導(dǎo)體器件出現(xiàn)了幾十種產(chǎn)品，從理論、結(jié)構(gòu)和工藝的創(chuàng)新、應(yīng)用廣泛和持續(xù)的視角來看，功率二極管、晶體閘流管、可關(guān)斷晶閘管（GTO）和電場控制器件（IGBT 為代

3、表）是幾個發(fā)展平臺，從每個平臺又派生出若干相關(guān)的器件來。當然，所有參數(shù)均佳的全能冠軍”式器件是不存在的。必然是適應(yīng)不同的應(yīng)用需要而會有不同的器件得到具體的發(fā) 展；而不同的器件又會找到最適合自己特點的應(yīng)用場合。1.1功率二極管1在現(xiàn)代電力 電子線路裝置中，除了大功率工頻整流的基本功能之外，功率二極管還日益肩負起高頻整流、續(xù)流、隔離、箝位、吸收等越來越多的功能。除了電壓、電流的指標外，二極 管的反向恢復(fù)特性成為最被關(guān)注的參數(shù)。能夠能動地控制恢復(fù)電荷、恢復(fù)時間、恢復(fù)軟度及其一致性的工藝技術(shù)，以及為折衷超快恢復(fù)特性與壓降之間的矛盾而必須采用橫向耐壓的、 減少表面電場的 RESURF技術(shù)將會進一步成熟起

4、來。為滿足頻率越來越高的高頻整流和高 效率的伏級低電壓計算機等整流電源發(fā)展的需要，高性能肖特基二極管和用功率MOSFET組成的同步整流器將會普及應(yīng)用。1.2晶體閘流管在特大功率的工頻開關(guān)應(yīng)用中，晶閘管以其耐壓高、 通態(tài)壓降小、通態(tài)功耗低而應(yīng)用在高壓直流輸電（HVDC ）、動態(tài)無功功率補償、超大電流電解等場合占有優(yōu)勢。今后十年，我國 以三峽電站為代表的一系列西部水力發(fā)電站的建成所需的直流輸電工程需要大量6500V/3000A級晶閘管；300kA電解鋁設(shè)備要求用大量 2500V/5000A級晶閘管。它們的動 態(tài)特性，如前者的反向恢復(fù)電荷的一致性， 后者的di/dt耐量高將成為必須攻克的技術(shù)細頸。此

5、外，為解決觸發(fā)絕緣的困難，要求制造這種參數(shù)的光控晶閘管用于HVDC的呼聲日益高漲。1.3 從 GTO 至U IGCT常規(guī)GTO因其關(guān)斷增益不可能太大而必須借助于足夠大的負門極電流（約為主電流的三分 之一左右）實現(xiàn)關(guān)斷。有人把 GTO關(guān)斷所需很大的負門極電流認為是靠門極一陰極結(jié)的反 向雪崩來傳導(dǎo)的，這種錯誤觀點誤導(dǎo)了不少GTO的應(yīng)用者，使應(yīng)用中莫名其妙地燒了不少GTO。實際上，施加負門極脈沖前，GTO必須先開通，即 a 1 a2 1被滿足，在陽極電流足夠大之后，才能施加負門極信號來降低門極電位，造成陽極電流的相當部分從陽極直接流向門極而減少了通過陰極即npn晶體管部分的發(fā)射結(jié)的電流， 從而使門極

6、一陰極發(fā)射結(jié)對應(yīng)的電流放大系數(shù)減小，最終在a 1 a 26000V/800A級IGCT已經(jīng)商業(yè)化。1.4 從 IGBT 至U IEGT1IGBT在實踐中顯示了自己的生命力，最近 IGBT在大功率、高頻率方向上取得了可喜的突 破。（1）溝槽（Trench）結(jié)構(gòu)降低IGBT的通態(tài)壓降常規(guī)IGBT在柵極下方不可避免地存在一個結(jié)型場控晶體管，采用溝槽結(jié)構(gòu)挖掉了這個晶體管，使IGBT的串聯(lián)電阻明顯減小。 這要求解決挖槽、側(cè)壁氧化及垂直制柵等具體工藝問題。（2） 非穿通（NPT）結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多芯片并聯(lián)，以擴大IGBT電流容量穿通結(jié)構(gòu)能減薄基區(qū)，在晶閘管、GTO等多種電力半導(dǎo)體器件中得到廣泛應(yīng)用。在常規(guī)電壓IG

7、BT中，為減薄外延層，也采用穿通（ PT）結(jié)構(gòu)，但PT結(jié)構(gòu)中各并聯(lián)單元之間存在著 電流分布不均的嚴重問題。IGBT的制造又要經(jīng)過十來次光刻，其成品率不允許像晶閘管、 GTO那樣在一個大硅片上直接做一個器件。所以，要想得到大電流容量的IGBT ,必須采用多芯片并聯(lián)。采用 NPT結(jié)構(gòu)，在額定電流下，各 IGBT芯片并聯(lián)時能實現(xiàn)自動均流的功能。 于是，采用NPT結(jié)構(gòu)的多芯片（如幾十個）并聯(lián)，已成為 IGBT向大電流容量發(fā)展的主要 技術(shù)措施。（3） 用單晶片取代外延片制造高電壓IGBT1200V以下的IGBT，基區(qū)只有100多微米，只能靠在足夠厚度的超低電阻襯底硅片上外延 生長出來，才會保持其機械強度

8、，加工時不至碎片。制造高電壓IGBT，基區(qū)厚度要求達到幾百微米，這就可以不用外延片而直接采用高電阻率的單晶硅片了。（4 ）提高基區(qū)內(nèi)載流子濃度分布的IEGT高電壓的常規(guī)IGBT，由于基區(qū)大大加寬，導(dǎo)通壓降太大。采用注入增強柵晶體管結(jié)構(gòu)（IEGT ），增加基區(qū)中的載流子濃度來減小其體壓降。這是IGBT走向高壓化的又一重要措施。所以，IEGT是高電壓化的IGBT。目前4500V/3000A的IGBT （ IEGT）已經(jīng)商品化。 不久，6500V級IEGT也將實用化。（5）霹靂型IGBT向150-300kHz前進正常IGBT的工作頻率在10-20kHz，其開關(guān)速度比 GTO、IGCT快得多。在交流電

9、動機變 頻調(diào)速中，它是較好的選擇。它在中小容量裝置中淘汰功率雙極晶體管（GTR）已成定論。IEGT在高電壓領(lǐng)域中保持快速開關(guān)特性。 在20世紀末，采用特殊結(jié)構(gòu)和特殊少子壽命控制（如質(zhì)子注入加特殊退火工藝規(guī)范）的IGBT，在600- 1200V電壓水平下，使工作頻率達到150kHz （硬開關(guān)）和 300kHz （軟開關(guān)），被稱為霹靂型 IGBT。它們將在開關(guān)電源中與 功率MOSFET競爭，以其導(dǎo)通壓降小，電流密度大，電壓等級高，成本低等優(yōu)點占有優(yōu)勢。 今后十年的開關(guān)電源，也許這種IGBT的市場份額將會擴大。1.5功率MOS場效應(yīng)管（MOSFET ）在競爭中快速發(fā)展20世紀90年代初業(yè)界就有不少預(yù)

10、言，功率MOSFET將隨價格的降低而逐步擴大其在量大面廣的晶體管總市場中的份額，從而將勝過固有二次擊穿問題的雙極結(jié)型晶體管。在2000年，二者市場份額已經(jīng)基本持平。今后十年，功率MOSFET的這種優(yōu)勢將進一步發(fā)展，特別是在汽車 電子（每輛轎車約采用 40 120只MOSFET）、計算機外部設(shè)備、各種開關(guān)電 源和電子鎮(zhèn)流器等開關(guān)應(yīng)用的領(lǐng)域，將成為功率MOSFET的廣闊市場。如前所述，在較高電壓（如 300V以上）、中等頻率（如 200kHz以下）的開關(guān)電源中，功 率MOSFET將遇到高頻化的IGBT的競爭。但是，所有含有PN結(jié)的硅器件（包括二極管）， 其導(dǎo)通伏安特性上均有至少 0.7V的門檻電壓

11、降，而功率MOSFET表現(xiàn)為純電阻特點而呈從 原點發(fā)出的直線。 所以在100V以下的開關(guān)應(yīng)用中，MOSFET的導(dǎo)通電阻低于結(jié)型器件，超低導(dǎo)通電阻的 MOSFET占有絕對優(yōu)勢，這對高效率的伏級開關(guān)電源是重要貢獻。另外，在200kHz以上的高頻應(yīng)用領(lǐng)域，也是功率MOSFET的巨大市場所在。最近幾百兆赫、幾百瓦的射頻 MOSFET已經(jīng)商品化。未來十年，微波功率MOSFET （即吉赫波段）的應(yīng)用將可能促使微波設(shè)備的全固態(tài)化。低電壓MOSFET的低導(dǎo)通電阻、極高的開關(guān)速度，以及其良好的并聯(lián)自均流特性（雙極器 件難以達到），使其成為大功率IGCT不可缺少的組成部分。1.6碳化硅器件的登場碳化硅是一種高溫半

12、導(dǎo)體材料，工作溫度可達600C。PN結(jié)耐壓易于達到 5 10kV。導(dǎo)通電阻比硅器件小得多。導(dǎo)熱性比硅好。漏電流特別小?，F(xiàn)在碳化硅制成的高壓二極管、MOSFET管均已問世。估計在今后五年內(nèi)， 碳化硅材料中的缺陷，特別是內(nèi)部存在的 管道”（pipe）密度將得到明顯減少，材料成本將大為下降，器件工藝更加成熟。到2012年，若干種功率碳化硅器件將在市場上出現(xiàn)并逐步得到普遍應(yīng)用。器件是裝置的基礎(chǔ)， 一代器件將推動一代整機的前進。在未來十年內(nèi)，電力電子器件仍將是硅器件當家。碳化硅器件的發(fā)展速度受到碳化硅材料完整性的制約。2不斷提高應(yīng)用可靠性，抑制電應(yīng)力是關(guān)鍵3在穩(wěn)態(tài)工作的電氣設(shè)備中，設(shè)計師總是可以把元件選

13、擇和系統(tǒng)設(shè)計得十分可靠，因為穩(wěn)態(tài)的電能分布是可知的， 可控的。但是在電力 電子系統(tǒng)里，它的工作狀態(tài)是經(jīng)常變化的，在從一 種穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入另一種穩(wěn)態(tài)的過渡過程中，系統(tǒng)中的能量分布發(fā)生很大變化；另一方面，系統(tǒng)中的功率半導(dǎo)體器件總是工作在頻率越來越高的開關(guān)過程當中，產(chǎn)生很高的dv/dt和di/dt。這不僅使整個系統(tǒng)經(jīng)常處在周期性重復(fù)的瞬態(tài)，而且隨著開關(guān)頻率的升高，器件開關(guān)過程中的損耗將遠大于其穩(wěn)態(tài)損耗。瞬態(tài)中能量在系統(tǒng)中的分布失衡，從而產(chǎn)生各種局部過電壓和過電流（通常表現(xiàn)為電壓、電流波形上的毛刺”），通稱 電應(yīng)力”。這些電應(yīng)力的存在意味著能量的局部集中，瞬時功耗很大但作用時間卻很短，引起局部過熱（超溫）、

14、絕緣層的疲勞 擊穿、電機軸電流的出現(xiàn)致使軸承的電燒蝕、功率半導(dǎo)體器件的突然損壞等災(zāi)難性后果。 瞬態(tài)能量分布的失衡還常伴隨著電流、電壓波形的畸變，產(chǎn)生各種諧波。這不但污染電網(wǎng)、殃及電網(wǎng)上連接的其他電器，而且在電力 電子系統(tǒng)中引起諧波損耗、 諧波諧振、諧波轉(zhuǎn)矩等多種問題，直接危及本系統(tǒng)運行的可靠性。因此，分析研究電應(yīng)力的出現(xiàn)原因，采取各種抑制電應(yīng)力的措施，是提高電力電子應(yīng)用可靠性的關(guān)鍵，是今后十年電力電子產(chǎn)品能得以迅速推 廣應(yīng)用的重大問題。2.1不同時間常數(shù)子系統(tǒng)共存的電力電子系統(tǒng)的能量分布研究電力電子系統(tǒng)中存在著時間常數(shù)差異很大的若干子系統(tǒng)。子系統(tǒng)的時間常數(shù)表征著該系統(tǒng)的能量分布從一種穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)為另

15、一種穩(wěn)態(tài)的過渡時間。例如，在電動機調(diào)速的現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中，存在著：（1 ）以秒計的機械時間常數(shù)表征的機電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它主要決定于轉(zhuǎn)子和運動 負載的轉(zhuǎn)動慣量；（2）以毫秒計的電磁時間常數(shù)表征的電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它主要決定于定子、轉(zhuǎn)子的電感（自感與互感）；（3）以微秒計的晶閘管、GTO等器件開關(guān)決定的主電路開關(guān)系統(tǒng)；（4）以納秒計的IGBT、功率MOSFET等器件快速開關(guān)及某些拓撲中高頻軟開關(guān)環(huán) 節(jié)決定的。一般地說，要用短于或等于某系統(tǒng)時間常數(shù)動作的措施來保護系統(tǒng)中的過電壓、 過電流?，F(xiàn)在據(jù)了解皮秒級動作的新型壓敏器件已經(jīng)上市4。以上第一個系統(tǒng)的研究在經(jīng)典的電力拖動”課程中得到了比較充分的展開；第二個

16、系統(tǒng)的研究也在龜機瞬態(tài)過程”課程中得到良好的分析。應(yīng)該說目前從納秒到皮秒系統(tǒng)的研究還是很不夠的，目前除了用“ Sun bber（吸收、緩沖）的概念外，研究的基本模型和得力方法尚未建立起來，電力電子系統(tǒng)中有關(guān)電應(yīng)力的規(guī)律研究還剛剛開始?，F(xiàn)在，有了計算機仿真的手段，有可能在今后十年內(nèi)完善從拓撲、建模（物理模型和數(shù)學模型）、模擬等以能量的角度來綜合研究電應(yīng)力、 探討失效機理、改善可靠性的系統(tǒng)性成果出現(xiàn)。在一定意義上講，電力電子科技工作者正是通過不斷研究、協(xié)調(diào)、處理過渡過程中的能量失衡”，來提高系統(tǒng)可靠性的。其實，我們熟知的 電容上的電壓不容突變，電感中的電流不容突變”均來源于系統(tǒng)中的能量不容突變。電

17、容 C儲備的電場能量 E = ?CV2,dE/dt = ?C?2Vdv/dt = CVdv/dt。電感L儲備的 磁場能量 E = ?LI2 , dE/dt = ?L?2ldi/dt = LIdi/dt。所謂電容上的電壓突變，就是dv/dt = ；電感中的電流突變，就是 di/dt = 它之所以不允許出現(xiàn)，就是因為dE/dt = P （功率），功率P不會是無窮大。2.2采用無感功率母線是應(yīng)用快速開關(guān)器件的現(xiàn)代電力電子裝置的必備元件在應(yīng)用快速開關(guān)器件時，電壓、電流常以脈沖形式出現(xiàn)，其前、后沿有極高的dv/dt和di/dt。常規(guī)電纜和實體銅板母線都有很大的寄生電感和寄生電容，一根10厘米長的直圓導(dǎo)線

18、就有約10納亨的寄生電感。電感與di/dt的乘積就是過電壓毛刺的高度。為了減小接線寄生電感、抑制電應(yīng)力，在現(xiàn)代電力電子裝置中必須采用特別設(shè)計制造的無感功率母線，主回路中的各種元器件都安裝在這種功率母線上，不再增加另外的接線。無感功率母線是用多層（每層不同電位）很寬的薄銅板母線彼此絕緣并粘合成一體的，從每一層母線有特制的、彼此電絕緣的螺栓同各個元器件相聯(lián)接。其寄生電感比普通接線減少1 -2個數(shù)量級。而且整機的結(jié)構(gòu)大為簡化和緊湊。無感功率母線在電力 電子裝置中的采用，國外已有十多年歷史了， 其成熟 產(chǎn)品在國內(nèi)仍很鮮見。今后十年，無感功率母線應(yīng)該得到普及。2.3元器件-整機合一的集成化、智能化模塊的

19、推廣近十年來，所謂Alli none的電力電子裝置正在逐步推廣。 它是把一臺裝置的全部硬件（各種元器件、集成電路）有序地以裸片形式組裝在一個模塊里，使各元器件之間的引線減少到最低程度。整機設(shè)計制造人員只要在DSP或微處理器芯片上寫入各種軟件就可以了。這樣做，首先是減少電應(yīng)力，提高可靠性；其次是整機結(jié)構(gòu)緊湊，體積縮小，功率密度提高，一臺75kW的電機變頻調(diào)速用的模塊，尺寸只有800 400 300mm這么大；同時這種封裝結(jié)構(gòu)代替了常規(guī)裝置的三次封裝，成本也降低了。這種產(chǎn)品通常稱謂用戶專用智能化功率模塊”（ASIPM ）。這樣，采用計算機輔助設(shè)計（CAD ）可以把應(yīng)用裝置設(shè)計者要求的電路元件及其接

20、線，科學地布置、安裝在一個模塊中，統(tǒng)一密封起來，安裝在必要的散熱器上。用戶 使用十分方便。2.4選擇、采用合理的保護措施在電力電子裝置中，針對換向過電壓、操作過電壓、大氣過電壓要采取相應(yīng)的保護措施；對 于各種不同的器件要采取與之相適應(yīng)的強觸發(fā)驅(qū)動和保護方式；在串并聯(lián)時，要考慮它們的均壓、均流；對于過電流、 超溫和短路等故障也要采取合理的保護。這些屬于電力 電子應(yīng)用技術(shù)的通用部分。要注意的是，電力電子裝置中的各種元器件往往有其特殊要求。很多場合下要注意選用無感電阻、無感電容；隔離、箝位用的二極管必須具備快速恢復(fù)特性；交一直一交”直流環(huán)節(jié)的儲能電解電容不僅應(yīng)無感，還要減小其串聯(lián)等效電阻，要用足夠粗

21、的多引線并聯(lián)引至端子。最近有報道4說動作反應(yīng)速度達到 10-12秒（皮秒）的保護元件已經(jīng)問世，它能抑制現(xiàn)代 電力電子系統(tǒng)中的各種過電壓毛刺，后者的持續(xù)時間是10-9秒（納秒）量級。這種皮秒級動作的過壓保護元件有可能把動作電壓值置于比正常峰值電壓略高點，于是，很多納秒級的過電壓毛刺都可以被削平。這樣一來，現(xiàn)存的過電壓應(yīng)力都能得到充分抑制；由大量過電壓毛刺對應(yīng)的瞬態(tài)功耗總值也被節(jié)約下來（在大型電力電子裝置中，有因此節(jié)電10 15%的報道）；過電壓毛刺的削平，還可降低各種元器件的耐壓儲備，從而減少元器件花費，降低 裝置成本。在未來十年內(nèi)，這種保護元件很有應(yīng)用前景。3全面控制電氣參數(shù)的變換，向波形重組

22、前進3各種不同的電力 電子變換器，其實質(zhì)是變換系統(tǒng)輸入電氣參數(shù)為用戶需要的輸出電氣參數(shù)。 最基本的電氣參數(shù)有：電壓、電流、頻率、相數(shù)，以至于波形等六項?？v觀電氣科學的發(fā)展 史，19世紀末基于電磁感應(yīng)原理而問世的變壓器，實現(xiàn)了交流電壓和交流電流的自如變換。由此逐漸形成了龐大的輸變電行業(yè)，實現(xiàn)高壓交流輸電和低壓配電到用戶，使電能的方便使用成為現(xiàn)實，并迅速推廣普及，為近代工業(yè)和生活質(zhì)量的發(fā)展提供了重要的能源基礎(chǔ)。20世紀下半葉電力電子技術(shù)的進步，逐步誕生了整流器、斬波器、逆變器、變頻器等各種功率變換器，完成了頻率、相位、相數(shù)的受控變換，使電能的產(chǎn)生、輸送、分配和應(yīng)用實現(xiàn)了優(yōu) 化，使以電能為核心的各種

23、能量的轉(zhuǎn)換，使電參數(shù)的全方位控制和改變，上升到高效率和高功率因數(shù)的新階段。 電氣參數(shù)的全面受控變換，使得 高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合 ”的目標正在一步步成為現(xiàn)實。伴隨著高性能微處理器和高速功率開關(guān)器件的進步，可以預(yù)見到： 在21世紀中，電力 電子和微電子全面結(jié)合，進一步發(fā)展和改善，將會實現(xiàn)電壓、電流波形 的優(yōu)化重組。3.1脈寬調(diào)制（PWM ）是波形重組的成功范例20世紀后二十年，脈寬調(diào)制（PWM ）技術(shù)從無線電領(lǐng)域引入到電力電子中來，得到很大成功。首先在DC/DC變換中的直流脈寬調(diào)制，解決了高效率直流變壓、變流的難題。這種技 術(shù)被從幾瓦到幾百瓦的開關(guān)電源推廣到幾十、數(shù)百千瓦的直流電機斬波調(diào)速

24、中，通過調(diào)制脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率相結(jié)合，完成了很寬范圍的直流無級調(diào)速，在直流電機傳動中顯示了比調(diào)節(jié)電樞電阻和磁場電流的傳統(tǒng)調(diào)速方法高效得多的節(jié)能效益。這是從連續(xù)直流波形重組為斷續(xù)脈沖波形再濾波重組為新的連續(xù)直流波形。它在逆變式直流焊機中也得到有效地應(yīng)用。后來，在交流電機的交一直一交變頻調(diào)速中，特別在其中 直一交”逆變變換中，廣泛采用了各種交流脈寬調(diào)制（交流 PWM ）技術(shù)。它按特定規(guī)律變換出一系列不同寬度（其脈寬同所 在時相的正弦成比例）的方波脈沖，再經(jīng)濾波重組成正弦化的輸出波形，送到交流電動機負載。這種波形重組也是十分成功的。在開關(guān)電源中，工頻交流電源整流后向濾波電容每周波只充電一次，形成

25、了電網(wǎng)側(cè)的輸入電流嚴重畸變，功率因數(shù)大為下降，諧波大為增多。 有源濾波，保證每周波對濾波電容有上萬次充電, 率因數(shù)改善到幾乎為 1的程度。近來，中電壓大功率交流電機的變頻調(diào)速裝置中，現(xiàn)在普遍采用了高頻化 PWM技術(shù)來實行 使輸入電流重組成近于標準的正弦波， 功多電平級聯(lián)式模塊又是 PWM波形重組的一個實例。每個模塊都把變壓器副邊的一組三相繞組的三相電整流為直流后再逆變?yōu)閱蜗嘟涣麟?。這些模塊的輸出通過專門的控制軟件的指令，再把它們級聯(lián)重組為三相正弦波送到電動機上。其中又一次成功地采用了特定的脈寬調(diào)制技術(shù)。3.2交-交矩陣式變頻器是波形重組的典型發(fā)展20世紀變頻器（無論是交流電機變頻調(diào)速還是開關(guān)電

26、源的變換）主回路的拓撲基本上以交直一交變換為主，以直流環(huán)節(jié)采用大電容或大電感而被區(qū)分為電壓型（從負載側(cè)看是低內(nèi)阻的電壓源供電）或電流型（從負載側(cè)看是高內(nèi)阻的電流源供電）變頻器。在20世紀末出現(xiàn)的交一交矩陣式直接變頻器省去了中間直流環(huán)節(jié)，在三相輸入和三相輸出相交的矩陣九個節(jié)點上各用一對反并聯(lián)的開關(guān)器件聯(lián)接起來?？恐@些器件的特殊有序開關(guān)，把每一瞬間的三相輸入電壓依一定的規(guī)律送到副邊，組成頻率、相位不同于輸入的新三相系統(tǒng)供給負載， 實現(xiàn)輸入電流的 PWM波形重組和輸出電壓的 PWM波形重組。這樣，有更高的轉(zhuǎn)換效率、 消除了電源輸入電流的畸變而大大減少了諧波、功率因數(shù)可達到1、可滿足四象限運行，還能

27、夠全容量回饋。這種波形重組將推動電力電子理論、元器件（如有可用的雙向IGBT，則使裝置大為簡化）、拓撲、控制等多方面的發(fā)展和進步，有可能成為21世紀各種電力電子變換裝置采用的主要拓撲。3.3波形重組下的有源無功功率補償-諧波濾波裝置傳統(tǒng)電路中，在正弦波形下由于電抗性負載（電感、電容）同電源交換能量而形成的相移無 功功率（可稱為第I類無功），可以通過合理地并聯(lián)電容器的辦法得到補償。在現(xiàn)代電力電子電路中，除了正弦基波與電壓之間的相移使存在這種同樣的第I類無功之外，還由于各諧波電流同正弦電壓之間形成的畸變無功功率（可稱為第II類無功）。第II類無功只靠電容器是得不到根本補償?shù)?，必須同諧波濾波相結(jié)合。

28、比較好的辦法是采用有源-無源結(jié)合的無功功率補償一諧波濾波”結(jié)合的裝置，以削弱對電網(wǎng)的污染和提高電力品質(zhì)?，F(xiàn)在已有多種 這樣的補償一濾波方案。曾有這樣的方案：把畸變的三相電流分解成各次（n個）諧波，每組同次三相諧波又各自分解成正序、負序、零序三個分量。對這3n個分量分別進行補償，再把它們組合起來。這種分析方案過于復(fù)雜龐大，難以實施操作?？磥碓诮窈笫曛袝芯块_發(fā)出來波形組合方案， 有可能是最有效的。在這種方案里，畸變電流只需分解出一個同正弦電壓同相位的基波電流， 二者相減即得到一個電流中所有諧波分量和基波無功分量混合的實際波形。以這個波形為目標，重組發(fā)生一個與之波形相同、大小相等、相位相反的倒影

29、電流。在同該畸變電流匯流后， 所有諧波和無功電流都相互抵消了，只有功率因數(shù)為1的基波正弦電流流入電網(wǎng)。這種任意波形電流發(fā)生器已在研究之中，并取得了喜人的進展。 可以預(yù)見，利用波形重組實現(xiàn)的這種無功補償-諧波濾波”一體化裝置將在未來十年取得長足的進步。4電力電子新應(yīng)用領(lǐng)域展望同以往相比，今后十年內(nèi)有希望成為電力電子應(yīng)用新領(lǐng)域的市場熱點在哪里？從現(xiàn)在正在開 發(fā)和需求的情況看，以下幾個方面的動向值得注意。4.1電機系統(tǒng)節(jié)能5電動機拖動系統(tǒng)消耗掉全國用電量的62%左右，既是第一位用電大戶，也是節(jié)能潛力最大的用戶。我國政府在本世紀初提出電機系統(tǒng)節(jié)能計劃，在今后五年內(nèi)，計劃投入500億元，爭取年節(jié)電達到1

30、000億kWh。這是一項十分艱巨的任務(wù)。特別是作為國民經(jīng)濟各行業(yè)主力 裝備所用到的中電壓(1 10kV )大功率(400 2000kW)電動機系統(tǒng)，實現(xiàn)調(diào)速節(jié)能還有 不少問題有待解決。其中大家看好采用IGBT、多電平、級聯(lián)式、無電網(wǎng)污染的變頻器。這里，科學地劃定用電電壓等級、進一步克服電應(yīng)力造成的電機絕緣層疲勞擊穿與軸承電蝕的失效損壞、提高電動機的能效水平、降低變頻器的成本與售價，都是推廣中有相當難度的措施。在風機、泵、壓縮機之類通用電機系統(tǒng)中，節(jié)能調(diào)速潛力很大， 在石油、電力、冶金、有色、化工、上下水處理等行業(yè)中有很大需求。它對調(diào)速精度要求不高，但要求調(diào)速器可靠耐用、 價格便宜。因此，在新十

31、年中應(yīng)注重對經(jīng)濟型調(diào)速裝置的開發(fā)，使這種系統(tǒng)的節(jié)能效益早日得到實現(xiàn)。在變頻工況應(yīng)用日益增多的今天，設(shè)計、制造同變頻工況的特點相適應(yīng)的專用電動機是很必要的。面對中國即將成世界電動機的制造、供應(yīng)基地的現(xiàn)實，盡快制訂與世界接軌的電動機和變頻器標準，按全壽命期中總能耗最低、總費用最少的思路來設(shè)計有自己知識產(chǎn)權(quán)的系列 電機和專用變頻器，是需要認真做好的基礎(chǔ)工作。4.2永磁無刷電動機及其直流變頻”調(diào)速永磁無刷電動機采用永磁代替電流激磁，可使電機效率提高4-8個百分點。當它用位置傳感器或靠軟件計算代替位置傳感器信號按電子換向器控制工作、電樞電流為方波運行的，即為永磁無刷直流電機模式，又稱自控式同步電機”。當

32、它靠外加變頻器控制、電樞電流為正弦波運行的，則為永磁同步電動機模式，又稱為 他控式同步電機”。這種電機兼有交一直流電動機二者的優(yōu)點，調(diào)速范圍寬，電機結(jié)構(gòu)簡單， 低速轉(zhuǎn)矩比較大，對電動機械來講有可能做到在很寬速度范圍內(nèi)直接驅(qū)動，從而減少噪聲(免去變速箱或皮帶傳動)，還有電機慣量小等長處。目前，在日本的空調(diào)產(chǎn)品中調(diào)速空調(diào)已占到95 %以上。在此領(lǐng)域中，現(xiàn)在異步機的交流變頻正在被這種永磁無刷電動機的所謂直流變頻”所代替。直流變頻空調(diào)已占到空調(diào)產(chǎn)品的50%。而且，在冰箱、洗衣機等家用電器中采用直流變頻”已成為潮流。所以對于今后十年的中國家電市場來說，也將應(yīng)是永磁無刷電機直流變頻占主導(dǎo)。這種裝置單臺容量

33、雖小， 但量大面廣，市場總量及節(jié)能總量都不可輕視。目前永磁無刷電動機的容量受到磁鐵尺寸、釹鐵硼永磁材料的居里點等方面的制約，除家用電器市場外，在計算機外圍設(shè)備、電動車輛和電梯牽引等領(lǐng)域中也顯示了明確的優(yōu)越性。中國是稀土材料的富國，占世界儲量78%以上。把這種資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為效益優(yōu)勢，是未來十年發(fā)展的重點。最近 240kW的這種電機及其控制器已經(jīng)完成鑒定。將來的發(fā)展不可限量。 要指出的是，永磁無刷電動機在伺服傳動領(lǐng)域中有不可替代的優(yōu)勢，在機械人、數(shù)控加工系統(tǒng)，以至軍事應(yīng)用中會有廣闊應(yīng)用天地。4.3電動車輛及充電站網(wǎng)絡(luò)中國人多地大石油少，現(xiàn)在中國每年已進口許多石油。在21世紀前半葉，地球上的石油天然

34、氣資源日益減少，以至早晚會用盡。 特別在中國國情下， 城市交通以發(fā)展電動車輛為主是必然的趨勢。大城市間的磁懸浮列車、 城市內(nèi)的電動高架列車和地鐵列車、個人用電動自行車和電動汽車將構(gòu)成未來的交通網(wǎng)絡(luò)的主角。其中，大有電力 電子產(chǎn)品的用武之地。 磁懸浮列車的磁懸浮電源和直線電動機的變頻調(diào)速；城市高架列車和地鐵列車中異步電動機的變頻調(diào)速；電動自行車和電動汽車中永磁無刷電機的外轉(zhuǎn)子調(diào)速，在今后十年里會有很大的發(fā)展。這里，電動自行車和電動汽車的普及必須解決無刷電機及其控制器、環(huán)保電池、快速充電器和充電站網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等幾方面的問題?，F(xiàn)在看來，在中國推廣電動自行車替代摩托車作為代步工具技術(shù)上正在趨于成熟。這里必

35、須采用鎳-氫電池組和鋰離子電池組，消除常規(guī)鉛-酸電池對環(huán)境的污染。這種價格尚偏貴的電池組可以采用向電動自行車用戶出租使用的方式，實行由間距合理的電池充電站統(tǒng)一充電和用戶自行充電相結(jié)合的辦法。鉛一酸電池與鋰離子電池（如36V , 10AH ）相比，前者重12kg，后者僅2.4kg。電動汽車的發(fā)展又是電力電子未來的潛在大市場。首先是高能量密度的清潔電池的突破。比較有希望的是燃料電池，它的起動和穩(wěn)定運行都要用電力電子產(chǎn)品與之配套。其牽引系統(tǒng)方案中令人最感興趣、 并已有工業(yè)應(yīng)用前景的，要屬安裝在四個車輪中的外轉(zhuǎn)子盤式永磁無刷直流電動機驅(qū)動了。 這種電機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、高性能控制調(diào)速傳動，以及四臺電機轉(zhuǎn)

36、動的協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，將為電動汽車的舒適運行，零半徑轉(zhuǎn)彎提供技術(shù)保證。今后十年將是電動汽車實用化發(fā)展的關(guān)鍵時期，電力電子產(chǎn)業(yè)可以也應(yīng)該為此做出相應(yīng)的研究開發(fā)工作，積極迎接這個龐大市場的到來。4.4中壓直流輸電20世紀的后二十年，電力系統(tǒng)中采用高壓直流遠距離輸電顯示了很大的優(yōu)越性。葛洲壩一 上海的120萬kW、犬OOkV輸電線路正常運行了十多年。今后十年三峽電站和紅水河等西 部水電站的西電東輸工程，高壓直流輸電將陸續(xù)建成。這都是數(shù)百萬kW級的國家工程。采用直流輸配電系統(tǒng)具有功率因數(shù)高（沒有無功問題）、電網(wǎng)污染小、節(jié)電等優(yōu)點。這種技 術(shù)有可能在今后十年推廣到中電壓（1kV左右）直流輸電范圍來。在石油、礦山

37、、電力等部 門企業(yè)中，用電負載散布在相距幾十、上百公里的范圍，不可能也不值得在各應(yīng)用點設(shè)大量降壓變電站，從總發(fā)電站或總變電站送出的工頻三相380V標準電力有很大線損，而且沿輸電線的偷電現(xiàn)象十分嚴重。現(xiàn)在已經(jīng)完成了一項在石油油田中采用中壓直流輸電的改造工 程。變電站里設(shè)置一臺容量較大的整流器，送出1kV直流電；在負載側(cè)首先安裝斬波器，把輸入電壓靈活地穩(wěn)定到與三相380V交流系統(tǒng)適應(yīng)的直流值；然后接逆變器，把該穩(wěn)壓直流電逆變成工頻標準電壓，以交流三相380V供給抽油機等需要調(diào)速的正常負載節(jié)能運行。這樣，把大量的 交-直-交”變頻調(diào)速器展開了：把 交-直”整流部分集中到主變電站，而 把 直-交”逆變

38、部分分布在各用電點。既節(jié)約了電能，又防止了偷電。隨著電力電子應(yīng)用的推廣，許多工業(yè)設(shè)備和家用電器中都采用交一直一交”變換，這在交流供電系統(tǒng)中是不可避免的。如果逐步采用直流供電，充分發(fā)揮逆變器和斬波器的作用，來高效率地供給各種交、直流負載。這樣的社會供電系統(tǒng)，也許會帶來更安全、更經(jīng)濟、更節(jié)能 的社會效益和經(jīng)濟效益。 這當然是一種暢想， 但在未來十年中，會在某些行業(yè)中先行，再逐步推廣。4.542V直流汽車 電子系統(tǒng)6現(xiàn)代燃油汽車（特別是轎車）中，電氣負載越來越多：包括起動電機在內(nèi)的各種電動機達30- 70個、多個電磁閥、車內(nèi)外照明與儀表顯示、水泵、風扇、冷暖空調(diào)電器和各種車用 電子裝備，其功率將從 2kW/臺增加到10kW/臺。這樣，采用12V蓄電池供電系統(tǒng)（汽車發(fā) 電機為14V端壓）的線損太大了。同時考慮到供電電壓對人體的安全保證，1994年開始提出把汽車供電系統(tǒng)的電壓提高到36V蓄電池，汽車發(fā)電機端壓為42V的動議，現(xiàn)已為美歐汽車行業(yè)接受，首先在3升以上排量的豪華轎車中推行，再逐步擴展到所有轎車和其他汽車。這種系統(tǒng)中采用60V級功率MOSFET當作無觸發(fā)繼電器，控制門、窗的開關(guān)，座椅的傾斜 與復(fù)位等，約裝有100多只。在新增加的汽車 電子和汽車電器中堅持推行 36V額定電壓， 對老的12V電器與電子設(shè)備則采用42V/14V的DC