21世纪的能源技术（一）
摘要：文中阐述了电力电子技术这一传统的能源技术，其即是具有巨大的经济效益的节能技术，又是一种极为重要的绿色环保技术。并从功率变换技术的发展延伸到电力电子器件的发展趋势，就目前我国电力电子技术发展的现状，提出现代电力电子学是多学科、多专业技术互相渗透的高新技术，迫切需要跨学科应用多种专业联合研究开发，以赶上或超过电力电子国际科技前沿水平。
关键词：能源技术 功率变换 器件发展 IPEM
1. 概述
经济学家认为21世纪的经济将发生巨大变革，富有生命力的新型的“知识经济”开始替代传统的工业经济，对世界经济的发展将有很大的推动力。知识经济的主要表现为高新技术推动产业结构的变革和信息技术的广泛应用，因而信息产业是知识经济的基础，而电力电子是一种能量处理技术，以信息流控制能量流的技术，电力电子技术与信息处理技术、微电力技术的结合已成为当今技术发展的主流。电力电子技术也是集约型、知识密集型同时也是以高新科技知识为基础的产业，如果缺乏对电力电子国际科技前沿动态的了解，将使国家失去国际市场的竞争力，也将失去在知识经济、信息时代高速发展的机遇。
面对21世纪人类遭遇的“能源危机”“资源危机”和“环境危机”，电力电子技术同微电子—计算机技术的紧密结合的进程中不断创新，将缓解这三大危机提供重要的高科技手段。在世纪更迭即将到来之际，在电力电子技术走向高频化、大功率化、模块化、绿色化的进程中，作为其基础的电力电子器件已经发展到功率集成的新阶段，它将推动人类在新世纪的生产、生活、科技发展现代化的进程。
“电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。因为，在保证相同的能源服务水平的前提下, 使用电力这种优质能源最清洁、方便，易于控制、效率最高。如果能将大量分散燃用的化石燃料都高效洁净地转换为电力使用，人们赖以生存的环境和生活质量就会大大改善。因此，电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为下世纪电力技术的重点领域。电力技术属于传统技术的范畴，技术创新和出现重大突破的机会要比信息科学、生命科学、材料科学等新兴学科少得多。但是，应该看到，电力技术与其他学科的相互交叉和渗透的趋势越来越明显。电力研究的一些前沿课题反映了这种趋势。以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展前景进行评述。
2.大功率电力电子技术的发展与应用
2.1 大功率电力电子器件的重大进展
电力电子学（Power Electronics）的应用已经有多年的历史。电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件（High Power Electronics）的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次革命。近10多年来，可控整流器(SCR)、可关断的晶闸管(GTO)、MOS控制的晶闸管(MCT)、绝缘门极双极性三极管(IGBT)等大功率高压开关器件的开断能力不断提高。目前，已经生产出6 kA、6 kV的GTO，单个元件的开断功率可达到30 MW左右，这无疑是一个巨大的进步。
近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电（FACTS）、定质电力技术（Custom Power）以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为下世纪的电力研究前沿。
2.2功率变换技术
功率变换在电力电子技术中是最重要的，也是最基本的共性技术。功率变换技术研究的目标主要是：节约能源、提高效率、同时减小变换器的大小和减轻变换器的重量、降低谐波失真和成本，而在电动机传动应用中，还要求系统的精度、快速响应、宽的输出电压、电流或频率的调节范围等。
功率变换器可以实现AC—DC、DC—DC/AC的各种电能转换，在同一频率下的AC—AC转换（交流调压）和在不同频率下的AC—AC转换（变频）等。功率变换技术的发展大致分为三个阶段，第一阶段；是应用二极管和晶闸管及不控和半控强迫换流技术。第二阶段；主要是应用自关断器件如：GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT等和采用普通PWM控制技术。第三阶段；是以采用软开关、功率因数校正、消除谐波和考虑电磁兼容为特征的绿色能源技术。就DC/DC变换器而言，由于现代微处理器和一些超高速的大规模集成电路芯片，如：Intel、Pentiun、Pro等，要求运行在低电压（2.4—3.3V）、大电流（>13A）状态，而他们的直流母线电压通常为5—12V。这样，就需要将直流母线电压通过DC/DC变换器进行变换，这通常用一种称为VRM（Voltage Regulation Module）的电压调整模块来实现。显然随着芯片继承密度、运行速度的进一步提高，芯片的工作电压将进一步下降，工作电流进一步增大，人们对VRM提出了新的挑战，要求VRM具有非常快速的负载电流响应，在保证足够晓得体积的同时，还要具有高的效率。要使VRM具有快速的负载电流动态响应，传统的解决办法是在VRM的输出端并联很多容量很大、等效串联电阻很小的退耦电容器。显然，该方法存在如下问题：
2.2.1退耦电容器体积很大，而现代微处理器对VRM的体积有着严格的要求。
2.2.2退耦电容器仅能改善动态响应的影响阶段，对后阶段及总的动态响应时间没有作用。
为此一种交错叠加型准方波抵消纹波的变换拓扑结构是其最新的解决方案，如图1所示；该结构在保证要求输出纹波的前提下，不但可以大大减少输出滤波电容器的容量，而且能大大减少VRM输出滤波电感的电感量。出此以外，为了提高VRM的动态响应，还必须力求减小供电母线的引线电感，其最有效的解决方案是将VRM作成“装在印刷板上”的直流分布式电源形式，将其直接装在负载附近。另一方面还要求VRM本身具有十分小的引线电感，为了保证VRM具有足够的效率，必须采用同步整流器和漏感很小的超薄型的变压器。
2.3电力电子器件
功率变换技术的高速发展的基础是电力电子器件和控制技术的高速发展，在21世纪，电力电子器件将进入第四代—智能化时代，其基本的发展趋势是：
2.3.1高性能化；高性能化主要包括高电压、大容量、降低导通电压低损耗、快速化和高可靠等四个方面。如IGBT在未来不久电流可达到2—3KA、电压达到4—6KV，降低损耗是所有复合器件的发展目标，预计在21世纪IGB、IPM等器件的导通电压可降到1V以下，而电力MOSFET、IBGT、MCT等器件的应用频率将达到千KHz。
2.3.2智能化和集成化；智能化的发展是系统智能集成（ASIPM），即将电源电路、各种保护以及PWM控制电路等都集成在一个芯片上制成一个完整的功率变换器IC产品。集成电力电子模块（IPEM）是将驱动、自动保护、自诊断功能的IC与电力电子器件集成在一个模块中。由于不同的元器件、电路、集成片的封装或相互连接产生的寄生参数已成为影响电力电子系统性能的关键问题，所以采用IPEM方法可减少设计工作量，便于生产自动化、提高了系统质量、可靠性和可维护性，使得设计周期缩短，产品成本下降。
IPEM与IPM或PIC不同之处在于后者是单层单片集成，一维封装，而前者是高电压、大电流、多层多片集成、三维封装，结构更复杂，多方向散热，其热设计也更加重要。IPEM研究课题中有待解决的基本问题有；结构的确定和通用性问题，新型的电力电子器件的评估是；开关单元、拓扑结构、高电压大电流功率器件单片集成并与检测控制电路集成在同一基片上的问题。大功率无源器件集成、IPEM三维封装（控制寄生参数和使寄生影响控制在最小的范围）、热管理、IPEM设计软件、接口与系统的兼容性、IPEM性能预测、可靠性冗余和容错等这些都需要跨学科联合研究。因与现代电力电子学相关的学科十分广泛，包括基础理论学科如：固体物理、电磁学、电路理论，专业理论学科如：电力系统、电子学、系统与控制、电机学及电气传动、通信理论、信号处理、微电子技术，以及专门技术如：电磁测量、计算机仿真、CAD等，其覆盖了材料、器件、电路与控制、磁学、热设计、封装、CAD集成、制造、电力及电工应用等。就目前我国电力电子技术发展的现状，迫切需要跨学科，应用多种专业技术进行联合研究，以跟上当今电力电子国际科技前沿技术的发展，在21世纪我们面临着机遇和挑战并存，加大电力电子技术这一领域的研究和开发力度，以增强我国在这一领域在国际市场的竞争力。