電力電子技術(shù)向高集成度高頻化演進(jìn)
中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書長(zhǎng) 白繼彬
電力電子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能節(jié)材、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)并促進(jìn)機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)，它是弱電控制與強(qiáng)電運(yùn)行之間、信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)之間的橋梁，是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)技術(shù)，是現(xiàn)代科學(xué)、工業(yè)和國(guó)防的重要支撐技術(shù)。電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)和核心，電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展都是圍繞著各種新型電力電子器件的誕生和完善進(jìn)行的。信息電子應(yīng)用以及汽車電子、家用和便攜式電器，將成為今后電力電子最主要的應(yīng)用方向。
電力電子集成技術(shù)是研究熱點(diǎn)
功率集成技術(shù)的迅速發(fā)展使電力電子器件在集成化方面出現(xiàn)了一個(gè)新的分支——高壓集成電路(亦即功率集成電路)。它使計(jì)算機(jī)的輸出獲得了一個(gè)直接聯(lián)系到負(fù)載的“功率接口”。所謂功率集成技術(shù)包括隔離技術(shù)、場(chǎng)緩和技術(shù)、相輔化技術(shù)、復(fù)合技術(shù)、邏輯電路和驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)。這些技術(shù)是各種集成或復(fù)合型器件的基礎(chǔ)技術(shù)。當(dāng)前，功率集成電路不僅作為接口，還可以直接用于許多方面，因而有廣泛的產(chǎn)品市場(chǎng)。當(dāng)然，在便攜電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，人們更愿意把那種以節(jié)電為核心的功率變換技術(shù)稱為“電源管理”。
將電力電子稱為電源管理，更加強(qiáng)調(diào)了集成電路的管理(處理)作用。從應(yīng)用的角度來(lái)看，是更強(qiáng)調(diào)了服務(wù)于4C的電力電子，或者說(shuō)是大量應(yīng)用于便攜式電器的電力電子、電機(jī)控制、汽車電子及節(jié)能型照明所需的電源，這些都屬于高效而又能量集中的電源。高功率密度的需求又導(dǎo)致了電力電子集成技術(shù)的產(chǎn)生。
電力電子集成是通過(guò)高密度混合集成和多層互連，將電力電子系統(tǒng)中主電路、傳感、控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、通信接口等全部電路和元件都集成到一起，形成具有通用性的標(biāo)準(zhǔn)化電力電子組塊(Power Electronic Building Block—PEBB)，用以構(gòu)成各種不同的應(yīng)用系統(tǒng)。PEBB就是標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的電力電子單元，也是電力電子與微電子結(jié)合的一個(gè)典型。電力電子集成化最大的優(yōu)勢(shì)是可以成倍地提高變流器的功率密度，從而減小體積、減輕重量，缺點(diǎn)是目前成本還較高。而航空航天和軍事工業(yè)上的應(yīng)用對(duì)成本不太敏感，但對(duì)于減小體積、減輕重量特別渴求。電力電子集成技術(shù)是目前電力電子技術(shù)領(lǐng)域最為重要的研究方向，必將成為未來(lái)該領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
可見，微電子與電力電子其實(shí)是密不可分的，如果輕視電力電子器件的發(fā)展，長(zhǎng)期來(lái)說(shuō)也會(huì)妨礙微電子器件的發(fā)展。我國(guó)至今沒(méi)有很好地發(fā)展現(xiàn)代電力電子器件，一個(gè)重要因素是缺乏對(duì)現(xiàn)代電力電子器件的全面了解，從而導(dǎo)致電力電子行業(yè)無(wú)法獲得相應(yīng)的政策支持。在信息化帶動(dòng)工業(yè)化的浪潮中，必須讓不同的半導(dǎo)體器件都得到均衡的發(fā)展。
器件高頻化是發(fā)展方向
我們知道，工頻(50Hz～60Hz)是發(fā)電的最佳頻率，但它不是用電的最佳頻率。如果電源頻率提高，磁路截面積可以減小，從而電機(jī)體積減小，重量減輕。這種效果對(duì)諸如變壓器、電抗器、鎮(zhèn)流器等各種電磁元件都是適用的。為此，電力電子器件高頻化是今后電力電子技術(shù)一個(gè)不容忽視的發(fā)展方向。
從目前電力電子的雙極型自關(guān)斷器件已達(dá)上百千赫的頻率來(lái)看，電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期——逆變器時(shí)代。逆變器將對(duì)各種頻率的電源、工業(yè)應(yīng)用、車輛應(yīng)用以至家用電器等各方面起到重要作用。其中最重要的是交流調(diào)速，從小功率的微電機(jī)到幾萬(wàn)千瓦的大電機(jī)，都有可能用到交流傳動(dòng)。
微處理器及微計(jì)算機(jī)的引入，已使電力電子技術(shù)中的控制技術(shù)發(fā)生了根本的變化。一些過(guò)去認(rèn)為過(guò)分復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)的控制技術(shù)得到了應(yīng)用，并且使許多控制方法及理論在實(shí)踐中取得進(jìn)一步的發(fā)展。電力電子器件的頻率范圍正在迅速擴(kuò)大，這是引入微電子器件工藝的結(jié)果。一方面，傳統(tǒng)的雙極型自關(guān)斷器件的結(jié)構(gòu)正變得愈益精細(xì)，并引入了外延或隱埋等工藝，從而緩和了功率與頻率的矛盾，已向幾十或幾百千赫的方向發(fā)展。另一方面，單極型器件中，功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)本身就是超大規(guī)模集成電路超微細(xì)工藝的產(chǎn)物，它的頻率已可達(dá)1MHz。而結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)器件——靜電感應(yīng)晶體管和晶閘管(SIT及SITH)，也有賴于高阻高質(zhì)量外延工藝的發(fā)展，SIT本身頻率上限已達(dá)1000MHz。因而可以認(rèn)為，傳統(tǒng)的低頻電力電子學(xué)的概念已經(jīng)打破，高頻電力電子學(xué)正在興起。
電力電子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能節(jié)材、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)并促進(jìn)機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)，它是弱電控制與強(qiáng)電運(yùn)行之間、信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)之間的橋梁，是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)技術(shù)，是現(xiàn)代科學(xué)、工業(yè)和國(guó)防的重要支撐技術(shù)。電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)和核心，電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展都是圍繞著各種新型電力電子器件的誕生和完善進(jìn)行的。信息電子應(yīng)用以及汽車電子、家用和便攜式電器，將成為今后電力電子最主要的應(yīng)用方向。
電力電子集成技術(shù)是研究熱點(diǎn)
功率集成技術(shù)的迅速發(fā)展使電力電子器件在集成化方面出現(xiàn)了一個(gè)新的分支——高壓集成電路(亦即功率集成電路)。它使計(jì)算機(jī)的輸出獲得了一個(gè)直接聯(lián)系到負(fù)載的“功率接口”。所謂功率集成技術(shù)包括隔離技術(shù)、場(chǎng)緩和技術(shù)、相輔化技術(shù)、復(fù)合技術(shù)、邏輯電路和驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)。這些技術(shù)是各種集成或復(fù)合型器件的基礎(chǔ)技術(shù)。當(dāng)前，功率集成電路不僅作為接口，還可以直接用于許多方面，因而有廣泛的產(chǎn)品市場(chǎng)。當(dāng)然，在便攜電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，人們更愿意把那種以節(jié)電為核心的功率變換技術(shù)稱為“電源管理”。
將電力電子稱為電源管理，更加強(qiáng)調(diào)了集成電路的管理(處理)作用。從應(yīng)用的角度來(lái)看，是更強(qiáng)調(diào)了服務(wù)于4C的電力電子，或者說(shuō)是大量應(yīng)用于便攜式電器的電力電子、電機(jī)控制、汽車電子及節(jié)能型照明所需的電源，這些都屬于高效而又能量集中的電源。高功率密度的需求又導(dǎo)致了電力電子集成技術(shù)的產(chǎn)生。
電力電子集成是通過(guò)高密度混合集成和多層互連，將電力電子系統(tǒng)中主電路、傳感、控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、通信接口等全部電路和元件都集成到一起，形成具有通用性的標(biāo)準(zhǔn)化電力電子組塊(Power Electronic Building Block—PEBB)，用以構(gòu)成各種不同的應(yīng)用系統(tǒng)。PEBB就是標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的電力電子單元，也是電力電子與微電子結(jié)合的一個(gè)典型。電力電子集成化最大的優(yōu)勢(shì)是可以成倍地提高變流器的功率密度，從而減小體積、減輕重量，缺點(diǎn)是目前成本還較高。而航空航天和軍事工業(yè)上的應(yīng)用對(duì)成本不太敏感，但對(duì)于減小體積、減輕重量特別渴求。電力電子集成技術(shù)是目前電力電子技術(shù)領(lǐng)域最為重要的研究方向，必將成為未來(lái)該領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
可見，微電子與電力電子其實(shí)是密不可分的，如果輕視電力電子器件的發(fā)展，長(zhǎng)期來(lái)說(shuō)也會(huì)妨礙微電子器件的發(fā)展。我國(guó)至今沒(méi)有很好地發(fā)展現(xiàn)代電力電子器件，一個(gè)重要因素是缺乏對(duì)現(xiàn)代電力電子器件的全面了解，從而導(dǎo)致電力電子行業(yè)無(wú)法獲得相應(yīng)的政策支持。在信息化帶動(dòng)工業(yè)化的浪潮中，必須讓不同的半導(dǎo)體器件都得到均衡的發(fā)展。
器件高頻化是發(fā)展方向
我們知道，工頻(50Hz～60Hz)是發(fā)電的最佳頻率，但它不是用電的最佳頻率。如果電源頻率提高，磁路截面積可以減小，從而電機(jī)體積減小，重量減輕。這種效果對(duì)諸如變壓器、電抗器、鎮(zhèn)流器等各種電磁元件都是適用的。為此，電力電子器件高頻化是今后電力電子技術(shù)一個(gè)不容忽視的發(fā)展方向。
從目前電力電子的雙極型自關(guān)斷器件已達(dá)上百千赫的頻率來(lái)看，電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期——逆變器時(shí)代。逆變器將對(duì)各種頻率的電源、工業(yè)應(yīng)用、車輛應(yīng)用以至家用電器等各方面起到重要作用。其中最重要的是交流調(diào)速，從小功率的微電機(jī)到幾萬(wàn)千瓦的大電機(jī)，都有可能用到交流傳動(dòng)。
微處理器及微計(jì)算機(jī)的引入，已使電力電子技術(shù)中的控制技術(shù)發(fā)生了根本的變化。一些過(guò)去認(rèn)為過(guò)分復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)的控制技術(shù)得到了應(yīng)用，并且使許多控制方法及理論在實(shí)踐中取得進(jìn)一步的發(fā)展。電力電子器件的頻率范圍正在迅速擴(kuò)大，這是引入微電子器件工藝的結(jié)果。一方面，傳統(tǒng)的雙極型自關(guān)斷器件的結(jié)構(gòu)正變得愈益精細(xì)，并引入了外延或隱埋等工藝，從而緩和了功率與頻率的矛盾，已向幾十或幾百千赫的方向發(fā)展。另一方面，單極型器件中，功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)本身就是超大規(guī)模集成電路超微細(xì)工藝的產(chǎn)物，它的頻率已可達(dá)1MHz。而結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)器件——靜電感應(yīng)晶體管和晶閘管(SIT及SITH)，也有賴于高阻高質(zhì)量外延工藝的發(fā)展，SIT本身頻率上限已達(dá)1000MHz。因而可以認(rèn)為，傳統(tǒng)的低頻電力電子學(xué)的概念已經(jīng)打破，高頻電力電子學(xué)正在興起。
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