电力电子技术的发展与挑战

电力电子技术自20世纪中后期开始发展，到今天已经超过半个世纪。国内外高校自20世纪后期开始陆续开设电力电子技术的专业和课程。电力电子技术是电力技术、电子技术与控制技术三者的交叉学科，其本质是利用电力半导体器件的开关，实现电能的高效可控转换。在过去几十年间，电力电子技术已经在如下领域有力地推动了生产力的发展。

1）工业和家用电机驱动与控制领域：人类生产的电能中一半以上由电机消耗，传统的恒频供电电机存在效率低下的问题，电力电子技术推动了电机变频调速技术的发展，节省了大量的能耗，不仅应用在工业企业风机、水泵的场合，在家用电器中也得到了广泛应用。

2）电气照明领域：新型的电力电子镇流器对荧光灯的供电，以及可控电源对新型LED节能照明设备的应用，大大改善了照明用电的效率。

3）电力系统的应用领域：快速开关的电力电子设备应用在传统电力系统中，能够有效地起到改善系统稳定性、谐波治理和改善电能质量等作用。电力电子技术直接推动了高压直流输电和柔性输电技术的诞生。

4）电气化交通领域：电力电子技术应用于电气化铁道、电动和混合动力汽车、多电飞机以及综合电推进的船舶中，改变了传统交通的面貌。

5）新能源的应用：太阳能、风电以及其他可再生能源存在输出不稳定和分布不均衡的问题，应用电力电子技术才能将其稳定、可靠地转换为能被人利用的电能。

6）信息产业中的应用：现代信息产业中，小到手机和计算机的电源，大到巨型计算机和数据中心的高效可靠供电，都是通过电力电子技术实现的。

在电力电子技术的理论中，存在六个基本的函数[8]。

1）电力电子器件的开关函数：控制电磁能量的流动。

2）传导函数：指导电磁能量在电力电子变换器中的流动。

3）电磁能量存储函数：在开关函数的扰动下能维持能量的持续性。

4）信息函数：作为核心“大脑”，保证以上三个函数协调运行。

5）热交换函数：使电力电子变换器维持热学平衡。

6）机械/结构函数：保证变换器的物理稳定性。

这六个基本函数决定了电力电子变换器系统的运行是一个多物理场下的综合运行问题。这六个函数在实际应用中对应以下九大技术领域。

1）电力电子器件技术：包括器件、门极驱动、缓冲吸收以及保护等。

2）电力电子开关网络技术：包括以软开关和硬开关为代表的开关控制以及变换器拓扑等。

3）无源元件技术：包括磁体、电容和传导元件等。(www.xing528.com)

4）封装技术：包括材料科学与技术、连接技术、布局技术和机械组合技术等。

5）电磁环境技术：包括谐波和网络干扰、电磁干扰和电磁兼容等。

6）物理环境技术：包括声学干扰和环境污染等。

7）冷却技术：包括流体冷却、循环、热传导和热交换等。

8）制造技术。

9）变换器的传感器和控制技术。

这些技术互相紧密地联系在一起，影响着电力电子变换器系统复杂的设计、构造和运行的物理问题。其中，脉宽调制技术既包含在电力电子器件的开关函数内，也是开关网络技术的核心。而它影响了其他物理量的运行，其科学问题也是本书的核心内容。

电力电子技术的推进主要来自两个推动力：第一个是电力电子本身，尤其是器件的发展；第二个是应用的要求。

电力电子技术是由电力电子器件技术推进的。早期只有晶闸管的时候，产生了以相控整流技术和辅助换流技术实现变流的第一代电力电子技术，开关频率与基波基本同步；后来全控型大功率电力电子器件如BJT和GTO的出现，又诞生了中压变频和交流电机闭环控制为代表的第二代电力电子技术，开关频率达到了几百甚至上千赫兹，同时在低压小功率领域由于MOSFET器件的应用，产生了开关电源、谐振变换器和功率因数校正整流等技术，在低压小功率应用上达到几十甚至上百千赫兹的开关频率；而IGBT技术自20世纪80年代发展以来，在电力电子技术领域产生了革命性的影响，由于IGBT兼具BJT高压大电流和MOSFET快速开关的优点，使高压大容量电能变换中出现更高的开关频率成为可能，产生了基于电压型电力电子变换器的直流输电和微电网技术、高性能交流电机控制技术、新能源并网技术和复杂拓扑结构的电力电子变换器等新领域，IGBT的广泛应用为电力电子技术带来了黄金时代。

而最近20年，新一代电力电子器件——宽禁带电力半导体器件的发展，正在为电力电子技术带来又一次新的革命，与传统的硅器件相比，宽禁带半导体器件由于具备更宽的导带-价带能量差，在耐压能力、通态电阻、开关损耗以及高温特性上具备更好的性能。近年来随着工艺的不断进步，以碳化硅（SiC）器件为代表的宽禁带电力半导体器件已经出现并在成本上开始逐渐接近基于硅半导体的商用器件。面对新型器件的发展，应用中很多关键基础问题尚待解决。

另一个推动电力电子技术发展的力量就是应用的要求。最早的电力电子技术应用是由于航空航天以及军工等高端应用中对控制自动化的要求而发展的，如航天电源技术等。这些应用不计成本，难以进入普通用户。在20世纪八九十年代，信息技术的需求推动了开关电源技术的发展，电力电子技术进入普通民用领域，而工业自动化的需求，同时又推动了变频调速技术的发展。进入世纪之交，交通电气化、电力系统的灵活控制等需求，推动了高性能电机控制技术和大容量电力变换技术等的发展。

近年来，电气化交通和电力系统对电力电子技术仍然保持强盛的需求，而可再生能源的利用、电能无线传输等需求又不断为电力电子技术发展开拓出新的方向，成为电力电子技术在新世纪的重要推动力。

正是由于这两大推进力，进入21世纪以来，在传统电力电子技术日趋成熟并产业化的同时，新一代电力电子技术也在逐渐形成。新一代电力电子技术相对传统电力电子技术的主要特征包括：

1）更加集成化。电力电子器件与微电子元件及封装的一体化，主电路与控制电路的一体化，电源、变换器和负载的一体化，无源器件和有源器件的一体化等，使系统的集成度、模块化以及功率密度进一步提高。

2）开关速度进一步提高。开关时间尺度从百纳秒向十纳秒级别推进，开关频率也向兆赫兹推进，无源元件的体积进一步减小。

3）智能化进一步提高。智能控制理论将得到广泛的应用，系统的动、静态的控制效果更加优越，电力电子器件和变换器本身作为传感器成为系统网络的组成部分。

而这些新的特征，带来的不仅是机遇，也有新的挑战。电力电子集成化对更加狭小空间内的热管理和电磁兼容提出更加苛刻的要求；开关速度提高也使电力变换在频域内被推到更宽的范围；智能化需要电力电子技术更好地与信息技术相结合。