電力電子技術向高集成度高頻化演進
中國電工技術學會電力電子學會副理事長兼秘書長 白繼彬
電力電子技術是實現(xiàn)高效節(jié)能節(jié)材、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)并促進機電一體化的關鍵技術，它是弱電控制與強電運行之間、信息技術與先進制造技術之間的橋梁，是我國國民經(jīng)濟的重要基礎技術，是現(xiàn)代科學、工業(yè)和國防的重要支撐技術。電力電子器件是電力電子技術的基礎和核心，電力電子技術的不斷發(fā)展都是圍繞著各種新型電力電子器件的誕生和完善進行的。信息電子應用以及汽車電子、家用和便攜式電器，將成為今后電力電子最主要的應用方向。
電力電子集成技術是研究熱點
功率集成技術的迅速發(fā)展使電力電子器件在集成化方面出現(xiàn)了一個新的分支——高壓集成電路(亦即功率集成電路)。它使計算機的輸出獲得了一個直接聯(lián)系到負載的“功率接口”。所謂功率集成技術包括隔離技術、場緩和技術、相輔化技術、復合技術、邏輯電路和驅動電路技術。這些技術是各種集成或復合型器件的基礎技術。當前，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。當然，在便攜電子產(chǎn)業(yè)領域，人們更愿意把那種以節(jié)電為核心的功率變換技術稱為“電源管理”。
將電力電子稱為電源管理，更加強調了集成電路的管理(處理)作用。從應用的角度來看，是更強調了服務于4C的電力電子，或者說是大量應用于便攜式電器的電力電子、電機控制、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致了電力電子集成技術的產(chǎn)生。
電力電子集成是通過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、驅動、保護、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準化電力電子組塊(Power Electronic Building Block—PEBB)，用以構成各種不同的應用系統(tǒng)。PEBB就是標準化和通用化的電力電子單元，也是電力電子與微電子結合的一個典型。電力電子集成化最大的優(yōu)勢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，缺點是目前成本還較高。而航空航天和軍事工業(yè)上的應用對成本不太敏感，但對于減小體積、減輕重量特別渴求。電力電子集成技術是目前電力電子技術領域最為重要的研究方向，必將成為未來該領域的熱點。
可見，微電子與電力電子其實是密不可分的，如果輕視電力電子器件的發(fā)展，長期來說也會妨礙微電子器件的發(fā)展。我國至今沒有很好地發(fā)展現(xiàn)代電力電子器件，一個重要因素是缺乏對現(xiàn)代電力電子器件的全面了解，從而導致電力電子行業(yè)無法獲得相應的政策支持。在信息化帶動工業(yè)化的浪潮中，必須讓不同的半導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，從而電機體積減小，重量減輕。這種效果對諸如變壓器、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一個不容忽視的發(fā)展方向。
從目前電力電子的雙極型自關斷器件已達上百千赫的頻率來看，電力電子技術已經(jīng)進入了一個新的時期——逆變器時代。逆變器將對各種頻率的電源、工業(yè)應用、車輛應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速，從小功率的微電機到幾萬千瓦的大電機，都有可能用到交流傳動。
微處理器及微計算機的引入，已使電力電子技術中的控制技術發(fā)生了根本的變化。一些過去認為過分復雜難以實現(xiàn)的控制技術得到了應用，并且使許多控制方法及理論在實踐中取得進一步的發(fā)展。電力電子器件的頻率范圍正在迅速擴大，這是引入微電子器件工藝的結果。一方面，傳統(tǒng)的雙極型自關斷器件的結構正變得愈益精細，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體場效應晶體管(Power MOSFET)本身就是超大規(guī)模集成電路超微細工藝的產(chǎn)物，它的頻率已可達1MHz。而結型場效應器件——靜電感應晶體管和晶閘管(SIT及SITH)，也有賴于高阻高質量外延工藝的發(fā)展，SIT本身頻率上限已達1000MHz。因而可以認為，傳統(tǒng)的低頻電力電子學的概念已經(jīng)打破，高頻電力電子學正在興起。
電力電子技術是實現(xiàn)高效節(jié)能節(jié)材、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)并促進機電一體化的關鍵技術，它是弱電控制與強電運行之間、信息技術與先進制造技術之間的橋梁，是我國國民經(jīng)濟的重要基礎技術，是現(xiàn)代科學、工業(yè)和國防的重要支撐技術。電力電子器件是電力電子技術的基礎和核心，電力電子技術的不斷發(fā)展都是圍繞著各種新型電力電子器件的誕生和完善進行的。信息電子應用以及汽車電子、家用和便攜式電器，將成為今后電力電子最主要的應用方向。
電力電子集成技術是研究熱點
功率集成技術的迅速發(fā)展使電力電子器件在集成化方面出現(xiàn)了一個新的分支——高壓集成電路(亦即功率集成電路)。它使計算機的輸出獲得了一個直接聯(lián)系到負載的“功率接口”。所謂功率集成技術包括隔離技術、場緩和技術、相輔化技術、復合技術、邏輯電路和驅動電路技術。這些技術是各種集成或復合型器件的基礎技術。當前，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。當然，在便攜電子產(chǎn)業(yè)領域，人們更愿意把那種以節(jié)電為核心的功率變換技術稱為“電源管理”。
將電力電子稱為電源管理，更加強調了集成電路的管理(處理)作用。從應用的角度來看，是更強調了服務于4C的電力電子，或者說是大量應用于便攜式電器的電力電子、電機控制、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致了電力電子集成技術的產(chǎn)生。
電力電子集成是通過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、驅動、保護、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準化電力電子組塊(Power Electronic Building Block—PEBB)，用以構成各種不同的應用系統(tǒng)。PEBB就是標準化和通用化的電力電子單元，也是電力電子與微電子結合的一個典型。電力電子集成化最大的優(yōu)勢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，缺點是目前成本還較高。而航空航天和軍事工業(yè)上的應用對成本不太敏感，但對于減小體積、減輕重量特別渴求。電力電子集成技術是目前電力電子技術領域最為重要的研究方向，必將成為未來該領域的熱點。
可見，微電子與電力電子其實是密不可分的，如果輕視電力電子器件的發(fā)展，長期來說也會妨礙微電子器件的發(fā)展。我國至今沒有很好地發(fā)展現(xiàn)代電力電子器件，一個重要因素是缺乏對現(xiàn)代電力電子器件的全面了解，從而導致電力電子行業(yè)無法獲得相應的政策支持。在信息化帶動工業(yè)化的浪潮中，必須讓不同的半導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，從而電機體積減小，重量減輕。這種效果對諸如變壓器、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一個不容忽視的發(fā)展方向。
從目前電力電子的雙極型自關斷器件已達上百千赫的頻率來看，電力電子技術已經(jīng)進入了一個新的時期——逆變器時代。逆變器將對各種頻率的電源、工業(yè)應用、車輛應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速，從小功率的微電機到幾萬千瓦的大電機，都有可能用到交流傳動。
微處理器及微計算機的引入，已使電力電子技術中的控制技術發(fā)生了根本的變化。一些過去認為過分復雜難以實現(xiàn)的控制技術得到了應用，并且使許多控制方法及理論在實踐中取得進一步的發(fā)展。電力電子器件的頻率范圍正在迅速擴大，這是引入微電子器件工藝的結果。一方面，傳統(tǒng)的雙極型自關斷器件的結構正變得愈益精細，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體場效應晶體管(Power MOSFET)本身就是超大規(guī)模集成電路超微細工藝的產(chǎn)物，它的頻率已可達1MHz。而結型場效應器件——靜電感應晶體管和晶閘管(SIT及SITH)，也有賴于高阻高質量外延工藝的發(fā)展，SIT本身頻率上限已達1000MHz。因而可以認為，傳統(tǒng)的低頻電力電子學的概念已經(jīng)打破，高頻電力電子學正在興起。
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