电力电子集成技术的现状及发展方向

电力电子集成技术的现状及发展方向电力电子集成技术的现状及发展方向 来源： 世界大学城作者： 日期：11.10.24 电能是迄今为止人类文明史上最优质的能源。正是有赖于对电能的充分开发和利用，人类 才得以进入如此发达的工业化和信息化社会。虽然人类在电能的产生、传输和利用方面已 经取得了十分辉煌的成就，但是如何更加合理、高效、精确和方便地利用电能，仍然是需 要解决的重大问题。 电力电子技术的诞生和发展使人类对电能的利用方式发生了革命性的变化，并且极大 改变了人们利用电能的观念。在世界范围内，用电总量中经过电力电子装置变换和调节的 比例已经成为衡量用电水平的重要指标，目前，全球范围内该指标的平均数为 40%，而到 2010 年将达到 80%。这就对电力电子技术提出了新的挑战。 然而现在电力电子技术的发展走到了十字路口，电力电子装置的复杂性与其应用的广 泛性间的矛盾越来越尖锐。一方面众多领域需要大量使用电力电子装置，而另一方面，电 力电子 装置面向的应用千差万别，使得设计、生产和维护需要耗费大量的人力和物力，给普 及和推广造成巨大障碍，成为电能利用技术进步的瓶颈。 目前，国际电力电子学界普遍认为，电力电子集成技术是解决电力电子技术发展面临 的障碍，进一步拓展电力电子技术应用领域的最有希望的出路。 电力电子集成概念的提出有 10 余年的历史，早期的思路是单片集成，体现了片内系统 (SystemOnChipSOC)的概念，即将主电路、驱动、保护和控制电路等全部制造在同一个硅 片上。由于高压、大电流的主电路元件和其他低压、小电流电路元件的制造工艺差别较大， 还有高压隔离和传热的问题，故单片集成难度很大，目前仅在小功率范围有所应用。而在 中大功率范围内，只能采用混合集成的办法，将多个不同工艺的器件裸片封装在一个模块 内，现在广泛使用的电力电子功率模块和智能功率模块(IntelligentPowerModuleIPM)都 体现了这种思想。1997 年前后美国政府、军方及电力电子技术领域一些著名学者共同提出 电力电子积木(PowerElectronicBuildingBlockPEBB)的概念，明确了集成化这一电力电 子技术未来的发展方向，并将电力电子集成技术的研究推向高潮。 电力电子专业状况及职场发展电力电子专业状况及职场发展 老是看到好多新同学打听这个专业，N 多人还在比较电力系统和电力电子与 电力传动，哪个更好？哪个更有前(钱)途？马上就过年了，今天有点空，也想 冒下泡，想跟对这一方向有点兴趣的兄弟姐妹简单聊一下总体情况。我也只是 一名研发工程师，说得不对不全之处，请各位拍砖时手下留情。 毫无疑问，电力系统是电气工程下面一个非常非常传统的专业，毕业后较 大的可能进入国家电网或南方电网下属的各级电力公司，君不见这个坛子里好 多人讲电力的高薪，因而也算是一个旱涝保收的铁饭碗；而电力电子与电力传 动却是一个全新的专业，是电力、电力、与控制的交叉学科，涉及到电路拓扑 、自动理论、模电数电综合知识，并且动手能力、实践经验在某种程度上决定 了项目的成败。电力电子专业的同学毕业后一般进入企业或研究所，如世界顶 尖的电力电子公司，如 Emerson、GE、Simens、ABB、Philips、Oslang 等， 当然还有一堆国内的公司，一般从事开关电源、UPS、变频器、无功补偿、及 有源滤波等等。总结一句话，如果你想有一个至少目前还不错的铁饭碗，就学 电力系统；如果你想从事具有前沿挑战性的朝阳行业，并且还不怕吃苦，希望 苦尽甘来的可以学电力电子与电力传动。如果学了电力系统后在电力公司 3、 5 年后未混到一官半职，那时的薪水可能就不如从事电力电子工作的同学。 电力电子与电力传动是一个全新的学科，国内的老师大多电机出身，很有 可能不能提供实际的指导，但是导师的重要性在于能够给你提供广阔的研究资 源，带领进入这个学科的大门。这个学科较强的国内较强校还是有的：第一个 不可否认就是浙江大学，徐德鸿、钱照明、吕征宇教授等；第二个是西安交通 大学，德高望重的王兆安老师、及他的两个高徒刘进军、杨旭；最后的一个是 南京航空航天大学的严仰光及他的学生阮新波教授等。当然，国际上最牛的学 校是美国弗吉尼亚理工大学的国家电力电子系统研究中心，最最最牛的 Fred.L ee 李泽元教授就在这里；当然，美国的科罗那多大学也不弱，特别是在电力电 子的数字控制方向，著名电力电子学科教材 Fundamental of power electronics 的作者 Erickson 就是这里的领军人物。有志于想到国外从事电力电子研究的同 学，可以申请这两所学校。 但是，很遗撼的是，电力电子目前只是一门技术，而不能够称为一门科学 的学科，那是因为尚未形成完整及精确的理论基础。因为如果没有深厚的理论 基础，就不能称之为科学。这门学科目前主要是从事电路拓扑与应用技术的研 究，目前的理论基础是线性控制方法与电路工程。但是，电力电子其实不应视 作一个线性系统，因为功率器件是工作于开关状态的，也就是一个强病态非线 性系统。因而，可以这么说，目前的电力电子系统基于线性控制理论是完全不 够的，甚至在某些场合下可以导出一些错误的结论。 电力电子技术目前有几个研究方向：高频开关电源技术：所有的信息系统 与通信设备都需要使用开关电源，小到各种便携数码产品，还有现在时兴的各 种平板电视，大到服务器系统、通信基站机房、及种种航空设施等；电力电子 技术在电力系统中的应用：如各种谐波补偿、有源滤波装置等，还有不断发展 的不间断电源设备（UPS），电动汽车的驱动与控制系统，电机的节能驱动方 面如各种变频器（包括变频空调），在当前能源短缺的状况下，太阳能、风能 及各种再生能源的应用，电力电子技术是最关键的技术要素。可以先从一些专 业期刊了解一下这门学科，国内的有中国电机工程学报、电工技术学报 、电力电子技术及电工技术杂志，国际上的有 IEEE 的Power Ele ctronics、会议有 IEEE 的 APEC、PESC 等。 根据多年的开关电源实际研发经验，我认为这一门方向的基础是：第一位 的是控制理论；第二位的是电路知识；第三位也非常重要的模拟电子，当然如 今电力电子的数字控制是一个非常重要的发展方向，单片机、DSP 的数字控制 技术也将占有非常重要的地位。但是现实的情况下，很多从事电力电子研发的 人，很多的就学过一门“电力电子技术”就根本就不够，因为很难理解电力电子 系统的控制环路设计；但是学控制的人也下手无门，因为很可能不知道如何结 合控制与电路拓扑，甚至对电路的工作原理根本不明白。其实这一学科最缺乏 的是多学科交叉人才，搞控制的很多不大懂电子电气理论；搞电子电气的又不 明白控制基础不了解数字控制技术。 另外，一个更重要的问题是，电力电子是一门实践性极强的学科，现在的 大学老师或是毕业的学生，理论与实践脱节的程度实在是太严重了，且不必说 究竟有没有了解一点点深入的基础理论。入手的第一步应该是仿制别人的产品 ，然后测量各点的实际工作波形，接着研究怎样利用控制、电路知识来解释各 种实验现象。慢慢的，就有可能成为这行的高手。所以，如果兄弟姐妹能够忍 受坐多年的冷板凳，相信在不远的将来有辉煌的一天。 电力电子与运动控制技术可被看作是计算机技术后的第二次重大技术变革 ，它将极大地改变人类的能源与生活，但是由于目前基础理论的缺失，中国将 极有可能尽快赶上世界发展水平的一个重要研究方向，相信在不久的将来，具 有创新、敏锐的中国年青人将在这一学科占有一定的理论与技术地位。 虽然理论基础也是非常簿弱，但我一直在努力。我是从事开关电源研发的 普通工程师，但对这一行业非常感兴趣，欢迎同道中人有空多聊聊业界的技术 状态及职场发展。 FredFred C C LeeLee University Distinguished Professor Electrical and Compu