电力电子技术的二十年及其未来.doc

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1、电力电子技术的二十年及其未来——思考走向信息时代的电力电子学国际整流器(IR)公司高级顾问 张为佐我国的电力电子学会成立至今，已有20个年头了。当年我曾为此准备过一篇详细的综述文章，在成立大会上作了介绍。最近着意去找了一下这二十年来写就的多篇有关电力电子技术的文章。前后对比之后，深感电力电子技术确实已有了很大的发展。特别有个新感受是：由于时代的变迁，电力电子的侧重点和内容也正在发生巨大的变化。　　电力电子学在当年是一个崭新的名词，因而我花过很多时间就其形成、定义、特征、分类及其展望作了一番论述。当时

2、我曾提到：五十年代末诞生了集成电路和晶闸管。从集成电路的发展形成了微电子学，其应用是信息电子学。从晶闸管及其他电力半导体器件的发展和变流技术结合则形成电力电子学。但当时对信息电子和电力电子的关系很少考虑过，潜意识地感到它们是属于两个各奔前程的学科。　　从二十年的发展来看，半导体器件确实起了推动电子技术发展的作用。集成电路对信息产业发展的重要作用是谁都了解的。晶闸管等电力半导体器件也扮演了电力电子发展中的主要角色。难怪当初电力电子的倒三角定义的中心就是晶闸管。这些年来的经验表明：当某种关键的半导体器件

3、诞生后，往往会引起电子技术的一个飞跃。这也就容易理解当MOS功率器件诞生后为何又一次使电力电子技术跨上了一个新台阶。当然对MOS器件的深入认识也有个过程：最初根据场效应晶体管的单极性结构，很自然理解到它必然具有较快的开关速度，从而带动了高频电力电子技术的发展。又从其电压控制模式，理解到它很容易和微电子器件接口，功率集成电路就此应运而生，使MOS器件的控制方式大为丰富并简化。但当时还没有理解到，MOS晶体管实际上还是一种具有最低阻抗的整流器件。乍一看来，利用晶体管去代替整流器似乎难以理解，可是采用了同

4、步整流的原理后这个问题就解决了。这样正好符合了电脑发展所必须的超低压电源的特殊需要，从而也就更增加了功率MOS晶体管的重要性。　　在半导体器件的发展中，必须注意到微电子器件永远是先导和主体。微电子器件的产值占有着半导体器件中的绝大部分，它主导了半导体新技术的发展。更重要的一点是：它在信息化的过程中起了关键作用。当今我们正处于这样一个时代，按我们国家的话来说：大力推进国民经济和社会信息化，是覆盖现代化建设全局的战略举措。这一点，在过去的年代里是无法想象的。这在某种程度上也说明了要使电力电子行业有更快发

5、展，和信息电子挂钩也将是一个重要举措。图1计算机及internet消耗电能的比例　　我们过去常把微电子比作脑子，电力电子比作肌肉，然后两者共同工作于电力电子装置之中。那时很少想到微电子或信息电子本身也需要电力电子作为电源，就象脑子需要心脏供血一样。所以信息电子不仅是电力电子的合作伙伴，而且也将是电力电子的主要客户。过去我们常忽视这一点，也许是因为信息所使用的电能似乎是微乎其微的，因而认为电力电子的节能作用对信息电子并不重要。甚至感到它并不属于电力电子的范畴。图1显示了美国信息电子消耗电能所占的比重及

6、其逐年增加的势头，图中还显示了网络消耗电能的剧增。信息电子需要这么大的能源供给可能使许多人都意想不到。但是这却说明了优化信息电子所采用的电源，应该是电力电子界的重任。特别需要说明的一点是：对便携式（portable）电器来说，节省电池的电能还有另一层次的意义。因为对使用膝上电脑、掌上电脑、手机的人们来说，最关心或烦恼的事，就是每次充电后可使用的时间；同时人们总希望进一步缩小所使用的便携式电器，节省电能就为此创造了条件。图2CUP对电源的要求　　另一个更重要的情况是：信息电子对电源常常有其独特的要求：

7、例如通信系统中要求大量的DC/DC低压电源，而电脑也要求低压大电流快响应的电源（见图2）。可以想象对一个低到只有1V的电源，却又要求在高效率下流出100A的电流，这样的电源在制作时遇到很多困难。因为PN结零偏压势垒就有(0.5～0.7)V，它在超低压电源中是不可能起到有效整流作用的。因此，信息电子对功率半导体器件及电力电子技术提出了许多特殊要求。这些不仅已成为电力电子的最重要的新方向，而且也已成为一些功率半导体器件厂的新器件的主要发展方向和高收入来源。　　上面的叙述说明了两个问题，一方面是半导体器件

8、对电力电子技术起了推动作用，另一方面已形成的新产业和新应用反过来又对半导体器件提出新要求。就象每十年集成度翻一倍的微电子推动了信息电子的迅速发展，而信息电子又反过来要求微电子及电力电子去配合以达到它自身更新的发展。电力电子在信息电子发展的道路上，虽然不是主体，但却是不可缺少的一员。对电力电子本身来说，这是开辟其新发展方向的重要机遇。　　二十年前，我介绍了晶闸管及其他自关断器件取代水银整流器，晶体管电路或集成电路作为控制部件取代单结管及磁放大器等的过程。现在看来很多话题