我国电力电子与电力传动面临的挑战与机遇.doc

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2004年8月

第19卷第8期

电工技术学报

TRANSACTIONS0FCHINAELECTROTECHNICALSOCIETY

V01．19NO．8

Aug．2004

我国电力电子与电力传动面临的挑战与机遇

钱照明张军明吕征宇彭方正汪檩生

（浙江大学电气工程学院杭州310027）

摘要对电力电子器件方面的最新发展和电力电子与电力传动技术在可再生能源、分布式发

电系统和电能质量控制、牵引、电机驱动、绿色照明中的应用及电力电子系统集成等进行了综述，

指出我国电力电子与电力传动产业面临着良好的机遇和严峻的挑战。

关键词：

电力电子与电力传动挑战与机遇电力电子应用电力电子系统集成

中图分类号：

TN60；TM921．0

ChallengeandOpportunityforPowerElectronicsandElectricalDriveinChina

QianZhaomingZhangJunmingLUZhengyuPengFangzhengWangYousheng（ZhejiangUniversityHangzhou310027China）

AbstractNewestdevelopmentsinpowerdevicesandapplicationsofpowerelectronicsandelectricaldrivesfortherenewableenergysources，thedistributedpowersystem，theenergyqualitycontrol，thetractionandmotordrive，andthegreenlighting，aswellasthepowerelectronicsystemintegrationhavebeenreviewed．ItispointedthatthepowerelectronicsandelectricaldrivesindustryinChinaisfacingbothgoodopportunityandseriouschallenge．

Keywords：

Powerelectronicsandelectricaldrives，challengeandopportunity，appliedpowerelectronics，powerelectronicsystemintegration

1引言

自从第一支晶闸管问世，电力电子器件和应用技术的发展已有近50年的历史。

电力电子器件的发展经历了不控和半控器件、电流全控器件、电压全控器件和功率集成电路（Poweric）等若干阶段。

从最初的汞弧器件到目前的硅半导体器件，器件的体积减小了3到4个数量级；大功率时的开关时问从毫秒级降到了微秒级，低功率时甚至达到了纳秒级；。

工作频率从50Hz增加到兆赫级；变流器的功率水平从微伏安提高到几百兆伏安；封装与制造技术从单片微电子芯片制造技术直至用到高电压技术【2】。

电力电子与电力传动技术的每个进步均已得到实际应用，它们在改造传统产业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），发展高新技术（航天、激光、通信、机器人等）和高效利用能源中具有极其重要的作用，电力电子技术已成为当今任何高新技术系统中不可缺少的关键技术之一，其应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，它们与数字及计算机控制技术的密切结合，已迅速发展成为一个跨学科的高新技术【2]。

我国是一个发展中的国家，目前尚处于前工业化阶段，传统产业仍然是我国国民经济的主力军，因此在近期或在较长一段时期内，传统产业的改造和发展将在很大程度上决定着我国经济的发展。

电力、机械、冶金、石油、化工、交通运输是传统产业的重要支柱，这些产业技术水平的高低直接关系到我国工业基础的强弱。

特别是，近年来随着经济的稳步发展，巨大的电力缺口与人们对电力的强烈需求之间的矛盾越来越明显，据统计，至1999年底全国总装机容量为2．9×106Mw；而国家预测到2010年的电力需求量将为5．4×106MW，存在着近2．5×106MW的电力缺口。

由于我国常规能源资源的有限性和环保的巨大压力，能源建设必须走节电和开发利用可再生能源之路，这就决定了在今后相当长的一段时期内，我国国民经济的发展和巨大的缺口。

万方数据

第19卷第8期钱照明等我国电力电子与电力传动面临的挑战与机遇

用户市场对电力电子与电力传动应用技术具有巨大的、持久的需求，这就意味着我国电力电子和电力传动产业面临着良好的机遇。

经济学家认为21世纪的经济将发生巨大变革，知识经济开始替代工业经济，这对世界经济的发展将有很大推动力。

今后世界市场的竞争主要表现为高新技术的竞争，谁拥有电力电子这种先进的高新科技产品，谁就掌握竞争的优势。

面临我国已加入世贸组织和必须适应国际大循环的形势，我们面临着严峻的挑战，因为总体说来我国当前电力电子与电力传动技术的水平落后于国际先进水平，远远跟不上我国国民经济发展的需要，特别是还面临着国外产品严重冲击，因此，我们必需清醒地认识到这一挑战并且要勇敢地面对。

本文将着重介绍电力电子与电力传动应用技术的最新动态，分析我们面临的技术挑战，以期我国电力电子和电力传动产业，在该领域的研究有所突破，工程技术人员能迎接挑战、抓住机遇，为我国电力电子与电力传动技术赶上世界先进水平作出贡献。

2电力电子器件的发展

电力电子技术是伴随着电力电子器件的出现和发展而发展的。

伴随硅技术的进步，电力电子器件取得了显著的进展，如图1所示。

它的发展历史可以划分成三个时期：

第一时期1950～1960年为摇篮期，在这一时期中，半导体器件包括电力电子器件的关键技术几乎全部得以完善；第二个时期1970～1980年末，可以称之为成长期。

主要的电力电子器件像MOSFET、IGBT、GTO和光触发晶闸管等迅速发展，功率变换对电力电子器件的主要要求随着上述器件的问世都基本上得以满足；第三个时期从1990年初一直到目前，为充分成长成熟期，基于硅材料的电压全控型电力电子器件和智能型集成功率模块技术得到了进一步的完善和发展‘¨。

图1功率半导体器件发展‘1】

Fig．1DevelopmentoftheSemiconductorpowerdevices【1】

在电力电子器件的发展过程中，功率频率乘积（powerfrequencyproduct）这个指标可以很好地反映器件水平的进展和状态，如图2所示。

目前电力电子器件的水平基本上稳定在109～1010W·Hz的水平【21。

由于每一个功率开关器件都具有寄生二极管结构，它的PN结阻断反向电压，有源层控制正向电流导通，因而功率器件先天性地受到这个寄生二极管的限制。

目前传统的功率器件已经逼近由于寄生二极管制约而能达到的材料极限，为突破目前的器件极限，有两大技术发展方向：

一是采用新的器件结构，二是采用宽能带间隙的半导体器件。

万方数据

12电工技术学报2004年8月

频率f／Hz

图2功率半导体器件的功率频率乘积‘2】

Fig．2Thepowerfrequencyproductofthe

semiconductorpowerdevice【2】

2．1新的功率器件结构【l’3，4】

新功率器件结构通过MOSFET、IGBT、GTO

等的应用，进一步提高了这些器件的特性，如降低

导通电阻和饱和压降、减小开关损耗和更方便的门

极驱动等。

人们已经开发出了超级结（SuperJunction，SJ）

和浮动结（FloatingJunction，FJ）等新型结构的功

率器件。

这类器件的设计理念是通过在有源层

（activelayer）引入三维结构，降低PN结周围的

最大电场值。

以SJ．MOSFET为例，它在寄生二极

管的有源层中采用了垂直PN细条的三维结构，它

能维持相同的阻断电压，但是由于减小了垂直PN

条的宽度，导通电阻得以成比例的减小。

采用这个

方法，单位面积导通电阻可降低5～10倍，开关、

驱动损耗可降低2倍左右。

现已商品化的600V

SJ．MOSFET（CoolMOS）的导通电阻只有普通

MOSFET导通电阻的1／3，约40mQ·cm2。

导通电

阻低于26mf2·cm2的600VSJ．MOSFET也见诸报

道，导通电阻低于10mf2·cm2的600VSJ—MOSFET

不久也将进入市场【11。

在低电压大电流应用场合，如VRM应用中，

要求器件（MOSFET）具有更小的R。

·a。

（导通电

阻和门极电荷乘积）的值，更小的米勒电容和更适

合于与CPU集成，以达到更高的效率和功率密度。

根据CPU发展的进程图，预计在2016年，通用CPU

的供电电压将会下降到0．4V，供电电流将达到

400A，电流变化率为400A／I．ts，开关频率需要达到

45MHz【5】。

为了实现这些指标，用于同步整流的

MOSFET的尺。

·级值需要达到0．65Q·pF，目前

的垂直沟道VDMOS结构将不再适合于这方面将来

的应用。

尽管采用前述新的器件结构和工艺，如超

级结MOSFET和沟槽（trench）MOSFET，可以获

得更小的尺。

。

·Q。

值，但这些工艺显然不适合集成电

路工艺，如BiCMOS工艺，目前正在研究的基于薄绝

缘硅片的横向轻掺杂漏极MOSFET（LDD

MOSFET-SOI）可以提供更好的性能。

其R0Ⅱ·Q。

乘

积比理论上最好的VDMOS还要小3倍，比沟槽

MOSFET小7倍。

更重要的是，其工艺可以和VLSI

的BiCMOS工艺兼容【3】。

可以预见，此类LDD

MOSFET-SOI在低压大电流应用场合将会有广泛的

应用前景。

自1985年绝缘门极双极型晶体管（IGBT）进

入实际应用以来，IGBT已经涵盖了600V～6．5kV

的电压范围和1～3500A的电流范围，如图3所示，

并且表现出在更高和更低的电压和电流、更高的频

率和更低的功率损耗方面具有进一步发展的诸多

潜质。

IGBT在低功耗、高可控性方面取得的巨大

进步，使得10MW级的IGBT功率变流器已进入商

品化，100MW级的逆变器同样也有商品问世。

日

本东芝公司提出了一种新的加强型IGBT（也叫

IEGT），在关断损耗和导通电压上均取得了很好的

折衷。

在中小功率应用场合，日本三菱公司最近提

出了基于薄晶片LPT技术的反向导通型IGBT

（RC．IGBT）和反向阻断型IGBT（RB—IGBT）具

有良好的应用前景，尤其是RB．IGBT，由于其反向

阻断能力，特别适合矩阵变换器等需要双向开关的

应用场合【6】。

在最近1～2年内，有关IGBT的研究

工作已经开始出现减缓的迹象，因为目前IGBT的

性能已经达到了一个很高的水平，如果在器件材料

上没有新的突破，很难在不久的将来期望IGBT在

性能上有更大的突破。

年份

图3IGBT器件电压电流耐量趋势‘71

Fig．3Thetrendofthevoltageandcurrentrating

ofIGBTdevicest7】

多～r钆静餐

万方数据

第19卷第8期钱照明等我国电力电子与电力传动面临的挑战与机遇13

在超大功率应用场合，门极可关断晶闸管

（GTO）现在已经发展为逆阻断型晶闸管（GCT）

或集成门极换流晶闸管（IGCT）【7】。

与GTO比较，

IGCT的优点为：

关断电流分布均匀、容许瞬态损

耗大、可省略吸收电路、通断延迟时间仅为GTO

的1／10，因而可提高开关频率、延迟时间的分散性

小，容易串并联、总损耗为GTO的一半、关断门

极电荷仅为1／2等。

这两种用来制造电压源PWM

逆变器和电流源PWM逆变器的器件目前都可以在