1.6　電力電子技術的展望

1.功率器件

功率器件的發展是電力電子技術發展的基礎。功率MOSFET至今仍是最快的功率器件，減少其通態電阻仍是今后功率MOSFET的主要研究方向。1998年出現了超級結（super junction）的概念，通過引入等效漂移區，在保持阻斷電壓能力的前提下，有效地減少了MOSFET的導通電阻，這種MOSFET被稱為CoolMOS。CoolMOS與普通MOSFET結構的比較如圖1-4所示。其中表示器件襯底，表示厚的低摻雜的N-外延層。比如600V耐壓的CoolMOS的通態電阻僅為普通MOSFET的1/5。它在中小開關電源、固體開關中得到廣泛的應用。

IGBT綜合了場控器件快速性的優點和雙極型器件低通態壓降的優點。IGBT的高壓、大容量也是長期以來的研究目標。1985年，人們認為IGBT的極限耐壓為2kV，然而IGBT器件的阻斷電壓上限不斷刷新，目前已達到6.5kV。采用IGBT改造GTO變頻裝置，減小了裝置的體積和損耗。IGBT阻斷電壓的提高，使其能覆蓋更大的功率應用領域，如IGBT替代GTO改造原有電氣化電力機車的變頻器。IGBT正不斷地蠶食晶閘管、GTO的傳統領地，在大功率應用場合極具滲透力。提高IGBT器件的可靠性，如采用壓接工藝等也是重要發展方向之一。對于應用于市電的電力電子裝置的低壓IGBT器件，其主要性能提高目標是降低通態壓降和提高開關速度，出現了溝槽柵結構IGBT器件。面臨IGBT的追趕，出現GTO的更新換代產品IGCT，如圖1-5所示。IGCT通過分布集成門極驅動、淺層發射極等技術使器件的開關速度有一定的提高，同時減小了門極驅動功率，方便了應用。IGCT正面臨ICBT的嚴峻競爭，IGCT的出路是高壓、大容量化，可在未來的柔性交流輸電（FACTS）應用中尋找出路。

寬禁帶功率器件是21世紀最有發展潛力的電力電子器件之一。目前最受關注的兩種寬禁帶材料是碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），圖1-6是兩種寬禁帶材料與硅材料的特性比較。SiC材料的臨界電場強度是硅材料的10倍，熱導率是硅材料的3倍，結溫超過200℃。從理論上講，SiC功率開關器件的開關頻率將顯著提高，損耗減至硅功率器件的1/10。由于熱導率和結溫提高，因此散熱器設計變得容易，構成裝置的體積變得更小。由于SiC器件的禁帶寬、結電壓高，因此比較適合于制造單極型器件。目前600V和1.2kV的SiC肖特基二極管產品幾乎具有零反向恢復過程，已經在計算機電源中得到應用。2011年1200VSiC MOSFET和SiCJEFT實現了商業化。采用SiC JEFT的光伏逆變器實現99％的變換效率。SiC功率器件將應用于電動汽車、新能源并網逆變器、智能電網等場合。近年來，氮化鎵功率器件也十分引人注目，由于氮化鎵功率器件可以集成在廉價的硅基襯底上，并具有超快的開關特性，受到國際上的關注。主要面向900V以下的場合，如開關電源、開關功率放大器、汽車電子、光伏逆變器、家用電器等。

2.再生能源與環境保護

現代社會對環境造成了嚴重的污染。溫室氣體的排放引起了國際社會的關注，大量的能源消耗是溫室氣體排放的主要原因。發達國家的長期工業化過程是造成溫室氣體問題的主要原因。然而，改革開放以來，我國的能源消費量急劇上升，二氧化碳排放量也有較大增加。1997年在日本京都召開的“聯合國氣候變化框架公約”會議上，通過了著名的《京都議定書》COP3，即溫室氣體排放限制議定書。通過國際社會的努力，2005年《京都議定書》正式生效。

擴大再生能源應用比例和大力采用節能技術是實現《京都議定書》目標十分關鍵和有效的措施。歐盟制訂了20-20-20計劃，到2020年可再生能源占歐盟總能源消耗的20％。2007年12月美國總統簽署了《能源獨立和安全法案》（EISA）。

我國也十分重視再生能源的開發利用，2006年我國施行了《再生能源法》。制定了《可再生能源中長期發展規劃》，到2020年我國可再生能源將占總能源消耗的15％。2010年我國累計風電裝機容量為4200萬kW，居世界第一，預計到2020年累計風電裝機容量將逾1億kW。2010年我國累計光伏裝機容量為100萬kW，預計到2020年我國累計光伏裝機容量將逾4000萬kW。

光伏、風力、燃料電池等新能源推動了電力電子技術的發展，并形成了電力電子產品的巨大市場。由于光伏、風力等再生能源發出的是不穩定、波動的電能，必須通過電力電子變換器，將再生能源發出的不穩定、不可靠的“粗電”處理成高品質的電能，如圖1-7所示。此外，電力電子變換器還具有風能或太陽能的最大捕獲功能。因此，電力電子技術能提升新能源發電的可靠性、安全性，使其成為具有經濟性、實用性的能源的支撐科技。

3.電動汽車

純電動汽車與汽油汽車的一次能源利用率之比為1∶0.6。因此，發展電動汽車可以提高能源的利用率，同時減少溫室氣體和有害氣體的排放。電動汽車的關鍵技術是電池技術和電力電子技術。為回避對大容量動力電池的依賴，日本開發了將汽油驅動和電動驅動相結合的混合型電動汽車，并實現了產業化，如豐田Prius和本田Insight。圖1-8所示為混合型電動汽車的驅動結構圖。

混合型電動汽車的產業化前景已引起美國汽車行業的注意，為防止失去混合型電動汽車的市場，美國開發Plugin混合型電動汽車，Plugin混合型電動汽車配置了一個較大的電池。由于混合型電動汽車無法解脫依賴石油的束縛，純電動汽車才是理想的目標，但需要解決電池的問題。鉛酸電池價格低，但能量密度低，體積大，一次充電的持續里程短，可充電次數少。于是，開發比能量密度、比功率密度的電池成為研究熱點。近年來，磷酸鐵鋰動力電池由于其安全性、比能量密度、比功率密度等綜合優勢，已在電動汽車中獲得實際應用；另一種受到關注的電池是以氫為燃料的質子交換膜燃料電池，它具有能量密度高的顯著特點，因此燃料電池電動汽車是未來理想環保的交通工具，圖1-9所示為燃料電池電動汽車的結構。質子交換膜燃料電池開發重點是低成本化、長壽命。我國也十分重視電動汽車的研究開發，已在部分城市進行電動汽車的應用示范。電動汽車產業將帶動如電動機驅動、逆變器、DC/DC變換器、輔助電源、充電器等電力電子產品的發展。

4.軌道交通

我國客運專線運行的高速動車組時速為200～350km，采用電力牽引交流傳動系統，如圖1-10所示。牽引變流器由預充電單元、四象限變流器、中間直流側電路、牽引逆變器組成。在牽引變流器中，3300V/1200A、4500V/900A、6500V/600A等級的ICBT器件成為主流，各約占1/3。

在城市軌道交通方面，2015年已有超過85條城市軌道線路，總長為2700km，甚至更長。到2020年，北京、上海、廣州、南京、天津、深圳、成都、沈陽、哈爾濱、青島等城市將建成、通車的線路總計40多條，約6000km，總投資在7000億元以上。

電力電子技術是軌道交通的核心技術。我國繼續開展高壓大功率電力電子器件、大容量高功率密度功率變流器、電力電子牽引交流傳動控制技術的研發工作，以滿足我國高鐵和城市軌道交通的發展需求。

5.智能電網

目前在國際上正在進行一場電力系統的創新——智能電網。智能電網的核心技術包含信息技術、通信技術和電力電子技術。智能電網的目標是提高電力系統資產的利用率，減少能耗；提高電力系統的安全性、經濟性；提高電力系統接納新能源的能力，實現節能減排。智能電網將推動電力市場的發展，將使電力市場的發電方與供電方從壟斷走向社會化。電力市場將促進分散供電系統的發展，可大幅度地減少電力輸送的能耗，同時提高電力系統的安全性，有利于能源多樣化的實施，對國家安全有利；有利于采用再生能源、環保發電技術。從技術層面來講，電力市場的引入將出現按質論價的電能供應方式，產生對電力品質改善的裝置，如不間斷電源（UPS）、靜止無功補償裝置（SVC）、靜止無功發生器（SVG）、動態電壓恢復器（DVR）、電力有源濾波器（APF）、限流器、電力儲能裝置、微型燃氣發電機（micro gas turbo）等；再生能源、環保發電技術等分散發電將需要交直流變流裝置。電力市場將使柔性交流輸電技術全面應用成為現實，帶動直流輸電（HVDC）、背靠背裝置（BTB）、統一潮流控制器（UPFC）等電力電子技術的應用。圖1-11所示為電力電子技術在電力系統中應用的示意圖。

目前再生能源的規模應用仍存在一定的困難，風能、光伏等再生能源存在間歇性、不穩定性等問題。針對分布式電源的困境，“微網”的概念應運而生。微網將化石能源、光伏、風力、儲能裝置等局部的電源和局部負荷構成一個小型的電能網絡，可以獨立于外電網或與外電網相連，如圖1-12所示。可彌補再生能源存在的間歇性、不穩定性等問題。微網可以小到給一戶居民供電，大到給一個工廠或社區或一個工業區供電。微網可以通過一個潮流控制環節與外部大電網相連，既能實現微網與大電網的電能交換，也能實現微網與外電網故障的隔離。此外，微網具有能源利用率高的顯著特點，如果采用熱電聯產，可以進一步提升能源利用效率。可見，微網能夠起到風能、光伏等分布式電源規模化推廣的助推器的作用。

隨著電動汽車的普及，大量電動汽車同時充電將對電力系統造成沉重負擔，需要將智能電網和儲能技術相結合，借助市場杠桿實現充電的智能管理。另外，每個電動汽車都是一個儲能裝置，這種數量眾多的分布式的儲能裝置，可以用來增加電力系統備用能力、實現電源與負荷平衡、提高故障處理能力、提升系統的經濟性，是一種新的調控工具。于是就出現了所謂電動汽車對電網作用的研究（V2G）。

6.IT產業

由于IT技術的迅速普及，計算機、網絡設備、辦公設備的電力消耗日益增加，提高IT設備能源利用效率變得越來越重要。

圖1-13所示為傳統數據中心電源系統的電能利用效率分析，其利用率約為70％，一次能源的利用率僅為24％，其能源利用率不高的主要原因是串聯的功率變換環節級數太多。一次能源由電站轉換成電能，然后通過輸配電系統到達用戶，再通過不間斷電源（UPS）、整流器（AC/DC）、隔離型直流/直流變換器（DC/DC）、負載電源調節器（POL），最后供給數據處理芯片（CPU）。目前，出現了一種高壓直流供電（HVDC）的數據中心電源系統方案，以減少串聯的功率變換環節的級數。未來光伏、燃料電池等新能源發電將被引入數據中心電源系統，以實現節能排放，同時可以提高數據中心電源系統的可靠性。

電源效率的提高，輕載或待機損耗下降，提高電源的功率密度將是未來的重要課題。電源的標準化、智能化、與新能源的融合將是計算機、網絡電源發展的方向。

電力電子技術已經滲透到現代社會的各個方面，未來90％的電能均需通過電力電子設備處理后再加以利用，以便提高能源利用率，提高工業生產的效率，實現再生能源的最大利用。電力電子技術將在21世紀中為建設一個節能、環保、和諧的人類家園發揮重要的作用。