1 电力电子技术的重要作用

　　电力电子是国民经济和国家安全领域的重要支撑技术。它是工业化和信息化融合的重要手段，它将各种能源高效率地变换成为高质量的电能，将电子信息技术和传统产业相融合的有效技术途径。同时，还是实现节能环保和提高人民生活质量的重要技术手段，在执行当前国家节能减排、发展新能源、实现低碳经济的基本国策中起着重要的作用。

　　电力电子器件在电力电子技术领域的应用和市场中起着决定性的作用，是节能减排、可再生能源产业的“绿色的芯”。电力电子半导体器件是伴随着以硅为基础的微电子技术一起发展的。在上世纪五十到六十年代，微电子的基本技术得到了完善，而功率晶体管和晶闸管则主导了电能变换的应用。从七十年代到八十年代，功率MOS技术得到了迅速发展并在很大程度上取代了功率晶体管。基于MOS技术的IGBT器件开始出现，并研发出CoolMOS。九十年代初以后，主要的研发力量集中在对IGBT器件性能的提高和完善。到了本世纪初，经过了若干代的连续发展，以德国英飞凌、瑞士ABB、美国国际整流器公司(IR)、日本东芝和富士等大公司为代表的电力电子器件产业已经拥有了趋于完美的IGBT技术，产品的电压覆盖300V到6.5kV范围。

　　电力电子器件与相关技术包括：

　　(1)功率二极管;

　　功率二极管是电力电子线路最基本的组成单元，他的单向导电性可用于电路的整流、箝位、续流。合理应用功率二极管的性能是电力电子电路的重要内容。这方面的二极管主要包括：1，普通功率二极管，2，快速功率二极管，3，其他功率二极管。功率整流二极管比普通二极管结面积较大，能通过较大电流(可达上千安)，但工作频率不高，一般在几十千赫以下。功率整流二极管主要用于各种低频整流电路。

　　(2)晶闸管;

　　晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称，又被称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅;1957年美国通用电气公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化;晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和控制极; 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中

　　(3)电力晶体管;

　　GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符号如图1,和普通的NPN晶体管一样。

　　电力晶体管的结构

　　电力晶体管(Giant Transistor)简称GTR又称BJT(Bipolar Junction Transistor)，GTR和BJT这两个名称是等效的，结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。GTR由三层半导体、两个PN结组成。和小功率三极管一样，有PNP和NPN两种类型，GTR通常多用NPN结构。[1]

　　电力晶体管工作原理

　　在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。GTR通常工作在正偏(Ib>0)时大电流导通;反偏(Ib<0=时处于截止状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。

　　电力晶体管特

　　l 输出电压

　　可以采用脉宽调制方式，故输出电压为幅值等于直流电压的强脉冲序列。

　　2 载波频率

　　由于电力晶体管的开通和关断时间较长，故允许的载波频率较低，大部分变频器的上限载波频率约为1.2～1.5kHz左右。

　　3 电流波形

　　因为载波频率较低，故电流的高次谐波成分较大。这些高次谐波电流将在硅钢片中形成涡流，并使硅钢片相互间因产生电磁力而振动，并产生噪音。又因为载波频率处于人耳对声音较为敏感的区域，故电动机的电磁噪音较强。

　　4 输出转矩

　　因为电流中高次谐波的成分较大，故在50Hz时，电动机轴上的输出转矩与工频运行时相比，略有减小。

　　电力晶体管的基本特性

　　(1)静态特性

　　共发射极接法时可分为三个工作区：

　　① 截止区。在截止区内，iB≤0，uBE≤0，uBC<0，集电极只有漏电流流过。

　　② 放大区。iB >0，uBE>0，uBC<0，iC =βiB。

　　③ 饱和区。iB >Ics/β，uBE>0，uBC>0，iCS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。

　　结论：两个PN结都为正向偏置是饱和的特征。饱和时，集电极、发射极间的管压降uCE很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，如iB继续增加，则为过饱和，用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低uCE和减小导通时的损耗。

　　(2)动态特性

　　图4-8 GTR共发射极接法的输出特性

　　GTR在关断时漏电流很小，导通时饱和压降很小。因此，GTR在导通和关断状态下损耗都很小，但在关断和导通的转换过程中，电流和电压都较大，所以开关过程中损耗也较大。当开关频率较高时，开关损耗是总损耗的主要部分。因此，缩短开通和关断时间对降低损耗、提高效率和提高运行可靠性很有意义。

　　(4)功率场效应晶体管(MOSFET);

　　即是在大功率范围应用的场效应晶体管，它也称作功率MOSFET，其优点表现在以下几个方面：

　　1. 具有较高的开关速度。

　　2. 具有较宽的安全工作区而不会产生热点，并且具有正的电阻温度系数，因此适合进行并联使用。

　　3. 具有较高的可靠性。

　　4. 具有较强的过载能力。短时过载能力通常额定值的4倍。

　　5. 具有较高的开启电压，即是阈值电压，可达2~6V(一般在1.5V~5V之间)。当环境噪声较高时，可以选 用阈值电压较高的管子，以提高抗干扰能力;反之，当噪声较低时，选用阈值电压较低的管子，以降低所需的输入驱动信号电压。给电路设计带来了极大地方便。

　　6. 由于它是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，因此其驱动功率很小，对驱动电路要求较低。

　　由于这些明显的优点，功率场效应晶体管在电机调速，开关电源等各种领域应用的非常广泛。

　　(5)绝缘栅双极型晶体管(IGBT);

　　绝缘栅双极型晶体管insulated-gate-bipolar transistor,IGBT，集MOSFET和GTR的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单、通态电压低、能承受高电压大电流等优点，已广泛应用于变频器和其他调速电路中。

　　(6)复合型电力电子器件;

　　(7)电力电子智能模块(IPM)和功率集成芯片(Power IC);

　　(8)碳化硅和氮化镓功率器件;

　　(9)功率无源元件;

　　无源器件主要包括电阻，电容，电感，转换器，渐变器，匹配网络，谐振器，滤波器，混频器和开关等。在不需要外加电源的条件下，就可以显示其特性的电子元件。无源元件主要是电阻类、电感类和电容类器件，它的共同特点是在电路中无需加电源即可在有信号时工作。

　　(10)功率模块的封装技术、热管技术;

　　(11)串并联、驱动、保护技术。

　　2 电力电子技术发展现状和趋势

　　2.1电力电子器件发展现状和趋势

　　电力电子器件产业发展的主要方向：

　　(1)高频化、集成化、标准模块化、智能化、大功率化;

　　(2)新型电力电子器件结构：CoolMOS，新型IGBT ;

　　(3)新型半导体材料的电力电子器件：碳化硅、氮化镓电力电子器件。

　　2.2 电力电子装置、应用的现状和趋势

　　(1)在新能源和电力系统中的应用

　　电力系统是电力电子技术应用中最重要和最有潜力的市场领域，电力电子技术在电能的发生、输送、分配和使用的全过程都得到了广泛而重要的应用。从用电角度来说，要利用电力电子技术进行节能技术改造，提高用电效率;从发、输配电角度来说，必须利用电力电子技术提高发电效率和提高输配电质量。

　　(2)在轨道交通和电动汽车中的应用

　　电力电子技术在轨道交通牵引系统中的应用主要分为三个方面：主传动系统、辅助传动系统、控制与辅助系统中的稳压电源。在电力电子技术的带动下，电传动系统由直流传动走向现代交流传动。电力电子器件容量和性能的提高、封装形式的改进，以及功能单元的模块化设计技术促进了传动系统装置的简约化，促进牵引电传动系统、辅助系统和控制与辅助电流稳压电源的发展。

　　(3)工业电机节能应用

　　电动机作为电能最大的消费载体，具有很大的节电潜力。我国“十五”和“十一五”计划都将电机系统节能列为节能的重点项目。而随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制。

　　(4)在消费类电子中的应用

　　电力电子技术在消费类电子中的应用主要集中于各类家电中电机的驱动、感应加热、照明驱动和各类个人电子用品电源管理，家用电器依托变频技术，主要瞄准高功能和省电。

　　(5)在国防军工中的应用

　　电力电子技术及电力电子装置已日益广泛地应用和渗透到能源、环境、制造业、交通运输业中，特别是与国家安全和国防有关的先进能源技术、激光技术、空天技术、高档数控机床与基础制造技术等许多重要领域，电力电子技术是关系到上述领域中的核心技术所在。电力电子在现代化国防中得到越来越广泛的应用，所有现代国防装备的特种供电电源、电力驱动、推进、控制等均涉及到电力电子核心技术。

　　2.3电力电子技术发展趋势

　　(1)下一代电力电子装置的变换效率将有极大的提高，采用碳化硅器件的装置的效率将从现有硅器件的85~90%提升到99%，体积减小到1/5~1/20。

　　(2)下一代电力电子器件的装置将开拓全新的应用领域，极大地拓展电力电子技术的影响，诸如进入输电系统、实现智能电网等。

　　3 我国电力电子行业发展现状与机遇

　　3.1我国电力电子器件的市场现状和趋势

　　(1)从2005~2008年我国电力电子市场的增长率平均为23%，到2008年电力电子器件的市场销售额达1016.2亿人民币。

　　(2)随着我国特高压直流输电、高压变频、交流传动机车/动车组、城市轨道交通、电动汽车等技术的发展和市场需求的增加，对超大功率晶闸管、IGCT、IGBT的需求非常紧迫，而且需求量非常大。

　　(3)从2010年到2020年全球IGBT市场将继续保持年均20%左右的增长速度。我国IGBT的市场规模，2010年是的55亿元人民币，预计2015年将增加到137亿元人民币， 2020年将达到341亿元人民币。

　　3.2我国电力电子器件行业与国外的差距

　　(1)高频场控电力电子器件的市场基本上被国外垄断。

　　(2)电力电子器件的生产受到国外竞争。

　　(3)电力电子器件的中、高端芯片的研发和生产的关键技术还有待突破。

　　(4)电力电子器件芯片的生产线有待完善和提高。

　　(5)新型电力电子器件生产的产业链还未形成。

　　3.3我国电力电子装置的发展现状与分析

　　(1)变频器技术

　　国内市场上的变频器厂家有300多家。活跃在我国市场上的国产品牌占70%左右，但市场份额仅占25%。目前，高压变频器的主要市场为内资企业占有，中低压变频器市场主要被外资占有。

　　(2)轨道交通中的应用

　　目前我国高铁运营里程和运行速度均为世界第一，但核心的电力电子器件如IGBT均为进口产品。

　　(3)直流输电技术

　　国内直流输电技术有了跨越式的进步，输送电能容量有了很大的提升。高压直流输电是现今世界上先进的输变电技术，目前国内直流输电市场主要以±500kV超高压直流输电工程和±800kV特高压直流输电工程为主，直流输电的核心设备—国产晶闸管换流阀已获得成功的应用。

　　(4)无功补偿技术

　　无功补偿技术是电力电子大家族的重要成员，其中SVC(静止无功补偿器)是无功补偿装备的代表产品。目前，我国已经完全掌握了SVC设计制造的核心技术，彻底实现了SVC的全面国产化，并已成为国际上最大的SVC设计制造国。

　　(5)新能源中的应用

　　在当前国家启动的发展新能源的战略规划中，将太阳能、热泵、水电、风电、生物质能、交通可替代能源、绿色建筑、新能源装备制造业、对外投资新能源发电等列为我国新能源发展的重点领域。我国将重点打造十大新能源工程。

　　(6)国家产业政策的扶持

　　“十一五”期间，国家发改委启动了支持新型电力电子器件产业化项目，第一批完成了对国内众多电力电子(包括IGBT)芯片和模块企业的支持，培育了一大批功率电子的研发骨干企业。在“十二五”即将到来之际，国家发改委和工信部又发布了支持电力电子器件研发和产业化的众多专项支持计划，对IGBT的支持也首次写进了国务院牵头、科技部组织的国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”，明确了国家对IGBT芯片研发、制造工艺、模块封装、制造装备和材料全面支持。

　　(7)全球功率半导体产业转移趋势

　　全球功率半导体产业转移趋势促进了我国电力电子器件需求的增长和技术的进步。目前，全球领先的制造商全力发展微电子半导体，而将大功率半导体器件产业向新兴市场国家特别是中国转移，主要表现为：制造转移、采购转移、技术转移。

　　(8)下一代宽禁带电力电子器件发展的机遇

　　我国正面对着一个发展高功率碳化硅电力电子器件、实现跨越式发展并迅速赶上以致超越西方国家的绝好机遇。在这样一个迅速发展的领域，我国的电力电子产学研机构急需进行大量的基础性研究工作，巩固和发展科研队伍，加强在国际上的影响，为发展高功率碳化硅电力电子器件奠定良好的基础。高功率碳化硅电力电子器件的发展目标，旨在满足国家当前在节能减排、开发新能源、传统产业转型以及军事安全等领域的迫切需求，同时瞄准国际发展前沿，实现高功率碳化硅电力电子器件的基础理论创新、设计方法创新和系统分析创新。

　　4 我国电力电子行业发展战略规划

　　4.1编制原则

　　我国电力电子产业化，要以科学发展观为指导，围绕我国低碳经济发展的重大战略需求，瞄准节能减排、发展新能源和培育新兴战略产业的应用，充分发挥巨大的国内市场需求，坚持“政府推动、市场主导，自主创新、广泛合作，整合资源、重点突破，立足国情、跨越发展”的原则，抓住机遇推动电力电子器件产业化，优化我国电力电子产业结构，为国家低碳经济发展做出贡献。

　　4.2 发展目标

　　(1)高频场控电力电子器件和装置产业

　　(a)大力推进IGBT、MOSFET、FRD等高频场控电力电子芯片和模块的产业化，成具有自主知识产权的芯片设计、制造和封装技术，掌握沟糟型、电场中止型的NPT型IGBT的设计及制造技术，包括结构设计、可靠性设计，以及光刻、刻蚀、表面钝化、背面研磨、背面离子注入、背面金属化、测试等工艺技术，提高产品档次。尽快形成芯片和器件的规模化生产。

　　(b)在芯片工作的基础上，加速并扩大采用上述国产芯片各类模块的产业化：为满足电机节能、冶金、新能源、输变电、汽车电子、轨道交通等领域对功率模块的实际需求，实现采用自主知识产权的芯片和功率模块产业化，确保国产芯片达30%。除了大功率模块之外，还应该开发智能功率模块(IPM)和用户专用功率模块(ASPM)等，重点解决模块制造中的散热关键技术、电磁兼容(EMC)技术和智能功率模块的驱动及保护技术等。

　　(c)形成高端功率集成电路(PIC)产业，包括功率MOS智能开关，电源管理电路(20V到700V，功率达到1000W)、半桥或全桥逆变器、电机驱动器(三相全桥电路的集成，功率达到1000W，用于空调等应用中)、PWM专用SPIC、集成稳压器等产品和产业，力争在国内市场中占据20%以上的市场份额。

　　(d)形成高频场控电力电子器件生产的原材料及配套件的产业化：重点解决高阻区熔硅单晶(电阻率达到200cm以上、单晶直径达8英寸)、陶瓷复铜板、铝碳化硅基板、结构件等的制造技术和提高产品质量，满足规模生产的需求。

　　(e) 建立国家级的高频场控电力电子器件的测试平台，制定和完善电力电子器件标准。

　　(f)鼓励和促进国产高频场控电力电子器件的应用，使器件的制造和应用相互促进推进我国的电力电子技术和产业的发展，确保国产高频场控器件的市场占有率20～30%。

　　(g)鼓励推广采用自主技术芯片、器件和功率模块的应用装置产业化，包括变频装置逆变装置、感应加热装置、无功补偿、有源滤波、通信(网络)电源等，使国产化的电力电子器件在国产装置中所占比重提高到20～30%。

　　(h)在各应用领域培育使用国产高频场控器件的重点企业，给予政策性支持，开展国产化的示范应用。在轨道交通、新能源汽车、电机节能、绿色电源、消费电子等领域培育重点，树立典型，发挥示范作用，带动和推广国产器件的应用。

　　“十二五”期间，国产IGBT在国内总销售额争取达到20～30%，培育5～10家在国内IGBT产业销售额过亿元的企业;形成商业化的产业规模。预计2015年IGBT的销售收入25亿元，带动电力电子装置规模达到500亿元～1370亿元左右。

　　(2)宽禁带半导体材料和电力电子器件的研发

　　我国在该领域还未开展研发，为此要积极开展碳化硅材料和器件的科研，掌握碳化硅材料和电力电子器件关键的设计优化、制造工艺和封装基本技术，建立自主的下一代电力电子器件的研发能力和产业化的基础。争取在“十二五”期间，达到以下目标：

　　(a)研发出4英寸的具有器件制造质量的碳化硅单晶衬底;

　　(b)建立60微米以上的高电阻率碳化硅外延能力;

　　(c)研制出5000V以上的碳化硅二极管和碳化硅晶体管芯片;

　　(d)研制出40A以上的碳化硅二极管、20A以上的碳化硅晶体管芯片，

　　(e)研制出400A以上的碳化硅二极管模块，200A以上的碳化硅晶体管模块。

　　(3)电力电子装置

　　“十二五”期间，电力电子装置及应用方面的目标则是重点解决目前新能源开发、轨道交通、电动汽车、电力系统、消费电子、国防应用中急需的各种不同容量、高功率密度、高性能的电力电子装置，研究和开发各应用领域中电力电子装置与节能关键技术，并实现完整的相应产业链。建议在发展布局、支持原则、优先发展重点以及实施措施上考虑以下几点：

　　(a)形成电力电子装置生产产业链;

　　(b)建立公共的电力电子装置检测试验平台;

　　(c)产业化中的关键技术问题研究;

　　(d)电力电子装置的专用应用标准研究;

　　(e)建议重点开发的产品和相关技术研究：

　　* 高压大功率电动机变频调速系统;

　　* 大功率风力发电并网变频器;

　　* 大功率光伏发电并网变流器;

　　* 新能源混合动力及电动汽车用变流器;

　　* 轧钢系统专用变频器;

　　* 特高压直流换流阀暂态仿真模型的建立;

　　* 换流阀高电位整体屏蔽和屏蔽性能的研究;

　　* 特高压直流换流阀的绝缘配合、局部放电水平的控制与抑制技术;

　　* 特高压直流换流阀关键器件的开发研制;

　　* 特高压直流换流阀冷却水路、高压光缆、光缆槽布局及材料防老化措施的研究;

　　* 特高压直流输电换流阀型式试验规范的研究;

　　* 实现±800kV特高压直流输电换流阀产业化，研制±1000kV特高压直流输电换流阀;

　　* 时速300～350公里高速铁路和大功率电力机车用变流器核心控制技术的研究和开发、消化吸收、再创新，实现国产化生产;

　　* 兆瓦级(1.5兆瓦～5兆瓦)风力发电机用变频器实现低电压穿越技术的研发及突破高压(1700V～6500V)大功率IGBT芯片工艺开发技术，实现国产化生产;

　　* MW级双馈式风电机组变流器;

　　* MW级直驱式风电机组变流器;

　　* 风力发电机组变浆控制系统;

　　* 采用电力电子变换器装置实现变速恒频双馈风力发电系统;

　　* 采用电力电子变换装置为风力发电机提供无功控制;

　　* 静止无功补偿装置(SVC)支持交流风电输电的无功补偿;

　　* 基于电压源换流器(VSC)技术的风电直流输电(HVDC light);

　　* 风电交流并网控制;

　　* 风电电能存储和送变;

　　* 二极管箝位多电平逆变器;

　　* 空间矢量调制(SVM)技术;

　　* 电流源型变频器技术;

　　* 高性能传动控制技术;

　　* 模块化多电平变流器研究;

　　* MMC模块的底层开关控制策略与上层无功功率、有功功率及电流跟踪控制策略的研究;

　　* 新材料的研究、开发。

　　(4)研究团队和人才培养

　　“十二五”期间，培养具有良好的研究基础和较高水平的电力电子技术研究团队，在IGBT器件产业化、下一代宽禁带碳化硅电力电子器件及其相应的电力电子装置的研发设计，使其具有一定国际竞争力。培养造就规模宏大、结构优化、布局合理、素质优良的人才队伍，努力实现人才资源稳步增长、队伍规模不断壮大。人才素质大幅度提高。人才结构进一步优化，人才竞争优势明显增强，竞争力不断提升。

　　4.3 我国电力电子行业发展的措施和建议

　　(1)建议采用重点支持的原则，把电力电子技术的发展列入国家中长期发展规划，进行持续的、分阶段的支持;并且，在国家政策方面进行的扶持，基于以下两个原则：

　　(a)重视电力电子技术在我国国民经济发展和国防科技中的重要作用，把电力电子技术的发展列入国家中长期发展计划，进入“十二五”发展规划的重点，在发改委、科技部、工信部等国家部委的规划中进行重点支持。

　　(b)对电力电子技术进行持续支持;我国的电力电子器件和装置产业良好的发展需要政府长期持续的关心、支持和引导，建议由政府牵头，组织业内外专家制定2011~2020年的中长期发展计划，进行连续的、分阶段的支持发展。

　　(2)支持以电力电子器件为核心的电力电子产业，突破瓶颈，推动电力电子装置和系统发展;

　　(3)加大对下一代宽禁带电力电子器件的战略科研投入;

　　(4)建立电力电子完整的的产业链，积极扶持器件、模块、装置和系统应用整个产业链的相互促进，鼓励建立产业联盟;

　　(5)重视自主知识产权体系的建设，促进产学研用紧密结合，重视人才队伍和梯队结构的建设。

　　5 结语

　　“十二五”期间是实现我国小康社会的关键时刻，是我国实现强国强军梦想的重要阶段。为了实现这个宏伟的目标，必须认真贯彻我国政府制定的节能减排、绿色环保、低碳经济的基本国策。电力电子是实现上述基本国策的关键技术，和实现小康社会、强国强军紧密相连，发展电力电子技术和产业已成为我国科技、经济和国防的当务之急。发展我国的电力电子技术及产业，必须走有中国特色的创新之路，即坚持产学研用相结合，从跟踪国外先进技术开始，逐步走上自主创新之路。同时，要把技术创新和产品应用、市场推广相结合，以加快科技创新的良性循环，使我国电力电子产业和器件制造技术、产品设计技术得到长足的发展，通过“十二五”期间的努力，使我国电力电子技术和产业有一个跨越式的提高和发展，满足国民经济飞速发展的要求。