1.6　电力电子技术的展望

1.功率器件

功率器件的发展是电力电子技术发展的基础。功率MOSFET至今仍是最快的功率器件，减少其通态电阻仍是今后功率MOSFET的主要研究方向。1998年出现了超级结（super junction）的概念，通过引入等效漂移区，在保持阻断电压能力的前提下，有效地减少了MOSFET的导通电阻，这种MOSFET被称为CoolMOS。CoolMOS与普通MOSFET结构的比较如图1-4所示。其中表示器件衬底，表示厚的低掺杂的N-外延层。比如600V耐压的CoolMOS的通态电阻仅为普通MOSFET的1/5。它在中小开关电源、固体开关中得到广泛的应用。

IGBT综合了场控器件快速性的优点和双极型器件低通态压降的优点。IGBT的高压、大容量也是长期以来的研究目标。1985年，人们认为IGBT的极限耐压为2kV，然而IGBT器件的阻断电压上限不断刷新，目前已达到6.5kV。采用IGBT改造GTO变频装置，减小了装置的体积和损耗。IGBT阻断电压的提高，使其能覆盖更大的功率应用领域，如IGBT替代GTO改造原有电气化电力机车的变频器。IGBT正不断地蚕食晶闸管、GTO的传统领地，在大功率应用场合极具渗透力。提高IGBT器件的可靠性，如采用压接工艺等也是重要发展方向之一。对于应用于市电的电力电子装置的低压IGBT器件，其主要性能提高目标是降低通态压降和提高开关速度，出现了沟槽栅结构IGBT器件。面临IGBT的追赶，出现GTO的更新换代产品IGCT，如图1-5所示。IGCT通过分布集成门极驱动、浅层发射极等技术使器件的开关速度有一定的提高，同时减小了门极驱动功率，方便了应用。IGCT正面临ICBT的严峻竞争，IGCT的出路是高压、大容量化，可在未来的柔性交流输电（FACTS）应用中寻找出路。

宽禁带功率器件是21世纪最有发展潜力的电力电子器件之一。目前最受关注的两种宽禁带材料是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），图1-6是两种宽禁带材料与硅材料的特性比较。SiC材料的临界电场强度是硅材料的10倍，热导率是硅材料的3倍，结温超过200℃。从理论上讲，SiC功率开关器件的开关频率将显著提高，损耗减至硅功率器件的1/10。由于热导率和结温提高，因此散热器设计变得容易，构成装置的体积变得更小。由于SiC器件的禁带宽、结电压高，因此比较适合于制造单极型器件。目前600V和1.2kV的SiC肖特基二极管产品几乎具有零反向恢复过程，已经在计算机电源中得到应用。2011年1200VSiC MOSFET和SiCJEFT实现了商业化。采用SiC JEFT的光伏逆变器实现99％的变换效率。SiC功率器件将应用于电动汽车、新能源并网逆变器、智能电网等场合。近年来，氮化镓功率器件也十分引人注目，由于氮化镓功率器件可以集成在廉价的硅基衬底上，并具有超快的开关特性，受到国际上的关注。主要面向900V以下的场合，如开关电源、开关功率放大器、汽车电子、光伏逆变器、家用电器等。

2.再生能源与环境保护

现代社会对环境造成了严重的污染。温室气体的排放引起了国际社会的关注，大量的能源消耗是温室气体排放的主要原因。发达国家的长期工业化过程是造成温室气体问题的主要原因。然而，改革开放以来，我国的能源消费量急剧上升，二氧化碳排放量也有较大增加。1997年在日本京都召开的“联合国气候变化框架公约”会议上，通过了著名的《京都议定书》COP3，即温室气体排放限制议定书。通过国际社会的努力，2005年《京都议定书》正式生效。

扩大再生能源应用比例和大力采用节能技术是实现《京都议定书》目标十分关键和有效的措施。欧盟制订了20-20-20计划，到2020年可再生能源占欧盟总能源消耗的20％。2007年12月美国总统签署了《能源独立和安全法案》（EISA）。

我国也十分重视再生能源的开发利用，2006年我国施行了《再生能源法》。制定了《可再生能源中长期发展规划》，到2020年我国可再生能源将占总能源消耗的15％。2010年我国累计风电装机容量为4200万kW，居世界第一，预计到2020年累计风电装机容量将逾1亿kW。2010年我国累计光伏装机容量为100万kW，预计到2020年我国累计光伏装机容量将逾4000万kW。

光伏、风力、燃料电池等新能源推动了电力电子技术的发展，并形成了电力电子产品的巨大市场。由于光伏、风力等再生能源发出的是不稳定、波动的电能，必须通过电力电子变换器，将再生能源发出的不稳定、不可靠的“粗电”处理成高品质的电能，如图1-7所示。此外，电力电子变换器还具有风能或太阳能的最大捕获功能。因此，电力电子技术能提升新能源发电的可靠性、安全性，使其成为具有经济性、实用性的能源的支撑科技。

3.电动汽车

纯电动汽车与汽油汽车的一次能源利用率之比为1∶0.6。因此，发展电动汽车可以提高能源的利用率，同时减少温室气体和有害气体的排放。电动汽车的关键技术是电池技术和电力电子技术。为回避对大容量动力电池的依赖，日本开发了将汽油驱动和电动驱动相结合的混合型电动汽车，并实现了产业化，如丰田Prius和本田Insight。图1-8所示为混合型电动汽车的驱动结构图。

混合型电动汽车的产业化前景已引起美国汽车行业的注意，为防止失去混合型电动汽车的市场，美国开发Plugin混合型电动汽车，Plugin混合型电动汽车配置了一个较大的电池。由于混合型电动汽车无法解脱依赖石油的束缚，纯电动汽车才是理想的目标，但需要解决电池的问题。铅酸电池价格低，但能量密度低，体积大，一次充电的持续里程短，可充电次数少。于是，开发比能量密度、比功率密度的电池成为研究热点。近年来，磷酸铁锂动力电池由于其安全性、比能量密度、比功率密度等综合优势，已在电动汽车中获得实际应用；另一种受到关注的电池是以氢为燃料的质子交换膜燃料电池，它具有能量密度高的显著特点，因此燃料电池电动汽车是未来理想环保的交通工具，图1-9所示为燃料电池电动汽车的结构。质子交换膜燃料电池开发重点是低成本化、长寿命。我国也十分重视电动汽车的研究开发，已在部分城市进行电动汽车的应用示范。电动汽车产业将带动如电动机驱动、逆变器、DC/DC变换器、辅助电源、充电器等电力电子产品的发展。

4.轨道交通

我国客运专线运行的高速动车组时速为200～350km，采用电力牵引交流传动系统，如图1-10所示。牵引变流器由预充电单元、四象限变流器、中间直流侧电路、牵引逆变器组成。在牵引变流器中，3300V/1200A、4500V/900A、6500V/600A等级的ICBT器件成为主流，各约占1/3。

在城市轨道交通方面，2015年已有超过85条城市轨道线路，总长为2700km，甚至更长。到2020年，北京、上海、广州、南京、天津、深圳、成都、沈阳、哈尔滨、青岛等城市将建成、通车的线路总计40多条，约6000km，总投资在7000亿元以上。

电力电子技术是轨道交通的核心技术。我国继续开展高压大功率电力电子器件、大容量高功率密度功率变流器、电力电子牵引交流传动控制技术的研发工作，以满足我国高铁和城市轨道交通的发展需求。

5.智能电网

目前在国际上正在进行一场电力系统的创新——智能电网。智能电网的核心技术包含信息技术、通信技术和电力电子技术。智能电网的目标是提高电力系统资产的利用率，减少能耗；提高电力系统的安全性、经济性；提高电力系统接纳新能源的能力，实现节能减排。智能电网将推动电力市场的发展，将使电力市场的发电方与供电方从垄断走向社会化。电力市场将促进分散供电系统的发展，可大幅度地减少电力输送的能耗，同时提高电力系统的安全性，有利于能源多样化的实施，对国家安全有利；有利于采用再生能源、环保发电技术。从技术层面来讲，电力市场的引入将出现按质论价的电能供应方式，产生对电力品质改善的装置，如不间断电源（UPS）、静止无功补偿装置（SVC）、静止无功发生器（SVG）、动态电压恢复器（DVR）、电力有源滤波器（APF）、限流器、电力储能装置、微型燃气发电机（micro gas turbo）等；再生能源、环保发电技术等分散发电将需要交直流变流装置。电力市场将使柔性交流输电技术全面应用成为现实，带动直流输电（HVDC）、背靠背装置（BTB）、统一潮流控制器（UPFC）等电力电子技术的应用。图1-11所示为电力电子技术在电力系统中应用的示意图。

目前再生能源的规模应用仍存在一定的困难，风能、光伏等再生能源存在间歇性、不稳定性等问题。针对分布式电源的困境，“微网”的概念应运而生。微网将化石能源、光伏、风力、储能装置等局部的电源和局部负荷构成一个小型的电能网络，可以独立于外电网或与外电网相连，如图1-12所示。可弥补再生能源存在的间歇性、不稳定性等问题。微网可以小到给一户居民供电，大到给一个工厂或社区或一个工业区供电。微网可以通过一个潮流控制环节与外部大电网相连，既能实现微网与大电网的电能交换，也能实现微网与外电网故障的隔离。此外，微网具有能源利用率高的显著特点，如果采用热电联产，可以进一步提升能源利用效率。可见，微网能够起到风能、光伏等分布式电源规模化推广的助推器的作用。

随着电动汽车的普及，大量电动汽车同时充电将对电力系统造成沉重负担，需要将智能电网和储能技术相结合，借助市场杠杆实现充电的智能管理。另外，每个电动汽车都是一个储能装置，这种数量众多的分布式的储能装置，可以用来增加电力系统备用能力、实现电源与负荷平衡、提高故障处理能力、提升系统的经济性，是一种新的调控工具。于是就出现了所谓电动汽车对电网作用的研究（V2G）。

6.IT产业

由于IT技术的迅速普及，计算机、网络设备、办公设备的电力消耗日益增加，提高IT设备能源利用效率变得越来越重要。

图1-13所示为传统数据中心电源系统的电能利用效率分析，其利用率约为70％，一次能源的利用率仅为24％，其能源利用率不高的主要原因是串联的功率变换环节级数太多。一次能源由电站转换成电能，然后通过输配电系统到达用户，再通过不间断电源（UPS）、整流器（AC/DC）、隔离型直流/直流变换器（DC/DC）、负载电源调节器（POL），最后供给数据处理芯片（CPU）。目前，出现了一种高压直流供电（HVDC）的数据中心电源系统方案，以减少串联的功率变换环节的级数。未来光伏、燃料电池等新能源发电将被引入数据中心电源系统，以实现节能排放，同时可以提高数据中心电源系统的可靠性。

电源效率的提高，轻载或待机损耗下降，提高电源的功率密度将是未来的重要课题。电源的标准化、智能化、与新能源的融合将是计算机、网络电源发展的方向。

电力电子技术已经渗透到现代社会的各个方面，未来90％的电能均需通过电力电子设备处理后再加以利用，以便提高能源利用率，提高工业生产的效率，实现再生能源的最大利用。电力电子技术将在21世纪中为建设一个节能、环保、和谐的人类家园发挥重要的作用。