电力电子集成技术的现状及发展研究

    电能是迄今为止人类文明史上最优质的能源。正是有赖于对电能的充分开发和利用，人类才得以进入如此发达的工业化和信息化社会。虽然人类在电能的产生、传输和利用方面已经取得了十分辉煌的成就，但是如何更加合理、高效、精确和方便地利用电能，仍然是需要解决的重大问题。

    电力电子技术的诞生和发展使人类对电能的利用方式发生了革命性的变化，并且极大改变了人们利用电能的观念。在世界范围内，用电总量中经过电力电子装置变换和调节的比例已经成为衡量用电水平的重要指标，目前，全球范围内该指标的平均数为40%，而到2010年将达到80%[1]。这就对电力电子技术提出了新的挑战。

    然而现在电力电子技术的发展走到了十字路口，电力电子装置的复杂性与其应用的广泛性间的矛盾越来越尖锐。一方面众多领域需要大量使用电力电子装置，而另一方面，电力电子装置面向的应用千差万别，使得设计、生产和维护需要耗费大量的人力和物力，给普及和推广造成巨大障碍，成为电能利用技术进步的瓶颈。

    目前，国际电力电子学界普遍认为，电力电子集成技术是解决电力电子技术发展面临的障碍，进一步拓展电力电子技术应用领域的最有希望的出路。

    电力电子集成概念的提出有10余年的历史，早期的思路是单片集成，体现了片内系统(SystemOnChip—SOC)的概念，即将主电路、驱动、保护和控制电路等全部制造在同一个硅片上。由于高压、大电流的主电路元件和其他低压、小电流电路元件的制造工艺差别较大，还有高压隔离和传热的问题，故单片集成难度很大，目前仅在小功率范围有所应用。而在中大功率范围内，只能采用混合集成的办法，将多个不同工艺的器件裸片封装在一个模块内，现在广泛使用的电力电子功率模块和智能功率模块(IntelligentPowerModule—IPM)都体现了这种思想。

    1997年前后美国政府、军方及电力电子技术领域一些著名学者共同提出电力电子积木(PowerElectronicBuildingBlock—PEBB)的概念[1-4]，明确了集成化这一电力电子技术未来的发展方向，并将电力电子集成技术的研究推向高潮。

    集成的意义

    集成技术的研究决定着电力电子技术未来的兴衰命运，这一点可以通过与电子技术发展历程的对比来认识。

    回顾电子技术发展的轨迹，在以集成电路为标志的微电子技术出现以前，电子装置的设计、制造和维护也曾有相似情况。微电子技术的出现将电子设计中最主要的难点和绝大部分工作量封装在集成电路中，使装置的设计、制造和维护难度大大降低，每一个受过普通工科高等教育的工程师都可以很容易地设计用于各自技术领域的电子装置，生产的自动化程度大大提高。集成化极大地推广了电子技术的应用范围，使其渗透到生产和生活中的各个方面，给众多产品都打上了电子技术的烙印。应用领域的拓展反过来极大推动了该项技术自身的进步，由于得到了公众认可、资金技术和产业支持以及巨大的市场，电子技术创造出了如电脑、手机、数码照相机、MP3播放器等诸多凝结了其全部精华的技术宠儿。

    历史常有惊人的相似，并使人从中得到启迪。同30年前一样，电力电子也需要从电力电子工程师所造就的象牙塔中走出来，成为从事不同行业、具备基本技能的工程师所能驾驭的有力工具。只有这样，才能期待其更大的发展和更为辉煌的前景。而实现这一目标的途径就是集成[2]。通过集成，可以将现有电力电子装置设计过程中所遇到的元器件、电路、控制、电磁、材料、传热等方面的技术难点问题和主要设计工作解决在集成模块内部，使应用系统设计简化为选择合适规格的标准化模块并进行拼装即可[3]。这一革命性的技术将使现在的电力电子技术领域分化为集成模块制造技术和系统应用技术两个不同的分支，前者重点解决模块设计和制造的问题，通过多个不同学科的紧密交叉和融合攻克电力电子技术中主要的难点;而后者解决针对各种广泛而多样的具体应用将模块组合成系统的问题。

    随着这一技术的发展，集成模块的设计和制造技术将成为电力电子技术本身研究的主要内容，而系统应用技术则渐渐成为具备基本素质的各行业工程师所掌握和使用的一般技术，他们会根据各自行业所针对的应用问题来设计和实现分散在各种装置中的电力电子系统。由此，电力电子产业也将出现分化的趋势，集成模块的制造将成为该产业的主要内容，单纯的电力电子装置制造的份额会逐渐减少，而更多的是渗透到其他的各个行业中去了。但这并不意味着整个产业的萎缩，相反，由于模块在各个不同领域中的广泛应用，与集成电路一样，电力电子产业将期待比现在更加蓬勃的发展。

    集成技术的不同层次和形式

    总的来说，电力电子装置与系统的集成可以分为3个不同的层次和形式：

    1)单片集成，即将电力电子电路中的功率器件、驱动、控制和保护电路都采用半导体集成电路的加工方法，制作在同一硅片上，体现了SOC(SystemOnChip——单片系统)的概念。这种集成方式集成度最高、适合大批量、自动化制造，可以非常有效的降低成本、减小体积和重量，但面临高压、大电流的主电路元件和其他低压、小电流电路元件的制造工艺差别较大，还有高压隔离和传热的问题。故单片集成难度很大，目前仅在小功率范围有所应用，如TopSwitch等。随着新型半导体材料和加工工艺的发展，将来必然向较大的功率等级发展。

    2)混合集成，就是采用封装的技术手段，将分别包含功率器件、驱动、保护和控制电路的多个硅片封入同一模块中，形成具有部分或完整功能的、相对独立的单元。这种集成方法可以较好的解决不同工艺的电路间的组合与高电压隔离等问题，具有较高的集成度，也可以比较有效的减小体积和重量，但目前还存在分布参数、电磁兼容、传热等具有较高难度的技术问题，并且尚不能有效地降低成本，达到较高的可靠性，因此目前仍以中等功率应用为主，并正在向大功率发展。混合集成的典型例子是IPM。在某种意义上，混合集成是在集成度与技术难度之间，根据当前的技术水平所采取的一种折衷方案，具有较强的现实意义，是目前电力电子集成技术的主流方式。

    3)系统集成，也就是系统级的集成，这是目前在工程技术领域普遍采用的集成方案，其含义是将已有的实体经过有机的组合及拼装形成一个完整的系统，在电力电子技术领域，系统集成一般指将多个电路或装置有机的组合成具有完整功能的电力电子系统，如通信电源系统等。系统集成是功能的集成，具有低的集成度和技术难度，容易实现，但由于集成度低，与独立的装置和电路相比，体积和重量都无法显著降低，而且其构成仍以分立的元器件为主，设计、制造都较复杂，不能明显的体现集成的优势。目前，系统集成技术多用于功率很大、结构和功能复杂的系统。

    目前，国际电力电子学界所谈论的集成概念一般指单片集成和混合集成，而很少包含系统集成这一层次。

    主要研究机构

    目前国际电力电子集成领域内比较有影响的研究机构有：美国电力电子研究中心(CenterforPowerElectronicSystem—CPES)[1,2]，美国康奈尔大学电气工程学院[3]，美国阿肯色大学电力电子研究小组[5]，西班牙国家微电子研究中心[6]等。美国通用电气(GE)公司[7]，美国国际整流器公司(IR)，德国赛米控(Semikron)公司，瑞士ABB公司等一些有实力的企业也加入其中。

    CPES目前在该领域的研究中处于核心地位，所研究的内容最为广泛，产出的文献和研究成果数量最多，在一定程度上领导着国际电力电子集成技术的主流研究方向。CPES提出的目标是通过高密度混合集成和多层互连，将电力电子系统中主电路、传感、驱动、保护、控制、通信接口等全部电路和元件都集成到一起，形成具有通用性的标准化电力电子集成模块(IntegratedPowerElectronicModule—IPEM)，用以构成各种不同的应用系统。

    国内学术界目前已经对电力电子集成技术引起高度重视，并形成共识，认为应该在政府的推动下，尽快开展我国的电力电子集成技术的研究工作。来自清华大学、浙江大学、西安交通大学的部分学者已着手从不同的角度进行研究工作[8]，但总的来说还处于起步阶段。

    中国国家自然科学基金已经批准了“电力电子系统集成的理论与关键技术研究”重点项目，由浙江大学，西安交通大学和西安电力电子技术研究所分别承担，于2003年1月起正式启动。国家自然科学基金项目的资助数额虽不大，但这一项目的立项具有深远的意义，标志着我国电力电子集成技术研究的正式启动。

    主要研究内容及现状

    电力电子集成模块的电路技术和磁技术。这一部分的主要研究内容涉及适用于集成模块内的具有通用性的标准化主电路、控制电路、驱动电路、保护电路、电源电路及磁性元件技术。研究的目标是提高电路性能，降低损耗，以尽可能单一的电路方案适应尽可能广泛的应用。

    主电路方面的研究有用于AC/DC或DC/AC变换的软开关电路、用于DC/DC变换的移相全桥型电路和半桥型谐振电路等[9]，如图1、2所示。

    驱动电路方面有可以降低开关噪声的有源驱动技术等。

    控制电路方面有基于DSP和EPLD的可重复编程的数字控制电路等[3,10]。

    通信接口方面有基于现场总线技术和光纤的接口等[10,111]。

    磁技术方面主要对集成磁件和电容、电感、变压器等混合集成进行研究。

    新型电力电子器件

    该领域主要进行有关SiC器件和改进Si器件工艺的研究，试图降低器件的通态损耗和开关损耗，降低发热量，改善模块散热。<