電力電子技術(shù)的二十年及其未來

——思考走向信息時代的電力電子學

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我國的電力電子學會成立至今，已有20個年頭了。當年我曾為此準備過一篇詳細的綜述文章，在成立大會上作了介紹。最近著意去找了一下這二十年來寫就的多篇有關(guān)電力電子技術(shù)的文章。前后對比之后，深感電力電子技術(shù)確實已有了很大的發(fā)展。特別有個新感受是：由于時代的變遷，電力電子的側(cè)重點和內(nèi)容也正在發(fā)生巨大的變化。

　　電力電子學在當年是一個嶄新的名詞，因而我花過很多時間就其形成、定義、特征、分類及其展望作了一番論述。當時我曾提到：五十年代末誕生了集成電路和晶閘管。從集成電路的發(fā)展形成了微電子學，其應(yīng)用是信息電子學。從晶閘管及其他電力半導體器件的發(fā)展和變流技術(shù)結(jié)合則形成電力電子學。但當時對信息電子和電力電子的關(guān)系很少考慮過，潛意識地感到它們是屬于兩個各奔前程的學科。

　　從二十年的發(fā)展來看，半導體器件確實起了推動電子技術(shù)發(fā)展的作用。集成電路對信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要作用是誰都了解的。晶閘管等電力半導體器件也扮演了電力電子發(fā)展中的主要角色。難怪當初電力電子的倒三角定義的中心就是晶閘管。這些年來的經(jīng)驗表明：當某種關(guān)鍵的半導體器件誕生后，往往會引起電子技術(shù)的一個飛躍。這也就容易理解當MOS功率器件誕生后為何又一次使電力電子技術(shù)跨上了一個新臺階。當然對MOS器件的深入認識也有個過程：最初根據(jù)場效應(yīng)晶體管的單極性結(jié)構(gòu)，很自然理解到它必然具有較快的開關(guān)速度，從而帶動了高頻電力電子技術(shù)的發(fā)展。又從其電壓控制模式，理解到它很容易和微電子器件接口，功率集成電路就此應(yīng)運而生，使MOS器件的控制方式大為豐富并簡化。但當時還沒有理解到，MOS晶體管實際上還是一種具有最低阻抗的整流器件。乍一看來，利用晶體管去代替整流器似乎難以理解，可是采用了同步整流的原理后這個問題就解決了。這樣正好符合了電腦發(fā)展所必須的超低壓電源的特殊需要，從而也就更增加了功率MOS晶體管的重要性。

　　在半導體器件的發(fā)展中，必須注意到微電子器件永遠是先導和主體。微電子器件的產(chǎn)值占有著半導體器件中的絕大部分，它主導了半導體新技術(shù)的發(fā)展。更重要的一點是：它在信息化的過程中起了關(guān)鍵作用。當今我們正處于這樣一個時代，按我們國家的話來說：大力推進國民經(jīng)濟和社會信息化，是覆蓋現(xiàn)代化建設(shè)全局的戰(zhàn)略舉措。這一點，在過去的年代里是無法想象的。這在某種程度上也說明了要使電力電子行業(yè)有更快發(fā)展，和信息電子掛鉤也將是一個重要舉措。

圖1 計算機及internet消耗電能的比例

　　我們過去常把微電子比作腦子，電力電子比作肌肉，然后兩者共同工作于電力電子裝置之中。那時很少想到微電子或信息電子本身也需要電力電子作為電源，就象腦子需要心臟供血一樣。所以信息電子不僅是電力電子的合作伙伴，而且也將是電力電子的主要客戶。過去我們常忽視這一點，也許是因為信息所使用的電能似乎是微乎其微的，因而認為電力電子的節(jié)能作用對信息電子并不重要。甚至感到它并不屬于電力電子的范疇。圖1顯示了美國信息電子消耗電能所占的比重及其逐年增加的勢頭，圖中還顯示了網(wǎng)絡(luò)消耗電能的劇增。信息電子需要這么大的能源供給可能使許多人都意想不到。但是這卻說明了優(yōu)化信息電子所采用的電源，應(yīng)該是電力電子界的重任。特別需要說明的一點是：對便攜式（portable）電器來說，節(jié)省電池的電能還有另一層次的意義。因為對使用膝上電腦、掌上電腦、手機的人們來說，最關(guān)心或煩惱的事，就是每次充電后可使用的時間；同時人們總希望進一步縮小所使用的便攜式電器，節(jié)省電能就為此創(chuàng)造了條件。

圖2CUP對電源的要求

　　另一個更重要的情況是：信息電子對電源常常有其獨特的要求：例如通信系統(tǒng)中要求大量的DC/DC低壓電源，而電腦也要求低壓大電流快響應(yīng)的電源（見圖2）?？梢韵胂髮σ粋€低到只有1V的電源，卻又要求在高效率下流出100A的電流，這樣的電源在制作時遇到很多困難。因為PN結(jié)零偏壓勢壘就有(0.5～0.7)V，它在超低壓電源中是不可能起到有效整流作用的。因此，信息電子對功率半導體器件及電力電子技術(shù)提出了許多特殊要求。這些不僅已成為電力電子的最重要的新方向，而且也已成為一些功率半導體器件廠的新器件的主要發(fā)展方向和高收入來源。

　　上面的敘述說明了兩個問題，一方面是半導體器件對電力電子技術(shù)起了推動作用，另一方面已形成的新產(chǎn)業(yè)和新應(yīng)用反過來又對半導體器件提出新要求。就象每十年集成度翻一倍的微電子推動了信息電子的迅速發(fā)展，而信息電子又反過來要求微電子及電力電子去配合以達到它自身更新的發(fā)展。電力電子在信息電子發(fā)展的道路上，雖然不是主體，但卻是不可缺少的一員。對電力電子本身來說，這是開辟其新發(fā)展方向的重要機遇。

　　二十年前，我介紹了晶閘管及其他自關(guān)斷器件取代水銀整流器，晶體管電路或集成電路作為控制部件取代單結(jié)管及磁放大器等的過程?，F(xiàn)在看來很多話題已很陳舊，但這也說明二十年來我們確實已取得了許多進步，發(fā)生了很多變化。一些當時認為最先進的東西現(xiàn)在已變成很一般了。當時認為的電力電子技術(shù)應(yīng)用的三大支柱：電化、牽引和直流傳動現(xiàn)在已趨成熟，新的三大熱門：交流傳動、直流輸電及無功補償已進入實用。我國近年來在交流傳動、牽引等方面確實有了很大的發(fā)展。有些項目，例如三峽直流輸電工程，是全國最重大的項目之一，將對國民經(jīng)濟的發(fā)展起到巨大的作用。但我們卻又看到一部分傳統(tǒng)的功率半導體器件或有關(guān)廠家，日子并不好過。如果把我們的視野進一步擴展到信息電子行業(yè)，把電力電子看作是和信息電子同步發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，也許有可能取得新的發(fā)展動力。我們?yōu)橹畩^斗許多年的行業(yè)，就有可能在信息時代的發(fā)展中，尋到自己另一個新的位置。

　　我們行業(yè)內(nèi)有許多仁人志士，積極爭取在我國發(fā)展MOS型器件制造，我十分期盼著他們的成功。它對我國電力電子技術(shù)的發(fā)展，將會產(chǎn)生重大的影響。從目前我國的實力來看，取得成功的可能性是大大地增加了。國外某些功率半導體器件公司，其產(chǎn)品的主要客戶已經(jīng)有了轉(zhuǎn)變，首先是信息產(chǎn)業(yè)，其次才是工業(yè)應(yīng)用。而汽車工業(yè)和家用電器，近期也有很快的發(fā)展。當客戶大量面向信息、汽車、家電后，生產(chǎn)業(yè)績就有很大的上升。遺憾的是我國的器件制造業(yè)還不可能做到這一點，但相應(yīng)的電力電子客戶已有可能做到。我們的學術(shù)界，應(yīng)有可能起到帶頭和輿論導向的作用。

　　過去我們常感到中國在信息電子方面是很落后的，這個認識現(xiàn)在必須改變。中國最近宣布，其電話用戶已突破2億戶，其中包括手機6500萬戶，這些都已成為世界第二。要看到，1979年時，才僅僅約200萬戶。1992年達1000萬、1998年達1億戶，現(xiàn)在又達2億戶，其發(fā)展速度是驚人的。我國的網(wǎng)絡(luò)用戶，過去以每年14倍的速度發(fā)展，已列入世界第八位。據(jù)美國某投資銀行估計，三年后中國的網(wǎng)民會達到8千萬。說明我們在信息化的過程中，其速度是非?？斓摹Ｔ偌由衔覈鴮π畔a(chǎn)業(yè)的重視，其發(fā)展還會進一步加快。要看到信息產(chǎn)業(yè)已成為我國國民經(jīng)濟發(fā)展的主要推動力。上海最近就提出了要在五年內(nèi)投入1500億元集中發(fā)展信息電子產(chǎn)業(yè)，并要建造10條以上集成電路生產(chǎn)線，以使上海信息電子產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值占全市工業(yè)總產(chǎn)值的25％。這僅是一個例子，但從這里可看到其發(fā)展勢頭。我國不僅早已是鋼產(chǎn)量世界第一、最近發(fā)電量也成為世界第一，許多家用電器也是世界第一，這說明我國信息和電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還有其他產(chǎn)業(yè)作為后盾。不能把信息化的過程僅僅視為在計算機、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用，實際上其范圍是更為廣泛的，并不是說信息化時代，所有東西都要和信息掛上邊。信息時代的產(chǎn)品，當然不會統(tǒng)統(tǒng)是信息產(chǎn)品，例如汽車正在進一步電子化或電動化，為了操作更方便，行駛更安全，汽車中愈來愈多的微電子電路和功率集成電路參與控制，有愈來愈多的電子安全保護。汽車電子還為汽車的節(jié)能發(fā)揮了重要作用。從功率半導體廠的發(fā)展來看，汽車電子可能成為其第二大客戶。這些并不都是信息化的應(yīng)用，但這是當今這個時代的新技術(shù)。當然汽車中也在發(fā)展導向裝置，現(xiàn)在上海的有些出租車，管理部可直接讀到它的具體位置，有的公交車路牌，可動態(tài)標示下輛車還有幾分鐘可以到達，這些也可算是信息化的一種表現(xiàn)。家用電器將是功率半導體廠的第三或第四重要客戶。家用電器中電源的進一步發(fā)展會和通信中的電源有共通之處。家用電器中的變頻調(diào)速，所采用的大多是MOS型器件，已普遍用于空調(diào)、冰箱之中，在洗衣機中的發(fā)展也已開始。這些變頻調(diào)速，用到從整流到逆變，從控制到主部件等各種元器件，是最典型的電力電子應(yīng)用。我們不能因為家電的功率不大，就忽視了它在電力電子中的位置，這是一個必須強調(diào)的方面。此外，當這些微波爐、空調(diào)、冰箱和網(wǎng)絡(luò)有了結(jié)合，就有可能成為今后的另一個新熱點，即所謂信息家電。但這僅是信息家電的一個概念。信息家電的主要概念和方向是將家電中的電視、電話（包括手機）、VCD、CD、電腦、游戲機、新聞或小說閱讀、電子郵件、電子商務(wù)、數(shù)字相機、數(shù)字攝像機、家庭保安中的若干部分組合在一起。據(jù)說日本的信息家電1998年已達2萬億日元。這些發(fā)展都需要電源和電力電子。房地產(chǎn)業(yè)是拉動我國國民經(jīng)濟的另一要素，有了新住房就要新電器，這是家用電器包括功率半導體器件的一個新機會。不少住宅區(qū)已和網(wǎng)絡(luò)建立聯(lián)系，信息電子已和每個家庭掛鉤。中國的有線電視的覆蓋率已達70％以上，這也為信息家電進入家庭創(chuàng)造了條件。據(jù)說今后有可能模糊電腦、通信和家電的界限。但另一說法是，信息家電永遠代替不了個人電腦。同時目前的信息電子也已進入了金融、保險等行業(yè)，而各種信用卡、交通卡、煤氣卡等等都在發(fā)展。據(jù)說上海是世界上第二個使用公用交通卡的城市，坐公交車、地鐵、出租車都可以用它。在電腦發(fā)展方面，（要注意，這是電力電子的重要服務(wù)對象）中國去年銷售6百萬臺。近年來，中國的電腦制造業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展。我國的東莞，據(jù)說已是世界最大的電腦零部件產(chǎn)地，已可供應(yīng)95％的零部件。用IBM人的話來說，如果香港和東莞的交通有了堵塞，則全球75％電腦市場就會受到影響。總之，當前信息電子的概念已經(jīng)進入了幾乎每個領(lǐng)域，而我國在信息電子方面也已有了一定規(guī)模。

　　綜上所述，我認為二十年來，整個國民經(jīng)濟的發(fā)展形勢已有很大的變化。全球包括中國正在進一步信息化，在此形勢下，電力電子技術(shù)必須考慮跟上這一變化，其原因如下：

　?。?）信息產(chǎn)業(yè)已成為國家的最重要的產(chǎn)業(yè)之一。甚至影響整個國民經(jīng)濟和社會的發(fā)展。信息電子應(yīng)用、以及采用這個時代最新技術(shù)的汽車電子和家用電器，將有可能成為今后電力電子的最主要的一些應(yīng)用方面。

　?。?）根據(jù)信息產(chǎn)業(yè)對電力電子技術(shù)的需要，專門服務(wù)于信息產(chǎn)業(yè)的功率半導體器件及其應(yīng)用技術(shù)已有了長足的發(fā)展，且已能滿足信息產(chǎn)業(yè)的需要。這些新技術(shù)，今后將影響電力電子的進一步發(fā)展。

　　我上面的敘述，并不表明不重視傳統(tǒng)電力電子學的發(fā)展。而只是表明，電力電子工作者要關(guān)心信息化過程中電力電子的新作用。我比較趨向于把大（功率）電力電子技術(shù)和?。üβ剩╇娏﹄娮蛹夹g(shù)都明確地歸納在電力電子之中。兩者都應(yīng)受到重視，以共通的技術(shù)來互相補充和互相促進。我還建議那些卓有成就的電力電子學者和專家，分一部分精力來思考走向信息時代的電力電子技術(shù)，思考未來二十年電力電子可能達到境界。這樣會更有利于開拓新的技術(shù)，取得新的活力，發(fā)展新的產(chǎn)品。

　　謹以此文，獻給二十年來致力于發(fā)展電力電子技術(shù)的同志們，望大家取得新的進步。