电力电子技术的主要应用领域

电力电子技术的主要应用领域

电源设计中的电力电子技术

现代计算机和通信等都依赖于开关模式变换器的直流电源，这些电源装置可以是笔记本电脑的电池管理变换器，也可以是服务器簇的冗余供电的多变换器电源，或是程控交换机的电源。它们具有多路独立输出、多电压等级的特点，以供给计算机及其外设和显示屏之需。这种小功率电源系统的设计也处处渗透着电力电子技术的最新成就。

分布式供电技术。给计算机系统供电的分布式结构电源.包括个离线式有源功率因数校正（PFC）电路和后级的不同负载点的多个DC/DC.变换器。这种结构因使用中间电压级来进行功率分N而不同干传统的隆压功率变换结构。近期会采用12V的电压总线或 48V 的电压总线，通过各 DC/DC. 变换器把能量传递到各独立的功能板或子系统中。

高动态响应、低电压（2 V以下，甚至1V以下）输出的高性能计算机电源系统正在开发之中。这就需要高功率密度、低功耗、高效率的性能指标，以及同步整流、多相多重、板上功率变换以及板级互联等新技术。到 2004年初，国外实验室已开发出70 A/1.2V、效率87%的局性能电源。在不久的将来，一种更先进的芯片级的互联技术和功率变换技术将会出现在世人面前。

通信工业是供电电源和电池的最大用户之一，使用范围从无绳电话的小电源到超高可靠性的后备电源系统。例如，维持中央办公区电话网络通信的典型电源系统是一个5kW的功率变换器，它由一个前端离线功率因数矫正（PFC）升压变换器和两个2.5kW 的前向变换器组成。前端离线 PFC升压变换器确保电源系统的可靠供电.后端的前向变换器给电话系统直流48V的配电总线提供大电流输出。该领域甚至有其自己主要的年会——国际通信能源会议（INternational TELecommunication Energy Conference，INTELEC）。

太空中电能的产生和储存都很困难，电源在设计上的限制，诸如重量、效率和可靠性等的严格要求，可以说把对电力电子技术研究的努力推向了极致。

太阳能申池、料申池、执申核能，申池组和飞轮，是卫屋和太空探测器的主要电源和储能装置。在绝大多数情况下，因这些电源功率小日电特性不稳定，因此必须应用电力电子技术把这些能源转换成可用的形式，才能满足使用的要求。

现代太空电源系统非常庞大。例如，一个典型的通信卫星就装备有数百个独立直流电源，为每个网络节点提供最可靠的电能;国际太空站上，用以维持科学探索任务和生命支持系统的冗余电源和馈电设备异常复杂。在太空上。因为所有电能损耗的热量都通过辐射冷却的形式散发到太空中，这些电源系统在高温差和强辐射的环境下要确保其可靠性，其挑战性是巨大的.所以电源系统的热管理尤其重要。当今许多基本的由力由子变换由路 最初都是为太空系统设计的，如早期的DC/DC变换器和燃料电池，就是为20 世纪 60年代的太空计划而开发的.其中包括阿波罗登月计划。当今.美国航空航天局.欧洲的大空署，以及它们的主要技术供货商，都是先进电力电子技术的国际巨头。

电机传动中的电力电子技术

在 20世纪 90年代中期以前，大多数调速系统都由采用晶闸管和双向晶闸管器件的变换器供电，最典型的是晶闸管-直流电机调速系统。20世纪 70年代功率晶体管问世后，在功率等级较低的电机中逐步采用了功率晶体管变换器.以获得较好的申电机调速性能。20世纪 90年代中期以来，大功率IGBT的应用，以及 IGBT逆变技术的成熟和发展，迅速在相关功率等级的应用领域取代了晶闸管和双向晶闸管。早期的逆变器，主要用于步进电机.打印机，机器人以及磁盘驱动器等小功率应用中。在大中功率段常用的交一直一交逆亦器有两类。

IGRT变频器和GTO变额器。这些逆变器开始主要用于20~100kW等级的由机传动系统中。如电动汽车电机传动系统、电力机车的辅助传动系统。随着器件容量和装置功率的增加，逐步应用于容量为300~1 000 kW 及其以上的电机传动中，如地铁列车和高速电动车组的牵引传动系统中。由于装置功率大，低压时电流很大不经济，所以一般用中压（1~10kV）。这两种器件各有优缺山.IGBT开关频率高.但导通压隆和损耗大;GTO电压高，电流大，导通压降小.但开关损耗大、开关频率低。

但考虑到驱动等因素，总体上IGBT要受欢迎得多。针对IGBT和 GTO的优缺点，取长补短，开发出了IGCT（集成门极换向晶闸管），它的电压、电流、导通压降和 GTO相近，门极电压驱动，开关快、频率高，像IGBT。目前，商品化的IGBT逆变器已经做到1 000 kW以上，而像舰船潜艇一类的数千千瓦等更高容量的电机传动系统逆变器仍然须采用GTO 或 IGCT。IGCT逆变器在俄国和韩国已有应用，我国也已试验成功。三相逆变器在大功率电机中的真正实用化，极大地推动了交流电机调速的发展。

电力系统中的电力电子技术

电力系统是电力电子技术应用的一个重要领域。近年来电力电子器件和计算机技术的快速发展，使已有的研究成果和技术不断得到改善。最早成功应用于电力系统的大功率电力电子技术是高压自流输电（HVDC））。

1986年美国电力科学研穿院提出了灵活交流输由（FACTS）概念，相继出现了统一潮流控制器等多种设备。

1988年提出了定制电力（Customer Power）的概念。电力电子技术在电力系统中的应用，如在发电环节中的应用，包括大型发电机的静止励磁控制，水力、风力发申机的变速恒频励磁等。在输电环节中高压直流输电（HVDC）和轻型高压直流输电（HVDC Light）技术。近年来，轻型直流输电采用IGBT组成换流器应用在脉宽调制技术进行无源逆变;灵活交流输电（FACTS）技术是"一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活、快速调节的输电技术"。

在配电系统中的应用，如动态无功发生器、电力有源滤波器等，以加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压形率，谐波和不对称度的要求。又要抑制各种瞬态的波动和十扰。电力电子技术和现代控制技术在配申系统中的应用.是在FACT各项成敦技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。

汽车工业中的电力电子技术

汽车工业领域已成为电力电子技术的主要增长占之—。现在人们习惯上说的治车由子实际上就是汽车工业中的电力电子技术。电力电子在新一代汽车上主要应用于以下方面;用电力电子开关器件替代传统的机械开关和继电器;用电力电子控制系统对车上负载进行精密控制∶利用电力电子技术改造原有的12V电源系统，使之成为多电压系统;使用适合电力申千控制的、更先进的驱动申动机。预计在不久的将来.从小功率的车窗 座椅控制。到大功率电传动系统，都蕴涵着电力电子技术的最新成就。

电子点火器，电压调节器，电动机驱动控制和音响系统是当前电力电子技术在汽车工业中最普遍的应用。现代汽车采用电子点火系统，要点燃气缸里的混合气体需要几千伏的电压，应用升压变换器和耦合变压器正在取代传统的火花塞。全电子控制的电助力驾驶系统正在某些车型上采用、这种系统应用电力电子技术控制电机，协助转动驾驶杆，改进了驾驶响应速度，降低了能耗，并消除了皮带传动的噪声，正在取代传统的皮带传动的液压泵。

电制冷空调系统也开始在汽车上装备。汽车头灯的强光灯和尾灯的高亮度LED灯也需要电力电子技术以有效的形式传递电能。一个重大的技术进步是要提高汽车电控系统的电压等级，近期将采用40-50 V等级取代目前的 10~15V等级。比如，汽车音响系统立体声功率放大器通常能传递 40W甚至更大的功率，但12V的供电电源在8 Q的扬声器上最大只能产生18 W的输出，采用电力电子升压变换器可给功率放大器电路提供更高的电压，使之达到家用音响的效果。

在电动汽车和混合动力汽车的主电气系统中.电力申子都起着决定件的作用。纯电动汽车具有高性能、零排放，低成本的优点.但目前仍受电池的阳限制。混合动力汽车采用各种各样的设计方案，把发动机和电驱动系统结合在一起，充分发挥各自的优点。两种汽车的能量控制单元都是逆变器和 DC/DC. 变换器，其容量在千瓦级以上。

采用更高电压、传递更大电流的新型充电器已经诞生。比如一种称为 Hughes 的感应充电器就很有新意。它使用一种类似乒乓球拍的不导电磁性拍板进行感应充电。该磁性拍板相当于变压器的一次侧，它把工频电压转变为80 kHz 的交流电。电动汽车中的充电埠相当于变压器的二次侧，它把高频交流电进行整流和调节.然后对汽车里的电池组进行充电电力电子技术更是电动汽车的核心技术之一，最为主要的是驱动电动机的电传动系统。汽车电传动系统通常由电力电子变换器、电池和控制系统构成。目前新型的电动汽车采用感应电动机，无刷永磁电动机开关磁阳电动机等多种形式.容量从几十到几百干瓦不等，正在逐步取代传统的直流电动机驱动。电力电子变换技术的发展为汽车的新型传动方式提供了坚实的技术保障。

绿色照明中的电力电子技术

照明是人类文明的永恒需求。电光源在 100多年里经历了"白炽灯一直管荧光灯—高压放电灯—节能荧光灯—无灯丝灯"等几代产品。

20世纪 80年代，随着电力电子变频技术的发展成熟，高频应用又促成某些更新一代电光源的诞生，从此，电力电子在绿色照明中开始占有重要的一席之地。可以说，照明技术的迅速变革，是电力电子技术在其中起了主要作用。

一个典型的例子是，紧凑型节能灯和电子镇流器的问世，吹响了以照明节能为核心的绿色照明的前奏曲。采用不同成分的稀土荧光粉可制成各种色温的气体放电节能灯，发光率比常规荧光灯提高一一倍，可以做成各种形状便干紧率安装，替代白炽灯T。可节电75%~80%采用电力电子技术做成的电子镇流器实际上是一个电子变频器（从50 Hz变换到30 kHz以上）加一个高频电感镇流器。

由于频率提高，di/dt 高，不再需要配置起辉器，在供电电压降低或环境温度较低的场合也能使灯管正常工作，此外，在几十千赫频率下消除了气体放电灯的烁和音颗噪声。 采用申子镇流器后，高频电感比工频电感重量减轻几十倍，节省材料 80%左右，灯管的实际工作寿命延长3~5倍.同时能提供更好的可靠性、更低的损耗、更高的亮度。由于电子镇流器体积小、反应快，它可以在照相机闪光灯和汽车灯等应用领域中使用。应该说，电子镇流器是电力电子高频化应用中的一个典型产品，许多的电力电子新技术——功率因数校正、谐波抑制、零电压开关、多种保护等都可以在高性能电子镇流器中得到应用而提高其可靠性和改善运行参数。

新能源开发中的电力电子技术

在全球气候变化和世界石油、煤炭等化石能源日益紧缺的今天，低耗高效和寻找开发新能源是根本出路，因而，可再生能源以及燃料电池受到世界各国的高度重视。再生能源是指可自行再生的能源，如日光能、风能、潮汐能、地热能以及生物废料能等。从燃料电池、微燃气轮机.风能，太阳能和潮汐能等新能源中得到的一次电能，难以直接被标准的电气负载使用.所以.将其高数而经济地转换为民生用电 。已成为先进科技国家兼环保和发电的重要产业政策。电力电子是解决能源问题的关键技术，它对新能源的开发、转换、输送、储存和利用等各方面发挥着重要作用。

太阳能发电站一般有两种方式。一种方式是把太阳能转换为热液体后再发电，如太阳能热电厂。由液体加热系统产生蒸汽以推动涡轮或发电机热厂中的热能位储存装置可保证连续发电;另一种方法是直接把太阳能转换为电能，太阳能光伏变频器把太阳能电池板获得的原始低电压直流电变换为所需要的交流电，或直接供负载使用，或将电能馈入市电。光伏发电有广大的市场发展潜力，先进国家不仅政策性地发展太阳能技术，而且立法制定法规来规范产业安全标准。太阳能电池板获得的电压大小和功率与许多因素有关，如太阳照射角度、云层遮挡水平、季节气候变化等，所以要对光伏发电的中间直流电压进行可调的升压变换处理。

随着再生能源技术的发展，"分布式发电系统"将得到事大的发展空间。所谓分布式发电系统是指∶借由诸如风力发电、太阳能发电.天然气发电等区域性发电系统连接而成的公共发电系统。微电子技术、电力电子技术应用于电力网络与输配电系统，形成一个智能型分布式再生能源网络。讲一步的发展是再生能源网络与信息网络结合形成个整合信自和电力网络的未来生活环境，实现电能的网络化。

光电子技术的“破茧”之路

■本报记者 胡珉琦

近日，中国科学院半导体研究所（以下简称半导体所）“半导体光电子器件及集成技术”入选了中科院“率先行动”计划第一阶段重大成果及标志性进展。

作为国家信息产业的基础技术之一，光电子技术在宽带互联网、高性能计算、智能机器人、先进制造和智慧城市等多个领域起到关键性支撑作用。它也因此成为了衡量一个国家综合实力和国际竞争力的重要标志。

认准了半导体光电子器件及集成技术是构建未来信息社会的核心和基础，半导体所在“十二五”和“十三五”期间，分别将其作为重点培育方向和重大突破方向，坚持面向国家重大需求，突破半导体光电子器件及集成技术的瓶颈，研制出自主可控核心光电子器件，以实现其在光通信、光互连、光传感等领域的典型应用。

在限制中突破

新一代信息技术、机器人、航空航天装备、新能源汽车、新材料、生物医药及高性能医疗器械等，这些中国制造重点领域都离不开一项支撑技术——激光技术。

而半导体激光器是全固态激光、光纤激光、气体激光等的泵浦源，是核心器件，不可或缺、不可替代。但我国在激光芯片方面的发展现状却是低端芯片依赖进口，高端芯片受制于人。

1996年11月开始实施的《瓦森纳协定》明确了对中国禁运的半导体激光芯片的清单，且随着技术的演进，每年清单中的器件类型、器件指标都在不停更新，旨在将中国的半导体激光器应用技术限制在低端水平。

2003年博士后研究工作结束后返回半导体所的郑婉华，只想到了一条出路——突破高性能激光芯片技术，而且必须探索一条自主发展的道路，实现换道超车。

当年她向科技部提出建议，中国应该创新发展光子晶体半导体激光器新原理与新技术，解决半导体激光面临的功率密度低、光束质量差的世界性难题。这一提议不仅获得了“863”项目的支持，后期也得到了国家自然科学基金等新项目的帮助。郑婉华团队在2006年率先在中国实现光子晶体激光的突破，中国也成为了当时实现光子晶体激光激射的少数几个国家之一。

许多半导体人都有着和郑婉华一样的境遇和经历。“限制”反而成了光电子技术突破的磨刀石。

同样艰难迎战的还有光通信芯片团队。国家宽带网络建设的核心芯片，以前主要掌握在美国、日本、韩国、丹麦及英国等国的几家企业手中，中国以进口芯片封装为主。面对国家光网络建设需求，半导体所经过10多年的技术攻关，不仅解决了光分路器及AWG芯片设计及关键工艺问题，还实现了光分路器及AWG的成果转化。如今，光分路器芯片全球市场占有率达50%以上，AWG芯片实现海外市场突破，有力保障了我国宽带网络建设芯片的自主可控，促进了我国硅基光子学器件的产业链完整性建设。

度过漫长的沉默期

光电子技术，特别是芯片技术，一头是研发，一头是制造。要从这一头走到那一头，并且稳稳地落地，常常是孤独又漫长的。

2010年，半导体所光通信芯片团队开启了成果转化之路。10年中，他们需要解决损耗均匀性、芯片良率、工艺稳定性、一致性及可靠性等一系列问题。“这些问题在半导体所基础研究中并非重点关注的问题，而在产业化中却是必须解决的。”半导体所研究员安俊明告诉《中国科学报》，为此，一款芯片需要30多次的设计优化制版、上百次的实验流片验证，才能使芯片性能达到国际同类芯片水平，与国外芯片同台竞争。

他说，团队还非常注重每个细节的芯片开发方式。“比如AWG芯片，结构中分五大部分，还有上千条波导的结合，而涉及的性能参数，每个通道就有十多个，看似千头万绪。一个参数的好坏受多方面的影响，如何准确判断问题所在？团队人员会把芯片的每一部分分别进行研究，不放过任何可能的影响因素，才使问题一步步得到解决。”

为了加快研究进度，团队想尽了各种办法。安俊明说：“我们经常会有一些方案，大家会预测结果，比如我们曾经预测第一次流片的光分路器损耗，有的说会达到10dB以下，有的说刚流片，不会那么乐观，这种打赌的方式也提升了转化速度。”

郑婉华也坦言，实验室的技术成果向市场转化的过程困难重重。

在她看来，半导体激光芯片是一个高资金投入、高密集人才、高度设备依赖的技术，如果上述问题得以克服，仍然面临实验室样品向批量化转移中的诸多工程技术难题。“因为我们先于国外开展这种高端激光芯片的批量制造，因此解决这些难题没有捷径可走，必须投入时间、人力、物力，且需要全体人员不浮躁、沉下心，一个难题一个难题攻克。”

“半导体光电子技术领域的研究工作，目前都是硬骨头工作，存在发表文章难、出成果难的问题。在人才培养方面，由于很难获得各种人才称号，我们只能以身作则，以国家需求为己任，留住人才。”郑婉华说。

壮大转化队伍

半导体所除了以基础前沿为引领来立身，同样重要的是在全面服务国家重大需求和国民经济发展中发挥不可替代的基础支撑作用。急国家和市场之所需一直是该研究所坚持的科研文化。

郑婉华表示，得益于国家、中科院“率先行动”计划和研究所在技术转移方面的优厚政策，最大化地提升了年轻人的收入水平，从而逐渐吸引了一些有理想、有抱负的博士生留下来，投入到这项事业中。

对科研人员而言，要投身转移转化，最难转变的是思维。如果思维转变不过来，再好的政策也无法推动。这就要求部分研究人员带头去从事成果转化工作，从而形成示范效应，让更多人加入这一行列。

目前，以半导体所为技术方的河南仕佳已成为国际上规模最大的光无源芯片生产企业。今年8月，河南仕佳正式在科创板上市，这也为半导体所人走在成果转化的道路上加足了信心。

值得一提的是，在这一过程中，半导体所已经形成了一支从理论分析、设计优化、工艺开发到产业化应用，完整的、训练有素的、敢于啃硬骨头的团队。也因此，半导体所承担了中科院科技成果转移转化重点专项（弘光专项）“硅基二氧化硅阵列波导光栅芯片产业化”，实现了我国数据中心及骨干网核心波分复用芯片的国产化，更加提升了科技成果转化能力。

提到团队培养的经验，安俊明表示，“我们的特色是把研究生的培养放在产业转化一线，使他们掌握的知识更接地气，他们的许多经验、教训来源于生产实践，这在研究所是无法得到的。”如此培养的年轻人，在今后从事科研的过程中，也会更注重我国光电子产业链中的难点问题、设计及开发的实用性和产业转化的可行性，更注重解决国家急需的产业化难题。

来源： 《中国科学报》

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