电力电子技术早在1900年初就已出现,但当时很杂乱,不能称为真正的学科。1950后期~1960年,电力电子才真正成为一门学科,其催化剂是晶体管的发明,接着是大功率晶闸管和GTO(门极可关断晶体管)的出现。
70年代,随着集成电路(IC)与微处理器(Microprocessor)为代表的微电子技术的突飞猛进,人类忽然领悟到:功率器件就象人的肌肉,微处理器则是大脑。当“肌肉”与“大脑”有机地结合CONTROL ENGINEERING China版权所有,就产生了自动化工业的革命。70年代初期出现了大功率晶体管,70年代末又有功率场效应晶体管(Power MOSFET),Power MOSFET很容易做开关动作,非常好用。
80年代~90年代,机械人已普遍使用。80年代则有了另一个功率器件——绝缘栅双极晶闸管(IGBT)。IGBT是将MOS
今后的发展趋势是什么?从过去的经验可看出,电力电子学是由半导体、IC等带动起来的,今后这种带动也不例外。Silicon(硅)基器件在今后已没有什么可突破的空间了。目前研究的方向是SiC(碳化硅)等下一代半导体材料。这些新材料做成的器件导通损耗很小,而承受的电压会提高很多,承受的温度会达到150、250、300℃,估计这种新器件将在今后5~10年内出现,它的出现会产生革命性的影响。除此之外,还有个重要趋势是做成模块(IPEM, Intergrated power electronic module)。今后十年内,还会对变频调速普遍应用;电动汽车、航空航天等也一直是电力电子技术发展的推动力。
电力电子与能源利用的关系
过去100年,能源消耗从几乎没有到增长很快,能源的消耗增长对环境造成了严重的污染,如果让这个趋势继续下去,将来会造成很严重的后果,会出现能源匮乏、环保等问题。
那么电力电子在这个方面起什么作用呢?目前所有的能源中,电力方面的能源约占40%,而电力能源中有40%是经过电力电子设备的转换才到使用者手中。其中55%以上是在马达和马达控制方面,20%是照明方面。在这两个主要项目里,电力电子能产生很大的作用,如果用很好的电力电子技术去转换,人类最少可节省约1/3的能源。目前,这1/3的能源相当于840个发电厂发出的电能。由此可以看出,电力电子与环保密切相关,是环保的重点之一。预计十年后,电力能源中的80%要经过电力电子设备的转换,电力电子技术在二十一世纪将起到更大作用。
二十一世纪电力电子技术的研发重点
二十一世纪电力电子有很多发展项目,其中有一项非常重要,即怎样做电路集成、系统集成及其封装工作。举例来说,现在用的逆变器(Inverter)是将200~300个零件装配在一起,这样的做法要花很多设计时间和很多人工CONTROL ENGINEERING China版权所有,成本也很高。最近几年在工业界有一个趋势:把这个复杂系统做成模块式。这种做法有几个问题:
Wire bond可靠性差、热处理的方式不好www.cechina.cn,目前只限于低功率应用。
我们提出的方案是去掉Wire bond以增加可靠性,用三维热处理的方法改善散热www.cechina.cn,如果解决了这两个问题就可以将功率提高,从低功率(几百千瓦~一千瓦)到高功率(几十个千瓦以上)。
这是美国电力电子系统工程中心(Center of Power Electronics System,简称CPES)目前及未来很重要的研究项目。比如这是一个散热板,上面的功率半导体直接与铜箔连在一起,铜箔上有多层电路控制工程网版权所有,像多层电路板,上面有驱动电路、控制电路、保护电路、智能电路,加在一起变成模块,我们做的主要工作是集成起来,使之可以自动化大批生产。
现有的电力电子都不太自动化