電能是迄今為止人類文明史上最優(yōu)質(zhì)的能源。正是有賴于對電能的充分開發(fā)和利用，人類才得以進(jìn)入如此發(fā)達(dá)的工業(yè)化和信息化社會。雖然人類在電能的產(chǎn)生、傳輸和利用方面已經(jīng)取得了十分輝煌的成就，但是如何更加合理、高效、精確和方便地利用電能，仍然是需要解決的重大問題。
電力電子技術(shù)的誕生和發(fā)展使人類對電能的利用方式發(fā)生了革命性的變化，并且極大改變了人們利用電能的觀念。在世界范圍內(nèi)，用電總量中經(jīng)過電力電子裝置變換和調(diào)節(jié)的比例已經(jīng)成為衡量用電水平的重要指標(biāo)，目前，全球范圍內(nèi)該指標(biāo)的平均數(shù)為40%，而到2010年將達(dá)到80%[1]。這就對電力電子技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。
然而現(xiàn)在電力電子技術(shù)的發(fā)展走到了十字路口，電子裝置" title="電力電子裝置">電力電子裝置的復(fù)雜性與其應(yīng)用的廣泛性間的矛盾越來越尖銳。一方面眾多領(lǐng)域需要大量使用電力電子裝置，而另一方面，電力電子裝置面向的應(yīng)用千差萬別，使得設(shè)計、生產(chǎn)和維護(hù)需要耗費(fèi)大量的人力和物力，給普及和推廣造成巨大障礙，成為電能利用技術(shù)進(jìn)步的瓶頸。
目前，國際電力電子學(xué)界普遍認(rèn)為，電力電子集成技術(shù)是解決電力電子技術(shù)發(fā)展面臨的障礙，進(jìn)一步拓展電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的最有希望的出路。
電力電子集成概念的提出有10余年的歷史，早期的思路是單片集成，體現(xiàn)了片內(nèi)系統(tǒng)(SystemOnChip—SOC)的概念，即將主電路、驅(qū)動、保護(hù)和控制電路等全部制造在同一個硅片上。由于高壓、大電流的主電路元件和其他低壓、小電流電路元件的制造工藝差別較大，還有高壓隔離和傳熱的問題，故單片集成難度很大，目前僅在小功率范圍有所應(yīng)用。而在中大功率范圍內(nèi)，只能采用混合集成的辦法，將多個不同工藝的器件裸片封裝在一個模塊內(nèi)，現(xiàn)在廣泛使用的電力電子功率模塊和智能功率模塊(IntelligentPowerModule—IPM)都體現(xiàn)了這種思想。
1997年前后美國政府、軍方及電力電子技術(shù)領(lǐng)域一些著名學(xué)者共同提出電力電子積木(PowerElectronicBuildingBlock—PEBB)的概念[1-4]，明確了集成化這一電力電子技術(shù)未來的發(fā)展方向，并將電力電子集成技術(shù)的研究推向高潮。
集成的意義
集成技術(shù)的研究決定著電力電子技術(shù)未來的興衰命運(yùn)，這一點(diǎn)可以通過與電子技術(shù)發(fā)展歷程的對比來認(rèn)識。
回顧電子技術(shù)發(fā)展的軌跡，在以集成電路為標(biāo)志的微電子技術(shù)出現(xiàn)以前，電子裝置的設(shè)計、制造和維護(hù)也曾有相似情況。微電子技術(shù)的出現(xiàn)將電子設(shè)計中最主要的難點(diǎn)和絕大部分工作量封裝在集成電路中，使裝置的設(shè)計、制造和維護(hù)難度大大降低，每一個受過普通工科高等教育的工程師都可以很容易地設(shè)計用于各自技術(shù)領(lǐng)域的電子裝置，生產(chǎn)的自動化程度大大提高。集成化極大地推廣了電子技術(shù)的應(yīng)用范圍，使其滲透到生產(chǎn)和生活中的各個方面，給眾多產(chǎn)品都打上了電子技術(shù)的烙印。應(yīng)用領(lǐng)域的拓展反過來極大推動了該項技術(shù)自身的進(jìn)步，由于得到了公眾認(rèn)可、資金技術(shù)和產(chǎn)業(yè)支持以及巨大的市場，電子技術(shù)創(chuàng)造出了如電腦、手機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、MP3播放器等諸多凝結(jié)了其全部精華的技術(shù)寵兒。
歷史常有驚人的相似，并使人從中得到啟迪。同30年前一樣，電力電子也需要從電力電子工程師所造就的象牙塔中走出來，成為從事不同行業(yè)、具備基本技能的工程師所能駕馭的有力工具。只有這樣，才能期待其更大的發(fā)展和更為輝煌的前景。而實現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑就是集成[2]。通過集成，可以將現(xiàn)有電力電子裝置設(shè)計過程中所遇到的元器件、電路、控制、電磁、材料、傳熱等方面的技術(shù)難點(diǎn)問題和主要設(shè)計工作解決在集成模塊內(nèi)部，使應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計簡化為選擇合適規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化模塊并進(jìn)行拼裝即可[3]。這一革命性的技術(shù)將使現(xiàn)在的電力電子技術(shù)領(lǐng)域分化為集成模塊制造技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)兩個不同的分支，前者重點(diǎn)解決模塊設(shè)計和制造的問題，通過多個不同學(xué)科的緊密交叉和融合攻克電力電子技術(shù)中主要的難點(diǎn);而后者解決針對各種廣泛而多樣的具體應(yīng)用將模塊組合成系統(tǒng)的問題。
隨著這一技術(shù)的發(fā)展，集成模塊的設(shè)計和制造技術(shù)將成為電力電子技術(shù)本身研究的主要內(nèi)容，而系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)則漸漸成為具備基本素質(zhì)的各行業(yè)工程師所掌握和使用的一般技術(shù)，他們會根據(jù)各自行業(yè)所針對的應(yīng)用問題來設(shè)計和實現(xiàn)分散在各種裝置中的電力電子系統(tǒng)。由此，電力電子產(chǎn)業(yè)也將出現(xiàn)分化的趨勢，集成模塊的制造將成為該產(chǎn)業(yè)的主要內(nèi)容，單純的電力電子裝置制造的份額會逐漸減少，而更多的是滲透到其他的各個行業(yè)中去了。但這并不意味著整個產(chǎn)業(yè)的萎縮，相反，由于模塊在各個不同領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，與集成電路一樣，電力電子產(chǎn)業(yè)將期待比現(xiàn)在更加蓬勃的發(fā)展。
集成技術(shù)的不同層次和形式
總的來說，電力電子裝置與系統(tǒng)的集成可以分為3個不同的層次和形式：
1)單片集成，即將電力電子電路中的功率器件、驅(qū)動、控制和保護(hù)電路都采用半導(dǎo)體集成電路的加工方法，制作在同一硅片上，體現(xiàn)了SOC(SystemOnChip——單片系統(tǒng))的概念。這種集成方式集成度最高、適合大批量、自動化制造，可以非常有效的降低成本、減小體積和重量，但面臨高壓、大電流的主電路元件和其他低壓、小電流電路元件的制造工藝差別較大，還有高壓隔離和傳熱的問題。故單片集成難度很大，目前僅在小功率范圍有所應(yīng)用，如TopSwitch等。隨著新型半導(dǎo)體材料和加工工藝的發(fā)展，將來必然向較大的功率等級發(fā)展。
2)混合集成，就是采用封裝的技術(shù)手段，將分別包含功率器件、驅(qū)動、保護(hù)和控制電路的多個硅片封入同一模塊中，形成具有部分或完整功能的、相對獨(dú)立的單元。這種集成方法可以較好的解決不同工藝的電路間的組合與高電壓隔離等問題，具有較高的集成度，也可以比較有效的減小體積和重量，但目前還存在分布參數(shù)、電磁兼容、傳熱等具有較高難度的技術(shù)問題，并且尚不能有效地降低成本，達(dá)到較高的可靠性，因此目前仍以中等功率應(yīng)用為主，并正在向大功率發(fā)展。混合集成的典型例子是IPM。在某種意義上，混合集成是在集成度與技術(shù)難度之間，根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)水平所采取的一種折衷方案，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實意義，是目前電力電子集成技術(shù)的主流方式。
3)系統(tǒng)集成，也就是系統(tǒng)級的集成，這是目前在工程技術(shù)領(lǐng)域普遍采用的集成方案，其含義是將已有的實體經(jīng)過有機(jī)的組合及拼裝形成一個完整的系統(tǒng)，在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，系統(tǒng)集成一般指將多個電路或裝置有機(jī)的組合成具有完整功能的電力電子系統(tǒng)，如通信電源系統(tǒng)等。系統(tǒng)集成是功能的集成，具有低的集成度和技術(shù)難度，容易實現(xiàn)，但由于集成度低，與獨(dú)立的裝置和電路相比，體積和重量都無法顯著降低，而且其構(gòu)成仍以分立的元器件為主，設(shè)計、制造都較復(fù)雜，不能明顯的體現(xiàn)集成的優(yōu)勢。目前，系統(tǒng)集成技術(shù)多用于功率很大、結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜的系統(tǒng)。
目前，國際電力電子學(xué)界所談?wù)摰募筛拍钜话阒竼纹珊突旌霞桑苌侔到y(tǒng)集成這一層次。
主要研究機(jī)構(gòu)
目前國際電力電子集成領(lǐng)域內(nèi)比較有影響的研究機(jī)構(gòu)有：美國電力電子研究中心(CenterforPowerElectronicSystem—CPES)[1,2]，美國康奈爾大學(xué)電氣工程學(xué)院[3]，美國阿肯色大學(xué)電力電子研究小組[5]，西班牙國家微電子研究中心[6]等。美國通用電氣(GE)公司[7]，美國國際整流器公司(IR)，德國賽米控(Semikron)公司，瑞士ABB公司等一些有實力的企業(yè)也加入其中。
CPES目前在該領(lǐng)域的研究中處于核心地位，所研究的內(nèi)容最為廣泛，產(chǎn)出的文獻(xiàn)和研究成果數(shù)量最多，在一定程度上領(lǐng)導(dǎo)著國際電力電子集成技術(shù)的主流研究方向。CPES提出的目標(biāo)是通過高密度混合集成和多層互連，將電力電子系統(tǒng)中主電路、傳感、驅(qū)動、保護(hù)、控制、通信接口等全部電路和元件都集成到一起，形成具有通用性的標(biāo)準(zhǔn)化電力電子集成模塊(IntegratedPowerElectronicModule—IPEM)，用以構(gòu)成各種不同的應(yīng)用系統(tǒng)。
國內(nèi)學(xué)術(shù)界目前已經(jīng)對電力電子集成技術(shù)引起高度重視，并形成共識，認(rèn)為應(yīng)該在政府的推動下，盡快開展我國的電力電子集成技術(shù)的研究工作。來自清華大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)的部分學(xué)者已著手從不同的角度進(jìn)行研究工作[8]，但總的來說還處于起步階段。
中國國家自然科學(xué)基金已經(jīng)批準(zhǔn)了“電力電子系統(tǒng)集成的理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”重點(diǎn)項目，由浙江大學(xué)，西安交通大學(xué)和西安電力電子技術(shù)研究所分別承擔(dān)，于2003年1月起正式啟動。國家自然科學(xué)基金項目的資助數(shù)額雖不大，但這一項目的立項具有深遠(yuǎn)的意義，標(biāo)志著我國電力電子集成技術(shù)研究的正式啟動。
主要研究內(nèi)容及現(xiàn)狀
電力電子集成模塊的電路技術(shù)和磁技術(shù)。這一部分的主要研究內(nèi)容涉及適用于集成模塊內(nèi)的具有通用性的標(biāo)準(zhǔn)化主電路、控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路、電源電路及磁性元件技術(shù)。研究的目標(biāo)是提高電路性能，降低損耗，以盡可能單一的電路方案適應(yīng)盡可能廣泛的應(yīng)用。
主電路方面的研究有用于AC/DC或DC/AC變換的軟開關(guān)電路、用于DC/DC變換的移相全橋型電路和半橋型諧振電路等[9]，如圖1、2所示。
驅(qū)動電路方面有可以降低開關(guān)噪聲的有源驅(qū)動技術(shù)等。
控制電路方面有基于DSP和EPLD的可重復(fù)編程的數(shù)字控制電路等[3,10]。
通信接口方面有基于現(xiàn)場總線技術(shù)和光纖的接口等[10,111]。
磁技術(shù)方面主要對集成磁件和電容、電感、變壓器等混合集成進(jìn)行研究。
新型電力電子器件
該領(lǐng)域主要進(jìn)行有關(guān)SiC器件和改進(jìn)Si器件工藝的研究，試圖降低器件的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗，降低發(fā)熱量，改善模塊散熱。<